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变频器基础知识交流LTTL13142008-09-01提纲一．变频器的发展和主要相关技术二．变频器的主要构成及其工作原理三．变频器各种功能和应用变频器的发展和主要相关技术第一节：一．变频器的发展和主要相关技术1.电气传动系统概述以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。大致构成中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器一．变频器的发展和主要相关技术2.变频器的工作原理我们知道，交流电动机的异步转速表达式位：n＝60f(1－s)/p(1)其中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。由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整P)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整s)和变频调速(调整f)等。而我们现在运用最广泛的就是变频调速，由转速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，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。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。交流电动机的同步转速表达式位：n＝60f/p故也可以用变频调速。一．变频器的发展和主要相关技术3.变频器的发展史4.变频器相关技术（即发展基础）a.电力电子技术半导体功率器件从GTO（门极可关断晶体管）、GTR（大功率晶体管）、BJT（双及型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。b.微处理器技术随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)等。现在又出现了多个CPU协同工作：管理，核心，键盘，上位机等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。c.控制理论的不断进步应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论。d.网络技术局域网，互联网，远程监控；ProfibusBUS,Interbus-S,DeviceNET,I/OInterface一．变频器的发展和主要相关技术5.变频器控制方式的发展一．变频器的发展和主要相关技术V/F控制空间矢量调制矢量变换控制变结构控制直接转矩控制人工智能控制变频技术在以下几个方面得到发展：1、网络智能化2、专门化和一体化3、环保无公害4、适应新能源a.V/F控制及U/f=C的其特点是控制电路结构简单、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。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。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，且系统性能不高、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。因此人们又研究出矢量控制变频调速。b.电压空间矢量(SVPWM)控制方式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进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，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。一．变频器的发展和主要相关技术c.矢量控制一．变频器的发展和主要相关技术1）基本思想(1)对直流电动机的分析在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的。究其原因，是因为它具有两个十分重要的特点:(a)磁场特点它的主磁场和电枢磁场在空间是互相垂直的，如图(a)所示;(b)电路特点它的励磁电路和电枢电路是互相独立的，如图(b)所示。在调节转速时，只调节其中一个电路的参数。2）变频器的矢量控制模式仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率的给定信号，分解成和直流电动机具有相同特点的磁场电流信号i*M和转矩电流信号i*T，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点。对于控制电路分解出的控制信号i*M和i*T，根据电动机的参数进行一系列的等效变换，得到三相逆变桥的控制信号i*A、i*B和i*C，对三相逆变桥进行控制，如图所示。从而得到与直流电动机类似的硬机械特性,提高了低频时的带负载能力。一．变频器的发展和主要相关技术c.矢量控制3）矢量控制的主要优点a)低频转矩大：即使运行在1Hz(或0.5Hz)时,也能产生足够大的转矩,且不会产生在V/F控制方式中容易遇到的磁路饱和现象。b)机械特性好：在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特性基本上都是平行的。c)动态响应好：尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间一般都能小于100ms。d)能进行四象限运行。c.矢量控制一．变频器的发展和主要相关技术变频器的主要构成及其工作原理第二节：二．变频器的主要构成及其工作原理1.变频器的分类按变频的原理，变频器分为交－交变频器和交－直－交变频器。二．变频器的主要构成及其工作原理1.变频器的分类①交一交变频器它是将频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源．其主要优点是没有中间环节，变换效率高。但其连续可调的频率范围较窄，一般在额定频率的1／2以下，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。②交一直一交变频器先将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围，以及变频后电动机特性的改善等方面，都具有明显的优势，目前使用最多的变频器均属于交一直－交变频器。二．变频器的主要构成及其工作原理1.变频器的分类根据直流环节的储能方式来分，交一直一交变频器又可分成电压型和电流型两种。(1)电压型：整流后若是靠电容来滤波称为电压型，现在使用的变频器大部分为电压型。电压源型逆变器的中间直流环节由于采用电容储能，因此直流环节电压值不受负载影响，其主要运行特点如下：逆变器采用PWM技术，既变压又变频；由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近正弦波。系统响应速度快；可多台逆变器共用一套直流电源并联运行；同一相的上下桥臂有直通短路的可能，这时电流的变化率和峰值都很大，需要在极短的时间内进行保护，所以保护困难；由于整流部分采用不控整流，因此不能实现能量回馈制动。如果电动机需要向交流电源反馈能量，因直流测电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交－直变换的整流桥再反并联一套逆变桥。(2)电流型：整流后若是靠电感来滤波称为电流型，它的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲。电流源型变换器大多用于大功率的风机水泵调速控制系统，采用可控整流调压、逆变器变频方式运行。2.交一直一交电压型变频器的主回路构成（以下都简称为变频器）：[电源输入—整流桥—启动电阻（直流电感）—母线电容—制动单元（制动电阻）]—逆变桥—电源输出。整流桥启动电阻输入交流电源母线电容逆变桥交流输出制动单元直流电感制动电阻二．变频器的主要构成及其工作原理二．变频器的主要构成及其工作原理2.交一直一交电压型变频器的主回路构成（以下都简称为变频器）主要器件整流桥：西门康SEMKRON(SKKD162/16100A/SKD)、三社SanRex（DFA）、IXYS（VU）、IRF[InternationalRectifier]（160MTKB）、德国Powersem（psd35）等逆变器：IGBT：西门子[优派克]EUPEC（FS、BSM）、Fuji（2MB）等IPM：三菱（PM）等PIM一体模块：西门子[优派克]EUPEC（FS、FP、BSM）、泰科TYCO（V23990-P89）等单管IGBT：APT（AdvancedPowerTechnology）APT60GF120JRD电解电容：400V，560V，5600UF以下（包括）CPU：TMS320F2406A/7A，TMS320F2813等光耦：东芝的TLP3120，7840，HP的HCPL-4504等缓冲电阻：单管IGBT、风扇、接触器、散热器、霍尔、温度传感器等二．变频器的主要构成及其工作原理3.变频器的控制回路构成：电源板（防雷电路、开关电源电路、模块驱动和保护电路、信号采集电路等）——控制板（客户命令采集、各种信号处理并进行整机控制等）——接口板——键盘板。变频器主回路驱动板控制板键盘接口板硬件软件硬件软件软件软件软件软件参数检测控制算法故障处理控制功能通讯按键处理自检LCD显示故障处理键盘通讯接口通讯LED显示二．变频器的主要构成及其工作原理4.变频器各电路的工作原理和作用（一）主回路整流电路：大都是由大功率二极管构成的全波整流电路，主要是将单相或三相交流转化为直流；它们将380V的交流电整流成直流，平均直流电压可用下式表示：UD=1.35UL=1.35×380＝513V。中间电路：主要包括缓冲电路、滤波电路、制动电路组成。滤波电路主要是由无感电容和电解电容、均压电阻等，大功率变频器我们常常要求客户加直流电抗器，这些都是为了消除直流中的高次谐波、提高功率因素；缓冲电路作用缓解在上电瞬间对电解电容的冲击；制动电路的作用是在电机减速或停机时将电机反馈回来的电能消耗掉，从而起到快速减速、保护电机和变频器的作用。逆变电路：由六个IGBT和它反向并联的六个续流二极管组成的三相全桥逆变电路组成。这六个续流二极管的功能有以下三点：a,由于电动机是一种感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要它们提供通路；b,降速时电动机处于再生制动状态，它们为再生电流提供返回直流的通路；c,逆变时它们快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替地工作在导通和截止状态，在切换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。二．变频器的主要构成及其工作原理4.变频器各电路的工作原理和作用（二）控制回路开关电源电路：这部分相对我们公司的电源产品来说就很简单了，它的特点是输出通路多。（2844）模块驱动电路：主要是信号封锁、隔离、放大和电压转换以及强弱电隔离。（3120、4504）信号检测电路:输入缺相信号、母线电压信号（CVD）、三相输出电流信号、残压信号、模块温度信号、接触器状态信号、模块状态信号等的采集和放大处理。控制电路：根据检测来的信号判断工作状态，执行客户外部指令，按照设定的控制方式发出SPWM形波。接口电路：主要是用来实现多功能和通讯功能，并可为客户提供电源，是为了方便客户的现场运用。显示电路：分为LED和LCD两种。二．变频器的主要构成及其工作原理5.驱动板电路框图和对应实物下面是一个品牌变频器驱动板架构二．变频器的主要构成及工作原理5.驱动板电路框图和对应实物下面以某品牌变频器功率板为例二．变频器的主要构成及工作原理5.逆变电路原理的讨论三相正弦脉冲宽度调制波形刚才我们提到了现代变频器采用了SPWM（正弦脉冲宽度调制）二．变频器的主要构