有源前端AFE的原理與應(yīng)用

1、Emerson CT 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)培訓(xùn)AFE 整流回饋系統(tǒng)AFE 整流回饋系統(tǒng)代替制動(dòng)電阻，將負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的能量回饋至電網(wǎng)節(jié)能增效的應(yīng)用之一正弦波線電流，單位功率因數(shù)功率配置要求，低于常規(guī)不可控二極管整流使用SP/SPM驅(qū)動(dòng)器中的Regen操作方式，可使之成為AFE整流器 AFE整流回饋系統(tǒng)傳統(tǒng)變頻控制系統(tǒng)的整流單元不可控二極管整流元件。5、7次諧波高電流單相導(dǎo)通無能量回饋，需要配置制動(dòng)單元直流側(cè)電壓不可控電源電壓不能低于電機(jī)額定電壓成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單AFE整流回饋系統(tǒng)AFE變頻控制系統(tǒng)的整流單元有源可控IGBT整流元件，開通/關(guān)斷均可控電流雙向流通無需制動(dòng)單元PWM控制，完美無諧波容許電源電壓低于電

2、機(jī)電壓MotorSupply ToRegenDrive+ DC Bus- DC BusRegen DriveMotoring DriveAFE整流回饋系統(tǒng)-原理MachinecircuitContactorcontrol signalsDrive enableSupplyD.C bus+-UVWUnidriveoperatinginopen loopvector or servoregenUnidriveoperatinginUVWRYBLineFilterStart-upcontrol signalFusesandSwitchingFrequencyFilter AFE整流回饋單元提供正選電

3、壓輸出 AFE回饋電壓通過輸入電抗器融入電網(wǎng) 通過LCL濾波，AFE回饋輸出純正弦電壓 通過LCL濾波，AFE回饋輸出純正弦電流AFE整流回饋-向量圖IrVrVsjwLIrIrVrVsjwLIrPower flow from supplyPower flow back to supply 全載時(shí)，Vr與Vs之間夾角約為 5o ，PF值接近1 內(nèi)部直流電壓PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)能量雙向傳遞 鎖相環(huán)控制 空間矢量調(diào)節(jié)器，百微秒級(jí)的響應(yīng)PWM整流整流二極管整流二極管整流 AFE整流回饋-線電流波形n顯著降低諧波電流n二極管整流時(shí)，電流諧波含量為48%nPWM 整流時(shí)，電流諧波含量為6%05101520253

4、0135791113151719Diode rectifierPWM rectifierAFE整流回饋-電流諧波成分AFE整流回饋 - 組成 可用于AFE整流的驅(qū)動(dòng)器 LCL濾波回路高頻濾波電抗器高頻濾波電容回饋電抗器 預(yù)充電回路 浪涌吸收回路AFE整流回饋 - AFE驅(qū)動(dòng)器 可用于AFE整流的驅(qū)動(dòng)器，如UnidriveSP/ SPMD系列 將IGBT逆變器反接電源，作為IGBT整流器 AFE整流器的容量選擇，無需考慮無功功率 AFE整流器的功率= 1.732 * 額定驅(qū)動(dòng)電流 * 電網(wǎng)電壓 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率= 1.732 * 電機(jī)額定電流 * 電機(jī)額定電壓 * 電機(jī)功率因數(shù)常規(guī)一拖一AFE系

5、統(tǒng)，AFE整流器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)功率相同，無需擴(kuò)容AFE整流回饋 LCL濾波回路高頻濾波電抗器Lf防止高頻諧波電流 (3 kHz) 流入電網(wǎng)防止接地漏電流流入驅(qū)動(dòng)回路高頻濾波電容Cf消除高頻諧波電壓回饋電抗器LregenPWM輸出濾波電抗器RegenUnidriveUVWRYBRFIFilterLfCfLregLregLregLfLfCfCfAFE整流回饋 - 浪涌電壓保護(hù)回路MOVsINPUTINDUCTORSACSUPPLYUNIDRIVEREGENUNITFUSESEARTHZ500LP內(nèi)置內(nèi)置EMC 濾波器，在濾波器，在AFE系統(tǒng)中，禁止使用，必須拆除系統(tǒng)中，禁止使用，必須拆除SP s

6、izes 1 to 3Removal of internal EMC filterSP sizes 4 to 6, SPMA, SPMDRemoval of internal EMC filterEMC濾波器會(huì)使濾波器會(huì)使AFE系統(tǒng)系統(tǒng)存在安全隱患和諧波干擾存在安全隱患和諧波干擾AFE整流回饋 - 注意AFE整流回饋 預(yù)充電回路目前的AFE系統(tǒng)預(yù)充電方式有兩種限流電阻單相供電預(yù)充電回路半控整流橋三相供電預(yù)充電回路AFE整流回饋 預(yù)充電回路AFE系統(tǒng)預(yù)充電邏輯送電，將預(yù)充電回路接觸器投入充電，限流電阻充電方式，是通過AFE整流IGBT附帶的續(xù)流二極管，單相充電 半控橋充電方式，是直接對(duì)直流母線充

7、電3.得電，315Vdc的直流電壓時(shí)，就可以使AFE整流單元的CPU控制。4.切電，430Vdc時(shí)，AFE整流單元檢測(cè)充電完成，發(fā)出指令，切斷充電回路，投入主回路5.供電，AFE整流送電完成，待機(jī)運(yùn)行AFE整流回饋 - 熔斷器電源電纜及變壓器的事故保護(hù)限制回饋及驅(qū)動(dòng)單元的過度能量傳遞，而造成事故，如火災(zāi)AFE整流回饋系統(tǒng) - 驅(qū)動(dòng)單元將直流電壓轉(zhuǎn)換為可調(diào)節(jié)的電壓/頻率，提供電機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的交流電源實(shí)現(xiàn)直流電源與電機(jī)之間的能量傳遞 驅(qū)動(dòng)單元無需交流電源供電 也稱逆變器單元AFE系統(tǒng) - 功率配置AFE整流單元 選型- 無需考慮無功功率驅(qū)動(dòng)單元選型 - 需要考慮無功功率AFE系統(tǒng) - 動(dòng)力配置案例1

8、電源電壓400Vac，電機(jī)400Vac/0.85PF, 選用兩臺(tái)25A “11kW”驅(qū)動(dòng)器，一臺(tái)作整流，一臺(tái)作驅(qū)動(dòng) AFE整流器功率 功率 = 3 * 額定電流 * 電源電壓 = 1.73 * 25 * 400 = 17.3 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率 功率 = 3 * 額定電流 * 額定電壓 * 功率因數(shù) = 1.73 * 25 * 400 * 0.85 =14.7kW配置成功！AFE功率 電機(jī)功率AFE系統(tǒng) - 動(dòng)力配置案例2 電網(wǎng)電壓380V -10%, 電機(jī)75KW/400V/1.75OL/156A/0.95PF， 擬用兩臺(tái)156A “75kW” 驅(qū)動(dòng)器最大AFE整流器功率= 3 * 175

9、% *額定電流 * 電源電壓 = 1.73 * 156 * 1.75 * 342 = 161.7kW 最大電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率 = 3 * 175%*額定電流 * 額定電壓 * pf = 1.73 * 156 * 1.75 * 400 * 0.95 = 179.7kW配置失??！由于電網(wǎng)電壓偏低，導(dǎo)致AFE功率低于驅(qū)動(dòng)功率AFE系統(tǒng)REGEN33DRIVEM3EnableDC BuscircuitStart-upRFIFilterand FusesSwitchingFrequencyFilter配置方案1 -單AFE整流 配 單驅(qū)動(dòng) 配置方案2 - 單AFE整流 配 多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)33DRIVEM3DRI

10、VEM3DRIVEM3EnableDC BuscircuitStart-upRFI FilterandFusesRegenSwitchingFrequencyFilterAFE系統(tǒng)配置方案2 - 多AFE整流 配 多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)33DRIVEM3DRIVEM3DRIVEM3circuitStart-upDRIVEM3DRIVEM3DRIVEM3EnableDC BuscircuitStart-upRegenRegenRFIFilterandFusesSwitchingFrequencyFilterAFE系統(tǒng)AFE系統(tǒng) - AFE整流單元工作時(shí)序AFE驅(qū)動(dòng)使能時(shí)，進(jìn)入電網(wǎng)同步工作時(shí)序使用脈沖測(cè)試法，

11、檢測(cè)電網(wǎng)電壓與相位電網(wǎng)同步完成，直流母線電壓控制器工作，將直流母線電壓調(diào)整到設(shè)定電壓上述動(dòng)作成功實(shí)現(xiàn)后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元允許工作主電源掉電模式的選擇禁用停車模式 主電源掉電時(shí)，AFE回饋驅(qū)動(dòng)器會(huì)禁止電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制無法使用自動(dòng)啟動(dòng)功能 主電源掉電時(shí)，AFE驅(qū)動(dòng)器會(huì)禁止電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，且清楚內(nèi)部運(yùn)行聯(lián)鎖信號(hào) 如果使用非聯(lián)鎖時(shí)序模式 (i.e. #6.04=0)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將重新啟動(dòng)AFE系統(tǒng) - 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元工作時(shí)序AFE系統(tǒng) - 狀態(tài)顯示INH - AFE驅(qū)動(dòng)禁止ACT - AFE運(yùn)行，完成同步Technical Data電源電壓 (400V 等級(jí)) 380Vac to 480Vac + 10% 電源

12、頻率 48Hz to 65HzAFE驅(qū)動(dòng)允許的工作電壓和能夠執(zhí)行的同步電壓 :the DC Link voltage is below 410Vdc the AC Supply voltage is below 150Vac 直流母線設(shè)定 (Pr 3.05)50Hz, 380Vac Supply = Min 590Vdc, Default 700Vdc, Max 800Vdc60Hz, 480Vac Supply = Min 730Vdc, Default 780Vdc, Max 800Vdc直流母線電壓設(shè)定值必須大于直流母線電壓設(shè)定值必須大于(Vac* 2 + 50)Vdc Adjustab

13、le DC Bus voltage set-point will allow Motor of 460Vac to be operating on 380Vac supply (normally motor voltage limited to approx 360Vac).In this case increased current is drawn from the supply and a larger Regen drive may be required.AFE系統(tǒng) - 關(guān)于電流諧波的影響高于十倍電源頻率的主電源電壓波形的頻繁畸變，會(huì)導(dǎo)致AFE驅(qū)動(dòng)鎖相環(huán)控制失敗由于AFE驅(qū)動(dòng)電流環(huán)響

14、頻帶寬的限制，同電網(wǎng)直流驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)產(chǎn)生的電網(wǎng)電壓缺口，會(huì)影響AFE驅(qū)動(dòng)的正常工作電網(wǎng)電壓的畸變，會(huì)導(dǎo)致AFE驅(qū)動(dòng)在使能時(shí)，頻繁執(zhí)行電網(wǎng)同步功能電網(wǎng)電壓/電流規(guī)范常用符號(hào) :- IDriveAFE驅(qū)動(dòng)器的滿載額定電流 ISupply電網(wǎng)額定電流 IShort電網(wǎng)短路電流 fSWAFE驅(qū)動(dòng)載頻 RSC電網(wǎng)短路電流比率 LSupply電網(wǎng)感抗 Z50Hz50Hz電網(wǎng)阻抗IEC 1000-3-4 Stage 3fsw (kHz)34.56912IISupplyDrive11711864 下屬條件下，無需安裝SFF電抗器(ISupply/IDrive) (50/fSW) G5.3 Stage 3 (1

15、)50Hz電網(wǎng)阻抗 Z50Hz (1.7/IDrive)若電網(wǎng)阻抗為純感性 Lsupply 1/(185 * Idrive電網(wǎng)阻抗決定其短路電流 RSC = Ishort/Isupply不安裝SFF濾波器，若需達(dá)到G5.3標(biāo)準(zhǔn)，則 (Isupply/Idrive) 140/RSCG5.3 Stage 3 (2)常規(guī)變電所變壓器的5%漏感阻抗RSC 20 (Isupply/Idrive) 7 也就是說，使用5%阻抗的變壓器，其額定電流必須高于AFE驅(qū)動(dòng)額定電流的7倍，否則需要安裝諧波濾波器AFE系統(tǒng) - 驅(qū)動(dòng)布線電網(wǎng)至AFE回饋電抗器之間的電纜無特殊要求應(yīng)盡力保證電纜越短越好過長(zhǎng)的無屏蔽電纜，會(huì)干擾通訊系統(tǒng)及信號(hào)電纜如果電纜長(zhǎng)度超過5米，建議使用屏蔽或鎧裝電纜，并將屏蔽層接驅(qū)動(dòng)器地多傳動(dòng)AFE系統(tǒng)中的直流母線側(cè)熔斷器保護(hù)UNIDRIVEREGENUNITDC BUSFUSESUNIDRIVEMOTO