變頻技術(shù)原理與功能應(yīng)用

1、變頻器基礎(chǔ)知識交流LTTL13142008-09-011提綱變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器各種功能和應(yīng)用2 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)第一節(jié)：3變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)電氣傳動系統(tǒng)概述 以交流（直流）電動機為動力拖動各種生產(chǎn)機械的系統(tǒng)我們稱之為交流（直流）電氣傳動系統(tǒng)，也稱交流（直流）電氣拖動系統(tǒng)。 大致構(gòu)成 中間傳動機構(gòu)交流電源輸入終端機械交流電機直流調(diào)速裝置直流輸出皮帶輪、齒輪箱等直流電機交流調(diào)速裝置交流輸出執(zhí)行機構(gòu)變頻器4變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)變頻器的工作原理 我們知道，交流電動機的異步轉(zhuǎn)速表達式位： n60 f(1s)/p (1) 其中 n異步電動機

2、的轉(zhuǎn)速； f異步電動機的頻率； s電動機轉(zhuǎn)差率； p電動機極對數(shù)。 由公式(1)可知，電動機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機的極對數(shù)有關(guān)系，因而交流電動機的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速(調(diào)整P)、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速或內(nèi)反饋電機(調(diào)整s)和變頻調(diào)速(調(diào)整f)等。 而我們現(xiàn)在運用最廣泛的就是變頻調(diào)速，由轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在050Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位： n60 f/p 故也可以用變頻調(diào)速。 5變頻器的

3、發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)變頻器的發(fā)展史6變頻器相關(guān)技術(shù)（即發(fā)展基礎(chǔ)）電力電子技術(shù) 半導(dǎo)體功率器件從GTO（門極可關(guān)斷晶體管）、GTR（大功率晶體管）、BJT（雙及型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應(yīng)管）到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關(guān)高頻化的PWM 技術(shù)成為可能。微處理器技術(shù) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機、數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP )、專用集成電路(Application Speci

4、fic IntegratedCircuit, ASIC)等?，F(xiàn)在又出現(xiàn)了多個CPU協(xié)同工作：管理，核心，鍵盤，上位機等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅(qū)動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護功能都可以通過微處理器實現(xiàn)，為交流傳動系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達到了較高的性能價格比?？刂评碚摰牟粩噙M步 應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)局域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)，遠程監(jiān)控；Profibus BUS , Interbus-S,Device NET, I/O Interface變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)7變頻器控制方式的發(fā)

5、展變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)V/F控制空間矢量調(diào)制矢量變換控制變結(jié)構(gòu)控制直接轉(zhuǎn)矩控制人工智能控制變頻技術(shù)在以下幾個方面得到發(fā)展：1、網(wǎng)絡(luò)智能化2、專門化和一體化3、環(huán)保無公害4、適應(yīng)新能源8V/F控制及U/f=C的 其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，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。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(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、控制曲線會隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時

6、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。 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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，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行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)9矢量控制變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù) 1）基本思想 (1) 對直流電動機的分

7、析 在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電動機的調(diào)速特性被公認(rèn)為是最好的。究其原因，是因為它具有兩個十分重要的特點: (a) 磁場特點 它的主磁場和電樞磁場在空 間是互相垂直的，如圖(a)所示; (b) 電路特點 它的勵磁電路和電樞電路是互相獨立的，如圖(b)所示。 在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時，只調(diào)節(jié)其中一個電路的參數(shù)。102）變頻器的矢量控制模式 仿照直流電動機的控制特點，對于調(diào)節(jié)頻率的給定信號，分解成和直流電動機具有相同特點的磁場電流信號i*M和轉(zhuǎn)矩電流信號i*T，并且假想地看作是兩個旋轉(zhuǎn)著的直流磁場的信號。當(dāng)給定信號改變時，也和直流電動機一樣，只改變其中一個信號，從而使異步電動機的調(diào)速控制具有和直流電動機類似

8、的特點。 對于控制電路分解出的控制信號i*M和i*T，根據(jù)電動機的參數(shù)進行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號i*A、i*B和i*C，對三相逆變橋進行控制，如圖所示。從而得到與直流電動機類似的硬機械特性, 提高了低頻時的帶負(fù)載能力。 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)矢量控制113）矢量控制的主要優(yōu)點低頻轉(zhuǎn)矩大：即使運行在1Hz(或0.5Hz)時, 也能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩,且不會產(chǎn)生在V/F控制方式中容易遇到的磁路飽和現(xiàn)象。 機械特性好：在整個頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，都具有較硬的機械特性，所有機械特性基本上都是平行的。動態(tài)響應(yīng)好：尤其是有轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制方式，其動態(tài)響應(yīng)時間一般都能小于100ms。能進行

9、四象限運行。矢量控制變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)12變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理第二節(jié)：13變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器的分類 按變頻的原理，變頻器分為交交變頻器和交直交變頻器。14變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器的分類交一交變頻器 它是將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)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在額定頻率的12以下，故主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。交一直一交變頻器 先將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及變頻后

10、電動機特性的改善等方面，都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均屬于交一直交變頻器。 15變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器的分類 根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲能方式來分，交一直一交變頻器又可分成電壓型和電流型兩種。(1)電壓型： 整流后若是靠電容來濾波稱為電壓型，現(xiàn)在使用的變頻器大部分為電壓型。電壓源型逆變器的中間直流環(huán)節(jié)由于采用電容儲能，因此直流環(huán)節(jié)電壓值不受負(fù)載影響，其主要運行特點如下： 逆變器采用PWM技術(shù)，既變壓又變頻；由于直流電壓源的箝位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負(fù)載阻抗角的不同而異，其波形接近正弦波。系統(tǒng)響應(yīng)速度快； 可多臺逆變器共用一套直流電源

11、并聯(lián)運行； 同一相的上下橋臂有直通短路的可能，這時電流的變化率和峰值都很大，需要在極短的時間內(nèi)進行保護，所以保護困難； 由于整流部分采用不控整流，因此不能實現(xiàn)能量回饋制動。如果電動機需要向交流電源反饋能量，因直流測電壓方向不能改變，所以只能靠改變直流電流的方向來實現(xiàn)，這就需要給交直變換的整流橋再反并聯(lián)一套逆變橋。(2)電流型： 整流后若是靠電感來濾波稱為電流型，它的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖。電流源型變換器大多用于大功率的風(fēng)機水泵調(diào)速控制系統(tǒng)，采用可控整流調(diào)壓、逆變器變頻方式運行。16交一直一交電壓型變頻器的主回路構(gòu)成（以下都簡稱為變頻器） ： 電源輸入整流橋啟

12、動電阻（直流電感）母線電容制動單元（制動電阻）逆變橋電源輸出。整流橋啟動電阻輸入交流電源母線電容逆變橋交流輸出制動單元直流電感制動電阻變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理17變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理交一直一交電壓型變頻器的主回路構(gòu)成（以下都簡稱為變頻器）主要器件整流橋：西門康 SEMKRON (SKKD162/16 100A/SKD) 、三社 SanRex （DFA ）、IXYS（VU）、 IRFInternational Rectifier（ 160MT KB）、德國 Powersem（psd35）等逆變器： IGBT：西門子優(yōu)派克EUPEC （FS、BSM）、Fuji（2MB ） 等 IPM：

13、三菱（PM）等 PIM一體模塊：西門子優(yōu)派克 EUPEC （FS、FP、BSM）、泰科 TYCO（V23990-P89）等單管IGBT：APT（Advanced Power Technology）APT60GF120JRD電解電容：400V，560V，5600UF以下（包括）CPU： TMS320F2406A/7A，TMS320F2813等光耦： 東芝的TLP3120，7840， HP的HCPL-4504等緩沖電阻：單管IGBT、風(fēng)扇、接觸器、散熱器、霍爾、溫度傳感器等18變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器的控制回路構(gòu)成： 電源板（防雷電路、開關(guān)電源電路、模塊驅(qū)動和保護電路、信號采集電路等）控

14、制板（客戶命令采集、各種信號處理并進行整機控制等）接口板鍵盤板。19變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器各電路的工作原理和作用（一）主回路整流電路：大都是由大功率二極管構(gòu)成的全波整流電路，主要是將單相或三 相交流轉(zhuǎn)化為直流；它們將380V的交流電整流成直流，平均直流電壓可用下式表示：UD =1.35 UL=1.35380513V。中間電路：主要包括緩沖電路、濾波電路、制動電路組成。濾波電路主要是由無感電容和電解電容、均壓電阻等，大功率變頻器我們常常要求客戶加直流電抗器，這些都是為了消除直流中的高次諧波、提高功率因素；緩沖電路作用緩解在上電瞬間對電解電容的沖擊；制動電路的作用是在電機減速或停機時將

15、電機反饋回來的電能消耗掉，從而起到快速減速、保護電機和變頻器的作用。逆變電路：由六個IGBT和它反向并聯(lián)的六個續(xù)流二極管組成的三相全橋逆變電路組成。這六個續(xù)流二極管的功能有以下三點：a,由于電動機是一種感性負(fù)載，工作時其無功電流返回直流電源需要它們提供通路；b,降速時電動機處于再生制動狀態(tài)， 它們?yōu)樵偕娏魈峁┓祷刂绷鞯耐罚籧,逆變時它們快速高頻率地交替切換，同一橋臂的兩管交替地工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，在切換的過程中，也需要給線路的分布電感提供釋放能量的通路。20變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理變頻器各電路的工作原理和作用（二）控制回路開關(guān)電源電路：這部分相對我們公司的電源產(chǎn)品來說就很簡單了，它的

16、特點是輸出通路多。（2844）模塊驅(qū)動電路：主要是信號封鎖、隔離、放大和電壓轉(zhuǎn)換以及強弱電隔離。（3120、4504）信號檢測電路: 輸入缺相信號、母線電壓信號（CVD）、三相輸出電流信號、殘壓信號、模塊溫度信號、接觸器狀態(tài)信號、模塊狀態(tài)信號等的采集和放大處理?？刂齐娐罚焊鶕?jù)檢測來的信號判斷工作狀態(tài)，執(zhí)行客戶外部指令，按照設(shè)定的控制方式發(fā)出SPWM形波。接口電路：主要是用來實現(xiàn)多功能和通訊功能，并可為客戶提供電源，是為了方便客戶的現(xiàn)場運用。顯示電路：分為LED和LCD兩種。21變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理驅(qū)動板電路框圖和對應(yīng)實物 下面是一個品牌變頻器驅(qū)動板架構(gòu)22變頻器的主要構(gòu)成及工作原理驅(qū)動

17、板電路框圖和對應(yīng)實物 下面以某品牌變頻器功率板為例23變頻器的主要構(gòu)成及工作原理逆變電路原理的討論 三相正弦脈沖寬度調(diào)制波形剛才我們提到了現(xiàn)代變頻器采用了SPWM（正弦脈沖寬度調(diào)制） 24變頻器的主要構(gòu)成及工作原理逆變電路原理的討論 SPWM的開關(guān)點 SPWM的脈沖序列的產(chǎn)生是由基準(zhǔn)正弦波和三角載波信號的交點所決定的，且每一個交點都是逆變器同一橋臂上兩只逆變管的開、關(guān)交替點因此將這個交點稱作SPWM的開關(guān)點，我們必須將所有的交點的時間坐標(biāo)汁算出來，才能有序地向逆變器發(fā)出通斷的指令。 調(diào)節(jié)頻率時基準(zhǔn)正弦波的頻率和幅值都要改變，載波信號(三角波)與基準(zhǔn)正弦波的交點也將發(fā)生變化。所以每次調(diào)節(jié)頻率后，

18、開關(guān)點的坐標(biāo)都需要重新計算，計算量之大是人工難以完成的。只有通過計算機這個工具才能在最短的時間內(nèi)將開關(guān)點的坐標(biāo)計算出來，從而控制各逆變管實時通斷來完成變頻、變壓的任務(wù)。強調(diào)二點（1）逆變器輸出頻率與正弦調(diào)制波頻率相同；當(dāng)逆變器輸出端需要變頻時，只要改變調(diào)制波的頻率；2）三角波與正弦波的交點即確定了逆變器輸出脈沖的寬度和相位。通常采用恒幅三角波，而改變調(diào)制波幅值的方法，以得到不同的寬度，從而得到不同的逆變器輸出電壓。25變頻器各種功能和應(yīng)用第三節(jié)：26變頻器各種功能的應(yīng)用變頻器各種功能軟啟動功能 加減速過程中，變頻器的輸出頻率隨時間上升的關(guān)系曲線，稱為加速方式。變頻器設(shè)置的加速方式有:線性方式：

19、變頻器的輸出頻率隨時間成正比地上升，如圖(a)所示。大多數(shù)負(fù)載都可以選用線性方式。S形方式 ：在加速的起始和終了階段，頻率的上升較緩，加速過程呈S形，如圖所示。例如，電梯在開始起動以及轉(zhuǎn)入等速運行時，從考慮乘客的舒適度出發(fā)，應(yīng)減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。半S形方式：用用戶設(shè)定的拐角點確定曲線來控制，加減速方式。 27變頻器各種功能的應(yīng)用變頻器各種功能起動頻率與暫停加速功能 （1）設(shè)置起動頻率的方式 主要有兩種方式: 稍有給定信號(X=0+)，變頻器的輸出頻率即為起動頻率fS，如圖(a)所示; 設(shè)置一個死區(qū)XS%，在給定信號XXS%的范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率為0Hz;當(dāng)給定信號X=X

20、S%時，變頻器直接輸出與XS%對應(yīng)的頻率，如圖(b)所示。28變頻器各種功能的應(yīng)用變頻器各種功能起動頻率與暫停加速功能（2）電動機起動后，先在較低頻率fDR下運行一個短時間，然后再繼續(xù)加速的功能。對于慣性較大的負(fù)載，起動后先在較低頻率下持續(xù)一個短時間tDR，然后再加速；設(shè)置暫停加速的方式主要有兩種: 變頻器輸出頻率從0Hz開始上升至?xí)和ｎl率fDR，停留tDR后再加速，如圖(a)所示; 變頻器直接輸出起動頻率fS后暫停加速，停留tDR后再加速，如圖(b)所示。29變頻器各種功能電動機各種停機功能變頻器各種功能的應(yīng)用電動機的停機方式 : 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機可以設(shè)定的停機方式有: (a) 減速

21、停機 即按預(yù)置的減速時間和減速方式停機，如上述，在減速過程中，電動機處于再生制動狀態(tài)。 (b) 自由制動 變頻器通過停止輸出來停機, 這時, 電動機的電源被切斷, 拖動系統(tǒng)處于自由制動狀態(tài)。由于停機時間的長短由拖動系統(tǒng)的慣性決定, 故也稱為慣性停機。 (c) 減速加直流制動 首先按預(yù)置的減速時間減速，然后轉(zhuǎn)為直流制動，直至停機，如圖所示。 (d) 在低頻狀態(tài)下短暫運行后停機, 當(dāng)頻率下降到接近于0時, 先在低速下運行一個短時間, 然后再將頻率下降為0Hz 。30變頻器各種功能的應(yīng)用 PID調(diào)節(jié)的全稱是比例、積分、微分調(diào)節(jié)，是閉環(huán)控制中一種重要的調(diào)節(jié)手段，目的是使被控物理量迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于

22、控制目標(biāo)。 PID反饋控制只要是通過溫度、壓力傳感器等，反饋模擬量給變頻器（可以是010V電壓信號，也可以是420mA的電流信號），通過變頻器相應(yīng)的處理輸出適合的頻率。當(dāng)變頻器有兩個或多個模擬量給定信號同時從不同的端子輸入時，其中必有一個為主給定信號，其他為輔助給定信號。 變頻器各種功能PID反饋控制功能31變頻器的應(yīng)用 任何機械在運轉(zhuǎn)過程中，都或多或少會產(chǎn)生振動。每臺機器又都有一個固有振蕩頻率，它取決于機械的結(jié)構(gòu)。如果生產(chǎn)機械運行在某一轉(zhuǎn)速下時，所引起的振動頻率和機械的固有振蕩頻率相吻合的話，則機械的振動將因發(fā)生諧振而變得十分強烈(也稱為機械共振)，并可能導(dǎo)致機械損壞的嚴(yán)重后果。變頻器各種功

23、能回避頻率（跳躍頻率）功能32變頻器各種功能的應(yīng)用其他基本功能V/F控制功能，矢量控制功能，頻率上下限功能，多段速功能，異常停機功能，加速和減速時電壓、電流過高暫停加減速功能等。變頻器各種功能程序控制頻率功能 各種變頻器都具有按時間控制的程序控制功能，在一個運行周期中，可以劃分為若干個程序步。各程序步的工作頻率、運行時間以及加、減速的快慢都由用戶根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要來進行預(yù)置。 (1) 程序步的劃分 程序步是按運行頻率的不同而劃分的，如圖所示。一個周期內(nèi)各程序步需要預(yù)置的內(nèi)容如下: 程序步1:工作頻率為f1，運行 時間為t1(包括加速過程所需的 時間)，加速時間為tA1; 程序步2:工作頻率上升

24、為f2，運行時間為t2(包括加速過程 所需的時間)，加速時間為tA2; l 程序步3:工作頻率下降并反轉(zhuǎn)至f3，運行時間為t3(包括正轉(zhuǎn)減速和反轉(zhuǎn)加速過程所需時間)，減速時間和加速時間分別為tD3和tA3; 程序步4:工作頻率下降為f4(反轉(zhuǎn))，運行時間為t4(包括減速過程所需時間)，減速時間為tD4。33變頻器各種功能的應(yīng)用變頻器的作用(一)變頻調(diào)速的節(jié)能 （能量回饋）(二)變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢 變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序可實現(xiàn)輸出換相也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機的問題。 變頻調(diào)速系統(tǒng)起動大都是從低速區(qū)開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設(shè)定，故加、減速過程比較平緩、起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。 變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負(fù)載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋