通用變頻器的基本工作原理.ppt

第1章 通用變頻器的基本工作原理 1.1 交直交變頻器的基本工作原理 1.2 交交變頻器的工作原理 1.3 變頻器的分類 1.4 通用變頻器的面板結(jié)構(gòu) 1.5 通用變頻器的接線端子,1.1 交直交變頻器的基本工作原理 變頻器的功能就是將頻率、電壓都固定的交流電源變成頻率、電壓都連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。按照變換環(huán)節(jié)有無直流環(huán)節(jié)可以分為交交變頻器和交直交變頻器。 1.1.1 交直交變頻器的主電路 交直交變頻器的主電路如圖1.1.1所示。可以分為以下 幾部分： 1、整流電路交直部分整流電路通常由二極管或可控硅構(gòu)成的橋式電路組成。根據(jù)輸入電源的不同，分為單相橋式整流電路和三相橋式整流電路。我國常用的小功率的變頻器多數(shù)為單相220V輸入，較大功率的變頻器多數(shù)為三相380V（線電壓）輸入。,2、中間環(huán)節(jié)濾波電路 根據(jù)貯能元件不同，可分為電容濾波和電感濾波兩種。由于電容兩端的電壓不能突變，流過電感的電流不能突變，所以用電容濾波就構(gòu)成電壓源型變頻器，用電感濾波就構(gòu)成電流源型變頻器。 3、逆變電路直交部分 逆變電路是交直交變頻器的核心部分，其中6個三極管按其導通順序分別用 VT1VT6表示，與三極管反向并聯(lián)的二極管起續(xù)流作用。 按每個三極管的導通電角度又分為120導通型和180導通型兩種類型。,逆變電路的輸出電壓為階梯波，雖然不是正弦波，卻是彼此相差120的交流電壓，即實現(xiàn)了從直流電到交流電的逆變。輸出電壓的頻率取決于逆變器開關(guān)器件的切換頻率，達到了變頻的目的。 實際逆變電路除了基本元件三極管和續(xù)流二極管外，還有保護半導體元件的緩沖電路，三極管也可以用門極可關(guān)斷晶閘管代替。 1.1.2 SPWM控制技術(shù)原理 我們期望通用變頻器的輸出電壓波形是純粹的正弦波形，但就目前技術(shù)而言，還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標準的可變頻變壓的逆變器。目前技術(shù)很容易實現(xiàn)的一種方法是：逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波型與正弦波等效，如圖1.1.10所示。,等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個正弦半波分作n等份（圖中n等于12，實際n要大得多），然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，脈沖幅值不變，寬度為t，各脈沖的中點與正弦波每一等份的中點重合。這樣，有n個等幅不等寬的矩形脈沖組成的波形就與正弦波的正半周等效，稱為SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation 正弦波脈沖寬度調(diào)制）波形。同樣，正弦波的負半周也可以用同樣的方法與一系列負脈沖等效。這種正、負半周分別用正、負半周等效的SPWM波形稱為單極式SPWM波形。,雖然SPWM電壓波形與正弦波相差甚遠，但由于變頻器的負載是電感性負載電動機，而流過電感的電流是不能突變的，當把調(diào)制頻率為幾kHz的SPWM電壓波形加到電動機時，其電流波形就是比較好的正弦波了。 1.1.3 通用變頻器電壓與頻率的關(guān)系 為了充分利用電機鐵心， 發(fā)揮電機轉(zhuǎn)矩的最佳性能， 適合各種不同種類的負載， 通用變頻器電壓與頻率之間 的關(guān)系如圖1.1.11所示。,1、基頻以下調(diào)速 在基頻（額定頻率）以下調(diào)速，電壓和頻率同時變化，但變化的曲線不同，需要在使用變頻器時，根據(jù)負載的性質(zhì)設(shè)定。 （1）曲線n 對于曲線n，U/f =常數(shù)，屬于恒壓頻比控制方式，適合于恒轉(zhuǎn)矩負載。 （2）曲線L 曲線L也適合于恒轉(zhuǎn)矩負載，但頻率為零時，電壓不為零，在電機并聯(lián)使用或某些特殊電機選用曲線L。 （3）曲線P 曲線P適合于可變轉(zhuǎn)矩負載，主要用于泵類負載和風機負載。,2、基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從基頻往上增高，但電壓U卻始終保持為額定電壓，輸出功率基本保持不變。所以，在基頻以上變頻調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。 由此可見，通用變頻器屬于變壓變頻(VVVF)裝置，其中VVVF是英文Variable Voltage Variable Frequency的縮寫。這是通用變頻器工作的最基本方式，也是設(shè)計變頻器時所滿足的最基本要求。,1.2 交交變頻器的工作原理 交交變頻器是指無直流中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)固定頻率的恒壓恒頻（CVCF）交流電源變換成變壓變頻（VVVF）交流電源的變頻器，因此稱之為“直接”變壓變頻器或交交變頻器，亦稱周波變換器（Cycloconverter）。 1.2.1 交交變頻器的基本原理 在有源逆變電路中，若采用兩組反向并聯(lián)的可控整流電路，適當控制各組可控硅的關(guān)斷與導通，就可以在負載上得到電壓極性和大小都改變的直流電壓。若再適當控制正反兩組可控硅的切換頻率，在負載兩端就能得到交變的輸出電壓，從而實現(xiàn)交交直接變頻。 單相輸出的交交變頻器如圖1.2.1a所示。它實質(zhì)上是一,套三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)的可逆裝置。正、反向兩組晶闡管按一定周期相互切換。正向組工作時，反向組關(guān)斷，在負載上得到正向電壓；反向組工作時，正向組關(guān)斷，在負載上得到反向電壓。工作晶闡管的關(guān)斷通過交流電源的自然換相來實現(xiàn)。這樣，在負載上就獲得了交變的輸出電壓uo。,1.2.2 運行方式 交交變頻器的運行方式分為無環(huán)流運行方式、自然環(huán)流運行方式和局部環(huán)流運行方式。 1、無環(huán)流運行方式 圖1.2.1a是無環(huán)流運行方式變頻器原理圖。采用這種運行方式的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，成本較低。但缺點也很明顯，決不允許兩組整流器同時獲得觸發(fā)脈沖而形成環(huán)流，因為環(huán)流的出現(xiàn)將造成電源短路。由于這一原因，必須等到一組整流器的電流完全消失后，另一組整流器才允許導通。切換延時是必不可少的，而且延時較長。一般情況下這種結(jié)構(gòu)能提供的輸出電壓的最高頻率只是電網(wǎng)頻率的三分之一或更低。 輸出的交流電流是由正向橋和反向橋輪換提供，在進行換橋時，由于普通晶閘管在觸發(fā)脈沖消失且正向電流完全停止后，還需要1050s的時間才能夠恢復正向阻斷能力，,所以在測得電流真正為零后，還需延時5001500s才允許另一組晶閘管導通。因此這種變頻器提供的交流電流在過零時必然存在著一小段死區(qū)。延時時間愈長，產(chǎn)生環(huán)流的可能性愈小，系統(tǒng)愈可靠，這種死區(qū)也愈長。在死區(qū)期間電流等于0，這段時間是無效時間。 無環(huán)流控制的重要條件是準確而且迅速地檢測出電流過零信號。不管主回路的工作電流是大是小，零電流檢測環(huán)節(jié)都必須能對主回路的電流作出正確的響應。過去的零電流檢測在輸入側(cè)使用交流電流互感器，在輸出側(cè)使用直流電流互感器，它們都既能保證電流檢測的準確性，又能使主回路和控制回路之間得到可靠的隔離。,近幾年，由于光電隔離器件的發(fā)展和廣泛應用，已研制成由光電隔離器組成的零電流檢測器，性能更加可靠。 2、自然環(huán)流運行方式 如果同時對兩組整流器施加觸發(fā)脈沖，正向組的觸發(fā)角P與反向組的觸發(fā)角N之間保持P +N =，這種控制方式稱為自然環(huán)流運行方式。為限制環(huán)流，在正、反向組間接有抑制環(huán)流的電抗器。這種運行方式的交-交變頻器，除有因紋波電壓瞬時值不同而引起的環(huán)流外，還存在著環(huán)流電抗器在交流輸出電流作用下引起的“自感應環(huán)流”，如圖1.2.3所示。,圖中忽略了因紋波電壓引起的環(huán)流。產(chǎn)生自感應環(huán)流的根本原因是因為交-交變頻器的輸出電流是交流，其上升和下降在環(huán)流電抗器上引起自感應電壓，使兩組的自感應電壓產(chǎn)生不平衡，從而構(gòu)成兩倍電流輸出頻率的低次諧波脈動電流。 根據(jù)分析可知，自感應環(huán)流的平均值可達總電流平均值的57%，這顯然加重了整流器的負擔。因此，完全不加控制的自然環(huán)流運行方式只能用于特定的場合。由圖1.2.3可見，自感應環(huán)流在交流輸出電流靠近零點時出現(xiàn)最大值，這對保持電流連續(xù)是有利的。另外在有環(huán)流運行方式中，負載電壓為環(huán)流電抗器的中點電壓。由于兩組輸出電壓瞬時值中一些諧波分量抵消了，故輸出電壓的波形較好。,3、局部環(huán)流運行方式 把無環(huán)流運行方式和有環(huán)流運行方式相結(jié)合，即在負載電流有可能不連續(xù)時以有環(huán)流方式工作，而在負載電流連續(xù)時以無環(huán)流方式工作。這樣的運行方式既可以使控制簡化，運行穩(wěn)定，改善輸出電壓波形的畸變，又不至于使電流過大，這就是局部環(huán)流運行方式的優(yōu)點。 1.2.3 主電路形式 交交變頻器主要用于大容量交流電動機調(diào)速，幾乎沒有采用單相輸入的，主要采用三相輸入。主回路有三脈波零式電路（有18個晶閘管）、三脈波帶中點三角形負載電路（有12個晶閘管）、三脈波環(huán)路電路（有9個晶閘管）、六脈波橋式電路（有36個晶閘管）、十二脈波橋式電路等多種。 用的最多的是六脈波橋式電路，又分為分離負載橋式電路和輸出負載Y聯(lián)結(jié)兩種型式。,1.3 變頻器的分類 1.3.1 按變換的環(huán)節(jié)分類 1、交交變頻器 交交變頻器直接將電網(wǎng)頻率和電壓都固定的交流電源變換成頻率和電壓都連續(xù)可調(diào)的交流電源。主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高。缺點是連續(xù)可調(diào)的頻率范圍比較窄，且只能在電網(wǎng)的固定頻率以下變化。一般為電網(wǎng)固定頻率的，主要用于電力牽引等容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。 2、交直交變頻器 先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。在這類裝置中，一般用不可控整流，則輸入功率因數(shù)不變；用PWM逆變，則輸出諧波可以減小。PWM逆變器需要全控式電力電子器件，其輸出,諧波減小的程度取決于PWM的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時間的限制。 交直交變頻器頻率調(diào)節(jié)范圍寬，變換的環(huán)節(jié)容易實現(xiàn)，目前廣泛采用。通用變頻器一般都采用交直交方式。 1.3.2 按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分類 1、電壓源型變頻器 在交直交變壓變頻裝置中，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電壓源型變頻器，如圖1.3.1（a）所示。,2、電流源型變頻器 當交直交變壓變頻裝置的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電流源型變頻器，如圖1.3.1（b）所示。 有的交一交變壓變頻裝置用電抗器將輸出電流強制變成矩形波或階梯波，具有電流源的性質(zhì)，它也是電流源型變頻器。 注意幾點：從主電路上看，電壓源型變頻器和電流源型變頻器的區(qū)別僅在于中間直流環(huán)節(jié)濾波器的形式不同，但是這樣一來，卻造成兩類變頻器在性能上相當大的差異，主要表現(xiàn)如下：,(1) 無功能量的緩沖 對于變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)來說，變頻器的負載是異步電機，屬于感性負載，在中間直流環(huán)節(jié)與電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。逆變器中的電力電子開關(guān)器件無法儲能，無功能量只能靠直流環(huán)節(jié)中作為濾波器的儲能元件來緩沖，使它不致影響到交流電網(wǎng)。因此也可以說，兩類變頻器的主要區(qū)別在于用什么儲能元件(電容器或電抗器)來緩沖無功能量。,(2) 回饋制動 如果把不可控整流器改為可控整流器，雖然電力電子器件具有單向?qū)щ娦?，電流不能反向，而可控整流器的輸出電壓是可以迅速反向的，因此電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)容易實現(xiàn)回饋制動，從而便于四象限運行，適用于需要制動和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的機械。與此相反，采用電壓源型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)回調(diào)制動和四象限運行卻比較困難，因為其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓，使之不能迅速反向，而電流也不能反向，所以在原裝置上無法實現(xiàn)回饋制動。必須制動時，只好采用在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻的能耗制動，或與可控整流器反并聯(lián)設(shè)置另一組反向整流器，工作在有源逆變狀態(tài)，以通過反向的制動電流，而維持電壓極性不變，實現(xiàn)回饋制動。這樣，設(shè)備就復雜了。,(3) 調(diào)速時的動態(tài)響應 由于交直交電流源型變壓變頻裝置的直流電壓可以迅速改變，所以由它供電的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)響應比較快，而電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應就慢得多。 (4) 適用范圍 由于濾波電容上的電壓不能發(fā)生突變，所以電壓源型變頻器的電壓控制響應慢，適用于作為多臺電機同步運行時的供電電源但不要求快速加減速的場合。 電流源型變頻器則相反，由于濾波電感上的電流不能發(fā)生突變，所以電流源型變頻器對負載變化的反應遲緩，不適用于多電機傳動，而更適合于一臺變頻器給一臺電機供電的單電機傳動，但可以滿足快速起動、制動和可逆運行的要求。,1.3.3 按控制方式分類 1、U/f控制變頻器 U/f控制變頻器的方法是在改變頻率的同時控制變頻器的輸出電壓，通過使U/f（電壓和頻率的比）保持一定或按一定的規(guī)律變化而得到所需要的轉(zhuǎn)矩特性。采用U/f控制的變頻器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，多用于要求精度不是太高的通用變頻器。 2、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器 轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對U/f控制的一種改進。這種控制需要由安裝在電動機上的速度傳感器檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，而變頻器的輸出頻率則有電動機的實際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。由于通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流，與U/f控制相比，其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。,3、矢量控制變頻器 矢量控制是一種高性能異步電動機控制方式，它的基本思路是將電動機的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和與其垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流），并分別加以控制。由于在這種控制方式中必須同時控制異步電動機定子電流的幅值和相位，即定子電流的矢量，因此這種控制方式被成為矢量控制方式。 4、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控矢量來控制。其特點為轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，并能實現(xiàn)無傳感器測速。,1.3.4 按功能分類 1、恒轉(zhuǎn)矩變頻器 變頻器的控制對象具有恒轉(zhuǎn)矩特性，在轉(zhuǎn)速精度及動態(tài)性能方面要求一般不高。當用變頻器進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，必須加大電動機和變頻器的容量，以提高低速轉(zhuǎn)矩。主要用于擠壓機、攪拌機、傳送帶、提升機等。 2、平方轉(zhuǎn)矩變頻器 變頻器的控制對象在過載能力方面要求不高，由于負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比 （TLn2），所以低速運行時負載較輕，并具有節(jié)能的效果。主要用于風機和泵類負載。,1.3.5 按用途分類 1、通用變頻器 通用變頻器是指能與普通的異步電動機配套使用，能適合于各種不同性質(zhì)的負載，并具有多種可供選擇功能的變頻器。 一般用途多數(shù)使用通用變頻器，但在使用之前必須根據(jù)負載性質(zhì)、工藝要求等因素對變頻器進行詳細的設(shè)置。 2、高性能專用變頻器 高性能專用變頻器主要用于對電動機的控制要求較高的系統(tǒng)。與通用變頻器相比，高性能專用變頻器大多數(shù)采用矢量控制方式，驅(qū)動對象通常是變頻器生產(chǎn)廠家指定的專用電動機。 3、高頻變頻器 在超精度加工和高性能機械中，通常要用到高速電動機。為了滿足這些高速電動機的驅(qū)動要求，出現(xiàn)了PAM（脈沖幅值調(diào)制）控制方式的高頻變頻器，其生產(chǎn)頻率可達3kHz。,1.4 通用變頻器的面板結(jié)構(gòu) 盡管生產(chǎn)變頻器的廠家不同，型號各異，但其面板結(jié)構(gòu)大致相同。圖1.4.1是施耐德Altivar31變頻器的面板結(jié)構(gòu)。主要部分的作用為：,1、給定電位器 如果CtL菜單中的Fr1參數(shù)或Fr2參數(shù)設(shè)置為AIP時激活，此時通過調(diào)節(jié)該電位器升降速，目前多數(shù)變頻器沒有該電位器，而是通過、鍵升降速。 2、鍵 在選擇菜單或參數(shù)時，選擇上面的菜單或參數(shù)；調(diào)整參數(shù)時，增大顯示值。 3、鍵 在選擇菜單或參數(shù)時，選擇下一菜單或參數(shù)；調(diào)整參數(shù)時，減小顯示值。 4、ESC鍵 退出菜單或參數(shù)，或清除顯示值，以恢復以前的顯示值。在設(shè)置參數(shù)時，如果不希望對新設(shè)置的參數(shù)進行儲存，而保留以前的數(shù)值，按此鍵返回即可。,5、ENT鍵 在設(shè)置菜單或參數(shù)時，按ENT鍵進入某一菜單或參數(shù)；設(shè)置完畢，對顯示參數(shù)或顯示值進行儲存，此時要按住ENT鍵直至顯示參數(shù)或數(shù)值閃爍為止，有些參數(shù)或數(shù)值可以立即儲存，而有些參數(shù)或數(shù)值需要按住ENT鍵2秒以上才能儲存。 6、RUN鍵 如果設(shè)置為本機控制（I/O菜單中的tCC參數(shù)設(shè)置為LOC），按一下RUN鍵，電動機正向模式運行；如果設(shè)置為2線或3線控制該鍵不起作用。 7、STOP/RESET鍵 如果設(shè)置為本機控制，在變頻器運行狀態(tài)，用該鍵停車；如果設(shè)置為2線或3線控制，當CtL菜單中的PSt參數(shù)設(shè)置為yES時該鍵具有優(yōu)先停車權(quán)， PSt參數(shù)設(shè)置為nO時該鍵不起作用；,在變頻器非運行狀態(tài)，出現(xiàn)故障且已修復時，用該鍵復位。 8、液晶顯示器 4個7段顯示，可顯示的內(nèi)容主要有： （1）在參數(shù)設(shè)置時，顯示菜單或參數(shù)。共有8個一級菜單，分別為設(shè)置菜單SEt、電機菜單drC、輸入輸出菜單I-O、控制菜單CtL、功能菜單FUn、故障菜單FLt、通信菜單COM和顯示菜單SUP。有些菜單下面還有二級菜單，菜單下面是參數(shù)。菜單后面帶“”，參數(shù)不帶“”。如“CtL-”是菜單，而“ACC”是參數(shù)。在下面的教材中，“FunPSSSP2”說明“FUn”是一級菜單，“PSS”是一級菜單“FUn”下的二級菜單，“SP2” 是二級菜單“PSS”下的參數(shù)；“FunPSSSP210Hz” 說明參數(shù)“SP2”設(shè)置為10Hz。 （2）變頻器運行時，顯示運行狀態(tài),可顯示電機頻率、電機電流、電機功率、線電壓、變頻器熱態(tài)等，具體顯示內(nèi)容根據(jù)需要設(shè)置。,表1.4.1 顯示符號與實際字母或數(shù)字對照,（3）變頻器停止時，顯示停機狀態(tài)。 （4）出現(xiàn)故障時，顯示故障代碼。 由于只有7段，顯示符號與實際字母或數(shù)字有一定差別，對照關(guān)系見表1.4.1。 從表1.4.1可以看出，顯示符號 、 、既代表數(shù)字，也代表字母，需要根據(jù)菜單或參數(shù)確定是字母還是數(shù)字。即使確定錯了，也不會引起差錯，因為不管是字母還是數(shù)字，都是一個相同的菜單或參數(shù)。如只有“PSS-”子菜單，不存在“PS5-”子菜單；只有“SP5”參數(shù)，不存在“SPS”參數(shù)。,1.5 通用變頻器的接線端子 變頻器能把電壓、頻率固定的交流電變換成電壓、頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。變頻器與外界的聯(lián)系靠接線端子相連，接線端子又分主端子和控制端子。 1.5.1 變頻器主端子 變頻器的輸入端分為三相輸入和單相輸入兩種，而輸出端均為三相輸出，三相輸入的主端子如圖1.5.1所示，單相輸入的主端子如圖1.5.2所示。,變頻器在出廠時，已將“PO”和“PA/+”兩個端子用短路片接在一起，通常不能斷開，但在使用外接電抗器時，拆下短路片接電抗器?！癙B”和“PA/+”接內(nèi)部制動電阻，需要使用外接制動電阻時，應先拆下內(nèi)部接線，這兩個端子接制動電阻。一般情況下，“PO”、“PA/+”、“PB”、 “PC/-”4個端子不需要接線，且出廠時的接線也不要拆。,表1.5.1 變頻器的主端子功能,不同品牌的變頻器的主電路端子基本相同。變頻器主電路的接線包括接工頻電網(wǎng)的輸入