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高压变频器质量判断的十个要点

供稿:中国工控网 2017/10/13 10:20:21

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  • 关键词: 高压变频器
  • 摘要:本文对判断高压变频器质量的10个要点进行了详细阐述,供参考。

一、发展概况简述

  变频器问世已近30年,中国的变频器发展也有20年的时光,变频器具有如下特点:

1、调速性能好,调速范围广。输出功率从0~400Hz,通用型,0~120Hz,水泵风机调速精度高0.1%,因频率分辨率是0.1%且是无级调速,用矢量控制时精度可达0.01%,速度的稳定性好,被设定值不变,动态响应快10~30ms级等优点。所以问世后几乎取代过去一切的调速系统——直流调速、滑差调速、串级调速、绕线式转子内反馈调速等方法。

2、节电率较高。一般至少可达10%,甚至40~50%,看负载类型及使用的工况运行参数,以及实施节电方法与措施,有关运行参数的设定等。

正因为上述两大突出的优点,所以变频器每年以20%的递增率在发展着,到目前国外使用普及率高达80~85%,国内使用普及率达25~30%,这是节能降耗、低碳排放、增加效益、减少成本、提高产品质量、是想电气化的有效手段和方法,预估以后20年仍不会衰减,具有强大的生命力,发展前景十分美好。

二、产品的技术品位

  变频器的技术品位的高低是逐步发展而成型的,随着使用要求的提高及技术的发展,器件的品质,功能的扩展,自动化技术的进步而逐步前进的。一般判断产品的质量有以下十个要点是首先要考虑的,如下:

1、变频器的控制方式

控制方式是决定变频器性能的首位,它取决于软件编程技术。随着时代的前进,技术发展,变频器控制方式有:

(1)V/f=C属开环控制;

(2)SVPWM空间电压矢量控制,属开环控制;  

(3)矢量控制VC,属闭环控制,有电流I,磁通φ,转矩T,转速n四种;一般内环是φ、T、I任选一种,外环是n(或w)。

(4)直接转矩控制DTC属闭环控制,在n=0时可有400%Te,以上四种常用的。

2000年后国外出现无反馈装置的变频器,即不需要另外加装传感器或编码器,利用变频器在工作时的电流、电压、磁通、转速变化,通过检测、解耦等器件装置,反馈到输入端    详见图1、表1、表2。自问世后深受用户欢迎和青睐,主要是方便使用,功能不亚于有速度传感器反馈装置的变频器。目前高压变频器控制方式以A、B两种为多数。无反馈装置在试制中,C处于研发中。

2.独特的几种变频器的控制方法

(1)优化PWM矢量控制

正弦脉宽调制SPWM具有电路简单、线性度好的优点,但输出电压不高,最大线性输出电压幅值仅为输入电压的/2=0.866,其实质是相电压控制法。优化PWM矢量控制模式采用双调制过程,即三角波相位预及调制信号(0~50Hz)的幅值共同调节来控制IGBT的开关工作状态,方法是通过开关角α(30°~60°)及调制深度α=正弦波幅值/三角波幅值<0.95。特点是总谐波电流损耗小,脉动转矩小。当α=0.92~0.95时,谐波损耗最小,尤其当载波频率较低时,能充分显示出其优越性,表现为输出电压提高约20%,谐波减小,但信号波调制深度与开关角之间的线性度受到影响。随着α加大电压受控性变小,但总谐波电流失真THD值仍较小,因此常被选用。

(2) PWM的调制方法控制

①同步调制

在一个调制信号周期内包含三角波的个数不变,在改变信号周期的同时成比例改变载波周期,使≥3,且必须是奇数。在开关频率较低时,可以保证输出波形的对称性,但在较低频率时,载波数量显得稀疏,从而产生电流波形脉动谐波加大,因此只适用在f>20Hz频率段工作,目前的V/F方式即如此。

②异步调制

调制信号周期变化的同时载波周期仍保持不变,即,这种调制特点是在低频工作时对减小谐波损耗及转矩脉动大有改善,适用f<20Hz低频工作段。   

③随机调制

按调制信号的周期及输出的电压值,能自动选择调制方式与调制深度a及开关角α,以适应工作频率变动幅值较大、负载转矩或功率变动大及有冲击性的闭环系统。这种调制方式是从根本上解决SPWM在低频工作段存在先天不足,即转矩变小、转矩脉动、谐波较大的缺点,但软件技术上有一定难度,几乎国内外没有这类调制方式的产品。近

(3)按电动机U型特性曲线与V/f配合方式的控制

按电动机U特性曲线与V/f配合的控制方式——众所同知,V/f控制是静态的调压,即当f一定时,电压也一定了,它没有按电动机负载率β的大小进行最佳控制。日本AREX公司10年前获得世界公认的超能士节能控制器,多了一个环节,可按实际的负载率β来自动搜索(通过专用集成电路),输出最小的工作电压和最小工作电流(U形特性曲线),因此是最节电的,比一般变频器在相同工况条件下,能多节电8%~10%,而且cos,是个动态调功控制器,特别适用风机、水泵类负载。在节能运行时,效果特好,早期产品为SMX系列,近年为扩大使用范围,适用调速需要,新品种为VMX系列。后来日立J300系列变频器在节能运行时也有此功能。电动机的U形特性曲线见图2。

(4)模糊控制方式

模糊控制(FUZZY)

此方式按电动机参数及运行状态,通过模糊控制方法控制,特别适用通用单片机如8031等为CPU的场合应用,模糊控制软件简化不要数学模型,又可对多变量实时控制,随机变量能达一定精度要求,在冰箱、空调、洗衣机、微波炉等家电应用较广。当然模糊控制也适用变频器的控制,如Vacon变频器就采用模糊电流矢量控制(见图3)。

(5)自整定(电动机参数在线测量控制)

(6)最近有绿色无谐波问世

3.未来发展的几种控制方式

(1)智能型控制方式:

①以变频器、电动机、负载(风机、水泵等)的三个效率乘积最大为依据,通过模糊控制技术后,输入到变频器,见结构框图4(北京四方方圆)。

②加装无源滤波器,主要消除5次、7次的逆序谐波,使变频器的THD%指标值低于谐波标准,几乎接近为零,这样cosl,真正实现无谐波绿色变频器的愿望。

③最后效果。在不同的负载率条件下,系统效率高达90%以上,采用先进的滤波技术,使输出谐波含量低于国家标准。功率因数达到0.96以上,动态响应时间不大于30ms,总之在相同工况条件下,能够多节省电量10%以上。

(2)双PWM型控制方式

当今电压型交一直一交的主电路应用十分广泛,SPWM调制仅用在逆变器部分,而整流器是三相不可控的。因输入有谐波存在,cosφ也较低,损耗较大,对电网有一定影响。随着变频器的广泛应用,对电网的谐波污染问题又提到议事日程,经专家研讨,认为采用双PWM控制,即整流桥也采用可控IGBT的SPWM方法是有效的。从理论分析cosφ=1,无谐波,有绿色变频器的美称,并能实现回馈再生制动。双PWM变频器结构见图5。

(3)采用矩阵开关控制方式——指逆变器DC/AC变换器采用矩阵开关方式。矩阵变频器具有cosφ可调,无中间直流环节,输出电压幅值、相位和频率可调等优点,具有良好的变频能力,输入cosφ≈l,输出电流波形好,谐波小,矩阵变频器是一种直接交一交变换。开关器件为全控器件SCR控制方式为斩控方式。交一交变频器则采用移相控制SCR实现交流电流与交流电动机之间功率直接变换,可实现能量双向流动。变频效率高,但存在输出工作频率低的缺点,它与双PWM性能类似。日本富士2010年已有产品可供,用于高速电梯为主MXT型,属PG矢量控制,精度模拟量输入在最高速时±0.1%,数字量输入±0.005.监测PG是脉冲编码器有转矩/速度指令、自整定功能、距离推测。THD<5%、cosφ>0.99损耗降1/3,原有的电介大电容、交流电抗器、滤波器都不要。

(4)采用软开关控制方式——指逆变器DC/AC变换器以接通在电压U=0,断开在电流I=0的状态下进行。这样IGBT功率损耗最小,理想值为零,结温最低,大大减少工作过程的发热量,使散热器及风量减少到最小程度,使容量可大大提高。

4.功率模块

  即逆变器DC/AC变换使用器件,它是变频器的重要的组成部分,其模块的质量对变频器至关重要,其器件的价值要占变频器总价值的50%左右,所以值得引起制造厂及用户的关注,是理所当然的。目前低压或高压变频器常用功率模块有IGBT、IGBT一HV、IGCT、SGCT、IEGT、SiC等。在这个问题上要注意如下:

(1)模块的封装型式有单个(中,大功率)或IPM、PIM组合方式。

(2)使用的安全系数,电压3~5倍的额定电压,电流3~5倍的额定电流,这样静态工作时器件负担小,动态工作时亦有足够的裕量,确保使用具有较大的安全可靠性,这点在国外的产品中是这样的,所以主电路的功率模块,损坏率几乎为零,然而国内的电压只有2~3倍额定电压,电流2~3倍额定电流。这时静态工作时亦没事,但动态工作时,往往因安全系数偏小,造成器件损坏可能性就高了,约为2~3%,特别是高压变频器,电压高3kV、6kV、10kV电流亦较大,而IGBT采取串、并联连接方式,这时必须关心静态均压及动态均压的方式,使用电阻、电容器的耐压、电流、功率值安全系数过小了,不但引起保护电路器件的损坏,在国内IGBT多数只是封装,尤其高电压、大功率的器件,多数是国外引进的。如美国IR公司(国际半导体公司、德克萨斯公司等)。日本的东芝、三菱、日立公司等。德国的西门子、西门康。中国的英飞凌公司等。一般大公司的品牌产品,可靠性高、信誉度好、可放心使用。事实确也如此,古人云:“不怕不识货,只怕货比货”的论断。

5.整流模块

即AC/DC整流用,虽然较简单,但亦存在上述应该的注意点。

6.微处理器

  或称CPU是变频器的核心器件,其重要性不喻可知,好比是人体的大脑和心脏至关重要。过去国产变频器多数选用美国Intel公司16位的87C196MC为主,另有日本日立HD6433037F、MB90F462、MB6475328F10东芝的等。德国相对较少些。近几年一般不用专用IC芯片,ASIC而改用信号微处理器,一则货源多,二则价位低,三则性能更好,四则是32位的其抗干扰能力更强,传输速度更快,实时性好,信息量更大,例美国德克萨斯公司的TMS320F206芯片等,这也是评判变频器质量的重要指标之一,是当之无愧的事。

7.在交一直一交变频器主电路中,滤波电容器亦是关键器件之一,它亦是易损器件之一,正常寿命3~5年。

当电容器的容量≤85%时,使用中发现膨涨、漏液、过温(外壳发黄)时,必须更换,否则影响使用,表现直流电压变小,不稳定,带负载后输出力矩变小,不稳定 ,这都与电容器质量有关,过去多数制造厂采用德国或日立的电介电容器,但价格较贵,现选用中国南通海立牌质量不错,价位适中,是中日合资生产的,颇受欢迎。

8.制造的工艺性

相同的电路结构,相同的元器件质量。由于制造工艺性不到位,亦要影响产品质量,表现为故障多,特别是高压、大电流、大功率的变频器,工艺性亦是很重要的表现如下:

(1)相间、对地的安全距离。

(2)铜排比铝排好,铝易氧化,导电率小,易发热过温,结点接触不良。

(3)连接螺栓要用发蓝或镀锌的防氧化。

(4)大电流的螺栓要用力矩扳手,按规定扭矩紧固,必要时连接处贴温度测试片,以测量实际温度,预防松动,定期检查。

(5)大电流的铜牌或铝排采用双叠形结构,以减少分布电感量,对减少杂散损耗,稳定工作参数都有利的。国外不少厂商已采用。

(6)散热器、通风机要定期除尘、通风道的分布合理性与否。    ‘

(7)插接件国外都选用涂银或涂金的。而国内往往是涂锌或纯铜的,这样容易氧化,尤其在湿热、高温使用环境中更应注意的,主电路的接线端子亦要注意的。

9.印刷板PCB的质量

  印刷板亦是重要质量的一部分,目前多数的厂商都采用贴片元件SMT组装、波峰焊接、个别的还有分离元件手工焊接的。使用中印刷板的孔化空尤为重要,否则易造成使用中,因温度升高,孔化空接触不良,以致正反面空洞间、中间断裂亦有发生。印刷板要选用环氧树脂的或ABS工程塑料的基板,线条要光滑、粗细匀称、边缘无毛刺,要经镍融处理,表面光亮平整,印刷板二面要喷涂一层防潮涂液,特别湿热的环境中应要有防潮处理,通风机入口处要干燥处理的。国内一般都是双面板,国外有三层、甚至四层板的。

10.稳定和可靠是首位

  变频器的控制电路和其它的电子电路一样,都是低电压、毫安级电流,因此是较为娇弱的,为保证其稳定和可靠地工作,对工作环境、温度、湿度都有一定要求,并要加强定期维护,是十分关键的事,故不可粗心大意,造成事故的恶化、扩大,因小失大,后果不堪设想,造成重大损失(例IGBT烧坏,整流二极管烧坏,电动机烧坏诸似此类事故的产生,到那时就后悔莫及,真是“早知今日,何必当初”也。

  关于先进技术与稳定可靠的关系是辩证的统一,因此我们在选用变频器时,不要一味追求先进的电路,先进的控制方式为主导思想,实际只要满足使用要求,电路越简单越好,要以稳定和可靠为首位,只要适用,价格亦低的原则,能简就简为主导,不要贪大求洋,只要进口名牌,国产变频器现在亦不错,旦具有价格较低,维修方便,服务周到,配件易购,随叫随到,一呼就应,不误生产,优势很多,为发展民族工业的振兴,从制造走向创造,我们共同努力吧!

审核编辑(王静)
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