第一部分：变频器基础知识

第一部分变频器基础知识一、变频器的定义二、变频器的分类三、变频器的功用一、变频器的定义通常所说的变频器，是指将频率固定的电源（如50Hz三相交流电）变成频率可变的电源（如在0~50Hz之间随意变换）的转换设备。如果原有电源的频率为0（即为直流电源供电），则变频器可以省去直流变换环节，退化成单一的逆变器（DC→AC）。Hicon变频器二、变频器的分类1.按电压等级不同，变频器可分为：高压变频器、中压变频器、低压变频器按照国际惯例，电压≥10kV时称高压，1-10kV为中压，小于1kV时称低压，与其电压范围相对应的变频器分别称为高压变频器、中压变频器、低压变频器。在我国，习惯上把10KV、6kV或3kV的电机称为高压电机，相应的电压为10KV、6kV或3kV的变频器均称高压变频器。平常所说的“高-高”、“高-低-高”、“高低”只是变频器的不同应用形式。2.按主回路结构不同，变频器可分为：交-直-交变频器，交-交变频器。交-直-交变频器先将电网交流电用整流电路整成直流电，再用逆变电路将直流电转换为频率可变的交流电。整流电路、直流回路、逆变电路是交-直-交变频器的三个基本组成部分。整流电路可以是不控的（二极管全波整流）、也可以是可控的，如果是可控整流，则它也能工作在逆变状态，将直流回路的能量逆变回电网。逆变电路肯定是可控的，主要功能是将直流回路电能变成交流电输出给电机。如果电机工作在发电工况时（比如制动场合），逆变电路工作在整流状态，将电机的能量送到直流回路。整流回路（可控或不控）逆变电路直流回路交-交变频器没有直流回路，每相都由两个相互反并联的整流电路组成，正桥提供正向相电流，反桥提供负向相电流。三相的共六个整流桥一般都采用可控硅进行可控整流，每个整流桥也可以工作在逆变状态，在电机工作在发电工况时，可以实现能量向电网的直接回馈。3.按储能方式不同，变频器可分为：电流源型、电压源型。电流源变频器输入采用可控整流，控制电流的大小。中间采用大电感，对电流进行平滑。逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电流，供给交流电机。在电流源变频器中，直接受控量是电流。整流桥控制电流大小，逆变桥控制电流频率，电机侧得到的是幅值和频率可变的方波电流。电机的电压实际上是其在变频器给定电流情况下运行所产生的反电势，为叠加换相毛刺的正弦波。由于电流可控，电流源变频器具有很好的抗过流能力，甚至负载短路都不会导致变频器损坏。同时由于是可控移相整流，尽管电流方向是不变，但整流桥输出电压可以为负，从而进入逆变状态工作，实现能量由变频器向电网的回馈，使电机实现四象限运行，可用于频繁正反转或需要制动的场合。但正因为整流桥进行移相控制，导致其网侧功率因数随移相深度的加大而降低，同时网侧的电流谐波较大。为降低谐波，常采用多重化（12脉冲或18脉冲）整流电路，以降低谐波成分。也可采用PWM斩控整流，对网侧电流的大小、相位和波形进行控制，从而改善网侧谐波和功率因数。相交流电压源变频器输入一般不控，大多采用二极管进行全波整流。中间采用大电容滤波，对电压进行平滑。逆变桥采用PWM控制技术，既控制电压输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波电压的频率。在电压源变频器中，直流回路的电压大小基本是不变的。逆变桥直接对直流电压进行PWM控制，不直接控制电流。电机侧得到的是幅值恒定、占空比和频率可变的方波电压。电机的电流实际上是其在变频器输出电压控制下运行所产生的，为正弦波。由于整流桥不控，输出电压和电流的方向均确定不变，不能实现能量回馈。不适用于频繁正反转或需要制动的场合。但正因为整流桥不控（不进行移相整流），不造成电流相位的人为滞后，其网侧功率因数较高，并且不随输出频率而变。如果电压型变频器的输入端也采用PWM控制，则电压型变频器也可以具有能量回馈功能，同时也可以具有较高的功率因数。交流3相50Hz4.按电平数不同，变频器可分为：两电平、三电平、多电平.两电平变频器典型电路结构及输出波形如下：三电平PWM电压型变频器采用12只可关断功率器件（IGCT或高压IGBT），与箝位二极管构成带中性点的逆变电路（NPC）。与二电平PWM变频器相比，输出电压的电平数增加，易于实现谐波的相互补偿，输出波形有所改善。三电平变频器典型电路结构及输出波形如下：当输出电压大于6-10kv时，一般采用多电平电路型式（CMSL），它是由若干个低压PWM变频功率单元，以输出电压串联方式（功率单元为三相输入、单相输出）来实现直接高压输出的方法。5.按控制方式不同，变频器可分为：压频比控制、矢量控制、直接转矩控制(1)压频比控制交流电机成立以下电磁关系式：E=4.44fwΦ式中：E-电机电动势，f-定子频率，W-绕组系数，Φ-气隙主磁通对异步机调速时，希望主磁通Φ恒定（Φ太小，铁磁材料利用不充分，同样电流产生的转矩小。Φ太大，由于铁磁材料的饱和特性，定子电流中激磁电流分量加大，同样电流负荷情况下，相应转矩电流分量将减小，电机负载能力也下降）。由式中看出，只要保持E/f为常数，Φ就基本恒定。同样电流情况下，就能产生相同的转矩，实现恒转矩调速。由于E难于直接检测，当频率较高时，电机的电压也高，定子漏阻抗压降可以忽略，可近似认为E=U（U为电机端电压），控制U/f恒定即可。但低频时，U比较低，定子漏阻抗压降占比例加大，不能忽略，考虑这个因素，应将电压适当提升，以保证电机输出转矩的能力。如果F超出电机额定频率，变频器输出电压将达到最大值，所以在基频以上无法保证U/F为常数，随F进一步增加，磁通将逐步减小，电机进入弱磁运行。同样电流情况下，输出转矩能力也成比例减小，但速度和转矩的乘积可以保持不变，实现恒功率调速。压频比控制属于标量控制（只控制大小，不控制方向），性能一般，但不依赖电机参数，适合于多电机传动。(2)矢量控制：把交流电机模拟成直流电机进行控制，它是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。矢量控制技术调速精度高，动态响应快，大多用于电流型变频器当中，可实现四象限运行，在高速和低速都有比较好的控制性能。矢量控制技术对转子磁场观测的准确性受电机参数影响较大，需要输入准确的电机参数，不太适合一台变频器控制多台电机的情形。(3)直接转矩控制直接在电机定子坐标系下分析电机的数学模型，采用定子磁场定向，直接控制电动机的磁链和转矩。直接转矩控制不受电机参数影响，动态响应好，在电机加、减速或负载突变的动态过程中，可获得快速的转矩响应，控制算法和系统结构简单，但低速性能比矢量控制略差。三、变频器的功用目前，除一些为特殊用途设计的特殊变频器外，常规变频器最常见的用途还是用于交流电机的调速。按照电机学的基本原理，交流异步电机的转速满足如下的关系式：n=(1-s)60f/p=n0(1-s)式中：n--电机的实际转速n0--电机的同步转速p--电机的极对数f--电机当前的运行频率s--电机的滑差从式中看出，电机的同步转速n0正比于电机的运行频率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情况下比较小（0∽0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差增加。在电源频率不变的情况下，电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。交流电机采用变频调速，主要功用体现在以下一些方面：高精度宽范围的无级调速，全面满足各种复杂工艺的需要对于风机、水泵、压缩机负载，变频调速可以改变原有流量调节方式，取得显著节能效益；对电机实现真正软启动功能，减少启动冲击，延长设备使用寿命，节省维护费用；电压型变频器可对电机功率因数实现就地补偿，提高供电设备容量的有效利用率；方便实现电机频繁启停，方便实现电机正反转（不需要接触器）；改善工作、生产环境；提高生产效率和机组自动化水平。