變頻器的原理和應(yīng)用介紹

變頻器的原理和應(yīng)用介紹

編制：祝廣場彭紹偉

校核：高水華日期：2012-4-13變頻器的原理和應(yīng)用介紹變頻器原理和特點(diǎn)變頻器的組成變頻器的控制方式變頻器的應(yīng)用變頻器常用電力電子器件一、變頻器的原理和特點(diǎn)1、變頻器的原理變頻器是把恒壓恒頻的交流電源(50Hz或60Hz)變換成各種電壓等級和頻率的交流電源的裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。2、變頻器的特點(diǎn)（1）無極調(diào)速（2）啟動平穩(wěn)，速度平穩(wěn)上升，停止平穩(wěn)，速度平滑下降，沒有沖擊（3）它具備多種信號輸入輸出端口，接收和輸出模擬信號、數(shù)字信號，電流、電壓信號一、變頻器的原理和特點(diǎn)1、變頻器的結(jié)構(gòu)圖二、變頻器的組成～整流部分中間電路逆變部分M控制系統(tǒng)交流直流直流交流圖1變頻器的結(jié)構(gòu)圖2、變頻器的組成二、變頻器的組成（1）整流器，它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動的直流電壓。圖2三相橋式可控硅整流電路T1RLuoT6T3T5T4T2ioTSR+–2、變頻器的組成二、變頻器的組成（2）中間電路，有以下三種作用：濾波，使脈動的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用。通過開關(guān)電源為各個(gè)控制線路供電?？梢耘渲脼V波或制動裝置以提高變頻器性能。2、變頻器的組成二、變頻器的組成（3）逆變器，將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。圖3單相橋式逆變電路S1S4S2S3EdU1S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通f1f2EdU1特點(diǎn)：通過改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間改變輸出電壓的頻率通過改變開關(guān)管導(dǎo)通順序改變輸出電壓的相序2、變頻器的組成二、變頻器的組成（3）逆變器，將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。圖4三相橋式逆變電路缺點(diǎn)：輸出電壓的諧波分量太大電機(jī)諧波損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重甚至燒壞電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動較大，低速運(yùn)行時(shí)影響轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)直到從通信技術(shù)中采用PWM調(diào)制才大大的緩解了以上問題S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612123234345456561612Ed電機(jī)2、變頻器的組成二、變頻器的組成將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接收來自這些部分的信號。其主要組成部分是：輸出驅(qū)動電路、操作控制電路。主要功能是：利用信號來開關(guān)逆變器的半導(dǎo)體器件。提供操作變頻器的各種控制信號。監(jiān)視變頻器的工作狀態(tài)，提供保護(hù)功能（4）控制電路1、功率二極管（D）三、變頻器常用電力電子器件功率二極管的內(nèi)部是P-N或P-I-N結(jié)構(gòu)，圖示為功率二極管的電路符號和外形。

（a）（b）（c）

圖5功率二極管的符號和外形

a)功率二極管的符號b)螺旋式二極管的外形c)平板式二極管的外形2、晶閘管（SCR）三、變頻器常用電力電子器件晶閘管是四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其符號和外形如圖所示。

（a）（b）（c）

圖6晶閘管的外形及符號（a）晶閘管的符號（b）螺栓式外形（c）帶有散熱器平板式外形3、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）三、變頻器常用電力電子器件GTO也是四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線器件。和晶閘管不同的是，GTO內(nèi)部由許多四層結(jié)構(gòu)的小晶閘管并聯(lián)二乘，這些小晶閘管的門極和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元，而普通的晶閘管是獨(dú)立元件結(jié)構(gòu)。

（a）

（b）

圖7GTO的結(jié)構(gòu)與符號（a）GTO的結(jié)構(gòu)剖面（b）

圖形符號4、功率晶體管（GTR）三、變頻器常用電力電子器件GTR的結(jié)構(gòu)

（a）（b）（c）

圖8GTR摸塊（a）GTR的結(jié)構(gòu)示意圖（b）GTR摸塊的外形（c）GTR摸塊的等效電路5、功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）

三、變頻器常用電力電子器件功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

（a）

（b）圖9P-MOSFET的結(jié)構(gòu)與符號（a）P-MOSFET的結(jié)構(gòu)（b）P-MOSFET符號6、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）三、變頻器常用電力電子器件IGBT具有場效應(yīng)管高速、高輸入阻抗的特性，又具有晶體管飽和電壓低、電壓大、反壓高的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。

（a）（b）（c）

圖10IGBT結(jié)構(gòu)示意圖、電路符號和等效電路（a）IGBT模塊（b）IGBT結(jié)構(gòu)示意圖（c）電路符號（d）等效電路1、U/f控制四、變頻器的控制方式U/f控制原理在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常是希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱就等于沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，過大的勵(lì)磁電流使繞組過熱損壞電機(jī)。

U/f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，通常是使U/f為常數(shù)，這樣可使電動機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。1、U/f控制四、變頻器的控制方式U/f控制的優(yōu)點(diǎn)：控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。機(jī)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(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。U/f控制的缺點(diǎn)：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。機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能稍差。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(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。2、轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）四、變頻器的控制方式轉(zhuǎn)差頻率控制原理轉(zhuǎn)差頻率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為圖11所示的特性，在電動機(jī)允許的過載轉(zhuǎn)矩以下，大體可以認(rèn)為產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成比例。另外，電流隨轉(zhuǎn)差頻率的增加而單調(diào)增加。所以，如果我們給出的轉(zhuǎn)差頻率不超過允許過載時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率，那么就可以具有限制電流的功能。U/f控制的特點(diǎn)：為了控制轉(zhuǎn)差頻率需要檢出電動機(jī)的速度，增加成本。系統(tǒng)的加減速特性和穩(wěn)定性比開環(huán)的U/f控制提高很多，過電流的限制效果也變好。圖11轉(zhuǎn)差頻率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系2、轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）四、變頻器的控制方式轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)圖圖12為轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制。它的輸入為速度設(shè)定信號ω2*和檢測的電機(jī)實(shí)際速度ω2之間的誤差信號。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定信號ωs*。變頻器的設(shè)定頻率即電動機(jī)的定子電源頻率ω1*為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定值ωs*與實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω2的和。當(dāng)電動機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子頻率設(shè)定將會自動補(bǔ)償由負(fù)載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差，保持電動機(jī)的速度為設(shè)定速度。速度調(diào)節(jié)器的限幅值決定了系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)差頻率。圖12轉(zhuǎn)差頻率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系3、矢量控制(VC控制)四、變頻器的控制方式矢量控制示意圖圖13矢量控制示意圖3、矢量控制(VC控制)四、變頻器的控制方式矢量控制中的反饋：電流反饋用于反映負(fù)載的狀態(tài)，使iT*能隨負(fù)載而變化。速度反饋反映出拖動系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異，從而以最快的速度進(jìn)行校正，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。速度反饋的反饋信號可由脈沖編碼器PG測得?，F(xiàn)代的變頻器又推廣使用了無速度傳感器矢量控制技術(shù)，它的速度反饋信號不是來自速度傳感器，而是通過CPU對電動機(jī)的各種參數(shù)，如I1、r2等經(jīng)過計(jì)算得到的一個(gè)轉(zhuǎn)速的實(shí)在值，由這個(gè)計(jì)算出的轉(zhuǎn)速實(shí)在值和給定值之間的差異來調(diào)整iM*和iT*，改變變頻器的輸出頻率和電壓。3、矢量控制(VC控制)四、變頻器的控制方式選擇矢量控制模式，對變頻器和電動機(jī)有如下要求：一臺變頻器只能帶一臺電動機(jī)。電動機(jī)的極數(shù)要按說明書的要求，一般以4極電動機(jī)為最佳。電動機(jī)容量與變頻器的容量相當(dāng)，最多差一個(gè)等級。變頻器與電動機(jī)間的連接線不能過長，一般應(yīng)在30m以內(nèi)。如果超過30m，需要在連接好電纜后，進(jìn)行離線自動調(diào)整，以重新測定電動機(jī)的相關(guān)參數(shù)。3、矢量控制(VC控制)四、變頻器的控制方式矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)動態(tài)的高速響應(yīng)低頻轉(zhuǎn)矩增大控制靈活矢量控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍要求高速響應(yīng)的工作機(jī)械適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境高精度的電力拖動四象限運(yùn)轉(zhuǎn)4、直接轉(zhuǎn)矩控制四、變頻器的控制方式直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制之后發(fā)展起來的另一種高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制把轉(zhuǎn)矩直接作為控制量來控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)化成等效直流電動機(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機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。4、直接轉(zhuǎn)矩控制四、變頻器的控制方式圖14所示為按定子磁場控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖，采用在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的方法，以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，因此，轉(zhuǎn)速與磁鏈子系統(tǒng)也是近似獨(dú)立的。圖14直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖4、直接轉(zhuǎn)矩控制四、變頻器的控制方式直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢

轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對除定子電阻外的所有電動機(jī)參數(shù)變化魯棒性好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制也稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制要依賴于精確的電動機(jī)數(shù)學(xué)模型和對電動機(jī)參數(shù)的自動識別(ID)。矢量控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍要求高速響應(yīng)的工作機(jī)械適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境高精度的電力拖動四象限運(yùn)轉(zhuǎn)恒壓供水系統(tǒng)五、變頻器的應(yīng)用1、閥門控制法通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保持不變。閥門控制法的