變頻器的原理與結(jié)構(gòu)ppt課件

1、 變頻器的原理與結(jié)構(gòu)變頻器的原理與結(jié)構(gòu)施耐德電氣中國投資有限公施耐德電氣中國投資有限公司武漢分公司司武漢分公司產(chǎn)品應(yīng)用工程師產(chǎn)品應(yīng)用工程師周周 耿chneider-electric2019/09SSD Marketing2變頻器的原理變頻器的原理異步電動機的轉(zhuǎn)速異步電動機的轉(zhuǎn)速n 異步電動機的轉(zhuǎn)速按照下列公式計算：n 式中：n1為氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，稱為同步速，單位：轉(zhuǎn)每分。n 其中：n f為電機供電電源頻率，工頻頻率為50Hz或60Hzn p為氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù),由電機的結(jié)構(gòu)決定，為2，4，6，8，n 對50Hz工頻，2級，4級，6級，8級電機的同步轉(zhuǎn)速分別為：30

2、00，1500，1000，750轉(zhuǎn)每分n 同步轉(zhuǎn)速實際上也是異步電機理想空載的情況下的轉(zhuǎn)速，這時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同，相對靜止，稱為同步。1(1)nns1120fnpSSD Marketing3滑差率滑差率n 式中的s為轉(zhuǎn)子相對于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速差與同步速之比，稱為同步速。n 通常情況下，滑差率很小，在8以內(nèi)，所以普通異步電動機的額定轉(zhuǎn)速總是接近于同步轉(zhuǎn)速，如2910轉(zhuǎn)每分，1430轉(zhuǎn)每分，975轉(zhuǎn)每分，742轉(zhuǎn)每分等等。111nnnsnnSSD Marketing4滑差調(diào)速滑差調(diào)速n 通過改變電機滑差的方法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速稱為滑差調(diào)速。n 滑差調(diào)速的實現(xiàn)是非常困難的。n 對最

3、常見的鼠籠式異步電動機，除了改變供電電壓外，無法實現(xiàn)滑差調(diào)速。n 對于繞線轉(zhuǎn)子電機，其轉(zhuǎn)子回路中可以另外串入電阻，通過改變轉(zhuǎn)子的阻值，可以改變異步電機的機械特性曲線，具體講就是改變產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速，從而可以對應(yīng)于負載轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速，即工作點。SSD Marketing5繞線轉(zhuǎn)子電機的滑差調(diào)速繞線轉(zhuǎn)子電機的滑差調(diào)速n 這是一種傳統(tǒng)的調(diào)速方法，同時提供良好的起動性能。n 優(yōu)點：n 起動電流小，通常為額定電流的3倍以下n 起動轉(zhuǎn)矩和過載力矩較大，通常可達到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上n 如果串聯(lián)的電阻可以連續(xù)調(diào)節(jié)，可以獲得無級調(diào)速n 可以允許第二象限運行n 缺點：n 僅僅適用于繞線轉(zhuǎn)子電機n 電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價

4、高n 起動和調(diào)速裝置復(fù)雜，笨重，體積大n 滑環(huán)，炭刷，接觸器，電阻等，可靠性低，維護量大n 效率低，很多能量消耗在串聯(lián)的電阻上n 調(diào)速精度低，分辨率低n 趨勢：逐漸淘汰SSD Marketing6變極調(diào)速變極調(diào)速n 電機具有多套繞組或一套繞組構(gòu)成不同的接法，形成不同的極對數(shù)。n 對應(yīng)于不同的極數(shù)，同步速不同轉(zhuǎn)速就不同，最終的轉(zhuǎn)速就不同。n 優(yōu)點：n 適用于只要求兩種轉(zhuǎn)速的場合。n 不需要外加調(diào)速裝置，只需接觸器切換不同的繞組接法。n 缺陷：n 只能實現(xiàn)有限的有級調(diào)速。n 調(diào)速精度低，反應(yīng)慢。n 繞組接法復(fù)雜，可靠性差。n 電機效率和功率因數(shù)低。n 電機成本高。n 不能頻繁切換。1120fnpS

5、SD Marketing7變頻調(diào)速變頻調(diào)速n 最好的方法就是變頻調(diào)速，也就是改變電源頻率，使得同步轉(zhuǎn)速成比例變化，負載轉(zhuǎn)速就可以與電源頻率成正比地變化。這種裝置稱為變頻器n 變頻調(diào)速的優(yōu)點：n 效率高，功率因數(shù)高。n 數(shù)字智能化，易于控制和調(diào)節(jié)。n 固態(tài)硬件，可靠性高。n 可用于快速頻繁起停，正反轉(zhuǎn)等。n 動態(tài)和靜態(tài)精度高。n 容易集成到系統(tǒng)中。n 起動和運行電流小。n 適用于廉價可靠的鼠籠式異步電動機。n 變頻調(diào)速目前已經(jīng)成為異步電機調(diào)速的主流，現(xiàn)在已經(jīng)可以控制同步電機等的調(diào)速。1120fnpSSD Marketing8異步電機的轉(zhuǎn)矩特性異步電機的轉(zhuǎn)矩特性n藍色為轉(zhuǎn)矩特性，n紅色為負載特性，

6、n(nN,TN)為額定工作點nTm為可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩nTst為起動轉(zhuǎn)矩SSD Marketing9負載類型負載類型n 變頻器的選型和應(yīng)用, 首先要考慮的就是負載的類型n 負載可以分為三大類n 恒轉(zhuǎn)矩負載n 例如輸送帶,提升,鉆床,擠出機n 變轉(zhuǎn)矩負載n 例如離心風(fēng)機, 離心泵n 恒功率負載n 例如磨床, 高速車床, 繞線筒等n 根據(jù)不同的負載類型,以及其它功能和性能的要求,選擇對應(yīng)系列的變頻器SSD Marketing10恒轉(zhuǎn)矩負載恒轉(zhuǎn)矩負載n 在整個運行的速度范圍內(nèi),需要相同大小的負載n 當轉(zhuǎn)速變化時,負載轉(zhuǎn)矩基本保持不變n 所需功率與轉(zhuǎn)速成正比n 通常轉(zhuǎn)速限制在基本頻率以內(nèi)SSD Mar

7、keting11變轉(zhuǎn)矩負載變轉(zhuǎn)矩負載n 負載轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)速的函數(shù):在低速下需要較小的轉(zhuǎn)矩, 而在高速下需要較大的轉(zhuǎn)矩n 只有兩類典型的負載:離心泵和離心風(fēng)機n 額定轉(zhuǎn)速以下n 設(shè)備產(chǎn)生的流量與泵或風(fēng)機的轉(zhuǎn)速成正比n 設(shè)備產(chǎn)生的壓力與泵或風(fēng)機轉(zhuǎn)速的平方成正比n 設(shè)備消耗的功率與泵或風(fēng)機轉(zhuǎn)速的立方成正比SSD Marketing12恒功率負載恒功率負載n 通常恒功率段是指在電機的基本頻率之上n 對于一個恒功率負載,實際上負載轉(zhuǎn)矩是負載物理尺寸的函數(shù)n 在轉(zhuǎn)速較低時需要的轉(zhuǎn)矩較高,在轉(zhuǎn)速較高時,需要的轉(zhuǎn)矩較低.n 負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比,其乘積,亦即功率為恒定值,稱為恒功率負載SSD Marketing1

8、3機械知識機械知識四象限水平運動四象限水平運動SSD Marketing14變頻器和軟起動器的區(qū)別變頻器和軟起動器的區(qū)別n 軟起動器n 軟起動器是一種智能化的降壓起動器, 在起動電機時可以有效地控制和限制起動電流, 同時可減少對電機及其驅(qū)動的設(shè)備的機械應(yīng)力.n 軟起動可以將機械從零速平滑地加速到額定轉(zhuǎn)速, 也可以控制平滑地減速到零速n 在只需要軟起動和軟停止而不需要調(diào)速的場合可以使用軟起動器n 軟起動器為了降低起動電流,必須實施降壓起動, 同時降低了起動轉(zhuǎn)矩n 變頻器n 變頻器可以實現(xiàn)軟起動和軟停止n 也可以根據(jù)負載的變化和系統(tǒng)的要求調(diào)節(jié)速度和改變輸出轉(zhuǎn)矩n 電機起動后可以不以工頻轉(zhuǎn)速運行n

9、變頻器在起動電機的同時不必降低起動轉(zhuǎn)矩n 結(jié)論n 從功能上,變頻器可以取代軟起動器,但軟起動器不能取代變頻器n 從成本上,變頻器高于軟起動器, 但其優(yōu)勢自不待言.SSD Marketing15啟動電流啟動電流n 電動機通上工頻電源，旋轉(zhuǎn)磁場即以額定同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而電機的轉(zhuǎn)子尚處于靜止狀態(tài)，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度很高，故感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流都很大，即電子電流可達額定電流的4-7倍。n 當使用變頻器啟動時，啟動瞬間變頻器的輸出頻率很低，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也較低，故啟動電流很小。一般使用變頻器，啟動電流不會大于額定電流的1.5倍。SSD Marketing16當使用軟啟時，同步轉(zhuǎn)速

10、不變，臨界轉(zhuǎn)速不變，臨界轉(zhuǎn)距隨電壓的減小而減小。SSD Marketing17變頻器容量的選擇變頻器容量的選擇n 一般來說，變頻器的額定電流要大于電機的額定電流。n 1、同功率電機的額定電流因磁極數(shù)而異，磁極數(shù)越大，額定電流越大。一般的變頻器的額定電流是參照4極電機的。n 2、變頻器的額定電流因開關(guān)頻率而異。開關(guān)頻率越大，額定電流越小。一般的變頻器以4KHz定義額定電流的。SSD Marketing18變頻器的結(jié)構(gòu)變頻器的結(jié)構(gòu)n 通常變頻器的結(jié)構(gòu)為交直交，也就是將單相或三相交流電壓整流成為直流電壓ACDC)，然后再將直流“逆變成為所需頻率的三相交流電壓DCAC)。n 變頻器最主要的部分是逆變部

11、分，而且有生產(chǎn)廠家單獨生產(chǎn)逆變部分，所以有時又將變頻器稱為逆變器。n 由于電機和變頻器原理的原因，在額定電壓以下，在改變輸出頻率的同時，也要改變輸出電壓的有效值，這種形式稱為可變電壓，可變頻率，故又將變頻器稱為VVVF.SSD Marketing19變頻器的叫法變頻器的叫法n Drive，Convertor 通用n VSD-Variable Speed Drive 施耐德專用n AC Drive-Alternating Current Drive 歐洲通用n VFDVariable Frequency Drive 北美n VVVFVariable Voltage Variable Freque

12、ncy Drive 通用n Inverter 日本，臺灣SSD Marketing20變頻器常用術(shù)語變頻器常用術(shù)語n 變流器 convertersn 整流 rectifying-rectificationn 整流器 rectifiern 逆變 inverting-inversionn 逆變器 inverter n 轉(zhuǎn)矩脈動 torque pulsationn 脈寬調(diào)制 (PWM) pulse width modulation n 諧波 harmonicn 矢量控制 (VC) vector control n 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC) direct torque control n 四象限運行 F

13、our quadrant operationn 動態(tài)制動 dynamic brakingn 再生(制動) regeneration n 直流制動 d.c brakingn 漏電流 leak current n 濾波器 filtern 電抗器 reactor n 電位器 potentiometern 編碼器 encoder, PG (pulse generator)n 定子 stator n 轉(zhuǎn)子 rotor SSD Marketing21變頻器的主回路變頻器的主回路n 進線端子n EMC濾波器n 整流橋n 儲能電容n 預(yù)充電回路n 制動晶體管n 制動電阻及其保護n 逆變橋n 電流互感器n 出線

14、端子SSD Marketing22變頻器的主回路變頻器的主回路 進線進線n 變頻器的進線電源可以是三相380-500V，或三相200240V，也可以是單相200240V；也可以是690V。n 電源電壓在690V以下稱為低壓變頻器，1000V以上稱為中壓或高壓變頻器。n 進線電源的相序不影響電機的轉(zhuǎn)向。SSD Marketing23變頻器的主回路變頻器的主回路 EMC濾波器濾波器n 施耐德變頻器普遍標配進線EMC濾波器，用來抑制變頻器對周圍設(shè)備的射頻干擾。n 在變頻器通電時，EMC濾波器通過接地電容產(chǎn)生對地電流，尤其是上電瞬間會產(chǎn)生較大的漏電流。n 變頻器一般應(yīng)用于工業(yè)場合，用接地的方式進行安全

15、保護。n 應(yīng)用于民用配電場合時，有時無安全接地，而采用漏電開關(guān)(RCD)，有時會因此發(fā)生RCD誤脫扣，這是正常的。解決的辦法是將圖中的接地斷開。SSD Marketing24變頻器的主回路變頻器的主回路 整流橋整流橋n 大多數(shù)變頻器采取三相全波整流，整流器件為功率二極管。ATV71為三相半波整流。n 三相全波整流獲得的直流輸出電壓為進線電壓有效值的1.35倍，例如電網(wǎng)電壓為400V，則這時直流母線電壓為540V左右。但隨著負載的波動，直流母線電壓也會波動。n 單整流橋獲得的電壓波形每個周波有六個波頭，稱為六波頭整流或六脈沖整流，這時的進線電流存在6m+1/6m-1次諧波，如5，7，11，13，

16、。SSD Marketing25變頻器的主回路變頻器的主回路 12脈沖整流脈沖整流n 為了抑制電流諧波，可以采用兩套整流橋，分別連接到一個三繞組特殊變壓器的輸出的兩個繞組，該變壓器的兩個繞組的輸出電壓有效值相等，相位互差30度。n 兩套整流橋串聯(lián)，電壓相加。n 這時的電壓波形每個周期有12個波頭，電流的諧波含量不包含5次，7次，17次，19次。n 變頻器和配電回路的成本大大增加，用于大功率應(yīng)用和特殊場合。SSD Marketing26變頻器的主回路變頻器的主回路 預(yù)充電電阻和預(yù)充電接觸器預(yù)充電電阻和預(yù)充電接觸器n 上電瞬間，整流橋輸出端將產(chǎn)生峰值1.414U的電壓，對儲能電容快速充電。n 為了

17、保護儲能電容，需要在直流母線中串聯(lián)一個電阻。在變頻器上電時，整流橋通過該電阻向整流橋充電，充電結(jié)束后如直流母線電壓上升到額定電壓的70%）以上后，需要用接觸器將該電阻旁路掉。在整個運行過程中，該電阻不起作用。n 該電阻稱為預(yù)充電電阻，該接觸器稱為預(yù)充電接觸器或預(yù)充電繼電器。n 如果電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致瞬間大幅度跌落，會引起預(yù)充電回路頻繁動作，導(dǎo)致其損壞。SSD Marketing27變頻器的主回路變頻器的主回路 半可控整流橋半可控整流橋n 將上述整流橋中的三個橋臂改成可控硅，如晶閘管或IGBT，則整流橋的輸出電壓就是可調(diào)的。n 在變頻器上電期間，控制晶閘管的導(dǎo)通角，半可控整流橋的輸出電壓逐漸升高

18、，最后達到全波整流獲得的峰值,這樣一來在變頻器中就不需要預(yù)充電電阻和預(yù)充電接觸器.SSD Marketing28變頻器的主回路變頻器的主回路 全控整流橋全控整流橋n 如果上述整流橋的6個橋臂都是可控硅, 加上控制回路, 甚至可以做成可以四象限運行,既可以從電網(wǎng)吸收能量供給負載,也可以將負載制動的能量反饋回電網(wǎng),實現(xiàn)再生制動.當然這樣變頻器的成本會大大升高,所以這種方式僅僅適用于大功率傳動.n 實現(xiàn)能量再生制動的另一種方法是將一個系統(tǒng)中的所有變頻器的直流母線并聯(lián), 或者采用統(tǒng)一的整流電源和統(tǒng)一的能量再生制動單元,稱為網(wǎng)絡(luò)制動單元.SSD Marketing29變頻器的主回路變頻器的主回路 儲能電

19、容儲能電容n 變頻器運行過程中需要相對穩(wěn)定的直流母線電壓，用儲能電容保證。n 該電容的形式為電解電容，對于中大功率變頻器，需要將多個電容并聯(lián)。n 當變頻器處于過載的過程中，瞬間會把直流母線電壓拉低；處于發(fā)電制動過程中，瞬間會升高直流母線電壓，若太高變頻器則停止輸出。n 有些應(yīng)用中，為了提高變頻器的動態(tài)能力，或者在斷電瞬間保持變頻器斜坡停車，需要外加蓄電池或電容，需要考慮回路其它部件的承受能力。SSD Marketing30直流電抗器直流電抗器n 直流電抗器是串聯(lián)在直流中間回路的一個或兩個扼流圈, 因其通過的電流為直流電流, 故亦成為直流扼流圈.n 直流電抗器的作用是抑制變頻器的進線電流諧波,從而減少對電網(wǎng)的污染.n 通常采用適當大小的直流電抗器,即可使變頻器的諧波污染減少到符合標準,這是一種低成本的方案.n 如果要將諧波抑制到更低,需要大配合無源濾波器.n 直流電抗器對進線浪涌電壓沒有抑制作用