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高压变频器技术
高压变频器技术
可行性研究报告
编写日期:
2014年11月
一、技术领域及研发必要性分析
1.1技术相关
技术名称:
高压变频器技术
持有人:
1.2高压变频器技术发展现状
由于功率器件耐压、高压变频调速产品技术难度大、技术含量高等问题,高压变频器目前还没一种成熟的、统一的调速方案。
在多种高压变频器调速方案中,按高压组成方式有高—低一高型和直接高压型;根据有无中间直流环节来分,可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。
在交-直-交变频器中,按中间直流滤波环节的不同,又可分为电压源型和电流源型。
国外许多大型集团公司对高压变频器的开发研究很重视,尤其对风机泵类负载电动机的高压变频装置的开发更是如此。
经过多年的发展,国外高压变频器调速装置取得了很多进步,但尚未形成统一的拓扑结构。
目前,最常见的中高压变频器类型有:
单元串联多电平型(即功率单元级联多电平型)、三电平型、电流源型。
国外最具代表性的产品有:
德国SIEMENS公司的IGBT作为功率器件的直接串联三电平方式;美国ROBICON公司的IGBT单元串联多电平方式;美国AB公司的SGCT电流型;瑞典ABB公司的IGCT直接串联三电平方式。
其中,美国罗宾康(ROBICON)公司采用单元串联多重化技术,产生出完美无谐波中高压变频器,无需输出变压器实现了直接3.3KV或6KV高压输出;首家在高压变频器中采用了IGBT功率开关器件。
输入功率因数可达0.95以上,THD<1%,总体效率高达97%。
在国内,中高压变频器是一种新兴技术产品,国外产品虽然价格昂贵,但在市场上仍占有支配地位。
国内品牌市场占有率低,并且产品档次低。
目前,国内的品牌有利德华福、佳灵等。
其中,北京利德华福技术有限公司制出了功率单元串联多电平方式高压变频器,成都佳灵公司采用了IGBT直接串联型高压变频器。
由于在我国大量使用的风机,水泵等负载对动静性能要求不高,所以多数采用了V/f控制,随着技术的发展,V/f开环控制也在根据需要不断的改进。
变频调速是目前世界公认的理想节电调速技术。
但是,中高压变频器还没有大规模的在工厂企业中得到应用。
中国变频器市场在过去几年里保持着12%-20%的增长。
所以,变频器市场将有巨大的发展潜力。
1.3技术必要性分析
随着微电子技术的发展,微型计算机性能的不断提高,交流变频调速系统已经向全数字化控制系统发展。
上世纪80年代初期出现的数字信号处理器(DigitalSignaJProcessing,简称DSP),在控制系统中得到广泛应用。
DSP通常采用哈佛结构,将程序存储空间与数据存储空间分开,并且各自拥有自己的数据总线和地址总线;采用流水线技术,使得指令处理的平均速度大大提高;内部增设专门的硬件乘法器,并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接,从而实现高速连续进行乘法和累加运算。
用数字控制技术改进电机控制性能,提高其运行效率,对能源日益紧缺的今天有着重大的意义。
国际一些知名公司,如TI、ADI和Microchip等公司纷纷推出了面向电机控制的专用DSP芯片,不但具有DSP的结构特点,还将单片机的控制功能融合到一起,内部集成了适用于电机控制的丰富的外围电路,如多通道A/D转换器、三相或单相可编程PWM发生器、定时计数器电路、异步通信电路、CAN总线收发器等。
用其设计电机数字控制系统,能方便地组成一个高性能的嵌入式的解决方案,缩短设计开发周期,降低开发成本,节省电路板空间。
二、内容与可行性分析
2.1技术基本原理
2.1.1高压变频器拓扑结构分析
2.1.1.1三电平电压源型拓扑结构
三电平电压源型中高压变频器的典型结构如图1.1所示。
当输出电压较高时,为了避免器件串联引起的动态均压问题,同时降低输出谐波和du/dt,改善输出波形质量,其逆变器部分通常采用中点钳位方式(NeutralPointClamped,NPC),也称为三电平方式。
图示电压源型高压变频器的输入端采用12脉冲整流,两个三相全桥串联。
直流回路采用电容储能,逆变器桥由高压IGBT或IGCT组成三电平式电路,中心点用二极管钳位。
其中Cl和C2上的电压为E。
图1.1三电平电压源型高压变器的典型电路原理图
由图1.1可见三电平高压变频器逆变桥的一个桥臂中,Val和Va3互补,Va2和Va4互补。
从表1-1看,任何时候都不会出现两个器件同时导通或者同时关断的情形,所以不存在器件串联的均压问题。
表1-1二级管钳位的A桥臂三电平生成表
假设每个整流桥整流输出电压为E,两个整流桥的串联点为参考电位点,根据Val-Va4四个器件的开关状态变化,每组输出对中点Z的电位可为+E、0、-E共三个状态,所以称为三电平,如图1.2所示,相应另一相对中点Z的电位也是+E、0、.E三个状态,两个相电压相减后形成的线电压将有+2E、+E、0、-E、-2E共五个电平状态。
图1.2三电平输出的相电压及线电压
常规的三电平电压源型高压变频器,一般采用12脉冲全波整流,网侧电压谐波含量一般超过5.9%,网侧电流谐波含量超过8.8%,这类变频器若不采用滤波器,将不能满足IEEE标准的要求。
输出侧线电压为5电平波形,电压跳变台阶为一般的直流母线电压,du/dt较大,谐波失真达到29%,电流失真可以达到17%,如果不加滤波器,不能直接用于常规电动机。
为了实现能量反馈和改善网侧电能指标,现在有一些三电平变频器输入侧采用可控PWM整流,输入谐波低,输入功率可调,电动机调速动态性能较高,但系统的成本大大增加。
三电平电压源型高压变频器具有如下特点:
●输入一般采用12脉冲整流方式,对谐波要求严格时仍需要进行谐波抑制;
●输出侧的谐波含量较高,du/dt较大,仍需要滤波器,否则影响电动机的绝缘;
●受器件耐压水平限制,目前出现的最高输出电压只能到4.6kv,有些变频器通过内置变压器升压,可以提供6kv输出。
●三电平电压源型高压变频器主回路器件发生故障时,只能停机;
●当电动机电压和网侧电压不等时,不便于系统旁路;
●整流变压器与变频器的整流电路部分连线不多,整流变压器可以独立于变频器而分开放置。
三电平电压源型高压变频器由于输出电压不可能太高,主要的应用范围为一些特种领域,如轧钢机、轮船驱动、机车牵引、提升机等,这些领域的电动机都是特殊定制的可以不是标准电压。
三电平电压源型高压变频器的更大发展有赖于更高耐压的功率器件的出现。
2.1.1.2单元串联多电平高压变频器的基本结构
单元串联多电平高压变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压输出,输入侧的降压变压器采用移相方式,可有效消除对电网的谐波污染,输出侧采用多电平正弦PWM技术可适用于任何电压的普通电机,该方案由美国罗宾康公司在20世纪90年代中期提出,因为每个功率单元结构完全一致,所以将其称为对称单元串联多电平变频器。
功率单元串联多电平高压变频器的典型结构图如图1.3所示。
图1.3功率单元串联多电平高压变频器的典型结构图
单元串联型多电平高压变频器采用多个独立的低压功率单元串联来实现高压输出,在这种方式中,高电压不是直接输出的,而是通过若干单元的输出串联后叠加得到的。
这样对于每个功率单元来说,不必承受高压,可以采用低压的功率器件。
其主电路包含移相整流变压器和功率单元两大部分。
移相整流变压器采用多重化设计,它在设备中主要有三个功能:
一是将输入高压变成低压,从而可以用低压的电力电子器件直接逆变而无需串联;二是起到高压和低压问以及低压各绕组间相互绝缘的作用,从而使得各低压单元的输出可以直接相串联而无需担心短路和环流问题;三是可以通过将低压各绕组移相,达到移相多重化整流的目的,从而使输入电流谐波急剧减小,变频器对电网基本上没有干扰。
移相整流变压器各二次绕组在绕制时采用延边三角形接法。
相互之间有固定的相位差,形成多脉冲整流方式,使得变压器二次侧各绕组(即功率单元)的谐波电流互相抵消,不反映到高压侧,从而大大改善了网侧的电流波形,基本消除了变频器对网侧的谐波污染。
功率单元是整台变频器实现变压变频输出的基本单元,变频器的变压变频功能是通过单个功率单元实现的,每个功率单元都相当于一台交.直.交电压型单相输出的低压变频器。
功率单元整流侧用二极管三相全桥进行不可控全波整流,中间采用电解电容滤波和储能,该逆变电路为四只IGBT组成的H桥,提供单相等幅的交流PWM波形输出电压。
功率单元电路结构如图1.4所示:
图1.4功率单元电路原理图
通过控制桥臂上四只IGBT的导通、关断,可以得到三种不同的电平E、O、-E,开关状态如表1-2所示:
表1-2H桥逆变器三电平状态表
6KV单元串联的高压变频器的总体输出侧的电压叠加示意图如图1.5所示:
总高电压输出由每个功率单元的A、B相输出串联而得到的。
对于n级串联的系统,相电压有2n+1个电平,线电压有4n+1个电平,du/dt很小,每个功率单元提供1/n的输出电压,1/3n的输出功率。
图1.56KV电压叠加不恿图
每一相输出的相电压,是Ⅳ个功率单元输出电压的串联叠加,即:
(1.1)
单元串联多电平高压变频器具有以下特点:
●电流谐波小,对电网没有谐波污染,无需谐波抑制装置;
●输入功率因数高,网侧不需要调节功率因数补偿装置。
●输出阶梯正下弦PWM波形,可直接适用于任何电压的普通电动机。
不需任何的滤波装置。
●在某个功率单元在出现故障时,可降额运行,不停机。
●输出电压可达到3KV、6KV、10KV等高电压等级。
2.1.2单元串联型高压变频实验系统
由于单元串联多电平的拓扑具有对电网污染小,功率因数高及输出波形好等优点,对于在风机、水泵等不需要四象限运行的场合应用,非常具有竞争力。
本课题所要开发的高压变频控制器正是应用于采用这种拓扑的高压变频实验系统。
技术开发阶段,实验室试验装置按6kV/22kW设计,工业现场运行装置按6kV/400kW设计。
2.1.2.1系统组成
整个实验系统由高压柜、移相变压器柜、变频柜、控制柜四大部分组成。
6kV电源经高压柜,加到移相变压器的原边,移相变压器的18套580V副边绕组,分别给变频柜中的18个功率单元供电。
同时,考虑到系统运行的可靠性,高压柜内设置了旁路切换功能,当变频器系统正常时,图2.6中旁路切换断开,变频系统投入运行。
当变频器系统有故障时,断开变频器开关,由断路器经旁路切换给电机供电,电机脱离变频系统继续运行,变频器系统处于检修状态。
变频柜中,6组功率单元串联连接构成一相,三相共18个功率单元,形成Y连接结构。
其中每个功率单元的额定电压为580v,相邻功率单元的输出串联起来,使得变频器的额定相电压为3480v,线电压为6000v,每个功率单元承受全部的输出电流,但只提供1/6的相电压和1/18的输出功率。
控制柜提供系统的控制信号。
高压变频器系统框图如图1.6所示:
图1.6高压变频器系统框图
2.1.2.2移相变压器
整流电路的多重联结有并联多重联结和串联多重联结。
单元串联多电平高压变频器采用的是移相串联多重联结,通常采用二极管不可控整流电路。
利用变压器二次绕组接法的不同,构成相位互差一定角度但大小相等的电压,用以加在整流桥上,可降低谐波含量。
本系统中,移相变压器实行多重化设计,18套副边绕组,采用延边三角形连接,分为6个不同的相位组,互差100电角度,形成36脉动的六重化二极管整流电路结构,总的输入功率因数基本上可以保持在0.95以上。
2.1.2.3功率单元
功率单元是整台变频器实现变频输出的基本单元,每个功率单元都相当于一台交.直.交电压型单向输出的低压变频器。
其拓扑结构如图1.7所示。
功率单元包括六个部分,分别为主回路、电压变换单元、开关电源、检测板、光纤接口板和驱动电路。
图1.7功率单元主电路及其框图
主回路中,整流部分采用二极管不可控整流,能量不能回馈电网。
整流之后的滤波装置为电容,可以提供电机所需的无功功率。
逆变器采用4个IGBT模块组成,由SPWM控制。
电压变换单元主要完成以下功能:
其一,将进线电压AC580V变为AC220V,作为开关电源供电;其二,将三相AC580V电压变为三相四线的AC220V,供检测板作为缺相检测;其三,预充电控制。
当主回路AC580V电源一上电,由于Cl、C2、C3的电压不能突变,使得功率单元直流母线在得电瞬间相当于短路。
为了防止此种现象出现,在电路中增加充电电阻。
主回路得电后,电阻R投入运行,电压变换环节在一段时间后,即C1、C2、C3上充电完毕后,控制KM接触器得电使电阻R短路。
驱动板负责发出IGBT驱动信号,和反馈回故障信号。
本系统采用了CONCEPT公司的智能Scale驱动模块驱动IGBT。
同时,使用Scale模块进行IGBT短路和过流保护的检测工作。
在用IGBT构成的逆变器发生负载短路或同一桥臂出现直通现象时,电源电压直接加到IGBT的C、E两极之间,流过IGBT的集电极电流将会急剧增加,此时若不迅速撤除栅极驱动信号,就会烧坏IGBT。
由于IGBT的通态饱和压降Vce(sat)与集电极电流Ic呈近似线性关系,所以IGBT的过电流保护可以采用检测集电极电压的方法实现。
CONCEPT公司的Scale模块具有短路和过电流保护功能及电源监测功能;驱动信号、供电电源和功率部分完全隔离,并含有隔离状态确认信号;有两种驱动模式可选:
直接模式和半桥模式,对于已含有死区的驱动信号可选用直接模式,选用半桥模式则加入死区驱动功率器件,死区时间在100ns到几个微秒之间通过外接RC电路可调;信号延迟时间典型值为300-350ns,适合于高达100kHz的开关频率驱动。
Scale智能驱动模块应用简单,适用范围广,可靠性高,是一种性能很好的智能驱动模块。
驱动板通过Scale智能驱动模块,可以完成接收光纤接口板送来的驱动信号驱动IGBT,并反馈回故障信号等功能。
电压检测板检测直流母线电压,并形成过压、弱过压、欠压信号;缺相检测缺相故障;过温检测检测每个单元温度状况,超过一定值时,进行过温保护动作。
光纤接口板通过光纤和脉冲扩展板进行光纤通信,接收来自电压检测板、缺相检测、过温检测及驱动板的信号。
2.1.2.4控制柜
所有的控制板器件均安装于控制柜中,整个控制系统是高压变频器的核心,整个高压变频控制系统主要由高压变频系统控制器,触摸屏和PLC三大部分组成。
高压变频系统控制器主要负责系统数据采集和处理,包括完成模拟量输入输出、开关量输入输出、调速控制算法实现、18组SPWM脉宽实时计算及分配等功能。
触摸屏用于人机交互控制,PLC作为系统故障信号显示、电源显示等辅助控制。
系统控制单元和功率单元间采用光纤通讯,很好的解决了功率单元对控制单元的干扰问题。
其中,高压变频系统控制器是本系统的研究对象。
2.2技术内容
功率单元串联型高压变频系统是一个较复杂的控制系统,该系统涉及到物理信号的采集(包括负载电流信号、电压信号)、变频调速控制算法实现、18组SPWM脉宽计算及分配和通讯等多种功能。
2.2.1高压变频控制器总体结构设计
本单元串联型高压变频系统包括高压柜、移相式变压器柜、变频器柜(功率单元柜)及控制柜。
其中,所有的控制信号来自于控制柜。
整个系统中,控制部分是核心,其框图如图2.1所示。
其中高压变频控制器为本课题的研究对象,主要功能有接收外部的信号、实现变频调速算法、计算SPWM脉冲宽度、将脉冲分配输出到各功率单元和人机交互等功能。
在主控系统与各个功率单元之间采用的通信介质采用光纤,将SPWM信号送入功率单元中的驱动模块。
采用光纤通信可以起到强电和弱电隔离的作用,并且抗电气信号和强电干扰能力强。
图2.1控制部分框图
由于本变频装置系统的结构为,单相由6个功率单元串联输出,3相共有18个功率单元。
故高压变频控制器需要在完成变频调速控制的基础上,依据载波水平移相SPWM调制技术原理计算并发送18组SPWM脉冲分别控制18个功率单元,实现输出可调的叠加电压。
整个控制器的计算量大,输出脉冲数多。
虽然现推出了众多款专门用于电机的控制芯片,但目前的微控制芯片还不能实现单片控制芯片输出18组SPWM脉冲输出的功能,故本课题将高压变频控制器设计为由两部分构成:
一部分用于中心数据处理,变频调速算法实现;另一部分用于计算并分配18组脉冲。
用于中心数据处理,实现变频调速算法的部分,采用DSP来完成。
DSP以其执行指令的快速性、强大的计算能力和丰富的外设等优点,可以满足系统控制性能的要求。
在后面的内容中,将这一部分称为DSP中心控制板。
用于计算并分配18组脉冲的这一部分,在后面的内容中我们将其成为脉冲扩展板。
本系统采用6片专门针对电机控制而设计的单片机构成脉冲扩展板。
其中,一片单片机控制一串功率单元的三相输出。
系统由6串功率单元构成,故6片单片机分别控制6串,达到输出18组SPWM脉冲的要求。
此设计的优点有以下几点:
第一,专门针对电机控制而设计的单片机内部具有PWM脉冲模块,可以依据载波水平移相SPWM的原理方便的完成独立计算和输出SPWM信号的任务,从而大大减少了DSP中心控制板的计算量,提高数据处理的快速性;第二,采用单片机构成脉冲扩展板,每一片控制芯片可以独立完成控制一串三相功率单元,从而大大的减少了器件的使用量,有效的节约了成本。
第三,这种结构使N片控制芯片分别控制N串功率单元,简化了脉冲扩展板结构,有利于系统扩展。
DSP中心控制板和脉冲扩展板之间的传输采用CAN总线。
高压变频控制器结构图如图2.2所示。
图2.2中心控制板结构图
2.2.2中心控制板硬件设计
2.2.2.1DSP控制器
由于本系统是多控制算法高速运行的系统,要求执行指令快速性、AD采样的快速性还要具有适合电力电子控制的各种外设模块。
据系统需求,本系统选取了TI公司的TMS320F2812作为核心控制器。
TMS320F2812是美国德州仪器公司最新研制的数字信号处理器,面向自动控制、工业自动化的一款有片内FLASH、工作频率达到150M的32位DSP。
TMS320F2812最高主频150MHz,保证了处理信号的快速性和实时性。
TMS320F2812采用经典的哈佛总线结构,利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间数据转移。
程序读总线有22根地址线和32根数据线,数据线读写数据都是32位,这种多总线结构使得它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据,同时它也采用了指令流水线技术,使得信号的处理速度明显提高。
单个的TMS320F2812芯片有18KRAM,128KFLASH,16通道的PWM,16通道的12位ADC,3个定时器,通讯接口有CAN、McBSP、SPI、2个SCI,充分保证了通讯的方便。
本设计的DSP中心控制板框图如图2.3所示:
设计中关于DSP的接口电路有:
4路模拟量输入,第一路为输入模拟量给定,给定频率输入;第二、三路为A相电流测量及C相电流测量输入,A相电流测量和C相电流测量用于电流分解计算;第四路为测量绕组电压值,为电网电压检测值。
由于TMS320F2812内部集成12路A/D转换模块,所以这四路信号经过隔离转换电路,可以直接进入DSP进行A/D转换。
节省了外部A/D电路的搭建。
5路开关量输入,分别为:
高压合闸信号,故障信号,电机启动信号,电机停止信号以及复位信号。
3路开关量输出,分别为:
控制系统重故障信号,控制系统轻故障信号及运行信号。
3路模拟量输出,其功能为将电网电压、转速显示和电流显示信号分别输入至三只显示表上。
CAN总线接口,主要功能是将DSP与脉冲扩展板之间用CAN总线连接进行通讯。
图2.4为A/D隔离电路,输入信号经过IS0124芯片隔离输入输出。
图2.3DSP中心控制板框图
图2.4A/D隔离电路
2.2.2.2脉冲扩展板
前面已经叙述过脉冲扩展板的设计思想,它所要实现的主要功能有三个:
第一,利用CAN总线接收来自DSP的数据;第二,根据载波移相的原理和DSP传送的数据计算SPWM脉宽;第三,将计算好的数据通过光纤传送给功率单元的驱动模块。
综合以上因素考虑,这里采用Microchip公司推出的电机控制芯片dsPIC30F4011作为构成脉冲扩展板的基本单元。
Microchip公司推出的dsPIC30F4011数字信号控制器既拥有16位闪存单片机功能,强大的外围设备和快速中断处理的能力的高性能,配备自编程闪存,并能在工业级温度和扩展级温度范围内工作。
本设计采用的dsPIC30F4011具有40引脚,48KBFLASH,5个定时器,4个输入捕捉,6路电机控制PWM,9路10位A/D转换通道,2个串行通信ElUART,1个串行SPI接口,1个I2C接口,一个CAN总线接口1311。
可以满足系统对SPWM输出和通讯模块的要求。
根据载波水平移相SPWM的原理可知,每串的载波移相角度有明确的计算方法,对计算精度的要求较高。
由于设计采用6片dsPIC30F4011实现对6串的控制,所以每片dsPIC30F4011中的载波的设置应按照载波水平移相SPWM原理的要求,并且6片dsPIC30F4011应以相同的速度进行脉宽计算。
为了满足控制上的这种要求,这里将6片dsPIC30F4011设计为共用同一个晶振,使6片dsPIC30F4011时钟同步,采用6M晶振为芯片提供时钟基础,6片dsPIC30F4011的复位控制设计为一个为总复位开关,负责6片芯片的同时复位,另外每个芯片还具有单独的复位开关,可分别进行复位控制。
图2.5为脉冲扩展板中单片dsPIC30F4011原理图。
6串串联的脉冲扩展板由6个同样的单元组成。
图2.5脉冲扩展板dsPIC30F4011单元原理图。
在控制板和功率单元之间的通讯介质采用光纤,脉冲扩展板将计算出的SPWM信号通过光纤传送给功率单元,光纤接口如图2.6所示:
图2.6光纤输出接口
当PWM5AX有信号输出,为高电平时。
NAND(与非门)的输入端均为高电平,输出端为低电平。
则GTR的基极b为低电平,GTR不能导通。
那么,+5V电经过电阻Rx后,导通HFBR-1521中的发光二极管。
使其输出光信号发给光纤接口板。
当PWM5AX没有信号输出,为低电平时。
NAND(与非门)的输入端1为高电平,2为低电平,输出端为高电平。
则GTR的基极b为高电平,GTR导通。
那么,+5V电经过电阻Rx后,流过GTR后接地。
Rx的选取按照下述原则:
HFBR-1521是一种通用的电光转换器,它内部有500Ω的上拉电阻,它的典型电压为0.4V,最高电压为0.5V。
典型电流为8mA:
(2.1)
R内很小,可以忽略,上式变为:
(2.2)
(2.3)
于是得出Rx=120Ω。
2.2.2.3CAN总线接口
CAN-bus(ControllerAreaNetwork)总线最早由德国Bosch公司提出,主要用于汽车内部单元与控制中心之间的数据通信。
由于其良好的性能,被广泛应用于其他领域中,如工业自动化、汽车电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和安防消防等诸多领域,并取逐渐成为这些行业的主要通讯手段。
现场总线CAN-bus的特点:
●国际标准的工业级现场总线,传输可靠,实时性高;
●传输距离远(无中继时最远10Km),传输速率快(最高1Mbps);
●单条总线最多可接ll0个节点,并可方便的扩充节点数;
●总线上各节点的地位平等,不分主从,突发数据可实时传输:
●非破坏的总线仲裁技术,可多节点同时向总线发数据,总线利用率高;
●出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系,不影响总线的通讯;
●报文为短帧结构并有硬件CRC校验,受干扰概率小,数据出错率极低;
●对未成功发送的报文,硬件有自动发功能,传输可靠性很高;
●具有硬件地址滤波功能,可简化软件的协议编制;
●通讯介质可用普通的双绞线、同轴电缆或光纤等;
●CAN-bus总线系统结构简单,性
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