通用变频器基本原理

第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一第6章通用变频器的基本原理6.1通用变频器的分类与基本结构6.2变频调速时的机械负载特性第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一6.1通用变频器的分类与基本结构6.1.1通用变频器的分类通用变频器按其主电路的结构形式有交-交变频器和交一直-交变频器两大类。交一直-交变频器按直流环节的储能方式分为电压型变频器和电流型变频器；按其逆变器开关方有PAM(PulseAmplitudeModulation)控制方式、PWM(PulseWidthModulation)控制方式和高频载波SPWM控制方式三种；按其逆变器控制方式有U/f控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式等；按其功能用途有风机、泵用变频器、矢量控制型变频器、高频变频器、中频变频器、专用变频器和单相变频器等。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一1．风机、泵用变频器风机、泵用变频器是一种以节能为主要目的的通用变频器，多采用U/f控制方式，与其他类型的通用变频器相比，主要在转矩控制性能方面是按降转矩负载特性设计，起动转矩相比其他控制方式要小一些。这类变频器价格较低。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一2．矢量控制型变频器矢量控制型变频器采用矢量控制方式或直接转矩控制方式，并充分考虑了通用变频器应用过程中可能出现的各种需要，特殊功能还以选件的形式供用户选择，为满足应用需要，在系统软件和硬件方面都做了相应的功能设置，其中重要的一个功能特性是零速时的起动转矩和过载能力，通常起动转矩在150％~200％范围内，甚至更高，过载能力可达150％以上，一般持续时间为60秒。高性能矢量控制型通用变频器广泛应用于各类生产机械装置，如机床、塑料机械、生产线、传送带、升降机械以及电动车辆等对调速系统性能和功能有较高要求的场合，市场价格略高于风机、泵用变频器。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一3．专用变频器专用变频器是为了满足某些特定应用场合的需要而设计生产的，如用于油田抽油机、起重设备、塑料机械等的变频器。这些变频器根据使用场合的特殊要求对变频器的某些性能进行了强化或对变频器的结构进行了特殊设计。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一4．高频变频器一般通用变频器的最高输出频率为400Hz~650Hz，超过1000Hz就属于目前所称的高频变频器，最高输出频率可达3000Hz，现在的高频变频器可控制电动机的最高转速可以达到18000r／min。高频变频器主要用于高速电动机驱动的场合，变频器通常采用PAM控制方式，在超精密加工机械、纺织机械和高性能专用机械领域中，常常要用到高速电动机。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一5．高压变频器我们通常所称的高压变频器，国外称为中压变频器(MediumVoltageDrive)，它是相对于输电电网的电压等级而言，对应的电源额定电压为690V～13.8kV，在这个电压范围，我国的电压等级为1500V、3kV、6kV、10kV，国外认为这个电压范围为中压，故习惯将这个电压范围的电动机称为中压电动机，相应的变频器称为中压变频器。我国则没有中压输电电网的说法，习惯将这个电压范围的电动机称为高压电动机，相应的变频器也通常称为高压变频器。这类变频器通常采用GTO、IGBT、IGCT等大功率电力电子器件作为逆变器件，输出频率可以达到120Hz，在风机、水泵、矿山机械、电力设备等领域广泛应用。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一6．单相变频器单相变频器主要用于输入为单相交流电源的三相交流电动机的场合。所谓的单相变频器是单相进、三相出，是单相交流220V输入，三相交流200~240V输出，与三相通用变频器的工作原理相同，电路结构基本相同；某些小容量的变频器还可以单相、三相共用。但应注意，同一变频器采用单相电源和三相电源时其可驱动的电动机最大容量并不相同，这是由电源性质决定的。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一通用变频器由主电路和控制电路组成。主电路主要包括整流电路、中间直流电路和逆变电路三部分，其中，中间直流电路又由限流单元、滤波器、制动电路、电源再生单元以及直流电源检测电路等组成。控制电路主要由中央处理器(CPU)、A/D和D/A转换电路、I/O接口电路、通信接口电路、输出信号检测电路、数字操作盘电路以及控制电源等组成。高性能矢量型通用变频器由于采用了矢量控制方式，在进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中往往还有一个以数字信号处理器DSP为主的转矩计算用CPU及相应的磁通检测和调节电路。6.1.2通用变频器的基本结构第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一通用变频器的基本结构原理框图第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一富士FRENIC5000G9S/P9S通用变频器的硬件结构图第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一1．通用变频器的主电路(1)整流电路(2)中间直流电路(3)逆变电路。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一图6-3制动电路工作原理第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一2．通用变频器的控制电路通用变频器的控制电路包括主控制电路、运算电路、信号检测电路、控制信号的输入、输出电路、驱动电路和保护电路等几个部分，在通用变频器中，全部控制电路装配在一块PCB电路板上，是通用变频器的核心部件之一。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一3．通用变频器的操作面板通用变频器的操作面板由键盘与显示屏组合而成，其中键盘是供用户进行菜单选择、设定和查询功能参数、向机内主控板发出各种指令的，通过显示屏可以观察菜单及其说明、所设定的功能参数、查询运行参数和故障信息，正常运行时，显示屏可显示运行参数如频率、速度、电流等。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一富士FRENIC5000G11/P11系列变频器的操作面板第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一4．变频器的外接控制电路通用变频器的外接控制电路主要由如下连接端子组成，主电路、数字输入、数字输出、模拟输人、模拟输出、通信接口、外部控制电源等端子。除主电路连接端子和外部控制电源连接端子外，其他均属功能端子，与通用变频器的相应功能对应。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一6.2变频调速时的机械负载特性6.2.1异步电动机的机械特性第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一6.2.2生产机械的负载特性生产机械的负载转矩TL的大小和许多因素有关，通常把生产机械的负载转矩TL与转速n的关系称为生产机械的负载转速-转矩特性，简称为负载特性。生产机械虽然种类繁多、性能及工艺要求各异，但从其转速-转矩的特性来看，可将其分为恒转矩负载、二次方降转矩负载(也称为通风机负载或风机、泵类负载)、恒功率负载三大类。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一1．恒转矩负载任何转速下负载转矩TL总保持恒定或基本恒定，而与转速无关的负载称为恒转矩负载。这类负载多数是呈反抗性的，即负载转矩TL的极性随转速方向的改变而改变。还有一种位势性转矩负载，负载转矩TL的极性不随转速方向的改变而改变。(1)摩擦性恒转矩负载(2)势能性恒转矩负载第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一二次方降转矩负载的特性2．二次方降转矩负载3．恒功率负载恒功率负载的特性第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一根据以上分析，负载种类不同其转矩TL与转速n的关系亦不同，选用变频器时应根据负载特性正确选择，否则不但不能充分发挥变频器的性能，有时还会发生损坏变频器和异步电动机的故障。6.2.3不同机械负载特性下变频器的选择第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一1．变频调速时电动机的转矩特性图6-9通用变频器驱动下的普通异步电动机转矩特性第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一图6-10变频器专用异步电动机的转矩特性2．通用变频器驱动恒转矩负载第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一图6-11转矩提升功能曲线第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一3．通用变频器驱动降转矩负载降转矩负载的特点是负载转矩随转速按二次方关系发生变化，随着转速的降低，转矩也变小。对于降转矩负载来说，多属长期工作制、随着转速的降低，所需转矩以二次方的比例下降，所以低频时的负载电流很小，异步电动机也不会发生过热现象，因此一般的风机、泵类、空调设备很适合采用U/f控制的通用变频器进行驱动。这类变频器价格较低，控制性能简单，起动转矩比矢量控制型通用变频器略低，但可以满足风机、泵类负载的驱动要求。第6章返回第一张上一张幻灯片下一张幻灯片返回目录2019年12月16日星期一4．通用变频器驱动恒功率负载起重机、升降机、电梯、自动扶梯等搬运机械以及一些包装机械、印刷机械、化工机械等属于恒功率负载。恒功率负载的特点是输出功率为恒定值并与转速无关，转矩随转速反比变化，转速越高，转矩越小。对于恒功率特性的负载，在工频以上频率范围内通用变频器输出为恒定电压控制，异步电动机产生的转矩性质为恒功率特性；在工频以下的频率范围为U/f恒定控制。对于一般通用异步电动机来说，由于受到异步电动机结构的限制，只能实现最大调速范围为1：3的恒功率运转。为了得到更广泛的恒功率运转范围，可采用多绕组电动机，以达到降低基频转速的目的。当采用矢量控制型通用变频器对其驱动时，恒功率调速范围可达1：12以上。