(變頻器原理以及功能應(yīng)用)課件

變頻器基礎(chǔ)知識交流LTTL13142008-09-01提綱變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器各種功能和應(yīng)用變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)第一節(jié)：變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)變頻器的工作原理我們知道，交流電動機(jī)的異步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：n＝60f(1－s)/p(1)其中n———異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f———異步電動機(jī)的頻率；s———電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p———電動機(jī)極對數(shù)。由公式(1)可知，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機(jī)的極對數(shù)有關(guān)系，因而交流電動機(jī)的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速(調(diào)整P)、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速或內(nèi)反饋電機(jī)(調(diào)整s)和變頻調(diào)速(調(diào)整f)等。而我們現(xiàn)在運(yùn)用最廣泛的就是變頻調(diào)速，由轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：n＝60f/p故也可以用變頻調(diào)速。變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)變頻器的發(fā)展史變頻器相關(guān)技術(shù)（即發(fā)展基礎(chǔ)）電力電子技術(shù)

半導(dǎo)體功率器件從GTO（門極可關(guān)斷晶體管）、GTR（大功率晶體管）、BJT（雙及型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應(yīng)管）到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實(shí)用化，使得開關(guān)高頻化的PWM技術(shù)成為可能。微處理器技術(shù)

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機(jī)、數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)、專用集成電路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)等?，F(xiàn)在又出現(xiàn)了多個(gè)CPU協(xié)同工作：管理，核心，鍵盤，上位機(jī)等。核心控制算法的實(shí)時(shí)完成、功率器件驅(qū)動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)功能都可以通過微處理器實(shí)現(xiàn)，為交流傳動系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價(jià)格比?？刂评碚摰牟粩噙M(jìn)步

應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論。網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 局域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控；

ProfibusBUS,

Interbus-S,DeviceNET,I/OInterface變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)V/F控制及U/f=C的

其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。電壓空間矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)矢量控制變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)

1）基本思想

(1)對直流電動機(jī)的分析在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電動機(jī)的調(diào)速特性被公認(rèn)為是最好的。究其原因，是因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)十分重要的特點(diǎn):(a)磁場特點(diǎn)它的主磁場和電樞磁場在空間是互相垂直的，如圖(a)所示;(b)電路特點(diǎn)它的勵(lì)磁電路和電樞電路是互相獨(dú)立的，如圖(b)所示。在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)，只調(diào)節(jié)其中一個(gè)電路的參數(shù)。2）變頻器的矢量控制模式仿照直流電動機(jī)的控制特點(diǎn)，對于調(diào)節(jié)頻率的給定信號，分解成和直流電動機(jī)具有相同特點(diǎn)的磁場電流信號i*M和轉(zhuǎn)矩電流信號i*T，并且假想地看作是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)著的直流磁場的信號。當(dāng)給定信號改變時(shí)，也和直流電動機(jī)一樣，只改變其中一個(gè)信號，從而使異步電動機(jī)的調(diào)速控制具有和直流電動機(jī)類似的特點(diǎn)。對于控制電路分解出的控制信號i*M和i*T，根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號i*A、i*B和i*C，對三相逆變橋進(jìn)行控制，如圖所示。從而得到與直流電動機(jī)類似的硬機(jī)械特性,提高了低頻時(shí)的帶負(fù)載能力。變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)矢量控制變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理第二節(jié)：變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器的分類

按變頻的原理，變頻器分為交－交變頻器和交－直－交變頻器。變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器的分類交一交變頻器

它是將頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源．其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在額定頻率的1／2以下，故主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。交一直一交變頻器

先將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及變頻后電動機(jī)特性的改善等方面，都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均屬于交一直－交變頻器。

交一直一交電壓型變頻器的主回路構(gòu)成（以下都簡稱為變頻器）

：

[電源輸入—整流橋—啟動電阻（直流電感）—母線電容—制動單元（制動電阻）]—逆變橋—電源輸出。整流橋啟動電阻輸入交流電源母線電容逆變橋交流輸出制動單元直流電感制動電阻變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理交一直一交電壓型變頻器的主回路構(gòu)成（以下都簡稱為變頻器）主要器件整流橋：西門康SEMKRON(SKKD162/16100A/SKD)、三社SanRex

（DFA）、IXYS（VU）、IRF

[InternationalRectifier]（160MTKB）、德國Powersem（psd35）等逆變器：

IGBT：西門子[優(yōu)派克]EUPEC

（FS、BSM）、Fuji（2MB）等

IPM：三菱（PM）等

PIM一體模塊：西門子[優(yōu)派克]

EUPEC

（FS、FP、BSM）、泰科TYCO（V23990-P89）等單管IGBT：APT（AdvancedPowerTechnology）APT60GF120JRD電解電容：400V，560V，5600UF以下（包括）CPU：

TMS320F2406A/7A，TMS320F2813等光耦：東芝的TLP3120，7840，HP的HCPL-4504等緩沖電阻：單管IGBT、風(fēng)扇、接觸器、散熱器、霍爾、溫度傳感器等變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器的控制回路構(gòu)成：

電源板（防雷電路、開關(guān)電源電路、模塊驅(qū)動和保護(hù)電路、信號采集電路等）——控制板（客戶命令采集、各種信號處理并進(jìn)行整機(jī)控制等）——接口板——鍵盤板。變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器各電路的工作原理和作用（二）控制回路開關(guān)電源電路：這部分相對我們公司的電源產(chǎn)品來說就很簡單了，它的特點(diǎn)是輸出通路多。（2844）模塊驅(qū)動電路：主要是信號封鎖、隔離、放大和電壓轉(zhuǎn)換以及強(qiáng)弱電隔離。（3120、4504）信號檢測電路:輸入缺相信號、母線電壓信號（CVD）、三相輸出電流信號、殘壓信號、模塊溫度信號、接觸器狀態(tài)信號、模塊狀態(tài)信號等的采集和放大處理。控制電路：根據(jù)檢測來的信號判斷工作狀態(tài)，執(zhí)行客戶外部指令，按照設(shè)定的控制方式發(fā)出SPWM形波。接口電路：主要是用來實(shí)現(xiàn)多功能和通訊功能，并可為客戶提供電源，是為了方便客戶的現(xiàn)場運(yùn)用。顯示電路：分為LED和LCD兩種。變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理驅(qū)動板電路框圖和對應(yīng)實(shí)物

下面是一個(gè)品牌變頻器驅(qū)動板架構(gòu)變頻器的主要構(gòu)成及工作原理驅(qū)動板電路框圖和對應(yīng)實(shí)物

下面以某品牌變頻器功率板為例變頻器的主要構(gòu)成及工作原理逆變電路原理的討論

SPWM的開關(guān)點(diǎn)

SPWM的脈沖序列的產(chǎn)生是由基準(zhǔn)正弦波和三角載波信號的交點(diǎn)所決定的，且每一個(gè)交點(diǎn)都是逆變器同一橋臂上兩只逆變管的開、關(guān)交替點(diǎn)．因此將這個(gè)交點(diǎn)稱作SPWM的開關(guān)點(diǎn)，我們必須將所有的交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)汁算出來，才能有序地向逆變器發(fā)出通斷的指令。調(diào)節(jié)頻率時(shí)基準(zhǔn)正弦波的頻率和幅值都要改變，載波信號(三角波)與基準(zhǔn)正弦波的交點(diǎn)也將發(fā)生變化。所以每次調(diào)節(jié)頻率后，開關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)都需要重新計(jì)算，計(jì)算量之大是人工難以完成的。只有通過計(jì)算機(jī)這個(gè)工具才能在最短的時(shí)間內(nèi)將開關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出來，從而控制各逆變管實(shí)時(shí)通斷來完成變頻、變壓的任務(wù)。強(qiáng)調(diào)二點(diǎn)（1）逆變器輸出頻率與正弦調(diào)制波頻率相同；當(dāng)逆變器輸出端需要變頻時(shí)，只要改變調(diào)制波的頻率；2）三角波與正弦波的交點(diǎn)即確定了逆變器輸出脈沖的寬度和相位。通常采用恒幅三角波，而改變調(diào)制波幅值的方法，以得到不同的寬度，從而得到不同的逆變器輸出電壓。變頻器各種功能和應(yīng)用第三節(jié)：變頻器各種功能的應(yīng)用變頻器各種功能起動頻率與暫停加速功能（2）電動機(jī)起動后，先在較低頻率fDR下運(yùn)行一個(gè)短時(shí)間，然后再繼續(xù)加速的功能。對于慣性較大的負(fù)載，起動后先在較低頻率下持續(xù)一個(gè)短時(shí)間tDR，然后再加速；設(shè)置暫停加速的方式主要有兩種:·變頻器輸出頻率從0Hz開始上升至?xí)和ｎl率fDR，停留tDR后再加速，如圖(a)所示;·變頻器直接輸出起動頻率fS后暫停加速，停留tDR后再加速，如圖(b)所示。變頻器各種功能電動機(jī)各種停機(jī)功能變頻器各種功能的應(yīng)用電動機(jī)的停機(jī)方式:在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)可以設(shè)定的停機(jī)方式有:(a)減速停機(jī)即按預(yù)置的減速時(shí)間和減速方式停機(jī)，如上述，在減速過程中，電動機(jī)處于再生制動狀態(tài)。

(b)自由制動變頻器通過停止輸出來停機(jī),這時(shí),電動機(jī)的電源被切斷,拖動系統(tǒng)處于自由制動狀態(tài)。由于停機(jī)時(shí)間的長短由拖動系統(tǒng)的慣性決定,故也稱為慣性停機(jī)。

(c)減速加直流制動首先按預(yù)置的減速時(shí)間減速，然后轉(zhuǎn)為直流制動，直至停機(jī)，如圖所示。

(d)在低頻狀態(tài)下短暫運(yùn)行后停機(jī),當(dāng)頻率下降到接近于0時(shí),先在低速下運(yùn)行一個(gè)短時(shí)間,然后再將頻率下降為0Hz。變頻器各種功能的應(yīng)用PID調(diào)節(jié)的全稱是比例、積分、微分調(diào)節(jié)，是閉環(huán)控制中一種重要的調(diào)節(jié)手段，目的是使被控物理量迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)。PID反饋控制只要是通過溫度、壓力傳感器等，反饋模擬量給變頻器（可以是0~10V電壓信號，也可以是4~20mA的電流信號），通過變頻器相應(yīng)的處理輸出適合的頻率。當(dāng)變頻器有兩個(gè)或多個(gè)模擬量給定信號同時(shí)從不同的端子輸入時(shí)，其中必有一個(gè)為主給定信號，其他為輔助給定信號。變頻器各種功能PID反饋控制功能變頻器的應(yīng)用任何機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，都或多或少會產(chǎn)生振動。每臺機(jī)器又都有一個(gè)固有振蕩頻率，它取決于機(jī)械的結(jié)構(gòu)。如果生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行在某一轉(zhuǎn)速下時(shí)，所引起的振動頻率和機(jī)械的固有振蕩頻率相吻合的話，則機(jī)械的振動將因發(fā)生諧振而變得十分強(qiáng)烈(也稱為機(jī)械共振)，并可能導(dǎo)致機(jī)械損壞的嚴(yán)重后果。變頻器各種功能回避頻率（跳躍頻率）功能變頻器各種功能的應(yīng)用其他基本功能V/F控制功能，矢量控制功能，頻率上下限功能，多段速功能，異常停機(jī)功能，加速和減速時(shí)電壓、電流過高暫停加減速功能等。變頻器各種功能程序控制頻率功能各種變頻器都具有按時(shí)間控制的程序控制功能，在一個(gè)運(yùn)行周期中，可以劃分為若干個(gè)程序步。各程序步的工作頻率、運(yùn)行時(shí)間以及加、減速的快慢都由用戶根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要來進(jìn)行預(yù)置。

(1)程序步的劃分程序步是按運(yùn)行頻率的不同而劃分的，如圖所示。一個(gè)周期內(nèi)各程序步需要預(yù)置的內(nèi)容如下:程序步1:工作頻率為f1，運(yùn)行時(shí)間為t1(包括加速過程所需的時(shí)間)，加速時(shí)間為tA1;程序步2:工作頻率上升為f2，運(yùn)行時(shí)間為t2(包括加速過程所需的時(shí)間)，加速時(shí)間為tA2;l程序步3:工作頻率下降并反轉(zhuǎn)至f3，運(yùn)行時(shí)間為t3(包括正轉(zhuǎn)減速和反轉(zhuǎn)加速過程所需時(shí)間)，減速時(shí)間和加速時(shí)間分別為tD3和tA3;程序步4:工作頻率下降為f4(反轉(zhuǎn))，運(yùn)行時(shí)間為t4(包括減速過程所需時(shí)間)，減速時(shí)間為tD4。變頻器各種功能的應(yīng)用變頻器的作用(一)變頻調(diào)速的節(jié)能（能量回饋）(二)變頻調(diào)速在電動機(jī)運(yùn)行方面的優(yōu)勢變頻調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序可實(shí)現(xiàn)輸出換相．也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機(jī)的問題。變頻調(diào)速系統(tǒng)起動大都是從低速區(qū)開始，頻率較低。加、減速時(shí)間可以任意設(shè)定，故加、減速過程比較平緩、起動電流較小，可以進(jìn)行較高頻率的起停。變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時(shí)，變頻器可以利用自己的制動回路，將機(jī)械負(fù)載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。除此之外，變頻器還具有直流制動功能，需要制動時(shí)，變頻器結(jié)電動機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動，而無需另加制動控制電路。(三)以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的的應(yīng)用(四)提高電網(wǎng)質(zhì)量由于它在電機(jī)啟動時(shí)實(shí)現(xiàn)了很好的軟啟動功能，使電動機(jī)在啟動時(shí)不會對電網(wǎng)造成巨大的沖擊。同時(shí)由于它大量地使用了晶閘管等非線性電力電子元件，使變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，給電網(wǎng)帶來高次諧波的干擾；