變頻器培訓教材

1、變頻器培訓教材第一節(jié)變頻器簡介交流變頻調速技術發(fā)展概況縱觀電力傳動的發(fā)展過程，交、直流兩種傳動方式共 存于各個生產領域，由于直流調速系統(tǒng)的性能指標優(yōu)于交流 調速系統(tǒng)，因此直流調速系統(tǒng)一直在調速領域內居首位。但 由于直流電動機具有機械整流器和電刷，因而存在著維護保 養(yǎng)工作量大、電動機安裝環(huán)境受到限制和難以向大容量、高 轉速及高電壓方向發(fā)展等缺點。隨著電子技術和自動控制技 術的迅速發(fā)展以及各種高性能電力電子元器件產品的出現， 歷來阻礙交流調速技術發(fā)展的一些因素相繼被克服，原直流 調速系統(tǒng)領先的一些技術性能，如寬廣的調速范圍、較高的 穩(wěn)速精度、快速的動態(tài)響應和四象限運行等方面，交流調速 系統(tǒng)都能與直

2、流調速系統(tǒng)相媲美。另外，由于交流電動機本 身具有結構簡單、堅固耐用、運行可靠和慣性小等優(yōu)點，還 適用于直流調速無法比擬的場合，因此，交流調速在電氣傳 動領域中越來越占有重要的地位，它已成為機電一體化的電 氣傳動技術。一、變頻調速器的分類可分為交-交變頻器，即將工頻交流直接變換成頻率電 壓可調的交流，又稱直接式變頻器；交 -直-交變頻器，則是 先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率電壓可調的交流，又稱間接式變頻器，目前廣泛采用交-直-交變頻器。二、變頻調速的原理和實現算法變壓變頻的基本原理根據電機學原理，異步電動機的轉速為：n= 60 f (1 s) /p，在改變供電電源頻率時，

3、電機的同步轉速也相應的 改變。當電機在負載條件下運行時，電機轉速低于電機的同 步轉速，兩者的差值就是轉差，轉差的大小與電機的負載有 關。電機定子每相感應電動勢的有效值為：Es=4.44fsNksmEs為氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值；fs為定子頻率；N為定子每相繞組串聯(lián)匝數；Ks為基波繞組系數；m為每極氣隙磁通。由異步電機T型等效電路圖7-1可知異步電機端電壓與 感應電動勢的關系式為：W= E1+I1R1其中，Ri, Ii分別為定子繞組阻抗及其流過的電流。在電機控制過程中，使每級 磁通中m保持為額定值不變是關鍵的一環(huán)。磁通太弱，沒 有充分利用電機的鐵芯，是一種浪費；若增大磁通，又會使 鐵

4、芯飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱 而損壞電機。在交流異步電機中，磁通m是定子和轉子磁 動勢合成產生的， 因此由式Es=4.44fsNksm可知，只要同 時協(xié)調控制Es和fs，就可以達到控制 m并使之恒定的目 的。對此，需要考慮額定頻率以下和額定頻率以上兩種情況。異步電機T型等效電路圖7-1 :1. 額定頻率以下的調速， 要保持m不變，當頻率fs從額定值介向下調節(jié)時，必須同時降低Es，使：m=常數即采用恒電動勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當定子頻率fs較高時感應電動勢的值也增大，因此可以忽略定子阻抗壓降，認為定子相電壓Us= Es則得：m=K U

5、s/fs=常數，這就是恒壓頻比(V/F)的 控制方式。低頻時，Es和Us都較小，定子阻抗壓降所占的比 率就比較顯著，不能再忽略，這時可以人為的對定子阻抗壓 降進行補償，適當的提高逆變器的輸出電壓。2. 額定頻率以上的調速：在額定頻率以上調速時，頻率可以從額定值fsn往上提高，但是端電壓Us不能繼續(xù)上升，只能維持在額定值 Usn,這將迫使磁通與頻率成反比的下降，相當于直流電機的弱磁升速的情況。在整個電機調速 范圍內，異步電機的控制特性如圖7-2所示。如果電機在不同轉速下都具有額定電流，則電機都能在溫升允許的條件下 長期運行。這時電機轉矩基本上隨磁通變化，因此在額定頻 率以下為恒轉矩調速，在額定頻

6、率以上為恒功率調速。圖7-2異步電機變頻調速控制特性三、變頻調速系統(tǒng)的硬件實現系統(tǒng)整體結構：變頻調速系統(tǒng)的總體方框圖如圖7-3所示。主要由整流器、濾波環(huán)節(jié)、逆變器、檢測環(huán)節(jié)和控制回 路組成。系統(tǒng)主電路采用交 -直-交電壓型變頻器結構，采用 SPWM變頻技術。四、變頻器的主電路變頻器是將工頻交流電變?yōu)轭l率和電壓可調的三相交 流電的電器設備，用以驅動交流異步（同步）電動機進行變頻調速，不但能滿足不同生產工藝需要，而且節(jié)能效果顯著。圖7-3變頻調速的總圖處理模塊1. 變頻調速原理過去傳統(tǒng)的調速方式是晶閘管直流電動機傳動系統(tǒng)，但直流電動機本身存在一些固有的缺點：直流電動機造價高、維 護量大；受使用環(huán)境

7、制約條件多；最高速度和容量都有一定 限制等。近年來交流調速系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。而交流調速 系統(tǒng)具有結構簡單、成本低廉、節(jié)能、高精度和響應快速等 突出優(yōu)點。異步電動機其轉速為：s)從上式可以看出，改變極對數p、轉差率S和調節(jié)電源頻率f都可以調速。對于同步電動機，運行中改變極對數會引起失步，對于異步電動機，改變極對數p是有級調速，改變轉差率s大部分是耗能調速，唯有改變頻率調速是交流 電動機較為理想的調速方式。但是只改變頻率并不能使電動 機得到經濟可靠的運行，原因是異步電動機是鐵磁結構。對 于任何鐵磁結構的設備，只有使它的磁通保持為額定磁通， 才可使鐵磁材料得到充分利用。對于異步電動機，有如下的 關

8、系式：E =4.44 fNKv©式中，U定子電壓；E定子電動勢；f 定子頻率；N 定子每相繞組的匝數；K w繞組系數；©每極氣隙磁通。在變頻調速時，為了得到所需的電磁轉矩， 使電動機的鐵 磁材料得到充分利用，則應盡可能地使氣隙磁通恒定為額定 磁通。由 U- E =4.44 fNKW©式可知，為保持氣隙磁通©近似不變，在調節(jié)定子頻率 f時則必須同時改變定子電壓 U即U/f =常數。為此，用于交流電動機變頻調速的變頻器 實際上都是變壓變頻器，即VVVF由于電機的電壓不能超過額定電壓，因此，在基頻以上調頻時，電壓U只能保持在額定電壓，當電壓 U一定時，電機的氣

9、隙磁通 ©隨著頻率f的 升高成比例下降，類似直流電機的弱磁調速，因此，基頻以上的調速屬恒功率調速2. 變頻器的主電路結構及工作原理變頻器的主電路是從整流到逆變的整個功率電路，如圖7-4所示。工頻電源經整流及逆變后輸出，主要針對整流及（1）整流部分電路分析目前應用最為廣泛的三相橋式全控整流電路，其原理圖 如圖7-4所示，將其中陰極連接在一起的3個二極管（VD1、VD2VD3）稱為共陰極組；陽極連接在一起的 3個二極管（VD4、 VD5 VD6）稱為共陽極組。對共陰極組的3個二極管，陽極所接交流電壓值最高的 一個導通。而對共陽極組的3個二極管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）

10、的一個導通。這樣，任意時刻 共陽極組和共陰極組中各有 1個晶閘管處于導通狀態(tài)，加于 負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖7-5所示。從相電壓波形看，以變壓器二次側的中點n為參考點，共陰極組二極管導通時，整流輸出電壓Ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓Ud2為相電壓在負半周的包絡線， 總的整流輸出電壓 Ud=Ud1-Ud2是兩條 包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在 正半周的包絡線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處 于通態(tài)的二極管對應的是最大 （正得最多）的相電壓，而共陽 極組中處于通態(tài)的二極管對應的是最小（負得最多）的相電壓，輸出整流電壓

11、Ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最 大的一個，因此輸出整流電壓Ud波形為線電壓在正半周期的包絡線。由下圖7-5知，第I階段，a相電位最高，共陰極組 VD3 得到導通，b相電位最低，共陽極組 VD5導通。電流流通路 徑為a VD3-VD5-b,負載上的電壓 Ud= Ua-Ub=Uab,變壓 器在a、b兩相工作，共陰極組 a相電流為正，共陽極組的 b 相電流為負。第H階段，a相電位仍為最高，VD3繼續(xù)導通，但c相 電位最低，VD4導通，電流從b相換至c相。VD5因承受反 向電壓而關斷。這時電流流通路徑為： aVD3- VD5-C,負 載上的電壓Ud=Ua-Uc=Uac第川階段，b相電位最高，VD

12、2導通，則共陰極組換相 至VD2電流從a相換至b相，VD3因為承受反向電壓而關 斷，VD4因為c相電位仍為最低，而繼續(xù)導通，電流流通路 徑為：bVD2-VD4-C,負載上電壓 Ud=Ub-Uc=Ubc以下w、v、w段依次類推，以后重復上述過程廠A A A / / 0Mm：i 汀【:Tii：rv：vNt詁OI*!I>1A*況匚Webi««»ii， _ = 一 _ 、. % 、-Riu x.icr-tb 1一aAi>i14¥t11 nl>i «*I*1'1 11:* ist *O'| 44*I-I: 77器Jr1n

13、V1'hhniiri?1I4v,aL-1 " "圖7-5電容濾波的三相橋式可控整流電路的波形(2) 逆變電路由VT1VT6組成三相逆變橋，逆變器件是絕緣柵雙極 晶體管(IGBT)。三相逆變橋由計算機控制將直流電逆變?yōu)?三相SPWM波，驅動電動機工作。VD7VDI2為6只續(xù)流二極管。續(xù)流二極管的功能如下：1.由于電動機是感性負載，工作時其無功電流返回直 流電源需要VD7VD12提供通路。2降速時電動機處于再生制動狀態(tài)，VD7VD12為再生電流提供返回直流的通路。3. 逆變時VT7VT12快速高頻率地交替切換，同一橋臂 的兩管交替工作在導通和截止狀態(tài)，在切換的過程中，也

14、需 要給線路的分布電感提供釋放能量的通路。逆變電路的基本工作方式： 導電方式每橋臂導電180同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120 ° ,任一瞬間有三個橋臂同時導通，每次換流都是在同一相上下 兩臂之間進行，也稱為縱向換流。三相橋式逆變電路中各開關元件每隔 60°導通一個，導 通180 °后關斷，各元件導通順序為 VT7 VT1X VTX VT12 VT11VT8。一個周期中逆變器輸出線電壓為矩形波，相電壓為六階梯波的交流電。改變元件導通與關斷的頻率，就能改變輸出交 流電頻率，改變直流側電壓，就能調節(jié)交流輸出電壓幅值。 在上述180 °導電方式

15、逆變器中，為了防止同一相上下兩橋 臂的開關器件同時導通而引起直流側電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應關斷的器件關斷信號，待其 關斷后留一定的時間裕量，然后再給應導通的器件發(fā)出開通 信號，即在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長 短要視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快，所留的 死區(qū)時間就可以越短。這一“先斷后通”的方法對于工作在 上下橋臂通斷互補方式下的其他電路也是適用的。(9I圖7-6 VD7-VD12出發(fā)控制信號的波形(3) 制動電阻和制動單元當變頻器停止了輸出，但由于電動機的慣性，都使電動 機繼續(xù)轉動，此時電動機變?yōu)榘l(fā)電機向變頻器回饋能量，回 饋電流通過VD7VD1

16、2這6只續(xù)流二極管給電容 C、C2充電， 這時電容上電壓在工頻整流電壓的基礎上上升。此時如果不 設法將電容上多余的電壓釋放，電容就會因過載而損壞，電 動機也因發(fā)出的電能得不到消耗而不能制動。圖7-4中的VT7和電阻 民組成制動回路，民稱為制動電 阻，由于電阻發(fā)熱和體積大，安裝在變頻器外部；VT7為控制器件，當電容兩端電壓升高到一定程度，由檢測電路給出 控制信號驅動 VT7導通，電容通過制動電阻 R和VT7放電， 電流通過R將電能轉換成熱能。由于電動機發(fā)出的電能得到 了消耗，電動機得到了制動力矩而使轉動立刻停止。在小功 率變頻器中VT7都為內置，在大功率變頻器中特別是要求制 動功率較大時，VT7則作為一個外選件安裝在變頻器外部，稱為制動單元。第二節(jié)二期凝結水泵電機變頻器介紹二期2X 600MW（級）工程共4臺凝結水泵電機變頻器， 每臺機組配置2臺100%容量的凝結水泵，其中 1臺運行，1 臺備用，米用變頻調速電機。四臺電機通過四套咼壓變頻裝 置進行一拖一變頻控制。凝結水泵的運行方式：凝結水泵能 滿足機組各種運行工況，當運行泵事故跳閘時，備用泵應能 自動投入運行。凝結水泵電動機概況：型號：YLBKS630-4額定功率：1900kW額定電壓：10kV效率：94%功率因數：0.89額定轉速：1480r/min一次接線：一拖一手動，接線如圖7-7 :基本原理：