AFEActive Front End整流 回馈单元的功能.docx
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AFEActiveFrontEnd整流回馈单元的功能
[技术文章]AFE(Active Front End)整流/回馈单元的功能
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主动前端译自英文ActiveFrontEnd。
从结构上看,由于采用了 IGBT 功率元件, 所以它相当于一个逆变器,不同的是其输入为交流输出为直流,因为它位于电源进线侧, 所以被称为前端。
其主动的含义在于,与传统的二级管或可控制硅整流技术相比,主动前端不再是被动地将交流转变成直流,而是具备了很多主动的控制功能。
它不仅能消除高次谐波,提高功率因数, 而且不受电网波动的影响, 具有卓越的动态特性。
---- 主动前端(AFE〕整流单元的工作原理可简述为:
AFE整流单元从电网汲取正弦波交流,经整流后输出直流电压,并保持所要求的电压值。
各次谐波由滤波电路删除。
---- AFE 整流/ 回馈单元的应用范围
主要应用领域
传输链系统
起重设备
直横剪
纸机
太阳能光电应用技术
制糖离心机,榨糖机
机车测试床
风力发电
---- AFE 整流/ 回馈单元的优点
主要优点
无谐波污染
保持cosα=1
电流管理功能 (LCM)
无换相失败
即使在电网极不稳定的情况下,电压控制器仍能维持恒定的直流环节电压
可选的 RFI 抗无线干扰滤波器
卓越的动态性能
AFE
AFE(ActiveFrontEnd)整流/回馈单元的功能
主动前端译自英文ActiveFrontEnd。
从结构上看,由于采用了 IGBT 功率元件, 所以它相当于一个逆变器,不同的是其输入为交流输出为直流,因为它位于电源进线侧, 所以被称为前端。
企主动的含义在于,与传统的二级管或可控制硅整流技术相比,主动前端不再是被动地将交流转变成直流,而是具备了很多主动的控制功能。
它不仅能消除高次谐波,提高功率因数, 而且不受电网波动的影响, 具有卓越的动态特性。
主动前端(AFE〕整流单元的工作原理可简述为:
AFE整流单元从电网汲取正弦波交流,经整流后输出直流电压,并保持所要求的电压值。
各次谐波由滤波电路删除。
·AFE 整流/ 回馈单元的应用范围:
传输链系统、起重设备、直横剪纸机、太阳能光电应用技术、制糖离心机、榨糖机、机车测试床、风力发电。
·AFE 整流/ 回馈单元的优点:
无谐波污染
保持cosα=1
电流管理功能 (LCM)
无换相失败
即使在电网极不稳定的情况下,电压控制器仍能维持恒定的直流环节电压
可选的 RFI 抗无线干扰滤波器
卓越的动态性能
整流与谐波
整流的作用是把交流电变成直流电,使用三相交流电的设备,比如变频器、UPS,在设备前端都有整流环节,目前整流环节的类型大概有两种,一种是使用二极管或可控硅的多脉冲整流,另一种是使用IGBT的PWM整流技术。
因为整流环节会向输入侧电网注入谐波,对同一电网里的其它设备产生干扰,所以谐波的大小是区别各种整流技术的重要指标。
PWM整流性能最好,价格也相对昂贵(因为IGBT的价格数倍于二极管和可控硅),多脉冲整流性能不如PWM整流,是一种经济的解决方法。
谐波有电压谐波和电流谐波两种,通常我们指的谐波一般是电流谐波。
我国电网使用的是50Hz的交流电,我们把频率等于50Hz的交流电量叫做基波,频率不是50Hz的交流电量叫做谐波,实际谐波的频率是50Hz的整数倍,电网里也有非整数倍谐波,称为非谐波或分数谐波。
我们用谐波量的绝对值和相对值来衡量谐波电流的大小,单位是安(A),谐波的相对值等于谐波绝对值除以基波的绝对值,谐波相对值的英文缩写是THD,单位是%,各次谐波矢量和的绝对值与基波的比值就是总谐波畸变,单位也是%,厂家的技术文件中常见的总电流谐波畸变是重要的性能指标。
多脉冲整流的谐波。
多脉冲整流的脉冲数是6的整倍数,一般常见的有6、12、18、24、30、36,36脉冲以上的整流因为移相变压器制造难度太大,故很少采用。
6脉冲整流不需要用移相变压器,其它的都要用到移相变压器,移相变压器的作用是产生移相角。
多脉冲整流有多少脉冲就有多少个二极管或可控硅。
下面是6脉冲整流的原理图,每相用2 个二极管,三相就是6个,图中的二极管可以换成可控硅,如果将图中的二极管换成IGBT就成了PWM整流。
整流与谐波
整流的作用是把交流电变成直流电,使用三相交流电的设备,比如变频器、UPS,在设备前端都有整流环节,目前整流环节的类型大概有两种,一种是使用二极管或可控硅的多脉冲整流,另一种是使用IGBT的PWM整流技术。
因为整流环节会向输入侧电网注入谐波,对同一电网里的其它设备产生干扰,所以谐波的大小是区别各种整流技术的重要指标。
PWM整流性能最好,价格也相对昂贵(因为IGBT的价格数倍于二极管和可控硅),多脉冲整流性能不如PWM整流,是一种经济的解决方法。
谐波有电压谐波和电流谐波两种,通常我们指的谐波一般是电流谐波。
我国电网使用的是50Hz的交流电,我们把频率等于50Hz的交流电量叫做基波,频率不是50Hz的交流电量叫做谐波,实际谐波的频率是50Hz的整数倍,电网里也有非整数倍谐波,称为非谐波或分数谐波。
我们用谐波量的绝对值和相对值来衡量谐波电流的大小,单位是安(A),谐波的相对值等于谐波绝对值除以基波的绝对值,谐波相对值的英文缩写是THD,单位是%,各次谐波矢量和的绝对值与基波的比值就是总谐波畸变,单位也是%,厂家的技术文件中常见的总电流谐波畸变是重要的性能指标。
多脉冲整流的谐波。
多脉冲整流的脉冲数是6的整倍数,一般常见的有6、12、18、24、30、36,36脉冲以上的整流因为移相变压器制造难度太大,故很少采用。
6脉冲整流不需要用移相变压器,其它的都要用到移相变压器,移相变压器的作用是产生移相角。
多脉冲整流有多少脉冲就有多少个二极管或可控硅。
下面是6脉冲整流的原理图,每相用2个二极管,三相就是6个,图中的二极管可以换成可控硅,如果将图中的二极管换成IGBT就成了PWM整流。
AFE(ActiveFrontEnd)整流/回馈单元的功能
主动前端译自英文ActiveFrontEnd。
从结构上看,由于采用了IGBT功率元件,所以它相当于一个逆变器,不同的是其输入为交流输出为直流,因为它位于电源进线侧,所以被称为前端。
企主动的含义在于,与传统的二级管或可控制硅整流技术相比,主动前端不再是被动地将交流转变成直流,而是具备了很多主动的控制功能。
它不仅能消除高次谐波,提高功率因数,而且不受电网波动的影响,具有卓越的动态特性。
主动前端(AFE〕整流单元的工作原理可简述为:
AFE整流单元从电网汲取正弦波交流,经整流后输出直流电压,并保持所要求的电压值。
各次谐波由滤波电路删除。
·AFE整流/回馈单元的应用范围:
传输链系统、起重设备、直横剪纸机、太阳能光电应用技术、制糖离心机、榨糖机、机车测试床、风力发电。
·AFE整流/回馈单元的优点:
无谐波污染
保持cosα=1
电流管理功能(LCM)
无换相失败
即使在电网极不稳定的情况下,电压控制器仍能维持恒定的直流环节电压
可选的RFI抗无线干扰滤波器
卓越的动态性能
AFE(AnalogFrontEnd)模拟前端
在处理链的最前面,即输入端,进行模拟信号的处理的电路。
称为模拟前端。
2008年变频器的最新流行趋势———AFE技术能量回馈型变频器
前言:
随着变频技术应用的不断深入,在电子、电工、信息与控制等多个学科领域和各厂矿企业应用更加广泛。
变频器的节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的优势,已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。
在国家加大节能减排工作力度的情况下,各级部门和企业在认真贯彻落实国家政策的情况下,对节能工作加大深挖潜能的力度。
但是,在对变频器调速节能使用过程中,人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。
能量回馈的产生
事实上通用变频器大都为电压型交-直-交变频器。
三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电,再经电解电容滤波稳压,最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。
这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽,所以在工业中获得广泛应用。
但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统,如高速电梯、高层建筑用升降机、塔机、油田磕头机、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。
因为这种系统要求电机四象限运行,当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时,电机处于再生发电状态。
由于二极管不控整流器能量传输不可逆,产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上,产生泵升电压。
而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低,过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容,甚至会破坏电机的绝缘,从而威胁系统安全工作,这就限制了通用变频器的应用范围。
为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量,德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器,日本富士公司也成功研制了电源再生装置,如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元,它把有源逆变单元从变频器中分离出来,直接作为变频器的一个外围装置,可并联到变频器的直流侧,将再生能量回馈到电网中。
但普遍存在的问题是这些装置价格昂贵,再加上一些产品对电网的要求很高,不适合我国的国情。
目前国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式,即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中,实现电机的四象限运行,该方法虽然简单,但有如下严重缺点:
(1)浪费能量,降低了系统的效率。
(2)电阻发热严重,影响系统的其他部分正常工作。
(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压,限制了制动性能的提高(制动力矩大,调速范围宽,动态性能好)。
上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十kW以下的中小容量系统。
国内关于能量回馈控制的研究正在进行,但基本上都处于实验阶段,在国外的塔机和升降机,起重机市场上,使用能量回馈单元(再生能源装置)已经成为趋势,在韩国90%的塔机,起重机,升降机使用了能量回馈单元。
很多发达国家和电能紧张的国家使用能量回馈型变频器已形成了大趋势.在国内市场上,也陆续出现了一些能量回馈产品,但大都是谐波大的的旁路回馈形式,缺点就是引起的谐波干扰非常大,对精密控制的(系统中含有PLC控制)的系统干扰尤为严重,同时对电网的污染十分严重,降低功率因数,这也是当地供电系统禁止的事项.
韩国收获能量回馈型变频器的是目前领先国际水平的AFE技术,目前只有ABB,AB,西门子等很少的几个厂家有AFE产品,但大都是价格昂贵,生产和供货周期长。
由于我司的产品价格和供货期都同比其他AFE技术产品具备相当大的优势,因此我们的产品在美国,韩国,日本,新加坡等国家已大大的普及使用,在塔机,起重机,升降机上面尤其突出!
AFE技术
AFE(ActiveFrontEnd)整流/回馈单元的功能
主动前端译自英文ActiveFrontEnd。
从结构上看,由于采用了IGBT功率元件,所以它相当于一个逆变器,不同的是其输入为交流输出为直流,因为它位于电源进线侧,所以被称为前端。
企主动的含义在于,与传统的二级管或可控制硅整流技术相比,主动前端不再是被动地将交流转变成直流,而是具备了很多主动的控制功能。
它不仅能消除高次谐波,提高功率因数,而且不受电网波动的影响,具有卓越的动态特性。
主动前端(AFE〕整流单元的工作原理可简述为:
AFE整流单元从电网汲取正弦波交流,经整流后输出直流电压,并保持所要求的电压值。
各次谐波由滤波电路删除。
AFE整流/回馈单元的应用范围:
传输链系统、起重设备、直横剪纸机、太阳能光电应用技术、制糖离心机、榨糖机、机车测
试床、风力发电。
·AFE整流/回馈单元的优点:
无谐波污染
保持cosα=1
电流管理功能(LCM)
无换相失败
即使在电网极不稳定的情况下,电压控制器仍能维持恒定的直流环节电压
可选的RFI抗无线干扰滤波器
卓越的动态性能
韩国收获AFE技术的能量回馈型变频器已经在中国开始规模使用,在几大高端客户的使用下,已经取得了巨大的经济效益,也得到了客户的极大认可!
作为中国的塔机,起重机,油田磕头机的用户都希通过配套这种高科技产品,提升自身产品的性能,在国际节约能源的要求下,为打开高端市场纷纷争取抢占先机!
!
希望我们和广大的用户和加盟代理伙伴,为共同普及高节能产品而一起努力吧!
!
AB变频器公共直流母线和能量回馈方案
一、概述
在同一时刻相邻变频器驱动的电机有的处于电动有的处于发电状态,处于电动状态的电机消态能量,处于发电状态的电机产生能量,产生的能量要么通过能耗制动以热量的形式散发出去,要么通过能量回馈单元返回电网中去,如果能够将发电状态电动机的能量直接传给电动状态的电机,那么能耗制动所浪费的电能或者能量回馈单元的设备购置费用都可以节省出来,这就是直流母线产生的初衷。
在一套直流母线系统中,当电动所需能量大于发电产生的能量时,整套系统从电网中吸取能量;当短时间内发电产生的能量大于电动所需能量时,系统中多余的能量还是要靠能耗制动或能量回馈单元来消耗的。
在AB变频器的产品应用中,公共直流母有两种使用方法,一种是公共直流母线方案,使用独立的整流单元+独立的逆变单元,另一种是公共交流直流母线方案,将各个独立交流变频器的直流端子直接连起来。
在第一种方案中,我们把整流单元或含有能量回馈功能的整流单元叫做前端,按有无能量回馈功能把前端分为两种,没有能量回馈功能的前端叫NFE(Non-regenerativefrontend),NFE使用二极管或可控硅整流,有能量回馈功能的前端叫做AFE(Active-regenerativefrontend),AFE使用IGBT整流。
AB的NFE有两种,使用二极管的20T系列和使用可控硅的20S系列,AFE是使用IGBT的1336R系列。
20T
20S
1336R
AB变频器中可以用于公共直流母线的有PF40P、PF700和PF700S三个系列。
二、NFE前端
1、20T系列
20T系列有两款产品,输入电压分别是240-480VAC和500-600VAC,直流母线电流都是120A,当输入电压为380VAC时,直流母电压为510VDC。
20T产品列表如下:
输入电压
直流母线电流
直流母线电流
240-480VAC
325-650V
120A
500-600VAC
675-810V
120A
注:
直流母线电压=输入电压×1.35
20T的结构框图如下:
由上图可知,整流单元中己经内置了双直流电抗器③,用于满足二类EMC电磁干扰要求(工业环境)的RFI滤波器③④⑤,用于削弱直流母线过电压的阻容耦合电路⑥,用于输入过电压保护的压敏电阻⑦,和过热保护的热敏继电器。
20T可以单独使用,也可以并联使用,最多可以使用两个20T前端并联组成240A,输出功率120KW的前端。
20T单独使用方案如下,输入电抗器一般为3%阻抗:
两个20T并联使用方案如下:
2、20S系列
20S产品列表如下:
输入电压
直流母线电压
直流母线电流
400/480VAC
540/650V
400A,600A,1000A
600/690VAC
675/930V
1000A
20S系列的400A和600A整流单元结构框图如下:
整流单元己经内置输入交流和输出直流熔断器。
400A和600A的整流单元不可以并联使用。
单独使用时400A的整流单元最大输出功率200KW,600A的整流单元最大输出功率300KW。
1000A的整流单元有三种,独立单元、并联主机和并联从机,所需直流母电流小于1000A时可以使用独立单元或并联主机,不可以使用并联从机。
当所需直流母线电流大于1000A时使用一台并联主机+N台并联从机(N小于等于4),最多可以使用一台并联主机带四台并联从机组成4750A的前端供电能力。
1000A独立单元结构框图如下:
1000A的并联主机结构框图如下:
400A、600A和1000A的整流单元单机应用方案如下:
1000A的并联从机结构框图如下:
1000A单元多机并联方案如下:
三、AFE前端
AFE前端只有一种产品,就是1336R系列,1336R有两种工作模式,一种是AFE方式(整流+能量回馈模式),另一种是能量回馈模式,就是说1336R可以作为变频器能量回馈单元使用。
1336R带有英文操作面板,操作面板与1336系列变频器是通用的;1336R还有Scanport网络接口,可以接入现场总线网络,它的网络接口特性和相关产品与1336系列变频器是通用的。
1336R产品列表如下:
输入电压
直流母线电压
直流母线电流
380-480VAC
510-650V
48A,78A,180A
1336R可以单独使用,也可以多机并联使用以组成输出电流更大的前端。
1336R单机应用方案如下:
1336R多机应用方案如下:
在每个1336R的直流输出端串入共模电抗器以利于各个1336R之间的电流分配。
四、公共交直流母线方案
可以将各个变频器的直流端直接连起来,构成公共交直流母线方案。
不带制动的公共交直流母线:
在公共交直流母线的各个变频器功率不同时,建议在各个变频器的直流端串接反向并联的的二极管串①。
五、公共直流母线中的能耗制动
1、公共直流母线中使用外置能耗制动组件
A、二极管前端
阻容耦合电路①用于限制过电压。
B、可控硅前端
连续制动电流大于直流母线中最大变频器额定电流的150%时,在直流母线中并联电容①。
2、公共直流母线中使用内置制动单元和外置制动电阻
制动电阻接在最大的变频器上。
3、在公共交直流母线中使用外置能耗制动组件
阻容耦合电路④用于限制过电压。
制动单元靠近最大的变频器,如变频器功率一致,靠近制动最频繁的变频器。
4、在公共交直流母线中使用内置制动单元和外置制动电阻
制动电阻接在功率最大的变频器上。
六、能量回馈单元
1336R既可以作为AFE前端(整流+能量回馈模式)使用,也可以做为专门的能量回馈单元使用,1336R的工作模式通过操作面板来选择。
1、一对一方式
一台1336R对一台变频器。
2、一对多方式
一台1336R对多台变频器。
注意图中二极管的方向②。
七、注意事项
1、当直流母线中的逆变单元或变频器之间功率相差很大(一般在五个功率档以上)时,注意以下几点:
A、前端或能量回馈单元应该靠近最大的逆变单元或变频器;
B、在最大的逆变单元或变频器的直流输入端并联电容或反向二极管。
参考资料
1、《ACDrivesinCommonBusConfigurations》,介绍AB的直流母线方案
2、《CommonDCBus》,AB直流母线产品选型
3、《DiodeBusSupplyUserManual》,20T二极管整流单元用户手册
4、《SCRBusSupplyUserManual》,20S可控硅整流单元用户手册
5、《1336REGENLineRegenerationPackageUserManual》,1336R用户手册
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