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永磁同步电机高压变频器
1概述
本文档论述了高压永磁同步电机变频驱动的技术，包括变频器原理及性能说明。
2变频器
2.1使用环境条件
◆存储环境温度：：-10°C～70°C
◆运行环境温度：0°C～40°C
◆海拔高度：海拔1000米以下（1000米以上降额运行），地震等级：7级
◆网电波动范围：+10%~-10%
2.2变频器性能
高压变频调速系统，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标。高压变频调速系统采用新IGBT功率器件，全数字化微机控制.
2.2.1基本性能
2.2.2.1性能参数
◆变频器为高－高结构， 10kV直接输出，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式；
◆变频装置能在下列环境湿度下正常工作:湿度不超过95%(20°C;相对湿度变化率每小时不超过5%，且不结露；运行环境温度0°C～40°C，海拔1000米以下（1000米以上降额运行）
◆系统一体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，用户支须连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可。整套系统在出厂前进行整体测试；
◆在20～99%的负载变化情况内达到或超过0.95的功率因数，并且电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；
◆无需滤波器变频器就可输出正弦输出电流和电压波形，对电机没有特殊的要求，电机不必降额使用。具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行；
◆变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。可避免风机喘振现象。变频器有三组共振点频率跳跃功能；
◆变频装置对输出电缆无特殊要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响；
◆变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在没有高压情况下用低压电进行空载调试；
◆变频系统具有故障定位及记录功能，对于一般故障,变频器在主界面实时发出报警信息，在系统重故障或功率单元故障时，自动弹出该画面，显示发生故障的种类及故障发生位置，便于使用者对故障点的排除。
◆变频系统具有就地监控方式和远方监控方式。在就地监控方式下，通过变频器上的触摸屏显示，可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能设定、参数设定等均采用中文；在远方监控方式下，可通过变频器的外围端子进行远方人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率并监控运行频率和输出电流。卖方提供的变频装置支撑软件为汉化的的正版软件；
◆变频器高压主回路与控制器之间为光纤连接，具有很高的通信速率和抗力，安全性好；
◆转矩特性：0～50Hz恒转矩特性，额定转矩输出，转矩阶跃响应＜200ms。50Hz以上恒功率特性，转矩与转速成反比下降；
◆输出频率0～80Hz(根据电机情况可设定)；
◆变频器抗地震能力为7级，振动0.5G；
◆安装、设定、调试简便；
◆功率电路模块化设计，维护简单；
◆自带冷却风机，风机电源与控制电源分开取电，电源取自输入侧变压器；。
◆内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；
◆可灵活选择现场远程控制/本地控制；
◆可接受和输出4～20mA工业标准信号；
◆磁通矢量控制技术，在磁通矢量控制模式下，变频器控制励磁磁通和转矩电流，对定子电阻压降进行自动补偿，可避免低频震荡，自动适应负载情况。
◆可根据用户需要内置PID调节器；
◆完整的通用变频器参数设定功能；
◆优异的性能/价格比；
◆双回路控制电源供电，具有外部控制电源和移相变压器辅助绕组双回路供电功能，在外部控制电掉电后可立即切换到内部电源供电，避免由于外部控制电源不稳造成的停机故障。
◆自制UPS电源模块，外围控制电源掉电后，立即切换至变频器内变压器备用电源供电；即使外围控制电源及主电源同时丢失自制UPS电源模块还能维持60秒，从而保证数据存储及整机安全；
◆瞬时掉电再启动功能，一般默认值为3秒；
◆飞车启动功能：系统在不装设转速传感器情况下，在电机转动状态变频器可以接入；
◆中性点漂移功能：某单元有故障时可利用此功能将故障单元自动旁路并调整输出，使三相平衡，变频器降额运行。
◆故障单元热复位技术，若单元在运行中故障，且变频器对其旁路继续运行，此时可在运行中对故障单元进行复位，不必等变频器停机。
◆同步电机控制技术，采用VF和转子位置定向的矢量控制技术，可实现同步电机的无速度反馈和有速度反馈两种控制模式。
◆多机主从控制技术，变频器具备主从控制功能，多台变频器之间可通过数据总线组成主从控制网络。将其中的一台设为主机，其他设为从机，主机实时采集各从机的状态信息，同时发送给各从机频率、转矩指令，实现各台变频器的功率平衡和综合控制。该技术适用于皮带机、摩擦式提升机等需要功率平衡控制的场合。
◆快速飞车启动技术，通过实时采集电机定子电压的频率、幅值、相位信息，需要飞车启动时，将变频器的初始电压调整为和定子电压一致，然后在此基础上将输出电压迅速调整到正常输出。采用该技术，在变频器受到负载冲击保护后可对其自动复位，然后再自动启动，即可避免重要场合变频保护停机造成的损失。快速飞车启动技术可实现变频器在0.1秒之内从保护状态复位重新带载运行。
操作优势
◆彩色全中文人机界面
◆人机界面采用全中文彩色7寸触摸屏，可进行各种状态显示、参数设置、故障记录查询、历史运行数据查询、开停机控制等操作。
◆的现场调试模式
◆变频器具有调试模式，单元带有调试电源接口，可实现无高压电调试功能。只通控制电即可实现开机运行、逻辑调试、查看输出波形等功能。
◆准确的故障定位及记录功能
◆所有故障均可以实现准确的故障定位和记录，减少故障查找和维修所用的时间。
◆单元母线电压、温度显示功能
◆单元内部具有母线电压和温度检测功能，通过上行通信光纤将数据上传到主控，然后再传到人机界面，在人机界面可查看所有单元的母线电压和散热片温度。
2.2.2.2保护功能
变频器进线接线端子足够大，便于与进线电缆连接。变频器柜内高压引线导体能满足发热的允许值（＜65℃）
变压器在各分接头位置时，能承受线端突发短路的动、热稳定而不产生任何损伤、变形及紧固件松动。
每个功率单元带两相输入熔断器保护。
变频装置还具有以下基本保护功能：
a、过电压保护：检测每个功率模块的直流母线电压，如果超过额定电压的115%，则变频器保护；此保护实际上包括了对电网电压正向波动的保护。
b、过电流保护：电机额定电流的150%（可设），立即保护。
c、过载保护：电机额定电流的130%允许1分钟，超过则保护。
d、过热保护：在主要的发热元件，即整流变压器和电力电子功率器件上放置温度检测，一旦超过极限温度（变压器130℃、功率器件80℃），则保护。
2.2.3变频器拓扑结构
高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，输入谐波畸变小于3%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，输出电压谐波畸变小于2%，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步/同步电机，变频装置（10）KV输出，每个系统共有（24）个功率单元，每（8）个功率单元串连构成一相，其系统结构如下图： 
2.2.3.1功率单元
每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用星形折边接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。每个功率单元结构上一致，可以互换。
系统为基本的单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥(四象限为IGBT全控整流)， IGBT逆变桥的控制方式为PWM控制，并且有自动单元旁路功能。
单元旁路功能：当某个功率模块发生故障时，自动进行旁路，变频装置不停机。确保维持生产要求，大大提高系统运行的可靠性。
2.2.3.2功率柜柜内主要对功率单元进行组合，通过每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以输出电缆长度很长，电机不需要降额使用。
2.2.3.3变压器柜
主要包括为功率单元供电的移相变压器，输入侧的电压、电流检测器件，以及温度检测器件温控器。
2.2.3.4 风机
变频器功率柜顶部和变压器柜顶部所配冷却风机，在变频器运行后自动运行。风机大小和个数根据功率大小进行配置，采用优质离心冷却风机。干式变压器绕组底部也配有冷却风机，由温控仪检测变压器绕组温度进行控制，当绕组温度高于设定值（一般80°C，可设置）则起动冷却风机进行冷却，当低于设定温度（一般60°C，可设置）则停止冷却风机。
2.2.3.5控制柜
控制器采用32位高速DSP芯片，设计的算法必须保证电机达到的运行性能。彩色嵌入式人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(包括DCS/RS485//Modbus)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量。控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分可靠隔离，系统应具有的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。
2.2.3.6旁路柜，根据现场情况及要求，例举一拖一自动旁路柜控制方案叙述如下：
2.2.3.6.1采用一拖一自动旁路控制方案
变频/工频自动切换:
旁路柜在变频器进、出线端增加了两个隔离刀闸，以便在变频器退出而电机运行于旁路时，能安全地进行变频器的故障处理或维护工作。
旁路柜主回路主要配置：三个真空接触器（KM1、KM3、KM4）和两个刀闸隔离开关QS1、QS2。KM3与KM4实现电气互锁，当KM1、KM3闭合，KM4断开时，电机变频运行；当KM1、KM3断开，KM4闭合时，电机工频运行。另外，KM1闭合时，QS1、QS2操作手柄被锁死，不能操作。
电机工频运行时，若需对变频器进行故障处理或维护，切记在KM1、KM3分闸状态下，将隔离刀闸QS1和QS2断开。
◆合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号串联于用户高压送电柜的合闸回路上。在变频器故障或不就绪时，不允许用户闭合现场高压。切换为工频时（KM4手动吸合）此信号闭合。
◆旁路投入：将变频器“旁路投入”信号直接引至控制柜外控端子。变频运行状态下，若变频器出现故障或者需要将电机从变频投入到工频状态运行（按下“工频投切”按钮），且此时切换转换方式为自动，系统将首先分断变频器高压输入、输出开关KM1和KM3，经过一定延时后，工频旁路开关KM4自动合闸，电机投入电网工频运行。
◆保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。
2.2.4对外标准接口
整套变频控制装置，包括控制柜、功率柜、变压器柜、旁路柜等所有部件及内部连线一体化设计，需方支须连接高压输入、高压输出、控制电源和控制线即可。
高压变频器对外接口的具体定义如下：
1）变频器提供的开关量
变频器采用内置PLC，数字量配置为24点入、16点出，并且可以根据用户的不同需求进行I/O点的扩展及参数化设计。其部分输出定义为：
(1)变频器就绪状态指示：表示变频器已待命，具备启动条件，1路，常开点，闭合有效。
(2)变频器运行/停机状态指示：表示变频器正在运行，各1路。变频运行状态指示为常开点，节点闭合时表示为变频器处于运行状态；变频停止状态为常闭点，节点闭合时表示变频器处于停止状态。
(3)变频器控制状态指示：外控控制状态为常开点，节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制；本地控制状态为常闭点，节点闭合时表示变频器控制权为本地变频器控制，各1路。
(4)变频器报警指示：表示变频器产生报警信号。包含柜门非法打开、变压器超温、控制电源掉电、给定信号断线、单元故障等信息，1路，常开点，闭合有效。
(5)变频器故障指示：表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压。包含过压、过流、过载、短路等信息，1路，常开点，闭合有效。
(6)电机在工频旁路：表示电动机处于工频旁路状态，常开点，闭合有效。
以上为变频器的基本输出状态点。
2）变频器提供给高压开关柜 高压开关紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断高压开关，1路常开点，闭合有效。
高压合闸允许：允许将高压开关合闸，1路常开点，闭合有效。
以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220V，3A。
3）高压开关柜提供给变频器
高压就绪：高压准备就绪，为高压开关提供的1路常开点，闭合有效。
4）变频器提供的模拟量
变频器可以提供4路4～20mA的电流源输出，带负载能力均为250Ω。分别为输出频率、输出电流信号。
5）DCS提供给变频器的开关量
a)启动指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器开始运行。
b)停机指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器正常停机。
c)紧急停机指令：干接点，闭合保持有效，变频器紧急停机。
6）DCS提供给的变频器模拟量
变频器可提供2路4～20mA电流源输入，其输入可根据用户不同的要求进行定义，满足用户多方面的需求，可定义为给定频率、给定转速、压力反馈等。
7) 通讯协议
默认通讯协议为MODBUS通讯协议，通讯接口为RS485接口。若需要其他通讯协议，请注明。3 永磁同步电机控制方案
同步电机与普通异步电机运行上主要的区别是：同步电机运行时，电枢电压矢量与
转子磁极位置之间的夹角δ（功率角）必须在0～90°范围内变动，否则将导致失步。因此，同步电机变频调速时必须时刻控制δ在允许的范围内变动，而且在同步电机起动时应采取和异步电机不同的方式。同步电机相对于异步电机来说，的劣势就是存在失步现象，这也是制约同步电机应用变频装置的主要原因。
我公司所提供的同步电机变频器具备VF控制、有感矢量控制和无感矢量控制三种控制
方式。其中，有感矢量控制需要在电机轴端增加位置式编码器，编码器型号由我公司。VF控制适合于控制精度不高、启动力矩要求不大、负载变化较稳定场合；无感矢量控制适合于控制精度较高、启动力矩较大、负载变化较大的场合，但它需要严格的电机模型参数；有感矢量控制适合于控制精度高、启动力矩大、负载变化大的场合，不需要任何电机参数。从同步电机启动困难、易失步特点考虑，有感矢量控制是保障的控制方案。
3.1. VF控制方式
3.1.1 同步电机启动
变频器向同步电机的电枢绕组施加一定的直流电压，产生一定的定子电流。此时，在同步电机上产生一定的定子电流，并在定子上建立较强的磁场。转子在定、转子间电磁力的作用下开始转动，使转子磁极逐渐向定子磁极的异性端靠近。
变频器按照电机正常运行时的转动方向，缓慢旋转其施加在电枢绕组上的电压矢量。随着同步电机转子的转动和定子磁场的旋转，转子磁极将在某一时刻掠过定子的异性磁极，或者转子磁极加速追上旋转的定子磁极。此时，电机的转子磁极被较强的定子磁极可靠吸引，二者间的角度经过少量有阻尼的振荡后，逐渐趋于一个较小的常量。至此，同步电机进入同步运行状态，整步过程完成。
变频器按照预先设定的加速度，调节输出电压，逐渐加速到给定频率。此时，同步电机的转子角逐渐拉大到某一常值，然后电机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至期望转速，同步电机起动过程完成。另外，VF值选择需要经过多次整定，可能为多段VF。
3.1.2同步电机调速
变频器启动完成后，可根据给定频率，按照VF对应电压值改变输出电压频率、幅值，执行调速。同步电机调速瞬间，气隙合成磁场和转子励磁磁场间功率角δ会变动。同步电机功率角δ在运行期间不能变化过大，尤其不能让δ>90°，这样同步机将进入不稳定状态。因此，同步电机变频调速时，频率变化速率减小，这样有利于系统工作稳定。
3.1.3 同步电机正常停机和故障停机
在正常停机时，变频装置驱动同步电机至停机转速，然后停止变频装置输出即可。运行期间若变频装置外系统出问题，需要紧急停机，可以直接跳开高压侧输入开关QF。若变频装置系统出问题要紧急停机时，变频装置立刻停止输出，通过故障信号跳开高压侧输入开关。由于同步电机的主磁通无法突变，在阻尼绕组上感应出很大电流，此时旋转中的同步电机定子端会出现较高的三相交流电压。因此，变频装置的输出端应具有在停机状态下，抗短时过电压的能力。
3.2 有感矢量控制方式
3.2.1 同步电机启动、停机及故障急停
变频器需要在同步电机空载时对其编码器转向以及转子磁极位置做辨识，辨识完毕后将数据记录到EEPROM中，以后不必再次辨识。
同步电机启动时，变频器控制系统根据编码器反馈的转子位置，直接在该等效角度上输出电压，电机逐渐转动，进入同步。
变频器按照预先设定的加速度，速度给定逐渐加到给定频率。变频器采用电流环和速度环双环控制，逐渐驱动同步电机加速至期望转速，同步电机起动过程完成。
同步电机调速、停机、故障急停等与VF控制相同。
3.2.2 有感矢量控制思路
同步电机采用改进的空间矢量磁场定向控制策略，控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，电流环采用PI调节器，实现简单，并能获得较好的电流跟踪性能。速度环采用PI调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。系统采用转速、电流双闭环调速系统；系统全数字式的关键是电流环数字化，就是把数模混合式变频系统中的模拟电流环，采用数字方式加以实现，其核心提高电流环的处理速度，达到或接近模拟电流环的响应速度。根据目前的微处理器DSP、A/D器件的水平，可以满足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制软件的优化。良好的系统硬件和软件设计是使研制的系统达到实用化的保证，在满足性能要求的基础上，必须充分利用硬件资源，提高集成度降低硬件成本，达到产品化的目标。 矢量控制系统的解耦, 速度给定ω与速度反馈相减得出速度误差，速度误差经PI调节后输出转矩电流给定iq，id励磁电流给定是根据系统的动态需要进行调整其值根据不同的电机和负载得出的经验值，电机三相电流反馈iu、iv、iw经传感器采样，然后再根据转子位置电气角度theta进行Clarke变换，变换后输出ialpha、ibeta, ialpha、ibeta经Park变换输出id、iq，id、iq值与给定值iqref、idref求误差,进行PI调节后输出Vq、Vd, 电压矢量和转子位置电气角度theta经过Park逆变换Clarke逆变换输出电机定子三相电压Uu、Uv、Uw值，三相电压Uu、Uv、Uw值作为PWM（脉宽调制）的比较值比较输出PWM波形到逆变器然后驱动电机旋转。
整个系统的控制原理框图如下图所示。 
有感矢量控制原理图
3.3 无感矢量控制方式
3.3.1 参数辨识
在静止状态下辨识出定子电阻Rs，直轴电感Ld，交轴电感Lq。可由动态辨识，或是由电机铭牌获取电机额定反电势。
3.3.2 无感矢量控制原理
无感矢量控制的关键是通过电机定子侧的电压和电流估算出转子位置和速度。估测器采用的模型参考自适应（MRAS）算法。
一个模型参考自适应系统包含着两种模型，分别为参考模型和可调模型，这两个模型有着相同物理意义的输出量，不同的是参考模型不含待估参数，而可调模型含有对应的待估参数。其基本思想为：参考模型与可调模型的输出和状态性能指标通过反馈比较器得到误差方程，构造合适的自适应律，使得可调模型的控制对象能够跟随参考模型的动态响应，从而实现自适应实时调节。
模型参考自适应框图
无感矢量控制原理图
