1 概述
異步機變頻調(diào)速已得到廣泛的應(yīng)用。變頻器的花樣種類繁多，變頻器的供應(yīng)商們?yōu)榱送其N自己的產(chǎn)品，都大力宣傳自己的優(yōu)點，其他產(chǎn)品的缺點，使人眼花繚亂。變頻器的應(yīng)用者在選用時經(jīng)常提出許多如何合理應(yīng)用及方案比較的問題，變頻器的開發(fā)者在方案論證時也常提出產(chǎn)品定位及前景方面的問題。作者根據(jù)自己多年來在該領(lǐng)域中的體會，就下面幾個問題談?wù)勛约旱目捶ā?
各種產(chǎn)品，只要它們在市場上站得住腳，就必然有它們各自的優(yōu)點和缺點。市場是無情的，如果都是缺點，該產(chǎn)品必然被淘汰，若都是優(yōu)點它必然淘汰別人。作者希望通過本論壇引起討論，去掉商業(yè)炒作，還事物以本來面目。以下均為個人看法，僅供參考。涉及一些價格，均為做方案比較用的價格，不是實際購物價格，不涉及商業(yè)行為。
(1) 大功率節(jié)能調(diào)速的合理電壓等級
大中功率風(fēng)機和泵采用變頻調(diào)速可節(jié)約大量電能，大部分功率在0.2-2MW范圍內(nèi)。我們現(xiàn)在200KW以上的電機多是中壓，電壓等級多為10KV，少量為6KV。選用10KV“直接”變頻，從技術(shù)和經(jīng)濟角度看都不合理。所有的“直接”變頻都不是真正的直接變頻，在其輸入側(cè)都有變壓器，因此電機和變頻器沒有必要和電網(wǎng)電壓一致。本文討論不同功率段的合理電壓等級。
(2) 高性能調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制和直接力矩控制
高性能調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制發(fā)明于70年代末，商品化于80年代，至今仍然為多數(shù)公司所采用。直接力矩發(fā)明于80年代后期，部分公司采用，商品化于90年代初，被廣泛宣傳為新一代技術(shù)。本文介紹作者對這兩種系統(tǒng)的看法。
(3) 有速度(位置)傳感器和無速度(位置)傳感器系統(tǒng)
在矢量控制和直接力矩控制系統(tǒng)開發(fā)的初期都要求裝設(shè)速度(位置)傳感器(編碼器)。有些場合安裝編碼器困難，所以又開發(fā)出無速度(位置)傳感器系統(tǒng)，它的性能不如前者，但優(yōu)于V/f開環(huán)系統(tǒng)。現(xiàn)在有些宣傳說，無編碼器系統(tǒng)的低速起動性能已達到有編碼器系統(tǒng)水平，此提法有模糊之處。本文討論什么時候應(yīng)裝編碼器，何時可以不裝編碼器。
2 大功率節(jié)能調(diào)速傳動的合理電壓等級
大中功率風(fēng)機和泵采用變頻調(diào)速可節(jié)約大量電能，大部分功率在200-2000KW范圍中。我們現(xiàn)有的交流電動機200KW是個界限，200KW以下是低壓380V，200KW以上為中壓:3KV、6KV和10KV。電力部門從減小線損的角度出發(fā)，希望提高供電電壓，3KV已取消，6KV正在淘汰中，大力推行10KV，將來還可能提至20KV。用戶從簡化配置出發(fā)，很自然的提出要求，希望200KW以上的電機和變壓器也都采用10KV，不幸這合乎情理的要求技術(shù)上實現(xiàn)困難，經(jīng)濟上價高，因為:
A． 10KV電機從制造角度并不困難，但隨著電壓升高，絕緣等級提高，電機重量和價格也增加，以YJS系列4極560KW電機為例:380V重3.6T，價11萬;6KV重3.9T，價15萬;10KV重4.4T，價20萬。
B． 受電力電子器件電壓及電機允許的dv/dt限制，10KV變頻器必須多電平，多器件串聯(lián)。造成線路復(fù)雜，價格昂貴，可靠性差。對于10KV變頻器若使用1700V IGBT器件，需10串，三相共120支器件。若使用3300V器件，也需5串共60支器件，數(shù)量巨大。另一方面電流小，器件的電流能力得不到充分利用，仍以560KW為例，10KV電機電流僅40A左右，現(xiàn)1700V的IGBT電流已達2400A，3300V器件電流達1600A，有大電流器件不采用，偏要用大量小電流器件串聯(lián)，極不合理。即使電機功率達2000KV，電流也只有140A左右，仍很小。
為了電平隔離，改善輸入電流波形及減小諧波，現(xiàn)在所有的中壓“直接變頻”器都不是真正的直接變頻，其輸入側(cè)都裝有輸入變壓器，這種安排短時間內(nèi)不會改變。既然輸入側(cè)有變壓器，變頻器和電機的電壓就沒有必要和電網(wǎng)一樣，非用10KV和6KV不可，因此就有了變頻器和電機的合理電壓等級問題。另外，過去電機中低壓的200KW分界是考慮電機直接起動，起動電流7-8倍額定電流，10KV/380V電力變壓器容量2000KVA，短路阻抗6%左右，電機起動時380V母線壓降限制在5%左右而定的。再加大變壓器，短路電流太大，低壓開關(guān)難以承受。采用變頻器調(diào)速后，起動電流被限制在額定值內(nèi)，中低壓分界條件也應(yīng)隨之變化。現(xiàn)在660V低壓電機容量已達1000-1200KW，它也為討論合理電壓等級提供了基礎(chǔ)。
本文分析合理電壓等級的出發(fā)點是:
A． 低壓變頻器采用1200V或1700V IGBT，器件額定電流小于1800A-2400A，并聯(lián)數(shù)不大于2。并聯(lián)再多實現(xiàn)麻煩，就不如改為多電平串聯(lián)，中壓變頻。
B． 中壓變頻采用器件種類及電壓等級很多，相應(yīng)線路方案也不同。本文基于目前市場上流行的產(chǎn)品，它們是基于1700V IGBT的分離直流電源多重化(H橋串聯(lián))方案(SDM)及基于3300V，4500V和6000V的IGBT或IGCT或IEGT三電平方案(THL)。
文獻[1]對合理由電壓等級進行了分析，這里不再重復(fù)，只把幾點看法列于下面:
A．800-1200KW以下的變頻調(diào)速宜選用380V或660V電壓等級。它線路簡單，技術(shù)成熟，可靠性高，dv/dt小，價格便宜。仍以560KW電機為例，630KW 660V的低壓變頻器約50萬，而同容量2300V的中壓變頻器約90萬。實現(xiàn)的方法有低-低，低-高，高-低和高-低-高等幾種形式。由于電機、變壓器的價格遠低于變頻器，即使更換電機、變壓器也合理。
B．1000-1500KW以上的調(diào)速可以用中壓變頻
國外的中壓變頻器有多個電壓等級:1.1KV，2.3KV 3KV 4.2KV 6KV，它們主要由電力電子器件的電壓等級所確定。在THL中器件不串及SDM中橋不串聯(lián)情況下，器件電壓與變頻器電壓間的關(guān)系示于表1。
表1 在不串聯(lián)情況下，器件電壓與變頻器電壓間的關(guān)系
器件電壓(V) 1700 3300 4500 6000
變頻器電壓(KV) 1.1 2.3 3 4.2
目前器件最高6000V，在不串情況下變頻器最高電壓4.2KV。6KV變頻器必須串聯(lián)，線路復(fù)雜，器件多，可靠性受影響。國外很少做6KV變頻器，10KV基本不做。從原理上說SDM通過H橋單元串聯(lián)，變頻器輸出電壓不受器件電壓限制，可以較高，但提高電壓的代價是器件大量增加，可靠性降低。對于同樣輸出功率的變頻器，使用較高電壓較多單元串聯(lián)所花的代價大于用較低電壓，較少數(shù)量，電流較大單元的代價，也就是說在器件電流允許條件下應(yīng)選用盡可能低的電壓等級。
許多應(yīng)用場合都要求旁路功能，即在變頻器故障時將電機旁路，直接接入電網(wǎng)恒速工作。為降低變頻器造價，電機電壓低于電網(wǎng)電壓后，如何旁路是一個需要解決的問題。這問題可以解決，對于不同的變頻器旁路方法不同，變頻器的旁路指在變頻器出現(xiàn)故障時將電機直接接入電網(wǎng)，恒速工作。如果電機電壓和電網(wǎng)電壓一致，旁路不成問題。為了降低變頻器造價，電機電壓低于電網(wǎng)電壓后，如何旁路，是這里所要討論的問題。
如果采用低壓變頻，變頻器輸入交流電壓與額定輸出電壓一樣，電機可以繞過變頻順直接接低壓380V或660V電源。
如果采用THL中壓變頻，可以把輸入變頻器兩副邊串聯(lián)起來向電機供電，參見圖1。當(dāng)三個轉(zhuǎn)換開關(guān)接“1”時，變頻器工作;當(dāng)三個開關(guān)接“2”時旁路，輸入變壓器的兩組副邊線電壓各等于1.5Vm/2（Vm為電機額定輸入電壓），并互差300，把它們串起來后電壓為1.5Vm cos150=1.01Vm，正好供電機恒速工作。
如果采用SDM變頻器，輸入變頻器副邊太多，無法通過改變接線來旁路變頻器，只能旁路出故障的單元，經(jīng)觸點將故障單元輸出短路，單元中IGBT封鎖。在這類變頻器設(shè)計時已考慮了旁路單元的工況。如果一定要旁路變頻器，只能另加一臺備用降壓變壓器，這對于在一個電網(wǎng)上掛有多套變頻器時是合理的。
設(shè)計旁路電路時需注意校驗電機直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩。例如變壓器短路阻抗為6%，容量為1.1倍變頻器容量，電機起動電流為7倍，則電機起動電壓為0.72Vm，起動轉(zhuǎn)矩為0.52倍額定起動轉(zhuǎn)矩，它應(yīng)大于負載轉(zhuǎn)矩。若起動轉(zhuǎn)矩不夠，只能加大變壓器容量或選用小短路阻抗變壓器。
3 高性能調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制和直接力矩控制
調(diào)速系統(tǒng)的任務(wù)是控制速度，速度通過轉(zhuǎn)矩來改變，調(diào)速系統(tǒng)的性能取決于轉(zhuǎn)矩控制的好壞，矢量控制(VC)和直接力矩控制(DTC)的任務(wù)都是實現(xiàn)高性能轉(zhuǎn)矩控制，它們的速度調(diào)節(jié)部分相同。
異步機的轉(zhuǎn)矩等于磁鏈矢量和定子電流矢量的矢量積。磁鏈不能直接測量，需要通過定子電壓電流及電機參數(shù)算得。
由于定子電壓電流都是交流量，處理起來較麻煩，所以在VC控制系統(tǒng)中，借助于坐標變化，把它們變成dq坐標系的直流量，計算得到的控制量再經(jīng)反變換變回交流坐標軸系去產(chǎn)生PWM信號。為了在高速和低速均能取得好的性能，必須用電壓電流兩個模型，涉及到電機參數(shù)較多。
在DTC系統(tǒng)中用交流量直接計算力矩和磁鏈，然后通過力矩、磁鏈兩個Band-Band控制器產(chǎn)生PWM信號，省去了坐標變換。在研制DTC的初期沒有考慮低速運行工況，并以定子磁鏈為基礎(chǔ)，涉及電機參數(shù)只有Rs一個，因此DTC的供貨商大力宣傳DTC計算簡單，涉及電機參數(shù)最少，精度高等。實際上在考慮低速運行工況后，DTC也必須引入電流模型，也要用到轉(zhuǎn)子磁鏈，涉及的電機參數(shù)和VC一樣多，所以精度也一樣。DTC沒坐標變換，計算公式簡單，但為了實現(xiàn)Band-Band控制，必須在一個開關(guān)周期中計算很多次，要求計算速度快，以ABB公司的ACS600系列為例，它的計算周期是25μs。在VC中測量電壓電流在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值，然后一周期計算一次，對計算速度要求低，以Siemens公司的6SE70系列為例，他計算周期是400μs，相差16倍。矢量變換計算只不過4個乘法和兩個加法，以現(xiàn)在處理器的能力看，它算不了什么。另外以定子磁鏈為基礎(chǔ)也不是DTC的專利，有的VC系統(tǒng)也以定子磁鏈為基礎(chǔ)。根據(jù)產(chǎn)品樣本，ACS600(DTC)轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)時間是5ms，6SE70(VC)也是5ms，再快的響應(yīng)機械也受不了。
有人認為，DTC利用磁鏈幅值的Band-Band控制得到近似圓形磁場，磁鏈幅值的波動會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動，而VC是連續(xù)控制，磁鏈幅值不變，無轉(zhuǎn)矩波動。
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