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MM440變頻器簡(jiǎn)明教程,萊鋼培訓(xùn)中心王兵,第一章通用變頻器的工作原理,第一節(jié)通用變頻器的發(fā)展概況一、通用變頻器的發(fā)展過(guò)程自20世紀(jì)80年代初通用變頻器問(wèn)世以來(lái)，通用變頻器更新?lián)Q代了五次：第一代是80年代初的模擬式通用變頻器，第二代是80年代中期的數(shù)字式通用變頻器，第三代是90年代初的智能型通用變頻器，第四代是90年代中期的多功能通用變頻器，本世紀(jì)研制上市了第五代集中型通用變頻器。通用變頻器的發(fā)展情況可以從以下幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)明。,1、通用變頻器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大其產(chǎn)品正向三個(gè)方面發(fā)展變化：其一，向無(wú)需調(diào)整便能得到最佳運(yùn)行的多功能與高性能型變頻器方向發(fā)展；其二，向通過(guò)簡(jiǎn)單控制就能運(yùn)行的小型及操作方便的變頻器方向發(fā)展；其三，向大容量、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及具有環(huán)境保護(hù)功能的變頻器方向發(fā)展。,2、通用變頻器使用功率器件不斷更新?lián)Q代GTO（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管）、GTR(雙極型晶體管)、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）及智能模塊IPM（IntelligentPowerModule）、集成門(mén)極換流晶閘管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）。,3、控制方式不斷發(fā)展第一階段：80年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱(chēng)磁通軌跡法）。第二階段：70年代初由西德F.Blasschke等人提出的矢量控制。第三階段：1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論。,4、PWM控制技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，因此在交流傳動(dòng)乃至其他能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線(xiàn)的PWM信號(hào)輸出，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。,二、通用變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),通用變頻器的發(fā)展是世界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的產(chǎn)物。其發(fā)展的趨勢(shì)大致如下：1、主控一體化2、小型化3、低電磁噪音化4、專(zhuān)用化5、系統(tǒng)化6、在數(shù)字控制技術(shù)與接口技術(shù)方面,第二節(jié)通用變頻器的基本工作原理,在各種異步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，目前效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱(chēng)為變頻器。由于通用變頻器使用方便、可靠性高，所以它成為現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成元件之一。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式,可知，改變頻率就能改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單純改變電動(dòng)機(jī)的頻率會(huì)燒壞電動(dòng)機(jī)，為什么呢？,一、變頻器的基本控制方式,如果f1大于電機(jī)的額定頻率f1N，那么氣隙磁通量M就會(huì)小于額定氣隙磁通量MN。其結(jié)果是：盡管電機(jī)的鐵心沒(méi)有得到充分利用是一種浪費(fèi)，但是在機(jī)械條件允許的情況下長(zhǎng)期使用不會(huì)損壞電機(jī)。,一、變頻器的基本控制方式,如果f1小于電機(jī)的額定頻率f1N，那么氣隙磁通量M就會(huì)大于額定氣隙磁通量M。其結(jié)果是：電機(jī)的鐵心產(chǎn)生過(guò)飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。,一、變頻器的基本控制方式,要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，在不損壞電機(jī)的條件下，充分利用電機(jī)鐵芯，發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，最好在變頻時(shí)保持每極磁通量M為額定值不變。對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，盡管存在電樞反應(yīng)，但只要對(duì)電樞反應(yīng)作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，保持M不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)合成產(chǎn)生的，如何才能保持磁通基本不變呢？,1、基頻以下調(diào)速,由前面的式子可知，要保持M不變，當(dāng)頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低E1，使E1/f1常數(shù)。即采用電動(dòng)勢(shì)與頻率之比恒定的控制方式。,然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U1E1，則得,1、基頻以下調(diào)速,這是恒壓頻比的控制方式。在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，我們能夠證明：機(jī)械特性基本上是平行下移的，如圖所示。,、基頻以上調(diào)速,在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從f1N往上增高，但電壓U1卻不能超過(guò)額定電壓U1N，最多只能保持U1=U1N。由下式可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。,、基頻以上調(diào)速,在基頻f1N以上變頻調(diào)速時(shí)，由于電壓U1=U1N不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，如右圖所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動(dòng)勢(shì)必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。由于轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。,圖222,通過(guò)分析可得如下結(jié)論：當(dāng)f1f1N時(shí)，變頻裝置必須在改變輸出頻率的同時(shí)改變輸出電壓的幅值，才能滿(mǎn)足對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本要求。,這樣的裝置通稱(chēng)變壓變頻（VVVF）裝置，其中VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的縮寫(xiě)。這是通用變頻器工作的最基本原理也是設(shè)計(jì)變頻器時(shí)所滿(mǎn)足的最基本要求。通用變頻器是如何實(shí)現(xiàn)變壓又變頻的呢？,二、SPWM控制技術(shù)原理,目前技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)的一種方法：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，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作n等分，然后把每等分的正弦曲線(xiàn)與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合。這樣，由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效，稱(chēng)作SPWM波形。,二、SPWM控制技術(shù)原理,i,1、SPWM的模擬控制方法,1、SPWM的模擬控制方法(單極性SPWM技術(shù)),單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)是：每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工作情況正好相反。流經(jīng)負(fù)載Z的便是正、負(fù)交替的交變電流。,1、SPWM的模擬控制方法(單極性SPWM技術(shù)),單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)是：每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工作情況正好相反。流經(jīng)負(fù)載Z的便是正、負(fù)交替的交變電流。,只要能保證加在電動(dòng)機(jī)上的三相對(duì)稱(chēng)電流是近似正弦波，電動(dòng)機(jī)的定子就能產(chǎn)生能夠會(huì)旋轉(zhuǎn)的“NS”極磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)起來(lái)。,形成正向電流過(guò)程（1）,形成正向電流過(guò)程（2）,形成反向電流過(guò)程（1）,形成反向電流過(guò)程（2）,雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)是:逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，而流過(guò)負(fù)載Z的電流是按線(xiàn)電壓規(guī)律變化的交變電流。,1、SPWM的模擬控制方法(雙極性SPWM技術(shù)),SPWM的軟件控制法,軟件控制法是由微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM控制的方法，是目前經(jīng)常采用的一種方法。根據(jù)其軟件制作方法的不同，有如下三種方法：（1）表格法（又稱(chēng)ROM法）（2）隨時(shí)計(jì)算法（又稱(chēng)RAM法）（3）實(shí)時(shí)計(jì)算法,13通用變頻器的基本結(jié)構(gòu),一、變頻器的基本外形結(jié)構(gòu),二、變頻器的分類(lèi),1、按電路結(jié)構(gòu)分（1）交交變頻器把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的l2以下，故它主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。（）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(lèi)裝置中，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。,電壓源型變頻器在交直交變壓變頻裝置中，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)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(lèi)變頻裝置叫做電壓源型變頻器。,電流源型變頻器當(dāng)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(shí)，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類(lèi)變頻裝置叫做電流源型變頻器。,2、按濾波方式分,電壓源型和電流源型變頻器的差異,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(lái)，卻造成兩類(lèi)變頻器在性能上相當(dāng)大的差異，主要表現(xiàn)如下：（1）無(wú)功能量的緩沖：對(duì)于變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，變頻器的負(fù)載是異步電機(jī)，屬感性負(fù)載，在中間直流環(huán)節(jié)與電機(jī)之間，除了有功功率的傳送外，還存在無(wú)功功率的交換。逆變器中的電力電子開(kāi)關(guān)器件無(wú)法儲(chǔ)能，無(wú)功能量只能靠直流環(huán)節(jié)中作為濾波器的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖，使它不致影響到交流電網(wǎng)。因此也可以說(shuō)，兩類(lèi)變頻器的主要區(qū)別在于用什么儲(chǔ)能元件(電容器或電抗器)來(lái)緩沖無(wú)功能量。,（2）回饋制動(dòng)：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Id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(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，從而便于四象限運(yùn)行，適用于需要制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的機(jī)械。與此相反，采用電壓源型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn)行卻比較困難，因?yàn)槠渲虚g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(wú)法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。必須制動(dòng)時(shí)，只好采用在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻的能耗制動(dòng)，或者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(guò)反向的制動(dòng)電流，而維持電壓極性不變，實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。這樣做，設(shè)備就要復(fù)雜多了。,（3）調(diào)速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：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(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，而電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(yīng)慢，適用于作為多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源但不要求快速加減速的場(chǎng)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(duì)負(fù)載變化的反應(yīng)遲緩，不適用于多電機(jī)傳動(dòng)，而更適合于一臺(tái)變頻器給一臺(tái)電機(jī)供電的單電機(jī)傳動(dòng)，但可以滿(mǎn)足快速起動(dòng)、制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求。,3、按控制方式分,（1）u/f控制按一定規(guī)律對(duì)變頻器的頻率和電壓進(jìn)行控制，稱(chēng)為u/f控制方式?；l以下可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上則可以實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。（2）矢量控制根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換的手段，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，即模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方式對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，可獲得類(lèi)似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制又可分為磁通矢量控制、電壓矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等。,4、按外形分類(lèi),（1）書(shū)本型結(jié)構(gòu)書(shū)本型結(jié)構(gòu)的功率一般為0.75k37kw（2）裝柜型結(jié)構(gòu)裝柜型結(jié)構(gòu)的功率一般為45k1500kw,三、變頻器的額定值和頻率指標(biāo),1輸入側(cè)的額定值2輸出側(cè)的額定值（1）輸出電壓UN（2）輸