上海地澳自动化科技有限公司变频器培训资料

上海地澳自动化科技有限公司变频器培训资料2012-01-13陈海潮138160974951、变频器的概念利用电力半导体器件的通断作用把电压和频率固定不变的交流电变换为电压和频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率首先要把电源的交流电（AD）变换为直流电（DC）简称整流器，再把直流电（DC）变换为交流电（AC）简称逆变器。2、变频器的发展历程当今变频器产业得到飞速发展，变频器产品的产业化规模日趋壮大。交流变频器自20世纪60年代左右问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛使用，而从20世纪90年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及(1)变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。(2)20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。(3)20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。(4)20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。(5)步入21世纪后，国产变频器逐步崛起。(1)欧美一线品牌：ABB、西门子、SEW、伦次、施耐德、CT、科比、欧陆、GE、瓦萨、丹弗斯、AB、安萨尔多、艾默生等几十个；(2)日本品牌：富士、三菱、安川、欧姆龙、松下、东芝、东川、三肯、日立、东洋等几十个；(3)韩国台湾品牌：欧林、台达、东达、普传、东凌、利佳、三基、动力、东元、三川、台安、收获等上百个品牌；3、变频器的主要品牌(4)国产品牌：普传、佳灵、艾默生、康沃、风光、森兰、易能、海丽普、日业、乐邦、科母龙、星河、阿尔法、先行、时代、惠丰、富陵、安邦信、德力西、利德华福、动力源、和平、英威腾、汇川、合康、蓝海华腾、荣信、三环、智光、正玄、港蓝、赛普传、思瑞、明阳、正泰、韦尔、等等上百个品牌；4、变频器的主要控制方式第一代以U/f=C，正弦脉宽调制(SPWM)，简称V/F;第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SVPWM控制方式；第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制(西门子代表);第四代以直接转矩控制，又称DTC控制（ABB代表）。第一代以U/f=C，正弦脉宽调制(SPWM)特点：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SVPWM控制方式。特点它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制特点矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过变换等效成两相静止坐标系下的交流电流，再通过按转子磁场定向旋转变换等效成同步旋转坐标系下的直流电流（相当于直流电动机的励磁电流和电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制的实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。缺点：然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。•第四代以直接转矩控制，又称DTC控制直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确转矩控制的优越性：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。5、电力电子器件的发展与现状第一代以晶闸管(SCR)为代表的电力电子器件出现在20世纪50年代。它主要是电流控制型开关器件，以小电流控制大电流的变换。但其开关频率低，且导通后不能自关断。20世纪60年代有了门极关断晶闸管（CTO)，双极型电力晶体管（CTR)，是一种电流型自关断电力电于开关器件。20世纪70年代开始应用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、MOS控制晶体管(MCT)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT),它们是一种电压型自关断电力电子器件，其开关频率高达20kHz以上，20世纪90年代末，智能模块问世且得到应用，它内部含有IGBT芯片及外围的驱动和保护电路。现在又开发出了通用变频器专用集成功率模块（IPEM），将整流电路、逆变电路、逻辑控制、驱动和保护，电源电路全部集成在一块模块内。使通用变频器的体积大大缩小，引线减少。电力电子器件的发展，使通用变频器的性能有了很大的提高。电力电子器件的发展主要经历以下四代：第一代产品半控型器件，主要是晶闸管，晶闸管是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅；2O世纪5O年代，由美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。到了2O世纪7O年代，已经派生出了许多半控型器件，这些电力电子器件的功率也越来越大，性能日渐完善，但是由于晶闸管的固有特性，大大限制了它的应用范围；第二代产品全控型器件从2O世纪7O年代后期开始，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后，各种高频率的全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有：电力场控晶体管(即功率MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)等，这些器件的产生和发展，已经形成了一个新型的全控电力电子器件的大家族。第三代产品复合型器件，主要是绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）；前两代电力电子器件中各种器件都有其本身的特点。近年来，又出现了兼有几种器件优点的复合器件。如：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOS管的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，它容量较大、开关速度快、易驱动，成为一种理想的电力电子器件。第四代产品模块化器件，主要是集性能优异的复合型、高压大功率集成电路及智能型的综合功率器件，HVIGBT、IGCT、IEGT、IPEM、PEBB等。随着工艺水平的不断提高，可以将许多零散拼装的器件组合在一起并且大规模生产，进而导致第四代电力电子器件的诞生。以功率集成电路PIC(PowerIntergratedCircuit)为代表，其不仅把主电路的器件，而且把驱动电路以及具有过压过流保护，甚至温度自动控制等作用的电路都集成在一起，形成一个整体。HVIGBT：高压IGBT模块；IGCT：集成门极换流晶闸管是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件(集成门极换流晶闸管=门极换流晶闸管+门极单元)。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展。IGCT集IGBT（绝缘门极双极性晶体管）的高速开关特性和GTO（门极关断晶闸管）的高阻断电压和低导通损耗特性于一体，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且成本低，成品率高，IEGT：电子注入增强栅晶体管，是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动、智能化等特点，以采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。IPEM：集成电力电子模块，是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先将半导体器件MOS、IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上，IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。PEBB：电力电子积木，PEBB是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。6、变频调速原理交流调速方式高效调速低效调速变极调速串极调速变频调速转子串电阻调速定子调压调速电磁离合器调速液力耦合器调速液粘离合器调速电气调速机械调速1、调速的分类P：极对数F：频率N：转速N—异步电动机的转速；F—异步电动机的频率；s—电动机转差率；p—电动机极对数。)1(60spFN－＝S：转差率2、变频调速的原理4极电机转速)11()24(3000)50(60)1500(spFN－对极＝)11()48(3000)50(60)750(spFN－对极＝)11()36(3000)50(60)1000(spFN－对极＝)11()510(3000)50(60)600(spFN－对极＝6极电机转速8极电机转速10极电机转速交-交交-直-交变频器按主电路结构分电压型电流型按储能方式分脉幅调制脉宽调试按调制方式分VF控制矢量控制变频器按控制方式分DTC直接转矩控制低压中压按电压等级分高压7、变频器的分类正弦波方波按输出波形分有环流无环流按环流情况分单相三相变频器按电源相数分通用型专用型按用途分两象限四象限按运行方式分1.调速：普通的三相异步电动机，加装变频后可以实现调速功能，即在允许范围内任意地改变电动机的转速；2.节能：变频器用在具有能量回馈型的负载上有节能功能；3.无冲击：变频器启动对机械设备的冲击比较小、启动电流小对电网冲击小。8、变频器的