變頻器初級培訓教材

變頻器初級培訓教材培訓目標了解電氣傳動的根本概念掌握變頻器的根本工作原理和設備結構能初步理解變頻器資料目錄電氣傳動根底知識通用變頻器的構成及簡單工作原理完美無諧波系列高壓變頻器特點提高篇——高壓變頻器設計理念春曉所用變頻器硬件介紹目錄：電氣傳動根底知識—電氣傳動系統(tǒng)概述定義以交流〔直流〕電動機為動力拖動各種生產機械的系統(tǒng)我們稱之為交流〔直流〕電氣傳動系統(tǒng)，也稱交流〔直流〕電氣拖動系統(tǒng)構成中間傳動機構交流電源輸入終端機械交流電機直流調速裝置直流輸出皮帶輪、齒輪箱等風機、泵等直流電機交流調速裝置交流輸出執(zhí)行機構變頻器電氣傳動根底知識—電氣傳動系統(tǒng)根本工作原理電力傳動系統(tǒng)運動方程式T電機轉矩>T負載轉矩－－－加速運行

T電機轉矩<T負載轉矩－－－減速運行

T電機轉矩＝T負載轉矩－－－恒速運行電機轉矩控制性能是影響電氣傳動系統(tǒng)性能上下的最重要因素加減速時間和電機轉矩、負載轉矩以及系統(tǒng)慣量有關T電機轉矩－T負載轉矩

P電機功率＝T電機轉矩×N電機速度×K常數(shù)MT電機轉矩T負載轉矩中間傳動機構終端機械變頻器根底知識—變頻器及其特點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換成電壓、頻率均可變的適合交流電機調速的電力電子變換裝置，英文簡稱VVVF(VariableVoltageVariableFrequency〕變頻器的控制對象三相交流異步電機和三相交流同步電機，標準適配電機極數(shù)是2/4極序號優(yōu)點1平滑軟啟動，降低啟動沖擊電流，減少變壓器占有量，確保電機安全2在機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無級調速，調速精度大大提高4電機正反向無需通過接觸器切換5非常方便接入通訊網(wǎng)絡控制，實現(xiàn)生產自動化控制變頻調速的優(yōu)勢〔與其它交流電機調速方式比照〕變頻器根底知識—變頻器分類供電電源低壓220V/1PH、220V/3PH、380V/3PH高壓3000、6000、10000V/3PH控制算法通用內置V/F控制方式，簡單，性能一般高性能內置矢量控制方式，復雜，高性能變換方法（拓樸結構）交直交電壓型（儲能環(huán)節(jié)為電解電容）電流型(儲能環(huán)節(jié)為電抗器）交交無儲能環(huán)節(jié)注：交直交電壓型變頻器因結構簡單，功率因素高，目前廣泛使用常用設計功率在315KW變頻器根底知識—簡要工作原理～整流局部儲能環(huán)節(jié)逆變局部M控制系統(tǒng)交流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，輸出電流近似正弦變頻器根底知識—簡要工作原理單相逆變電路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3導通S2,S4導通S1,S3導通S2,S4導通S1,S3導通S2,S4導通f1f2EdU1逆變器的功能：通過改變開關管導通時間改變輸出電壓的頻率通過改變開關管導通順序改變輸出電壓的相序變頻器根底知識—簡要工作原理S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612123234345456561612三相逆變電路Ed缺點：輸出電壓的諧波分量太大電機諧波損耗增加，發(fā)熱嚴重甚至燒壞電機轉矩脈動較大，低速運行時影響轉速的平穩(wěn)直到從通信技術中采用PWM調制才大大的緩解了以上問題電機變頻器根底知識—簡要工作原理調制解調器調制解調器的英文是MODEM，其作用是利用模擬信號傳輸線路傳輸數(shù)字信號。電子信號分兩種，一種是“模擬信號〞，一種是“數(shù)字信號〞。我們使用的線路傳輸?shù)氖悄M信號，而PC機之間傳輸?shù)氖菙?shù)字信號。所以當你想通過線把自己的電腦連入Internet時，就必須使用調制解調器來“翻譯〞兩種不同的信號。連入Internet后，當PC機向Internet發(fā)送信息時，由于線傳輸?shù)氖悄M信號，所以必須要用調制解調器來把數(shù)字信號“翻譯〞成模擬信號，才能傳送到Internet上，這個過程叫做“調制〞。當PC機從Internet獲取信息時，由于通過線從Internet傳來的信息都是模擬信號，所以PC機想要看懂它們，還必須借助調制解調器這個“翻譯〞,這個過程叫作“解調〞。合起來就是“調制解調〞。變頻器根底知識—簡要工作原理SPWM調制載波PWM〔PulseWidthModuration〕調制PWM調制是：利用半導體開關器件的導通和關斷把直流電壓調制成電壓可變、頻率可變的電壓脈沖列。SPWM調制是：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電壓，能獲得理想的控制效果：輸出電流近似正弦載波頻率必須高，才能保證調制后得到的波形與調制前效果相同GTR變頻器由于開關頻率太低，電機噪聲較大，IGBT有效的解決了這個問題羅賓康公司〔品牌〕歷史ROBICON(羅賓康)公司成立于1964年?？偛吭诿绹e西法尼亞州。1994年，羅賓康制造出了世界上第一臺電壓源型完美無諧波的高壓變頻器。2005年7月份，SIEMENS公司成功收購ROBICON公司西門子羅賓康完美無諧波系列變頻器介紹為什么采用高壓變頻器？1.降低本錢風機，水泵，壓縮機的節(jié)能減少機械設備的維護費用延長機械設備的使用壽命2.改善過程控制提高產量增強適用性適于各種環(huán)境適用于重載啟動恒轉矩負載情況，比方皮帶機3.在質量較差的電網(wǎng)系統(tǒng)啟動大型電機消除電壓波動減少沖擊電流比降壓啟動器更大的啟動力矩西門子羅賓康完美無諧波系列變頻器特點18脈沖以上整流,正弦波輸入，無需濾波器，輸入諧波優(yōu)于IEEE519-1992標準和國家標準GB/T14549-93輸入功率因數(shù)0.95以上，無需功率因數(shù)補償器高壓直接輸出，高-高結構，沒有升壓變壓器單元串聯(lián)多電平PWM專利技術，完美正弦輸出波形(無需輸出濾波器)，適用國產普通電機內部干式變壓器和功率單元模塊化設計，維護方便矢量控制技術,恒轉矩特性97%系統(tǒng)總體效率(包含變頻器和變壓器局部)體積最小的高壓變頻器羅賓康完美無諧波系列高壓變頻器結構原理A1B1C1A2B2C2A3B3C3A4B4C4A5B5C5A6B6C6motor功率單元結構6kv輸出電壓疊加示意圖A5A4A3A2A1B1B2B3B4B6C1C2C3C4C5可達110%電壓輸出VACVBAVCBABC120TYP.NoA6C6B5高壓大功率變頻器的性能指標之一輸入諧波3xxFundamenta基波

諧波就是無用和有害的電壓和電流，一般頻率變化并且和基波疊加在一起。諧波產生于非線性負載，使得電流和電壓不成比例。3rdHarmonic3次諧波諧波的危害使公用電網(wǎng)中的元件產生了附加的諧波損耗,影響各種電器設備的正常工作引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電器測量儀表計量不準確。對鄰近的通信系統(tǒng)產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；對電壓而言，就6KV和10KV電網(wǎng)要求電壓總諧波不超過4%GB/T14549-93國家標準對電流而言，在基準短路容量為100MVA的條件下，對每次諧波電流的幅值提出了具體的要求，對6KV電網(wǎng)：2次諧波電流小于43A3次諧波電流小于34A4次諧波電流小于21A5次諧波電流小于34A6次諧波電流小于14A各次諧波均方根值換算成百分比，也為4%左右。消除輸入諧波的有效方法減少輸入諧波的有效措施是將輸入變壓器進行多重化設計形成多脈沖整流。從理論上可以推導出以下結論：12脈沖整流：11次以下諧波自動抵銷18脈沖整流：17次以下諧波自動抵銷24脈沖整流：23次以下諧波自動抵銷30脈沖整流：29次以下諧波自動抵銷36脈沖整流：35次以下諧波自動抵銷

ROBICON完美無諧波高壓變頻器采取多重化有效消除輸入諧波。以6KV變頻器為例，采用30脈波的二極管整流電路結構,諧波量很少輸入諧波遠遠小于規(guī)定的標準，在不用濾波器情況下一般在2%左右，不會對電網(wǎng)產生影響。高壓變頻器的性能指標之二輸入功率因數(shù)ROBICON完美無諧波高壓變頻器輸入功率因數(shù)大于0.95高壓變頻器的性能指標之三輸出波形質量包括輸出諧波、dv/dt、等指標。變頻器輸出波形與變頻器逆變器的結構密切相關。變頻器輸出波形對電機的影響：輸出諧波會引起電機的附加發(fā)熱和轉矩脈動。輸出dv/dt和共模電壓會影響電機的絕緣。單元串聯(lián)多電平移相式PWM電壓源型逆變器-6kV系列A1B1C1A2B2C2A3B3C3A4B4C4A5B5C5A6B6C6motor功率單元(powercell)結構IGBT-Q1IGBT-Q3IGBT-Q2IGBT-Q4CELL2單元2COMPOSITE合成dv/dt三個單元輸出的電壓疊加CELL1單元1CELL3單元3ROBICON完美無諧波高壓變頻器的可靠性主回路結構簡單明了，沒有附加的輸入輸出濾波器、功率因素補償器、升壓變壓器等附加電路采用廣泛使用、驅動簡單可靠的IGBT功率器件內部一體式干式變壓器，絕緣等級為H級電源變化對ROBICON完美無諧波變頻器的影響RIDETHROUGHVOLTAGESAGOF-45%可承受-45%的電壓下降RE-STARTINTOAMOTORWHICHISSTILLSPINNING電機還在旋轉的情況下可重新起動全新的功率單元自動旁路系統(tǒng)A5A4A3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5VACVBAVCBAB120TYP.No所有功率單元正常工作輸出電壓最大可達110％額定電壓A6C6B63個功率單元被旁路時的情形83%功率模塊正常，但輸出線電壓不平衡A3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5VACVBAVCBABC120TYP.NoC6B6A3A2A1B1B2B3C1C2C3VACVBAVCBABC120TYPNo3個單元故障后采用傳統(tǒng)旁路的情形83%功率單元正常，但僅能得到55％額定輸出電壓3個功率單元故障后采用中心點漂移技術時的情形83%功率單元正常時，可以得到86％額定輸出電壓89135.5135.5oooABCVACVBAVCBA3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5C6B5中心點漂移了中性點偏移旁路方案輸出電壓〔一個功率單元故障時〕對于6kV系列產品,采用中心點偏移的功率單元技術,在一個功率單元出現(xiàn)故障的情況下,輸出電壓能力(也對應于功率)為91.7%,ROBICON6kV系列產品其輸出能力為6.6kv,所以在任一個功率單元出現(xiàn)故障的情況下其輸出電壓能力為6.6kv*91.7%=6.05kv>6kv還能輸出滿載ROBICON完美無諧波系列變頻器總結正弦波輸入，無需濾波器，輸入諧波優(yōu)于IEEE519-1992標準和國家標準GB/T14549-93輸入功率因數(shù)0.95以上，無需功率因數(shù)補償器高壓直接輸出，高-高結構，沒有升壓變壓器單元串聯(lián)多電平PWM專利技術，完美正弦輸出波形(無需輸出濾波器)，適用國產普通電機內部干式變壓器和功率單元模塊化設計，維護方便矢量控制技術,恒轉矩特性97%系統(tǒng)總體效率(包含變頻器和變壓器局部)可靠性極高提高篇－－完美無諧波系列高壓變頻器的設計思路低壓變頻技術突破

上世紀八十年代，絕緣柵型雙極晶體管〔IGBT〕問世，使低電壓的交流電機變頻調速獲長足開展。九十年代末全世界進入低電壓變頻器商業(yè)化應用階段。人們自然想到，同樣的原理應用到高壓電機調速是否可行呢？“高壓〞可照搬“低壓〞？低壓變頻器所用的元件IGBT所能耐受的電壓是1200V至1800V，電壓再高元件就會損壞。按照低壓變頻器所用的原理和電路，高壓變頻器所需的元件耐壓是兩萬伏特以上，期待這種元件是不現(xiàn)實的。緊趕趕上狼慢趕狼趕上

如果是業(yè)內人士，你可能脫口而出：把二十個低耐壓元件串聯(lián)就夠了！很對，這是電力電子行業(yè)的經典做法。事實上許多大型國際性電氣公司和我國的研究院所都做了大量的工作，證明這是一個代價極高的方案。二十個棒小伙子，個子一樣高，肩扛一根鐵軌走在平坦的路上，每個人的負重能力是一百公斤，鐵軌重兩千公斤，有人指揮并且安排好左右腿交替方案。這種只有理論意義的設想，我們不敢將他付諸實際。如果一個小伙打個趔趄，就會壓垮全部小伙。但我們必須說明，這個設想的可行性高于二十個低耐壓元件串聯(lián)。逞強自己被擊垮

偷懶會擊垮別人

先考察一個靜態(tài)的情況：二十個棒小伙子肩扛一根鐵軌站在平坦的路面。要求肩一樣高，不許偷懶和逞強。二十個低耐壓元件串聯(lián)起來共同承受兩萬四千伏特的電壓。每個分擔一千二百伏電壓，不可多擔也不可少擔。多擔自己會擊垮，少擔會擊垮別人。怎樣才能不多擔也不少擔呢？要求每個元件自身的“內阻〞一致。內阻類似小伙子們的素質。動態(tài)的情況：二十個棒小伙子肩扛一根鐵軌站在平坦的路面，然后協(xié)調一致的把鐵軌“撂〞在路面上。少頃，重新協(xié)調一致“扛〞到肩上。二十個低耐壓元件串聯(lián)起來共同承受兩萬四千伏特的電壓。每個分擔一千二百伏電壓，不可多擔也不可少擔。然后，在統(tǒng)一的時間，各元件變阻抗為導通，變的速度要一致，變得快擊垮別人，變的慢擊垮自己。同樣，少頃，由導通變?yōu)樽杩箷r，變的速度要一致，“扛〞得快擊垮自己，“扛〞的慢擊垮別人。怎樣才能變的不快也不慢呢？要求每個元件的“內部電容〞一致。這類似于小伙子們的敏捷程度?！翱辅暤每鞊艨遄约?，“扛〞的慢擊垮別人；

“撂〞得快擊垮別人，“撂〞的慢擊垮自己。老化問題

元件從出爐到不斷使用，性能會有所改變，經過一段時間后逐漸穩(wěn)定下來。稱為“老化〞。就像小伙子們工作一段時間后表現(xiàn)出不同的心理和身體素質，需要調整工作團隊。而元件進行這樣的調整本錢就太高了。通常是犧牲一些有效工作壽命，老化完成后選配組合。批次問題通常同一批次的元件具有相近的參數(shù)，我們可以預留同批次元件作為更換備件，也意味著設備的高昂價格。假設忽略元件問題,

“高壓〞可照搬“低壓〞？即使忽略元件問題，“高壓〞也不可照搬“低壓〞！又將面臨高壓變頻技術的另一座高山——諧波。什么是諧波？

現(xiàn)實中的波形是由基波和諧波合成的，對拖動電機起正面作用的是基波。諧波頻率比基波頻率高假設干倍?？梢韵胂?，基波推動電機向前時，諧波以較高的頻率一下向前、一下向后的作用電機，在很短的時間里推了一下又拉了一下，相當于在基波上疊加了一個震動。諧波還會帶來額外的發(fā)熱。我們不希望諧波出現(xiàn)，但如影隨形，總是困擾著我們。如果“高壓〞照搬“低壓〞諧波將是無法承受之痛。

諧波帶來什么危害？電子云原子由原子核、電子組成，電子圍繞原子核高速運轉形成球形的電子云，原子核與電子云的重心是重合的。當加上一個直流〔左邊正、右邊負〕電場之后，球形就變成了橄欖球形。原子核偏向了負電極〔右〕，電子云偏向了正電極〔左〕。電場反過來〔左負右正〕，原子核偏向左，電子云偏向右。

微波爐

如果電場交變起來，就是微波爐的原理。原子核與電子云相向對沖，一會向左一會向右，交變電場頻率越高、摩擦越重、發(fā)熱越甚，加熱食品很是有效。但這個交變電場加到電機上，電機和電纜的絕緣物就被“燒熟〞了，電機和電纜很快就壞了。HVF高壓變頻調速器臭氧發(fā)生器如果這個交變電場中有空氣就更嚴重了。其中的氧氣會轉化為臭氧。在原子核與電子云的摩擦中，三個O2變成兩個O3。更令人瞠目結舌的是：電機有散熱風扇，不斷的將O2喂進來，將轉化后的O3扇出去。電機成了效率極高的臭氧發(fā)生器。少量的臭氧可殺菌，清新空氣，濃度高了就成了殺手。強氧化性，導致呼吸道和其他組織潰瘍，我國勞動衛(wèi)生法中對此有嚴格規(guī)定。電機線圈發(fā)熱

前面提到，諧波在很短的時間里把電機推一下又拉一下，沒有起到正面作用，又增加了震動。且這個能量要在電機線圈中轉化為熱，減少電機壽命。這是諧波的又一“奉獻〞。再忽略諧波，

“高壓〞可照搬“低壓〞否？仍然不可！低壓變頻技術原理中采用脈沖寬度調制〔PWM〕，元件開關次數(shù)太高。元件發(fā)熱元件希望導通時不承受電壓；截止時不通過電流。這樣電壓乘電流為零，元件損耗很小。事實上元件不可能理想，有幾個微秒功耗是很大的。比方一百安培乘五百伏特，達五十千瓦。這僅為一個元件的損耗。開關次數(shù)〔頻率〕高到一定程度，將無法將產生的熱散發(fā)出去，無法輸出有用的功率，元件將很快燒毀。元件壽命即使沒有元件發(fā)熱的問題，開關次數(shù)〔頻率〕高也要直面壽命問題。元件的材質是硅材料，屬脆性，達疲勞極限就會損壞。開關次數(shù)差一百倍，壽命也差一百倍?！敖涀儔浩鹘祲?，

低壓變頻，再經變壓器升壓〞可否？西門子公司早期就是這一“高-低-高〞方案。過渡性的滿足了社會需求。存在的問題也很明顯。

損耗大二百二十五倍就像高壓輸電損耗較小，采用高壓電機也是為了減小損耗。如果又有了低壓環(huán)節(jié)，比方將六千伏降為四百伏，要保持同樣功率電流就要高十五倍，損耗是十五的平方倍。HVF高壓變頻調速器前后變壓器的麻煩

放大諧波，增加損耗。

除元件不必串聯(lián)外，其他問題無一不在?？偨Y

我們總結一下：希望存在一種方案：

1、采用低耐壓、參數(shù)正常分布元件。

2、諧波很低。

3、開關次數(shù)很低。

4、無功耗加大環(huán)節(jié)。選個對手高壓變頻工程有四座大山，我應該從哪下手呢？采用普通元件的原理線路應該最關鍵。先試試再說。不知道創(chuàng)造學老師怎么說，我的做法是：如果這個條路走不通，另外三條路要分別試探一下。多角度試探，為了觸發(fā)靈感。觸類旁通就像前面描述的，我通常要將選定的難題與一個自然中存在的類似的現(xiàn)象聯(lián)系起來?？纯搭愃频那闆r別人是怎樣解決的，或可以怎樣解決。普通元件串聯(lián)就像普通的小伙子扛鐵軌。幾十個性情不一、素質不一的小伙子，同步扛起、放下一整根鐵軌確實不易，怎樣就容易了呢？苦惱了很多天。有一天，平平常常，腦中無望的嘮叨：要是各自扛起一小段就好了！……一小段就好了！把整根鐵軌截成小段？…

鐵軌代表什么？鐵軌代表什么？

一人一小段就不必心理、身體素質一致，不必同步訓練，可以獨立完成作業(yè)。小伙子是元件，鐵軌是什么？小段鐵軌代表什么？幾十段鐵軌代表什么？整根鐵軌代表什么？需要整根鐵軌時怎么辦？怎么接起來？鐵軌代表什么？

鐵軌代表電源，整根鐵軌代表整個電源，小段鐵軌代表一個分立的、獨立的電源。許多獨立電源合起來形成整個電源。開關元件導通時，獨立電源被接入。開關元件關斷時，獨立電源被移走。這個開關元件就只承受這個獨立電源的電壓，這個開關元件的導通和關斷也不影響其他的開關元件。高壓變頻器最根本的元素很快就畫出了單元電路圖，細長線、粗短線電池符號代表獨立電源，串上開關，旁邊并上一個二極管，方向同電源，開關斷時二極管導通，給別的單元提供通路。這個簡單電路被專家認定是高壓變頻器最根本的元素，雖然只能完成直流功能，但其他的事情已經不難了。熱冗余

當某單元故障，安排各相電壓變形，保持輸出不變。當某單元僅故障一局部時，其它局部仍可奉獻力量。比方一個IGBT擊穿或斷路〔此類故障占全部故障90%〕，會影響半波輸出，通過各相配合，另半