变频器的原理与应用是

变频器的原理与应用(一)概述:1.定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置。2.交流调速技术发展的概况与趋势：直流传动的薄弱环节：换向器的存在；单机容量受限。交流电机：结构简单，价低，维护方便，但调速困难。交流调速飞速技术发展的原因：电力电子器件制造技术；电力电子电路的变换技术；PWM技术，矢量控制技术，直接转矩控制技术；微机和大规模集成电路基础的数字控制技术。一.变频器的原理与组成(二)发展趋势与动向:IGBT的应用:载波频率可达16KHz,抑制噪声和机械共震,电机电流在低速时波形接近正弦,减少转矩脉动;电压驱动,简化了电路;网侧变流器的PWM控制;矢量控制变频器技术的通用化,无速度传感器矢量控制系统代表另一新技术动向.无速度传感器矢量控制的速度观测模型,建模方法大体上有:动态速度估计器;模型参考自适应方法;基于PI调节器法;自适应转速观测器法;转子齿谐波法;滑模观测法.感应电机是一多变量,强耦合及时变参数系统,围绕它有若干研究课题:电机参数模型的离散化;电机参数的自测定;电机定子电流的控制;电机参数的辩识;电机状态估计;系统稳定性分析.(二)发展趋势与动向:若希望把转矩误差控制在3%以内,需要对磁通变化作修正(补偿励磁电抗引起的饱和及定子铁损的变化);若希望把转矩误差控制在1%以内,需要对定子和转子的铁损进行补偿.矩阵式变频器(三)交流电机的调速方法:调压调速,电磁调速,绕线式电机转子串电阻调速,串级调速,变极调速,变频调速等(四)变频器的构成:9整流器逆变器中间直流环节控制电路保护电路(三)交流电机的调速方法(四)变频器的构成:(五)变频器的分类:1.按直流电源性质分:电流型(1)电流型Id趋于平稳;四象限运行(2)电压型Ed趋于平稳;不选择负载的通用性(3)电流源供电时交流电机工作特性:(五)变频器的分类:a,电机起动转矩小;b.能够稳定运行范围窄,在大部分的转速范围内是电机运行不稳定区.原因:恒流源供电时,定子磁势是恒定的.空载时,全部定子磁势用于励磁,气隙中产生很强的磁场,铁心高度饱和.负载增加时,转子减速而转差率增大,转子电流增加.由于转子电流的去磁作用,气隙合成磁场减小,磁场变弱,先退出饱和,磁场变化缓慢,而未随转子电流的增加磁场很快变弱,导致端电压急剧下降,单位转子电流产生的转矩减小,导致转子电流进一步增大,形成恶性循环,使转矩很快下降到较小数值.实际上,电流源不是真正的恒流源,等效为电压源驱动下的恒流源.2.按输出电压的调节方式分类:(1)PAM方式R1X1X2R2/SxmIIII121m图6异步电机在恒流源供电时的等值电路由戴维南定理，开路电势和等效内阻：m1thXIE2mgXXX22m22m12)XX()SR(XII由此求出I2:电磁转矩：])XX()SR[(f2XIn3SRI3npnPT22m2212m21p2221pm1p1m（1）nT电压源供电转矩转-速特性电流源供电转矩转-速特性图7-电流源供电机转矩-转速特性由（1）式画出其转矩-转速特性如图7。并求出最大转矩和临界转差率：)xx(f4XInT2m12m21pmax2m2mxaXXRS电压源供电的情况下，最大转矩出现在的地方。)XX(RS212mxa由于，所以在恒流源供电时，最大转矩出现在转差率1mXX小得多的地方。电机转矩-转速特性成尖峰状，起动转矩很小，稳定运行的范围很窄。脉幅调节,改变直流电压幅值的调压方式.相控整流器;直流斩波器.(2)PWM方式:整流器为二极管,变频器的输出电压由逆变器按PWM方式完成.SPWM--输出电压平均值为正弦波的PWM方式.3.按控制方式:(1)V/F控制逆变器的控制脉冲发生器同时受控于f和v,而v与f的关系由v/f决定.开环控制,无PG控制电路简单,通用性强,经济性好,用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合.(2)转差频率控制转差补偿的闭环控制方式,可达到直流双闭环的水平.(3).矢量控制:基于电机动态模型的控制方式,既控制量的大小,又控制方向.要求动态性能较高的场合使用.4.按主电路使用的器件IGBTGTRGTOSCRIGCTMOSFETIPM5.按使用的电压高压变频器(2—10KV)低压变频器(380V660V)二.PWM技术1.定义:利用半导体器件的开通和关断,把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列,以实现变频,变压及控制和消除谐波为目标的一门技术.2.数学分析:f(t)t221221221100000000)()()()sincos()(ttttttntdtfbtdtfatdtfatnbtnaatfnnnn(1)f(t)为奇函数,由付立叶级数的性质:f(t)=-f(t),则a0=a0=020002221sin)(sin)(ttdntfttdntfbttn设f(t)幅度为1,则2011{)(tttf(2)在方波的半波内斩为m个脉冲,斩角分别为m21则对于奇数n和奇数m有:mkknkmnnnnnnttdnttdnttdnb11222cos)1(]coscoscos[]sinsinsin[22124321(3)对于奇数n和偶数m有:mkknkmmnnnnnnttdnttdnttdnb11222cos)1(]coscoscos[]sinsinsin[22114321(4)于是,由(3)和(4)式对于奇数n和任意的m均有:211210:cos)1(mknmkknb式中(5)对于奇函数,偶次谐波为零,仅有奇次谐波,即tntfnnsin)(127.5.3.1n各次谐波的幅值为:52322531FFF则相隔和与设,6321tntfnnsincos)(612(6)各次谐波的幅值为:5335031FFF讨论:(1)利用PWM技术可控制逆变器的输出波形,使谐波含量减少.(2)谐波的减少是以减少基波幅度为代价.3.SPWM(1)自然采样法(2)规则采样法三.异步电机变频调速控制策略变频器控制的对象是电机,首先研究电机等效图(一)等效图:1.转子电势:转子电势的频率为f2,转子旋转后,由于转子导体与磁场之间的相对运动速度减小,转子感应电势的频率也随之减小,此时:f2=f1S(1)转子不动时,一相的电势为:E2=4.44f1w2kw2(2)式中:W2--转子一相绕组匝数KW2--转子绕组系数转子旋转后一相的电势为:E2S=4.44f2W2Kw2=4.44f1SW2KW2=E2S(3)2.转子电势平衡方程:当转子无外加电阻,自成短路时,其一相等值电路如图:=(r2+X2S)(4)式中:R2--转子一相电阻值X2S--转子旋转后一相的的漏抗X2S=其中:X2--转子不动时一相的漏抗X2=L2L2--转子旋转后一相的漏电感图(一)转子等值电路图SXLf2Lf222122S2E2IRX222I2Ej且:E1=4.44f1W1KW1由于E1I1ZI,于是:.3.定子电势平衡方程:式中:Z1=R1+I1XU1—定子相电压E1—定子一相绕组的感应电势I1—定子相电流R1—定子一相绕组的电阻X1—定子一相绕组的漏抗X1=L1r1x1图(二)定子等值电路图1U1I1E1E1U1I=-+Z1(5)11EU或者U1E1=4.44f1W1KW1(4)折合算法:等式两端除以S又X2S)SR(IE222222R(ISEX2)(6)222R)SS1(RSR222222R)SS1(I)XR(IER2X22E2I2S)S1(R图(三)转子电路值图(7)jj2S)S1(R上消耗的电功率代表旋转电机转子轴上输械功率.折合关系:2W221W111122KWmKWmK:KII:电流变比式中电流2W21W1ee22KWKWK::KEE:电势变比式中电势(8)(9)m1,m2分别为定子相数和转子相数电阻:(10)式中:K=KeK1KRR222KXX:电抗(11)折算后(6)式为:(12)(7)式为:(13)2E2I2R2I2RSS1(四)异步电机折算后转子一相等值电路图(5).等值电路:实用上,为简化问题,常用一个和异步电机等效,数值上相等的电路表示异步电机,称为等值电路.于是:)XjSR(IE2222222222R)SS1(I)XjR(IE1-SSR1X110UIXm1-SSR1X110UIXm1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E11-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E11-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E21-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm2E1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E1图(五)异步电机等值电路图2R2R2X2I1IXm=LmLm—励磁电感(二)机械特性:假设:忽略铁心磁饱和,忽略铁损,忽略空间和时间谐波.由异步电机等值电路图2R1I2I2XS)E()L(R)L()SR(EI11222221222122122(二)机械特性:(14)式中:1221S转子角频率定子角频率由于:Pm=T1SRI3npnPT2221pm1p1m(15)(16))fE()L(R2111222222221221211p21122222222p)LS(RRS)E(n3)fE()RL(1R4n3T:)14(2式代入式中:np—极对数;--同步角速度.(16)式为异步电机的机械特性方程式.讨论:1TnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCSmTnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCm(1)当S一定时,T与U1平方成正比.由(16)式可画出不同电压的机械特性曲线:对(16)式求导:dT/dS=0得临界转差率:(17)临界转矩为:图(六)异步电机不同电压下的机械特性S212mLRS211222pmax)fE(L21R4n3TTnABC(2)带恒转矩负载时,普通笼型电机变电压时的稳定工作点为A,B,C,转差率的变化范围不超过0-Sm,调速范围小.(3)为了能在恒转矩负载下扩大变电压调速范围,应增大转子电阻,这就要求电机转子绕组有较高的电阻值,此时电机机械特性曲线如图示,由图可见恒转矩负载下调速范围扩大了,而且堵转时也不会烧坏电机,但机械特性很软.一般采用闭环工作,这种电机叫力矩电机.(三)电压频率协调控制下的机械特性:由(16)式表明,电机带负载稳定运行时,对于同一种负载要求,即以一定的转速(或转差率),在一定的负载转矩下运行,电压U1与频率f1有多种配合,电压U1与图(七)力矩电机机械特性曲线频率f1的不同配合,机械特性也不相同,因此有不同的电压—频率协调控制.1.恒压频比控制(U1/f1=常数):为充分利用铁心,近似地保持为常数,发挥电机产生转矩的能力.由:U1E1=4.44f1w1kw1U1/f1=4.44w1kw11.恒压频比控制(U1/f1=常数):mmmmin)/r(Sn260snnmin)/r(n260n1pp100带负载时的速降由(16)式:当S极小时,忽略分母中的含S各项得:(18)结论:(1).当U1/恒值时,对于同一转矩,基本不变,即在U1/=恒值时,机械特性是一族平行曲线.11S1211p21)U(n3RTS21121p2112222