FRENICVP變頻器工作原理及應(yīng)用

1、電力電子及拖動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)frenic-vp變頻器工作原理及應(yīng)用frenic-vp變頻器工作原理及應(yīng)用一變頻器介紹1、變頻器基本簡(jiǎn)介 變頻器（variable-frequency drive，縮寫：vfd），也稱為變頻驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)控制器，可譯作inverter（和逆變器的英文相同）。變頻器是可調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種，是應(yīng)用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)改變交流電動(dòng)機(jī)工作電壓的頻率和幅度，來(lái)平滑控制交流電動(dòng)機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩，最常見的是輸入及輸出都是交流電的交流/交流轉(zhuǎn)換器。在變頻器出現(xiàn)之前，要調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的應(yīng)用需透過(guò)直流電動(dòng)機(jī)才能完成，不然就是要透過(guò)利用內(nèi)建耦合機(jī)的vs電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)中用耦合機(jī)使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速下降，變

2、頻器簡(jiǎn)化了上述的工作，縮小了設(shè)備體積，大幅度降低了維修率。不過(guò)變頻器的電源線及電動(dòng)機(jī)線上面有高頻切換的訊號(hào)，會(huì)造成電磁干擾，而變頻器輸入側(cè)的功率因素一般不佳，會(huì)產(chǎn)生電源端的諧波。變頻器的應(yīng)用范圍很廣，從小型家電到大型的礦場(chǎng)研磨機(jī)及壓縮機(jī)。全球約1/3的能量是消耗在驅(qū)動(dòng)定速離心泵、風(fēng)扇及壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)上，而變頻器的市場(chǎng)滲透率仍不算高。能源效率的顯著提升是使用變頻器的主要原因之一。變頻器技術(shù)和電力電子有密切關(guān)系，包括半導(dǎo)體切換元件、變頻器拓?fù)洹⒖刂萍澳M技術(shù)、以及控制硬件及固件的進(jìn)步等。2、變頻器基本組成變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。1).整流單元：將工作頻率固定的交

3、流電轉(zhuǎn)換為直流電。2).高容量電容：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。3).逆變器：由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。4).控制器：按設(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。二變頻器工作原理1、概述主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流

4、功率變換為交流功率的“逆變器”。2、整流器最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。3、平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。4、逆變器同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形。

5、控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。（1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測(cè)電路：與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。（3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。（4）速度檢測(cè)電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器(tg、plg等)的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令

6、和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）保護(hù)電路：檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值三變頻器控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380650v，輸出功率為0.75400kw，工作頻率為0400hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。1、1u/f=c的正弦脈寬調(diào)制(spwm)控制方式：其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小

7、。另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。2、電壓空間矢量(svpwm)控制方式：它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電

8、路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。3、矢量控制(vc)方式：矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流ia、ib、ic、通過(guò)三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流ia1ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流im1、it1(im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；it1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)

9、矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。4、直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)方式：1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

10、，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。5、矩陣式交交控制方式：vvvf變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深

11、入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體方法是：1）、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器方式；2）、自動(dòng)識(shí)別(id)依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別；3）、算出實(shí)際值對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；4）、實(shí)現(xiàn)bandband控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的bandband控制產(chǎn)生pwm信號(hào)，對(duì)逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。矩陣式交交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(2ms)，很高的速度精度(2%，無(wú)pg反饋)，高轉(zhuǎn)矩精度(+3%)；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)(包括0速度時(shí))，可輸

12、出150%200%轉(zhuǎn)矩。四frenic-vp變頻器1、產(chǎn)品介紹富士變頻器frenic-vp系列具備適合hvac（heat ventilation air conditionar）行業(yè)所需的最佳功能，節(jié)省空間、操作簡(jiǎn)便、機(jī)型豐富、全球?qū)?yīng)等。發(fā)揮風(fēng)機(jī)、水泵、2次方遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，節(jié)能、省力，充分挖掘系統(tǒng)應(yīng)變能力，滿足整體成本下降的需要。2、功能特點(diǎn)1）、工頻/變頻切換裝載了通過(guò)外部時(shí)序?qū)?yīng)工頻/變頻器切換時(shí)變頻器工頻起動(dòng)處理。內(nèi)置工頻運(yùn)轉(zhuǎn)切換時(shí)序有：富士標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序以及變頻器報(bào)警時(shí)自動(dòng)工頻切換時(shí)序2種。 2）、轉(zhuǎn)載完備的pid控制功能運(yùn)行溫度、壓力、流量等控制的pid調(diào)節(jié)器中附加了“低水量停止功能

13、”、“偏差報(bào)警絕對(duì)值報(bào)警輸出”。還通過(guò)防止pid控制過(guò)沖的反重置終結(jié)功能、pid輸出限位器、積分保持/復(fù)位信號(hào)，使得pid控制功能的調(diào)整更為容易。 3）、瞬間停電在起動(dòng)瞬間停電后恢復(fù)供電時(shí)，可以自動(dòng)重新起動(dòng)。可以選擇從發(fā)生瞬間停電的頻率起動(dòng)和從0hz起動(dòng)。當(dāng)發(fā) 生瞬間停電時(shí)，還可以選擇利用具有負(fù)載慣性的運(yùn)動(dòng)能量降低頻率并繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的模式。 4）、可實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程/面板控制方式切換通過(guò)切換頻率設(shè)定1/頻率設(shè)定2、運(yùn)轉(zhuǎn)停止指令1/運(yùn)轉(zhuǎn)停止指令2以及本地運(yùn)轉(zhuǎn)（操作面板運(yùn)轉(zhuǎn)），不僅可以切換運(yùn)轉(zhuǎn)指令、頻率指令，還可以切換遠(yuǎn)程/面板控制方式。 5）、可實(shí)現(xiàn)多種頻率設(shè)定方法可以配合使用的頻率設(shè)定信號(hào)，選擇最合

14、適的頻率設(shè)定方法。操作面板運(yùn)轉(zhuǎn)鍵、模擬輸入（4-20ma,0-+5v,0-+10v,+1-+5v，正向/反向動(dòng)作）、多步頻率8步（0-7段）設(shè)定、up/down、通信等方式。6）、空轉(zhuǎn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的引入即使在自然對(duì)流等導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)的情況下，也可以通過(guò)運(yùn)行頻率的檢測(cè)，順利起動(dòng)。 7）、下限限位器實(shí)現(xiàn)睡眠功能在風(fēng)機(jī)水泵等最低運(yùn)轉(zhuǎn)速度的下限限位器中附加了在下限值以下停止的功能，也可作為低水量停止功能使用。3、功能代碼1）、面板控制與旋鈕控制：功能代碼 f01 的數(shù)據(jù)面板與旋鈕0面板4旋鈕2）、正反轉(zhuǎn)：功能代碼 f02 的數(shù)據(jù)電機(jī) 旋轉(zhuǎn)方向2正轉(zhuǎn)3反轉(zhuǎn)3）、頻率設(shè)定：功能代碼名稱出廠設(shè)定値f03最高

15、輸出頻率60f04基本（基準(zhǔn)）頻率60f05基本（基準(zhǔn)）頻率電壓04）、頻率上下限：功能代碼名稱出廠設(shè)定値f15頻率限制（上限）50f16頻率限制（下限）05）、電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)音色：功能代碼可以設(shè)定范圍出廠設(shè)定値f270水平01水平12水平23水平36）、led監(jiān)視器（顯示選擇）功能代碼e43名稱出廠設(shè)定値0速度監(jiān)視（用 e48 選擇）03輸出電流04輸出電壓09消耗功率（變頻器輸入功率）010pid 最終指令值012pid 反饋值013定時(shí)器值（定時(shí)器運(yùn)轉(zhuǎn)用）0五變頻器發(fā)展交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電機(jī)調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、便于通信等功能優(yōu)

16、于以往的任何調(diào)速方式，如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、整流子電動(dòng)機(jī)調(diào)速、液力偶合調(diào)速，乃至直流調(diào)速。因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調(diào)及污水處理行業(yè)得到普遍應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是作為機(jī)電能量變換器的電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無(wú)公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓