變頻器的原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)

目錄一、前言 錯(cuò)誤！未定義書簽。二、變頻器結(jié)構(gòu)與組成 2三、 變頻器工作原理....錯(cuò)誤！未定義書簽。四、 變頻器常用功能參數(shù)說(shuō)明錯(cuò)誤！未定義書簽。五、變頻器安裝 錯(cuò)誤！未定義書簽。六、 變頻器保養(yǎng)與維護(hù)..錯(cuò)誤！未定義書簽。七、變頻器常見問題問答錯(cuò)誤！未定義書簽。二、變頻器結(jié)構(gòu)與組成各國(guó)使用的交流供電電源，無(wú)論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC），我們把實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為“變頻器”（inverter）。變頻器主要由以下組件組成：逆變模塊、整流模塊、整流橋、控制板、驅(qū)動(dòng)板、主回路板、電源板、分線板、制動(dòng)電阻、電解電容器、金屬膜電容器、電阻器、繼電器、接觸器、快速熔斷器、RS485接口、RS232接口、電流傳感器、散熱風(fēng)機(jī)、散熱器、充電電阻、光耦、溫控開關(guān)、電源厚膜組件、頻率厚膜組件、缺相厚膜組件、快速三極管、主回路端子排、控制回路端子排、接線端子、充電指示燈、壓敏電阻等。變頻器在維修中經(jīng)常要用到上述配件。除此之外，外部部件還有：制動(dòng)單元、輸入電抗器、輸出電抗器、直流電抗器、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、遠(yuǎn)控鍵盤、遠(yuǎn)控電源、遠(yuǎn)控電纜、自動(dòng)控制專用接口板、RS232/RS485總線適配器、RS232總線分配器、RS232總線電纜、RS485通信電纜、機(jī)殼、機(jī)箱、機(jī)柜、變頻器說(shuō)明書等。變頻器主要是由主電路、控制電路組成。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”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（1） 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)。（2） 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。（3） 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?？刂齐娐肥墙o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)生過載或過電壓等異常時(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、電流值變換變換511.1基本電路1）整流電路如圖1.2所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號(hào)和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相380V時(shí)，整流器件的最大反向電壓一般為1200-1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。圖1.2整流電路2） 濾波電路逆變器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)論異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動(dòng)機(jī)之間，總會(huì)有無(wú)功功率的交換，這種無(wú)功能量要靠直流中間電路的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖。同時(shí)，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動(dòng)，直流濾波電路起到對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個(gè)阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會(huì)嚴(yán)重制約變頻器的壽命。3） 逆變電路逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120，富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測(cè)保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20KHz，保護(hù)功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時(shí)輸出故障信號(hào)燈。逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)，同時(shí)處于開通狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時(shí)，對(duì)換流器件進(jìn)行保護(hù)一、變頻器的基本原理1.變頻器組成原理（1）變頻器的基本結(jié)構(gòu)調(diào)速用變頻器通常由主電路、控制電路和保護(hù)電路組成。其基本結(jié)構(gòu)和各部分的基本功能如圖6—2所示。對(duì)外部的工■\對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，以保證逆變電路和控制電路能夠獲得質(zhì)量較高的直流電源流電源進(jìn)行整流，給逆變電路和控制電路提供所需的直流電源對(duì)外部的工■\對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，以保證逆變電路和控制電路能夠獲得質(zhì)量較高的直流電源流電源進(jìn)行整流，給逆變電路和控制電路提供所需的直流電源「將中間環(huán)節(jié)輸、出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源L）中間環(huán)節(jié)一個(gè)典型的電壓控制型通用變頻器的原理框圖如圖6—3所示。0V38XXV0V38XXV焰絲I焰絲I交流電壓IIMW""I~1電定直流電壓直流電流頻率設(shè)定外部控制隔子=i>頻率設(shè)定接口散熱器溫度rL■innrififfI保聯(lián)口宙路I疆電路外部控制信號(hào)接口CPUFWM信號(hào)發(fā)生閉環(huán)調(diào)節(jié)功能控制IMW""I~1電定直流電壓直流電流頻率設(shè)定外部控制隔子=i>頻率設(shè)定接口散熱器溫度rL■innrififfI保聯(lián)口宙路I疆電路外部控制信號(hào)接口CPUFWM信號(hào)發(fā)生閉環(huán)調(diào)節(jié)功能控制輸入輸出信號(hào)姓理,2,I鍵盤豆示接口I操作面輸出接口模擬輸出輸出控制外接仗表I引出操作面板鍵盤圖6-3變頻器的原理框圖(2)變頻器主電路工作原理目前已被廣泛地應(yīng)用在交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中的變頻器是交一直一交變頻器，它是先將恒壓恒頻(CVCF：ConstantVOltageConstantFrequecy)的交流電通過整流器變成直流電，再經(jīng)過逆變器將直流電變換成可控交流電的間接型變頻電路。在交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制中，為了保持額定磁通基本不變，在調(diào)節(jié)定子頻率的同時(shí)必須同時(shí)改變定子的電壓。因此，必須配備變壓變頻(VVVF：VariableVoltageFrequency)裝置。它的核心部分就是變頻電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6-4所示。AC … AC恒壓恒頻 中間直流環(huán)節(jié)變壓變頻(CVCF) (WVF)圖6-4VVVF變頻器主電路結(jié)構(gòu)框圖按照不同的控制方式，交一直一交變頻器可分成以下三種方式：采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6-5所示。在這種裝置中，調(diào)壓和調(diào)頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別進(jìn)行，在控制電路上協(xié)調(diào)配合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí)，電網(wǎng)端功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成多拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大，因此這類控制方式現(xiàn)在用的較少。虻 … AC圖6-5可控整流器調(diào)壓、逆變器結(jié)構(gòu)框圖采用不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6-6所示。整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器，只整流不調(diào)壓，再單獨(dú)設(shè)置斬波器，用脈寬調(diào)壓，這種方法克服功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)，；但輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的缺點(diǎn)。調(diào)壓 調(diào)頻圖6-6不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器結(jié)構(gòu)框圖采用不控制整流器整流、脈寬調(diào)制(PWM)逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6-7所示。在這類裝置中，用不控整流，則輸入功率因數(shù)不變；用(PWM)逆變，則輸出諧波可以減小。這樣圖6-7裝置的兩個(gè)缺點(diǎn)都消除了。PWM逆變器需要全控型電力半導(dǎo)體器件，其輸出諧波減少的程度取決于PWM的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時(shí)間的限制。采用絕緣雙極型晶體管IGBT時(shí)，開關(guān)頻率可達(dá)10kHz以上，輸出波形已經(jīng)

非常逼近正弦波，因而又稱為SPWM逆變器，成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。ACDCACr：i 不控整流PW逆變器 —■JUllxjL-1O ?WVF調(diào)壓調(diào)頻圖6-7不控制整流器整流、脈寬調(diào)制(PWM)逆變器結(jié)構(gòu)框圖在交一直一交變頻器中，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，這類變頻器叫做電壓型變頻器，見圖6-8(a)，當(dāng)交一直一交變頻器的中間直流環(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，這類變頻器叫做電流型變頻器，見圖6-8(b)。THTH(a) (b)圖6-8變頻器結(jié)構(gòu)框圖(a)電壓型變頻器(b)電流型變頻器下面給出幾種典型的交一直一交變頻器的主電路。交一直一交電壓型變頻電路圖6-9是一種常用的交一直一交電壓型PWM變頻電路。它采用二極管構(gòu)成整流器，完成交流到直流的變換，其輸出直流電壓Ud是不可控的；中間直流環(huán)節(jié)用大電容C濾波；電力晶體管V1?V6構(gòu)成PWM逆變器，完成直流到交流的變換，并能實(shí)現(xiàn)輸出頻率和電壓的同時(shí)調(diào)節(jié)，VD1?VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管。Ro電源~SoTOUdV1J V3I― V5I―AtAt.AtRo電源~SoTOUdV1J V3I― V5I―AtAt.At+u"CdV3V5VD1VV6VD3VD5圖6—9交一直一交電壓型PWM變頻電路從圖中可以看出，出于整流電路輸出的電壓和電流極性都不能改變，因此該電路只能從交流電源向中間直流電路傳輸功率，進(jìn)而再向交流電動(dòng)機(jī)傳輸功率，而不能從直流中間電路向交流電源反饋能量。當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，其

能量通過逆變電路中的反饋二極管流入直流中間電路，使直流電壓升高而產(chǎn)生過電壓，這種過電壓稱為泵升電壓。為了限制泵升電壓，如圖6-10所示，可給直流側(cè)電容并聯(lián)一個(gè)由電力晶體管V0和能耗電阻R組成的泵升電壓限制電路。當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，能量消耗在R上。這種電路可運(yùn)用于對(duì)制動(dòng)時(shí)間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。圖6-10帶有泵升電壓限制電路的變頻電路圖6-10帶有泵升電壓限制電路的變頻電路電源~在要求電動(dòng)機(jī)頻繁快速加減的場(chǎng)合，上述帶有泵升電壓限制電路的變頻電路耗能較多，能耗電阻R也需較大的功率。因此，希望在制動(dòng)時(shí)把電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能反饋回電網(wǎng)。這時(shí)，需要增加一套有源逆變電路，以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。如圖6-11所示。電源~S&TOT1J+要增加一套有源逆變電路，以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。如圖6-11所示。電源~S&TOT1J+T2圖6-11可以再生制動(dòng)的變頻電路交一直一交電流型變頻電路圖6-12給出了一種常用的交一直一交電流型變頻電路。其中，整流器采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路，完成交流到直流的變換，輸出可控的直流電壓U，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能；中間直流環(huán)節(jié)用大電感L濾波；逆變器采用晶閘管構(gòu)成的串聯(lián)二極管式電流型逆變電路，完成直流到交流的變換，并實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。

IdRo電源~SoToVT11VT157VVT14YT16LdVT21Cl5ZVD4C4C2l「T舛丁VT23C3IdRo電源~SoToVT11VT157VVT14YT16LdVT21Cl5ZVD4C4C2l「T舛丁VT23C3VD6C6VT26^VT22VT25YD5YD2圖6-12交一直一交電流型變頻電路由圖可以看出，電力電子器件的單向?qū)蛐裕沟秒娏鱅d不能反向，而中間直流環(huán)節(jié)采用的大電感濾波，保證了七的不變，但可控整流器的輸出電壓Ud是可以迅速反向的。因此，電流型變頻電路很容易實(shí)現(xiàn)能量回饋。圖6—13給出了電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)兩種運(yùn)行狀態(tài)。其中，UR為晶閘管可控整流器，UI為電流型逆變器。當(dāng)可控整流器UR工作在整流狀態(tài)(aV90°)、逆變器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，電機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，如圖6-13(a)所示。這時(shí)，直流回路電壓Ud的極性為上正下負(fù)，電流由Ud的正端流入逆變器，電能由交流電網(wǎng)經(jīng)變頻器傳送給電機(jī)，變頻器的輸出頻率①1>①，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，如圖6—13(b)所示。此時(shí)如果降低變頻器的輸出頻率，或從機(jī)械上抬高電機(jī)轉(zhuǎn)速①，使①<①，同時(shí)使可控整流器的控制角a>90°，則異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，且直流回路電1壓Ud立即反向，而電流Id方向不變。于是，逆變器UI變成整流器，而可控整流器UR轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，電能由電機(jī)回饋給交流電網(wǎng)。(a)(a)(b)圖6-1