变频器结构与控制技术简介

iNOVANCE变频器结构与控制技术简介2008年iNOVANCE变频器运行原理变频器的基本结构变频器的控制方式及功能iNOVANCE变频器运行原理•变频器是一种控制交流电机运转的控制器。它把固定频率（我国为50HZ）的交流电源变成频率电压可调的交流电源，从而控制电机的转速。异步电机转速公式如式所示：•n=[60*f/p]*(1-s)•n：电机转速（r/min）•f：电源频率（HZ）•p：电机磁极对数•s：转差率•由上式可见转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。iNOVANCE变频器运行原理•交流电机是通过内部的旋转磁场来传递能量的，为了保证交流电机能量传递的效率，必须保持气隙磁通量为恒定值。如果磁通量太小，则没有充分发挥电机的能力，导致出力不足。反之，如果磁通量太大，铁心过度饱和，会导致励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，保持气隙磁通量的值恒定不变，是变频变压的基本原则。•三相异步电动机定子每相电动势的有效值为E=4.44f1N1ФM–E：定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值（V）–f1：定子频率（Hz）；–N1：定子相绕组有效匝数；–Фm：每极磁通量（Wb）。由上式可见，只要控制好E和f1,便可达到控制磁通Фm的目的。iNOVANCE变频器运行原理•要保持Фm不变，当频率f1从额定值f2向下调,必须同时降低E，使E1/f1=E2/f2即采用恒定的电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E，则得U1/f1=U2/f2iNOVANCE变频器运行原理•这是所谓恒压频比的控制方式，如图所示。UFⅠⅡiNOVANCE变频器运行原理•低频时，U1和E都较小，定子阻抗压降不能再忽略。这时，可以人为地把电压U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子阻抗压降补偿的恒压频比控制特性如图上中的Ⅱ所示，无补偿的控制特性则为Ⅰ。•在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1却不能超过额定电压U1N，最多只能保持U1=U1N，这将迫使磁通与频率成反比地降低，这就是近似的恒功率调速方式。iNOVANCE变频器运行原理•由上可知，根据电动机的特性对定子的电压、频率同时改变，从而达到了变频调速效果。——变频器运行原理iNOVANCE变频器的基本结构•变频器由整流、滤波、逆变及控制回路组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则的控制逆变器的导通与截至，使之向电机输出电压和频率可变的电源。iNOVANCE变频器的基本结构控制电路整流器滤波回路逆变器M~~iNOVANCE变频器的基本结构•主回路：给异步电动机提供调压调频的电力变换部分。主回路分三部分整流器：将工频电源变换为直流电源。滤波回路：吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动，也是储能回路。逆变器：将直流功率变换为交流功率。iNOVANCE变频器的基本结构•整流器：与三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。目前使用的整流电路有可控整流桥和不可控整流桥两种，通用变频器大多采用不可控整流桥。iNOVANCE变频器的基本结构•滤波回路：整流后的得直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压脉动。为了抑制这些电压波动采用电容器吸收脉动电压。•作用：•①将整流电压变换成直流电流。•②使脉动的直流电压变得稳定或平滑。•③将整流后固定的直流电压变换成可变的直流电压。iNOVANCE变频器的基本结构•逆变器：同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间有规则的使用六个功率开关器件导通、截止，从而将电流功率变换所需的电压和频率的交流输出功率。•最常见的结构形式是利用六个开关器件（如IGBT、GTO逆变模块）组成的三相桥式逆变电路。IGBT---绝缘栅双极型晶体管。GTO---门极关断晶闸管。iNOVANCE变频器的基本结构•控制电路控制电路是整个系统的核心电路，系统所实现的各种不同的功能主要是由其控制电路决定的。控制电路将信号传递给整流器、滤波回路和逆变器，同时也接受其反馈信号。控制电路的结构和复杂程度取决于不同的变频器设计。iNOVANCE变频器的基本结构•控制电路的构成：•运算回路•电压/电流检测回路•驱动回路•速度检测回路•保护回路iNOVANCE变频器的控制方式变频器可以根据电动机的特性对供电电压、频率进行适当控制，不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途是不同的。控制方式可分为V/F控制、矢量控制、直接转矩控制等。iNOVANCE变频器的控制方式•V/F控制：V/F控制是在改变功率的同时控制变频器输出电压，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。V/F通用变频器主要用于风机水泵的节能的调速设备，以及调速范围要求不高场合。V/F存在问题是低速性能差，其原因是低速时一定子电阻压降所占比例增大。iNOVANCE变频器的控制方式•直接转矩控制：空间电压矢量控制：普通V/F通用变频器的SPWM（正弦脉宽调制）波控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，或者说，希望SPWM波的基波成分尽量大，谐波成分尽量小，在控制上没有考虑负载电路参数对转子磁通的影响。如果采用磁通反馈控制让异步电机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产生恒定的电磁转矩，这样的方法，是靠电压空间矢量相加得到的，所以称为空间电压矢量控制。这种功能的实现是通过控制定子电压和频率之间的关系来实现的，所以其本质上仍然是V/F方式。iNOVANCE变频器的控制方式•空间电压矢量的重要应用是直接转矩控制，它通过对磁链、转矩的直接控制，决定逆变器的开关状态。所以也称直接转矩控制。iNOVANCE变频器的控制方式•电流矢量控制：一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。我们把电流矢量控制统称为矢量控制。iNOVANCE变频器的控制方式•矢量控制是对电机三相电流的解耦控制。•矢量控制系统中，交流电机的三相电流经数学变换后，被分解为励磁电流分量和力矩电流分量。•两个被分解的电流分量分别控制交流电机的磁通和转矩，相互之间没有耦合，实现了如同直流电机那样的解耦控制：励磁电流的大小控制磁场的强弱，力矩电流控制电机输出转矩的大小。iNOVANCE变频器的控制方式•电流矢量控制算法，能实现对电动机的精确控制•闭环矢量下稳速精度达到+/-0.05%,转矩控制精度+/-5%•电流矢量与空间电压矢量比，低频力矩更大，容易实现带载平稳启动•闭环矢量0HZ时180%额定输出转矩（开环矢量时0.5HZ时150%）•驱动同样的负载时输入电流更低，变频器温升更低,在同样的硬件平台，电流矢量控制技术相比空间电压矢量控制技术，变频器故障率更低iNOVANCE变频器的控制方式•电动机负载的转矩特性P=Tn/9550P---功率T---转矩n---转速由式可见不同其转矩与转速的关系亦不同，变频器的选用应根据夫在性质正确选择。iNOVANCE变频器的控制方式负载种类：恒转矩：速度发生变化时，转矩应保持恒定（如起重）。恒功率：输出功率为恒定值与转速无关，转矩随转速反比变化（张力卷曲）。平方转矩负载：转矩随转速按平方关系发生变化（流体机械）。iNOVANCE谢谢！Thankyouforyourattention!