通用变频器

中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心通用变频器原理应用永济电机高级技工学校张颖中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心第1章通用变频器的基本工作原理§1.1交－直－交变频器的基本工作原理§1.2交－交变频器的工作原理§1.3变频器的分类§1.4通用变频器的面板结构§1.5通用变频器的接线端子中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心§1.1交－直－交变频器的基本工作原理变频器的功能就是将频率、电压都固定的交流电源变成频率、电压都连续可调的三相交流电源。按照变换环节有无直流环节可以分为交－交变频器和交－直－交变频器。1.1.1交－直－交变频器的主电路交－直－交变频器的主电路如图1.1.1所示。可以分为以下几部分：1、整流电路——交－直部分整流电路通常由二极管或可控硅构成的桥式电路组成。根据输入电源的不同，分为单相桥式整流电路和三相桥式整流电路。我国常用的小功率的变频器多数为单相220V输入，较大功率的变频器多数为三相380V（线电压）输入。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心DSP处理器电流信号处理风扇驱动电路接触器驱动电路残压检测电路缺相掉电检测电路驱动保护电路光耦隔离外部控制端子输入键盘/显示RS232/RS485电流/频率显示集电极开路输出故障继电器输出IU=IW+IV开关电源直流母线压敏电阻1.变频器系统原理图EEPROMRESTWATCHDOGM逆变模块（IGBT）制动电阻及单元电动机整流模块Y电容滤波器SRTT1~3C1~3R1R2R3C5C6R5R4CT1CT2T4C4电流传感器中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心2、中间环节——滤波电路根据贮能元件不同，可分为电容滤波和电感滤波两种。由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，所以用电容滤波就构成电压源型变频器，用电感滤波就构成电流源型变频器。3、逆变电路——直－交部分逆变电路是交－直－交变频器的核心部分，其中6个三极管按其导通顺序分别用VT1～VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。按每个三极管的导通电角度又分为120°导通型和180°导通型两种类型。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是彼此相差120°的交流电压，即实现了从直流电到交流电的逆变。输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率，达到了变频的目的。实际逆变电路除了基本元件三极管和续流二极管外，还有保护半导体元件的缓冲电路，三极管也可以用门极可关断晶闸管代替。1.1.2SPWM控制技术原理我们期望通用变频器的输出电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前技术而言，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器。目前技术很容易实现的一种方法是：逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波型与正弦波等效。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心虽然SPWM电压波形与正弦波相差甚远，但由于变频器的负载是电感性负载电动机，而流过电感的电流是不能突变的，当把调制频率为几kHz的SPWM电压波形加到电动机时，其电流波形就是比较好的正弦波了。1.1.3通用变频器电压与频率的关系为了充分利用电机铁心，发挥电机转矩的最佳性能，适合各种不同种类的负载，通用变频器电压与频率之间的关系如图1.1.11所示。UfnPL额定电压基频图1.1.11电压与频率之间的关系中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心1、基频以下调速在基频（额定频率）以下调速，电压和频率同时变化，但变化的曲线不同，需要在使用变频器时，根据负载的性质设定。（1）曲线n对于曲线n，U/f=常数，属于恒压频比控制方式，适合于恒转矩负载。（2）曲线L曲线L也适合于恒转矩负载，但频率为零时，电压不为零，在电机并联使用或某些特殊电机选用曲线L。（3）曲线P曲线P适合于可变转矩负载，主要用于泵类负载和风机负载。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心2、基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从基频往上增高，但电压U却始终保持为额定电压，输出功率基本保持不变。所以，在基频以上变频调速属于恒功率调速。由此可见，通用变频器属于变压变频(VVVF)装置，其中VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的缩写。这是通用变频器工作的最基本方式，也是设计变频器时所满足的最基本要求。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心§1.3变频器的分类1.3.1按变换的环节分类1、交－交变频器交－交变频器直接将电网频率和电压都固定的交流电源变换成频率和电压都连续可调的交流电源。主要优点是没有中间环节，变换效率高。缺点是连续可调的频率范围比较窄，且只能在电网的固定频率以下变化。一般为电网固定频率的，主要用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统中。2、交—直—交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。在这类装置中，一般用不可控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变，则输出谐波可以减小。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心谐波减小的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。交—直—交变频器频率调节范围宽，变换的环节容易实现，目前广泛采用。通用变频器一般都采用交—直—交方式。1.3.2按直流环节的储能方式分类1、电压源型变频器在交—直—交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是—个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器，如图1.3.1（a）所示。RSTUVW（b）电流源型变频器RSTUVW（a）电压源型变频器C图1.3.1电压源型变频器与电流源型变频器中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心2、电流源型变频器当交—直—交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器，如图1.3.1（b）所示。有的交一交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。注意几点：从主电路上看，电压源型变频器和电流源型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同，但是这样一来，却造成两类变频器在性能上相当大的差异，主要表现如下：中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心(1)无功能量的缓冲对于变压变频调速系统来说，变频器的负载是异步电机，属于感性负载，在中间直流环节与电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。逆变器中的电力电子开关器件无法储能，无功能量只能靠直流环节中作为滤波器的储能元件来缓冲，使它不致影响到交流电网。因此也可以说，两类变频器的主要区别在于用什么储能元件(电容器或电抗器)来缓冲无功能量。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心(2)回馈制动如果把不可控整流器改为可控整流器，虽然电力电子器件具有单向导电性，电流不能反向，而可控整流器的输出电压是可以迅速反向的，因此电流源型变压变频调速系统容易实现回馈制动，从而便于四象限运行，适用于需要制动和经常正、反转的机械。与此相反，采用电压源型变频器的调速系统要实现回调制动和四象限运行却比较困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压，使之不能迅速反向，而电流也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只好采用在直流环节中并联电阻的能耗制动，或与可控整流器反并联设置另一组反向整流器，工作在有源逆变状态，以通过反向的制动电流，而维持电压极性不变，实现回馈制动。这样，设备就复杂了。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心(3)调速时的动态响应由于交—直—交电流源型变压变频装置的直流电压可以迅速改变，所以由它供电的调速系统动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。(4)适用范围由于滤波电容上的电压不能发生突变，所以电压源型变频器的电压控制响应慢，适用于作为多台电机同步运行时的供电电源但不要求快速加减速的场合。电流源型变频器则相反，由于滤波电感上的电流不能发生突变，所以电流源型变频器对负载变化的反应迟缓，不适用于多电机传动，而更适合于一台变频器给一台电机供电的单电机传动，但可以满足快速起动、制动和可逆运行的要求。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心1.3.3按控制方式分类1、U/f控制变频器U/f控制变频器的方法是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，通过使U/f（电压和频率的比）保持一定或按一定的规律变化而得到所需要的转矩特性。采用U/f控制的变频器结构简单、成本低，多用于要求精度不是太高的通用变频器。2、转差频率控制变频器转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进。这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环。速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则有电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心3、矢量控制变频器矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的基本思路是将电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被成为矢量控制方式。4、直接转矩控制变频器直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控矢量来控制。其特点为转矩控制是控制定子磁链，并能实现无传感器测速。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心1.3.4按功能分类1、恒转矩变频器变频器的控制对象具有恒转矩特性，在转速精度及动态性能方面要求一般不高。当用变频器进行恒转矩调速时，必须加大电动机和变频器的容量，以提高低速转矩。主要用于挤压机、搅拌机、传送带、提升机等。2、平方转矩变频器变频器的控制对象在过载能力方面要求不高，由于负载转矩与转速的平方成正比（TL∝n2），所以低速运行时负载较轻，并具有节能的效果。主要用于风机和泵类负载。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心1.3.5按用途分类1、通用变频器通用变频器是指能与普通的异步电动机配套使用，能适合于各种不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。一般用途多数使用通用变频器，但在使用之前必须根据负载性质、工艺要求等因素对变频器进行详细的设置。2、高性能专用变频器高性能专用变频器主要用于对电动机的控制要求较高的系统。与通用变频器相比，高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是变频器生产厂家指定的专用电动机。3、高频变频器在超精度加工和高性能机械中，通常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机的驱动要求，出现了PAM（脉冲幅值调制）控制方式的高频变频器，其生产频率可达3kHz。中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心§1.4通用变频器的面板结构尽管生产变频器的厂家不同，型号各异，但其面板结构大致相同。图1.4.1是施耐德Altivar31变频器的面板结构。主要部分的作用为：...ESCENT▲▼STOPRESETRUNRUNEERCANAltivar31红色LED直流总线接通选择以前的菜单或参数或增大显示值选择下一菜单或参数，或减小显示值给定电位器，如果CtL菜单中的Fr1参数设置为AIP时激活RUN按键，电动机正向模式接通控制，如果I/O菜单中的tCC参数设置为LOC时激活2个CAN总线接通状态LED退出菜单或参数，或清除显示值，以恢复以前的显示值进入某一菜单或参数，或对显示参数或显示值进行储存STOP/RESET键用于故障复位可用于控制电动机停车，如果I/O菜单中的参数tCC没有设置为LOC，为斜坡停车模式，但如果过程中有注入制动，就会产生自由停车图1.4.1Altivar31变频器操作面板4个7段显示器中国北车集团永济电机厂安全技术培训中心