變頻器技術(shù)基礎(chǔ)(新)

1、 王王 兵兵 Mail:Mail: MobileMobile:131563475261.變頻器及控制對象變頻器變頻器 變頻器是交流電氣傳動系統(tǒng)的一種,是將交流工頻電源轉(zhuǎn)換成電壓、頻率均可 變的適合交流電機(jī)調(diào)速的電力電子變換裝置，英文簡稱VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency）、VFD、INVERTER、CONVERTER。變頻器的控制對象變頻器的控制對象 三相交流異步電機(jī)和三相交流同步電機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)適配電機(jī)極數(shù)是2/4極序號序號優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1平滑軟啟動，降低啟動沖擊電流，減少變壓器占有量，確保電機(jī)安全平滑軟啟動，降低啟動沖擊電流，

2、減少變壓器占有量，確保電機(jī)安全2在機(jī)械允許的情況下可通過提高變頻器的輸出頻率提高工作速度在機(jī)械允許的情況下可通過提高變頻器的輸出頻率提高工作速度3無級調(diào)速，調(diào)速精度大大提高無級調(diào)速，調(diào)速精度大大提高4電機(jī)正反向無需通過接觸器切換電機(jī)正反向無需通過接觸器切換5非常方便接入通訊網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化控制非常方便接入通訊網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化控制變頻調(diào)速的優(yōu)勢（與其它交流電機(jī)調(diào)速方式對比）變頻調(diào)速的優(yōu)勢（與其它交流電機(jī)調(diào)速方式對比）一、變頻器的發(fā)展及特點(diǎn)一、變頻器的發(fā)展及特點(diǎn)2.2.變頻器的發(fā)展歷程變頻器的發(fā)展歷程電機(jī)控制算法功率半導(dǎo)體技術(shù)V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT計(jì)算機(jī)技術(shù)單片機(jī)D

3、SP IGBT大容量化更高速率和容量如：矩陣式變頻器大功率傳動使用變頻器，體積大，價(jià)格高未來發(fā)展方向完美無諧波PWM技術(shù)SPWM技術(shù)PWM優(yōu)化新一代開關(guān)技術(shù)無速度矢量控制電流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP專用芯片00年代超靜音變頻器開始流行解決了GTR噪聲問題變頻器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法優(yōu)化 更大容量 更高開關(guān)頻率PWM技術(shù)空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)變頻器體積縮小，開始在中小功率電機(jī)上使用供電電源供電電源低壓低壓220V/1PH220V/1PH、220V/3PH220V/3PH、380V/3PH380V/3PH高壓高壓660660、30003000、6000600

4、0、10000V/3PH10000V/3PH控制算法控制算法通用通用內(nèi)置內(nèi)置V/FV/F控制方式，簡單，性能一般控制方式，簡單，性能一般高性能高性能內(nèi)置矢量控制方式，復(fù)雜，高性能內(nèi)置矢量控制方式，復(fù)雜，高性能變換方法變換方法交直交交直交電壓型（儲能環(huán)節(jié)為電解電容）電壓型（儲能環(huán)節(jié)為電解電容）電流型電流型( (儲能環(huán)節(jié)為電抗器）儲能環(huán)節(jié)為電抗器）交交交交無儲能環(huán)節(jié)無儲能環(huán)節(jié)3.變頻器分類注：交直交電壓型變頻器因結(jié)構(gòu)簡單，功率因數(shù)高，目前廣泛使用（1）低電磁噪音、靜音化 新型通用變頻器采用高頻載波方式的正弦波SPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)靜音化。（2）專用化 新型通用變頻器為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速控制技術(shù)的獨(dú)特功能

5、，并盡可能滿足現(xiàn)場控制的需要，派生了許多專用機(jī)型如風(fēng)機(jī)水泵空調(diào)專用型、起重機(jī)專用型、恒壓供水專用型、 交流電梯專用型、紡織機(jī)械專用型、機(jī)械主軸傳動專用型、電源再生專用型、中頻驅(qū)動專用型、機(jī)車牽引專用型等。（3）系統(tǒng)化 通用變頻器除了發(fā)展單機(jī)的數(shù)字化、智能化、多功能化外，還向集成化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。4.變頻器的發(fā)展趨勢變頻器的發(fā)展趨勢（4）網(wǎng)絡(luò)化 新型通用變頻器可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內(nèi)裝RS485接口，可由個人計(jì)算機(jī)向通用變頻器輸入運(yùn)行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等，通過選件可與現(xiàn)場總線：Profibus-DP、 Interbus-S 、 Device Net 、 Modbu

6、s Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通訊。（5）操作簡單化 新型通用變頻器機(jī)內(nèi)固化的“調(diào)試指南”會引導(dǎo)用戶一步一步地填入調(diào)試表格，無需記住任何參數(shù)，充分體現(xiàn)了易操作性。（6）內(nèi)置式應(yīng)用軟件 新型通用變頻器可以內(nèi)置多種應(yīng)用軟件，有的品牌可提供多達(dá)130余種的應(yīng)用軟件，以滿足現(xiàn)場過程控制的需要，如PID控制軟件、張力控制軟件、速度級鏈、速度跟隨、電流平衡、變頻器功能設(shè)置軟件、通訊軟件等。（7）參數(shù)自調(diào)整 用戶只要設(shè)定數(shù)據(jù)組編碼，而不必逐項(xiàng)設(shè)置，通用變頻器會將運(yùn)行參數(shù)自動調(diào)整到最佳狀態(tài)（矢量型變頻器可對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行自整定）。（8）功能設(shè)置

7、軟件化 通用變頻器的功能可以在WINDOWS環(huán)境下安裝軟件進(jìn)行設(shè)置并下裝，也可以用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。控制柜中的西門子控制柜中的西門子M430變頻器變頻器1.變頻器的調(diào)速方式三、變頻器簡要工作原理整流部分儲能環(huán)節(jié)逆變部分M控制系統(tǒng)交流2.2.交流低壓交直交通用變頻器系統(tǒng)框圖交流低壓交直交通用變頻器系統(tǒng)框圖直流直流交流整流器：將交流電變換成直流的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波，輸入電流非 正弦，帶有豐富的諧波。逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，輸出電 流近似正弦。 交交直直交變頻器的主電路交變頻器的主電路3.3.單相逆變電路工作原理單相逆變電路工作原理S1S4S2

8、S3EdU1S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通 S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通f1f2EdU1逆變器的功能：l通過改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間改變輸出電壓的頻率l通過改變開關(guān)管導(dǎo)通順序改變輸出電壓的相序S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUWU612 123 234 345 456 561 6124.4.三相逆變電路三相逆變電路Ed電機(jī)SPWM調(diào)制載波5.PWM5.PWM（Pulse Width ModurationPulse Width Moduration）調(diào)制）調(diào)制lPWM調(diào)制是：利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓調(diào)制成電壓可變、頻 率可變的電壓脈沖列。l

9、SPWM調(diào)制是：采用三角波和正弦波相交獲得的PWM波形直接控制各個開關(guān)可以得 到脈沖寬度和各脈沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓，能獲 得理想的控制效果：輸出電流近似正弦l載波頻率必須高，才能保證調(diào)制后得到的波形與調(diào)制前效果相同lGTR變頻器由于開關(guān)頻率太低，電機(jī)噪聲較大，IGBT有效的解決了這個問題220V1PH鍵盤控制電路220V/380V3PH鍵盤控制板6.實(shí)用原理框圖14325678適用于小功率（5.5KW)適用于中大功率(5.5KW以上）7.變頻器結(jié)構(gòu)圖 變頻器對電動機(jī)進(jìn)行控制是根據(jù)電動機(jī)的特性參數(shù)及電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，對電動機(jī)提供電壓、電流、頻率進(jìn)行控制達(dá)到負(fù)載的要求。因此變頻

10、器的主電路一樣，逆變器件也相同，單片機(jī)位數(shù)也一樣，當(dāng)控制方式不一樣，其控制效果是不一樣的。所以控制方式是很重要的。它代表變頻器的水平。目前變頻器對電動機(jī)的控制方式主要為V/f恒定控制、矢量控制。 四、變頻器的控制方式交流調(diào)速的控制核心是： 只有保持電機(jī)磁通恒定才能保證電機(jī)出力，才能獲得理想的調(diào)速效果V/FV/F控制控制簡單實(shí)用，性能一般，使用最為廣泛l只要保證輸出電壓和輸出頻率恒定就能近似保持磁通保持恒定 例: 對于380V 50Hz電機(jī)，當(dāng)運(yùn)行頻率為40HZ時(shí)，要保持V/F 恒定，則 40HZ時(shí)電機(jī)的供電電壓:380（40/50)304Vl低頻時(shí)，定子阻抗壓降會導(dǎo)致磁通下降，需將輸出電壓適當(dāng)

11、提高l不依賴電機(jī)參數(shù)，支持一臺變頻器同時(shí)驅(qū)動不同類型不同功率的電機(jī)矢量控制矢量控制性能優(yōu)良，可以與直流調(diào)速媲美，技術(shù)成熟較晚模仿直流電機(jī)的控制方法，采用矢量坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)定子勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦控制，保持電機(jī)磁通的恒定，進(jìn)而達(dá)到良好的轉(zhuǎn)矩控制性能，實(shí)現(xiàn)高性能控制。性能優(yōu)良，控制相當(dāng)復(fù)雜，直到90代計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展才真正大范圍使用，如SIEMENS MM440 6SE70系列變頻器。電機(jī)參數(shù)對控制性能的影響較大，一般一臺變頻器只能驅(qū)動一臺電機(jī)項(xiàng)目通用變頻器高性能變頻器控制算法V/F控制轉(zhuǎn)矩提升同步機(jī)異步機(jī)控制算法基本相同開環(huán)矢量控制（無速度傳感器矢量控制）閉環(huán)矢量控制（有

12、速度傳感器矢量控制）異步機(jī)和同步機(jī)需要不同的控制算法調(diào)速范圍1:401:100（開環(huán)矢量),1:1000(閉環(huán)矢量)啟動轉(zhuǎn)矩?zé)o要求180% 0.5Hz（開環(huán)矢量)，200% 0速(閉環(huán)矢量)穩(wěn)速精度與轉(zhuǎn)差有關(guān)（2-3%)0.5%(開環(huán)矢量)，0.05%(閉環(huán)矢量)轉(zhuǎn)矩控制無有控制算法簡單復(fù)雜電機(jī)參數(shù)不依賴電機(jī)參數(shù)，支持同時(shí)驅(qū)動不同類型不同功率的電機(jī)電機(jī)參數(shù)對控制性能的影響較大，一般只能驅(qū)動一臺電機(jī)1.變頻器主回路接口 R S T P 1 (+ ) P B (-) U V W P E P O W E R S U P P LY M O T O R 工頻電網(wǎng)輸入380V 3PH/220V 3PH22

13、0V 1PH制動電阻三相交流電機(jī)五、變頻器用戶接口五、變頻器用戶接口接口類型主要特點(diǎn)主要功能開關(guān)量輸入無源輸入，一般由變頻器內(nèi)部24V供電，啟/停變頻器，多段速、外部故障等信號或指令開關(guān)量輸出集電極開路輸出、繼電器輸出變頻器故障、就緒、達(dá)速等，參與外部控制模擬量輸入0-10V/4-20mA頻率給定、反饋，接收來自外部的給定或控制模擬量輸出0-10V/4-20mA運(yùn)行頻率、運(yùn)行電流的輸出，用于外界顯示儀表和外部設(shè)備控制通訊口RS485/RS232組網(wǎng)控制2.變頻器控制回路接口電路接口 電路接口 電路接口 選擇變頻器時(shí)必須要充分了解變頻器所驅(qū)動的負(fù)載特性。在實(shí)踐中常將生產(chǎn)機(jī)械分為三種類型:恒轉(zhuǎn)矩負(fù)

14、載、恒功率負(fù)載和風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定。例如傳送帶、攪拌機(jī)，擠壓機(jī)等摩擦類負(fù)載以及吊車、提升機(jī)等位能負(fù)載都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。六、負(fù)載類型恒功率負(fù)載 造紙機(jī)、某些機(jī)床主軸、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開卷機(jī)等要求的轉(zhuǎn)矩，大體與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。 電動機(jī)在恒磁通調(diào)速時(shí)，最大容許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時(shí)，最大容許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率

15、調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時(shí)，即所謂“匹配”的情況下，電動機(jī)的容量和變頻器的容量均最小。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載 在各種離心式風(fēng)機(jī)、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動，額定轉(zhuǎn)速以下設(shè)備產(chǎn)生的流量與泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，設(shè)備產(chǎn)生的壓力與泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，設(shè)備消耗的功率與泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比，當(dāng)所需流量減小時(shí)，利用變頻器通過調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度地節(jié)約電能。 當(dāng)所需的流量為額定流量的一半時(shí),意味著所需要的功率僅僅為額定功率的八分之一。成年累月地積累下來,形成巨大的節(jié)能潛力。由于高速時(shí)所需功率隨轉(zhuǎn)速增長過快，與速度的三次方成正比，所以通常不應(yīng)使風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載超工頻運(yùn)行。序號

16、運(yùn)行命令運(yùn)行給定變頻器狀態(tài)1無運(yùn)行命令停機(jī)2有正向或反向運(yùn)行命令給定為0零速運(yùn)行3有正向運(yùn)行命令有非0給定正向運(yùn)行4有反向運(yùn)行命令有非0給定反向運(yùn)行5有正向或反向運(yùn)行命令給定由非0變?yōu)?減速而后保持零速運(yùn)行4運(yùn)行中直接方向命令切換有非0恒定給定減速到0后反向運(yùn)行七、變頻器應(yīng)用簡介運(yùn)行給定運(yùn)行給定運(yùn)行命令運(yùn)行命令l決定速度大小 （直接速度給定、多段速、PID結(jié)果）l決定電機(jī)的運(yùn)行方向l決定變頻器是啟動還是停止一個狀態(tài)正常的變頻器要運(yùn)行，以下兩個要素條件必須滿足：1.1.變頻器運(yùn)行的兩大要素變頻器運(yùn)行的兩大要素2.鍵盤控制工頻電源外部延長電纜特點(diǎn)：l運(yùn)行命令由鍵盤上的RUN和STOP決定l運(yùn)行方向

17、一般由變頻器內(nèi)部參數(shù)決定l運(yùn)行給定由鍵盤修改特定功能碼完成l方便快捷適用場合l在設(shè)備調(diào)試時(shí)廣泛使用l應(yīng)用在簡單且實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的單機(jī)場合3.外部端子控制（單機(jī)）工頻電源特點(diǎn)：l運(yùn)行命令由外部啟停按鈕或PLC數(shù)字量輸出決定，通過變頻器外部端子FWD/REV決定運(yùn)行方向l運(yùn)行給定一般由外部模擬端子決定：PLC 模擬輸出電位器l常與外部邏輯電路或PLC共同控制變頻器適用場合l應(yīng)用在實(shí)時(shí)性較強(qiáng)獨(dú)立系統(tǒng)l使用范圍最廣 啟動停止開關(guān)量端子模擬量端子4.外部端子控制（多機(jī)）工頻電源啟動停止工頻電源速度給定使用場合： 各類小型生產(chǎn)線或系統(tǒng)特點(diǎn)：l 實(shí)時(shí)性好l 調(diào)試維護(hù)方便l 線路復(fù)雜，抗干擾 能力差 開關(guān)量端子模

18、擬量端子開關(guān)量端子模擬量端子5.通訊控制工頻電源啟動停止工頻電源速度給定使用場合： 各類中大型生產(chǎn)線或系統(tǒng)特點(diǎn)：l所有控制均通過通訊電纜l線路相對簡單，自動化 水平高，信息交換量大l實(shí)時(shí)性好，抗擾能力強(qiáng)l為防止網(wǎng)絡(luò)故障，特設(shè)獨(dú)立急停功能l投入大，調(diào)試維護(hù)困難通訊接口通訊接口單根電纜人機(jī)界面通訊接口使用通用變頻器的行業(yè)和設(shè)備使用矢量變頻器的行業(yè)和設(shè)備紡織絕大多數(shù)設(shè)備紡織有張力控制場合需使用冶金輔助風(fēng)機(jī)水泵、輥道、高爐卷揚(yáng)冶金各種主軋線、飛剪石化用風(fēng)機(jī)、泵、空壓機(jī)電梯門機(jī)、起重行走電梯、起重提升供水油田用風(fēng)機(jī)、水泵、抽油機(jī)、空壓機(jī)電廠風(fēng)機(jī)水泵、傳送帶市政鍋爐、污水處理部分拉絲機(jī)牽引拉絲機(jī)的收放卷凹版印刷水