永磁同步電機高壓變頻器
1概述
本文檔論述了高壓永磁同步電機變頻驅動的技術，包括變頻器原理及性能說明。
2變頻器
2.1使用環境條件
◆存儲環境溫度：：-10°C～70°C
◆運行環境溫度：0°C～40°C
◆海拔高度：海拔1000米以下（1000米以上降額運行），地震等級：7級
◆網電波動范圍：+10%~-10%
2.2變頻器性能
高壓變頻調速系統，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標。高壓變頻調速系統采用新IGBT功率器件，全數字化微機控制.
2.2.1基本性能
2.2.2.1性能參數
◆變頻器為高－高結構， 10kV直接輸出，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯移相式PWM方式；
◆變頻裝置能在下列環境濕度下正常工作:濕度不超過95%(20°C;相對濕度變化率每小時不超過5%，且不結露；運行環境溫度0°C～40°C，海拔1000米以下（1000米以上降額運行）
◆系統一體化設計，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內部連線，用戶支須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號線即可。整套系統在出廠前進行整體測試；
◆在20～99%的負載變化情況內達到或超過0.95的功率因數，并且電流諧波少，無須功率因數補償/諧波抑制裝置；
◆無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對電機沒有特殊的要求，電機不必降額使用。具有軟起動功能，沒有電機啟動沖擊引起的電網電壓下跌，可確保電機安全、長期運行；
◆變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉矩脈動小于0.1%。可避免風機喘振現象。變頻器有三組共振點頻率跳躍功能；
◆變頻裝置對輸出電纜無特殊要求，電機不會受到共模電壓和dv/dt的影響；
◆變頻器可在輸出不帶電機的情況下進行空載調試，也可在沒有高壓情況下用低壓電進行空載調試；
◆變頻系統具有故障定位及記錄功能，對于一般故障,變頻器在主界面實時發出報警信息，在系統重故障或功率單元故障時，自動彈出該畫面，顯示發生故障的種類及故障發生位置，便于使用者對故障點的排除。
◆變頻系統具有就地監控方式和遠方監控方式。在就地監控方式下，通過變頻器上的觸摸屏顯示，可進行就地人工啟動、停止變頻器，可以調整轉速、頻率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能設定、參數設定等均采用中文；在遠方監控方式下，可通過變頻器的外圍端子進行遠方人工啟動、停止變頻器，可以調整轉速、頻率并監控運行頻率和輸出電流。賣方提供的變頻裝置支撐軟件為漢化的的正版軟件；
◆變頻器高壓主回路與控制器之間為光纖連接，具有很高的通信速率和抗力，安全性好；
◆轉矩特性：0～50Hz恒轉矩特性，額定轉矩輸出，轉矩階躍響應＜200ms。50Hz以上恒功率特性，轉矩與轉速成反比下降；
◆輸出頻率0～80Hz(根據電機情況可設定)；
◆變頻器抗地震能力為7級，振動0.5G；
◆安裝、設定、調試簡便；
◆功率電路模塊化設計，維護簡單；
◆自帶冷卻風機，風機電源與控制電源分開取電，電源取自輸入側變壓器；。
◆內置PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要；
◆可靈活選擇現場遠程控制/本地控制；
◆可接受和輸出4～20mA工業標準信號；
◆磁通矢量控制技術，在磁通矢量控制模式下，變頻器控制勵磁磁通和轉矩電流，對定子電阻壓降進行自動補償，可避免低頻震蕩，自動適應負載情況。
◆可根據用戶需要內置PID調節器；
◆完整的通用變頻器參數設定功能；
◆優異的性能/價格比；
◆雙回路控制電源供電，具有外部控制電源和移相變壓器輔助繞組雙回路供電功能，在外部控制電掉電后可立即切換到內部電源供電，避免由于外部控制電源不穩造成的停機故障。
◆自制UPS電源模塊，外圍控制電源掉電后，立即切換至變頻器內變壓器備用電源供電；即使外圍控制電源及主電源同時丟失自制UPS電源模塊還能維持60秒，從而保證數據存儲及整機安全；
◆瞬時掉電再啟動功能，一般默認值為3秒；
◆飛車啟動功能：系統在不裝設轉速傳感器情況下，在電機轉動狀態變頻器可以接入；
◆中性點漂移功能：某單元有故障時可利用此功能將故障單元自動旁路并調整輸出，使三相平衡，變頻器降額運行。
◆故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機。
◆同步電機控制技術，采用VF和轉子位置定向的矢量控制技術，可實現同步電機的無速度反饋和有速度反饋兩種控制模式。
◆多機主從控制技術，變頻器具備主從控制功能，多臺變頻器之間可通過數據總線組成主從控制網絡。將其中的一臺設為主機，其他設為從機，主機實時采集各從機的狀態信息，同時發送給各從機頻率、轉矩指令，實現各臺變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術適用于皮帶機、摩擦式提升機等需要功率平衡控制的場合。
◆快速飛車啟動技術，通過實時采集電機定子電壓的頻率、幅值、相位信息，需要飛車啟動時，將變頻器的初始電壓調整為和定子電壓一致，然后在此基礎上將輸出電壓迅速調整到正常輸出。采用該技術，在變頻器受到負載沖擊保護后可對其自動復位，然后再自動啟動，即可避免重要場合變頻保護停機造成的損失。快速飛車啟動技術可實現變頻器在0.1秒之內從保護狀態復位重新帶載運行。
操作優勢
◆彩色全中文人機界面
◆人機界面采用全中文彩色7寸觸摸屏，可進行各種狀態顯示、參數設置、故障記錄查詢、歷史運行數據查詢、開停機控制等操作。
◆的現場調試模式
◆變頻器具有調試模式，單元帶有調試電源接口，可實現無高壓電調試功能。只通控制電即可實現開機運行、邏輯調試、查看輸出波形等功能。
◆準確的故障定位及記錄功能
◆所有故障均可以實現準確的故障定位和記錄，減少故障查找和維修所用的時間。
◆單元母線電壓、溫度顯示功能
◆單元內部具有母線電壓和溫度檢測功能，通過上行通信光纖將數據上傳到主控，然后再傳到人機界面，在人機界面可查看所有單元的母線電壓和散熱片溫度。
2.2.2.2保護功能
變頻器進線接線端子足夠大，便于與進線電纜連接。變頻器柜內高壓引線導體能滿足發熱的允許值（＜65℃）
變壓器在各分接頭位置時，能承受線端突發短路的動、熱穩定而不產生任何損傷、變形及緊固件松動。
每個功率單元帶兩相輸入熔斷器保護。
變頻裝置還具有以下基本保護功能：
a、過電壓保護：檢測每個功率模塊的直流母線電壓，如果超過額定電壓的115%，則變頻器保護；此保護實際上包括了對電網電壓正向波動的保護。
b、過電流保護：電機額定電流的150%（可設），立即保護。
c、過載保護：電機額定電流的130%允許1分鐘，超過則保護。
d、過熱保護：在主要的發熱元件，即整流變壓器和電力電子功率器件上放置溫度檢測，一旦超過極限溫度（變壓器130℃、功率器件80℃），則保護。
2.2.3變頻器拓撲結構
高壓變頻調速系統采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串聯而成，從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，它對電網諧波污染小，輸入諧波畸變小于3%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好，輸出電壓諧波畸變小于2%，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步/同步電機，變頻裝置（10）KV輸出，每個系統共有（24）個功率單元，每（8）個功率單元串連構成一相，其系統結構如下圖： 2.2.3.1功率單元
每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用星形折邊接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。每個功率單元結構上一致，可以互換。
系統為基本的單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋(四象限為IGBT全控整流)， IGBT逆變橋的控制方式為PWM控制，并且有自動單元旁路功能。
單元旁路功能：當某個功率模塊發生故障時，自動進行旁路，變頻裝置不停機。確保維持生產要求，大大提高系統運行的可靠性。
2.2.3.2功率柜柜內主要對功率單元進行組合，通過每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用。
2.2.3.3變壓器柜
主要包括為功率單元供電的移相變壓器，輸入側的電壓、電流檢測器件，以及溫度檢測器件溫控器。
2.2.3.4 風機
變頻器功率柜頂部和變壓器柜頂部所配冷卻風機，在變頻器運行后自動運行。風機大小和個數根據功率大小進行配置，采用優質離心冷卻風機。干式變壓器繞組底部也配有冷卻風機，由溫控儀檢測變壓器繞組溫度進行控制，當繞組溫度高于設定值（一般80°C，可設置）則起動冷卻風機進行冷卻，當低于設定溫度（一般60°C，可設置）則停止冷卻風機。
2.2.3.5控制柜
控制器采用32位高速DSP芯片，設計的算法必須保證電機達到的運行性能。彩色嵌入式人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(包括DCS/RS485//Modbus)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量。控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分可靠隔離，系統應具有的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。
2.2.3.6旁路柜，根據現場情況及要求，例舉一拖一自動旁路柜控制方案敘述如下：
2.2.3.6.1采用一拖一自動旁路控制方案
變頻/工頻自動切換:
旁路柜在變頻器進、出線端增加了兩個隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作。
旁路柜主回路主要配置：三個真空接觸器（KM1、KM3、KM4）和兩個刀閘隔離開關QS1、QS2。KM3與KM4實現電氣互鎖，當KM1、KM3閉合，KM4斷開時，電機變頻運行；當KM1、KM3斷開，KM4閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，QS1、QS2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機工頻運行時，若需對變頻器進行故障處理或維護，切記在KM1、KM3分閘狀態下，將隔離刀閘QS1和QS2斷開。
◆合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯于用戶高壓送電柜的合閘回路上。在變頻器故障或不就緒時，不允許用戶閉合現場高壓。切換為工頻時（KM4手動吸合）此信號閉合。
◆旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號直接引至控制柜外控端子。變頻運行狀態下，若變頻器出現故障或者需要將電機從變頻投入到工頻狀態運行（按下“工頻投切”按鈕），且此時切換轉換方式為自動，系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關KM1和KM3，經過一定延時后，工頻旁路開關KM4自動合閘，電機投入電網工頻運行。
◆保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
2.2.4對外標準接口
整套變頻控制裝置，包括控制柜、功率柜、變壓器柜、旁路柜等所有部件及內部連線一體化設計，需方支須連接高壓輸入、高壓輸出、控制電源和控制線即可。
高壓變頻器對外接口的具體定義如下：
1）變頻器提供的開關量
變頻器采用內置PLC，數字量配置為24點入、16點出，并且可以根據用戶的不同需求進行I/O點的擴展及參數化設計。其部分輸出定義為：
(1)變頻器就緒狀態指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件，1路，常開點，閉合有效。
(2)變頻器運行/停機狀態指示：表示變頻器正在運行，各1路。變頻運行狀態指示為常開點，節點閉合時表示為變頻器處于運行狀態；變頻停止狀態為常閉點，節點閉合時表示變頻器處于停止狀態。
(3)變頻器控制狀態指示：外控控制狀態為常開點，節點閉合表示變頻器控制權為現場遠程控制；本地控制狀態為常閉點，節點閉合時表示變頻器控制權為本地變頻器控制，各1路。
(4)變頻器報警指示：表示變頻器產生報警信號。包含柜門非法打開、變壓器超溫、控制電源掉電、給定信號斷線、單元故障等信息，1路，常開點，閉合有效。
(5)變頻器故障指示：表示變頻器發生重故障，立即關斷輸出切斷高壓。包含過壓、過流、過載、短路等信息，1路，常開點，閉合有效。
(6)電機在工頻旁路：表示電動機處于工頻旁路狀態，常開點，閉合有效。
以上為變頻器的基本輸出狀態點。
2）變頻器提供給高壓開關柜 高壓開關緊急分斷：變頻器出現重故障時，自動分斷高壓開關，1路常開點，閉合有效。
高壓合閘允許：允許將高壓開關合閘，1路常開點，閉合有效。
以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V，3A。
3）高壓開關柜提供給變頻器
高壓就緒：高壓準備就緒，為高壓開關提供的1路常開點，閉合有效。
4）變頻器提供的模擬量
變頻器可以提供4路4～20mA的電流源輸出，帶負載能力均為250Ω。分別為輸出頻率、輸出電流信號。
5）DCS提供給變頻器的開關量
a)啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。
b)停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。
c)緊急停機指令：干接點，閉合保持有效，變頻器緊急停機。
6）DCS提供給的變頻器模擬量
變頻器可提供2路4～20mA電流源輸入，其輸入可根據用戶不同的要求進行定義，滿足用戶多方面的需求，可定義為給定頻率、給定轉速、壓力反饋等。
7) 通訊協議
默認通訊協議為MODBUS通訊協議，通訊接口為RS485接口。若需要其他通訊協議，請注明。3 永磁同步電機控制方案
同步電機與普通異步電機運行上主要的區別是：同步電機運行時，電樞電壓矢量與
轉子磁極位置之間的夾角δ（功率角）必須在0～90°范圍內變動，否則將導致失步。因此，同步電機變頻調速時必須時刻控制δ在允許的范圍內變動，而且在同步電機起動時應采取和異步電機不同的方式。同步電機相對于異步電機來說，的劣勢就是存在失步現象，這也是制約同步電機應用變頻裝置的主要原因。
我公司所提供的同步電機變頻器具備VF控制、有感矢量控制和無感矢量控制三種控制
方式。其中，有感矢量控制需要在電機軸端增加位置式編碼器，編碼器型號由我公司。VF控制適合于控制精度不高、啟動力矩要求不大、負載變化較穩定場合；無感矢量控制適合于控制精度較高、啟動力矩較大、負載變化較大的場合，但它需要嚴格的電機模型參數；有感矢量控制適合于控制精度高、啟動力矩大、負載變化大的場合，不需要任何電機參數。從同步電機啟動困難、易失步特點考慮，有感矢量控制是保障的控制方案。
3.1. VF控制方式
3.1.1 同步電機啟動
變頻器向同步電機的電樞繞組施加一定的直流電壓，產生一定的定子電流。此時，在同步電機上產生一定的定子電流，并在定子上建立較強的磁場。轉子在定、轉子間電磁力的作用下開始轉動，使轉子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。
變頻器按照電機正常運行時的轉動方向，緩慢旋轉其施加在電樞繞組上的電壓矢量。隨著同步電機轉子的轉動和定子磁場的旋轉，轉子磁極將在某一時刻掠過定子的異性磁極，或者轉子磁極加速追上旋轉的定子磁極。此時，電機的轉子磁極被較強的定子磁極可靠吸引，二者間的角度經過少量有阻尼的振蕩后，逐漸趨于一個較小的常量。至此，同步電機進入同步運行狀態，整步過程完成。
變頻器按照預先設定的加速度，調節輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機的轉子角逐漸拉大到某一常值，然后電機轉子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動過程完成。另外，VF值選擇需要經過多次整定，可能為多段VF。
3.1.2同步電機調速
變頻器啟動完成后，可根據給定頻率，按照VF對應電壓值改變輸出電壓頻率、幅值，執行調速。同步電機調速瞬間，氣隙合成磁場和轉子勵磁磁場間功率角δ會變動。同步電機功率角δ在運行期間不能變化過大，尤其不能讓δ>90°，這樣同步機將進入不穩定狀態。因此，同步電機變頻調速時，頻率變化速率減小，這樣有利于系統工作穩定。
3.1.3 同步電機正常停機和故障停機
在正常停機時，變頻裝置驅動同步電機至停機轉速，然后停止變頻裝置輸出即可。運行期間若變頻裝置外系統出問題，需要緊急停機，可以直接跳開高壓側輸入開關QF。若變頻裝置系統出問題要緊急停機時，變頻裝置立刻停止輸出，通過故障信號跳開高壓側輸入開關。由于同步電機的主磁通無法突變，在阻尼繞組上感應出很大電流，此時旋轉中的同步電機定子端會出現較高的三相交流電壓。因此，變頻裝置的輸出端應具有在停機狀態下，抗短時過電壓的能力。
3.2 有感矢量控制方式
3.2.1 同步電機啟動、停機及故障急停
變頻器需要在同步電機空載時對其編碼器轉向以及轉子磁極位置做辨識，辨識完畢后將數據記錄到EEPROM中，以后不必再次辨識。
同步電機啟動時，變頻器控制系統根據編碼器反饋的轉子位置，直接在該等效角度上輸出電壓，電機逐漸轉動，進入同步。
變頻器按照預先設定的加速度，速度給定逐漸加到給定頻率。變頻器采用電流環和速度環雙環控制，逐漸驅動同步電機加速至期望轉速，同步電機起動過程完成。
同步電機調速、停機、故障急停等與VF控制相同。
3.2.2 有感矢量控制思路
同步電機采用改進的空間矢量磁場定向控制策略，控制系統采用速度環和電流環雙閉環結構，電流環采用PI調節器，實現簡單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環采用PI調節器，能有效地限制動態響應的超調量，加快響應速度。系統采用轉速、電流雙閉環調速系統；系統全數字式的關鍵是電流環數字化，就是把數模混合式變頻系統中的模擬電流環，采用數字方式加以實現，其核心提高電流環的處理速度，達到或接近模擬電流環的響應速度。根據目前的微處理器DSP、A/D器件的水平，可以滿足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制軟件的優化。良好的系統硬件和軟件設計是使研制的系統達到實用化的保證，在滿足性能要求的基礎上，必須充分利用硬件資源，提高集成度降低硬件成本，達到產品化的目標。 矢量控制系統的解耦, 速度給定ω與速度反饋相減得出速度誤差，速度誤差經PI調節后輸出轉矩電流給定iq，id勵磁電流給定是根據系統的動態需要進行調整其值根據不同的電機和負載得出的經驗值，電機三相電流反饋iu、iv、iw經傳感器采樣，然后再根據轉子位置電氣角度theta進行Clarke變換，變換后輸出ialpha、ibeta, ialpha、ibeta經Park變換輸出id、iq，id、iq值與給定值iqref、idref求誤差,進行PI調節后輸出Vq、Vd, 電壓矢量和轉子位置電氣角度theta經過Park逆變換Clarke逆變換輸出電機定子三相電壓Uu、Uv、Uw值，三相電壓Uu、Uv、Uw值作為PWM（脈寬調制）的比較值比較輸出PWM波形到逆變器然后驅動電機旋轉。
整個系統的控制原理框圖如下圖所示。 有感矢量控制原理圖
3.3 無感矢量控制方式
3.3.1 參數辨識
在靜止狀態下辨識出定子電阻Rs，直軸電感Ld，交軸電感Lq。可由動態辨識，或是由電機銘牌獲取電機額定反電勢。
3.3.2 無感矢量控制原理
無感矢量控制的關鍵是通過電機定子側的電壓和電流估算出轉子位置和速度。估測器采用的模型參考自適應（MRAS）算法。
一個模型參考自適應系統包含著兩種模型，分別為參考模型和可調模型，這兩個模型有著相同物理意義的輸出量，不同的是參考模型不含待估參數，而可調模型含有對應的待估參數。其基本思想為：參考模型與可調模型的輸出和狀態性能指標通過反饋比較器得到誤差方程，構造合適的自適應律，使得可調模型的控制對象能夠跟隨參考模型的動態響應，從而實現自適應實時調節。
模型參考自適應框圖
無感矢量控制原理圖
