變頻器的原理和應用介紹

變頻器的原理和應用介紹

編制：祝廣場彭紹偉

校核：高水華日期：2012-4-13變頻器的原理和應用介紹變頻器原理和特點變頻器的組成變頻器的控制方式變頻器的應用變頻器常用電力電子器件一、變頻器的原理和特點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，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護等功能。2、變頻器的特點（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1、變頻器的結構圖二、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變頻器的結構圖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。通過開關電源為各個控制線路供電?？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導通S2,S4導通S1,S3導通S2,S4導通S1,S3導通S2,S4導通f1f2EdU1特點：通過改變開關管導通時間改變輸出電壓的頻率通過改變開關管導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：輸出電壓的諧波分量太大電機諧波損耗增加，發(fā)熱嚴重甚至燒壞電機轉(zhuǎn)矩脈動較大，低速運行時影響轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)直到從通信技術中采用PWM調(diào)制才大大的緩解了以上問題S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612123234345456561612Ed電機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：利用信號來開關逆變器的半導體器件。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結構，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、門極可關斷晶閘管（GTO）三、變頻器常用電力電子器件GTO也是四層PNPN結構、三端引出線器件。和晶閘管不同的是，GTO內(nèi)部由許多四層結構的小晶閘管并聯(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立元件結構。

（a）

（b）

圖7GTO的結構與符號（a）GTO的結構剖面（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的結構

（a）（b）（c）

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

三、變頻器常用電力電子器件功率場效應管的結構

（a）

（b）圖9P-MOSFET的結構與符號（a）P-MOSFET的結構（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，應用領域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。

（a）（b）（c）

圖10IGBT結構示意圖、電路符號和等效電路（a）IGBT模塊（b）IGBT結構示意圖（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控制原理在進行電機調(diào)速時，通常是希望保持電機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的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，過大的勵磁電流使繞組過熱損壞電機。

U/f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時也改變電壓，通常是使U/f為常數(shù)，這樣可使電動機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的轉(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：控制電路結構簡單、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)的各個領域得到廣泛應用。U/f控制的缺點：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。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)速性能稍差。系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化。轉(zhuǎn)矩響應慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，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)矩的關系為圖11所示的特性，在電動機允許的過載轉(zhuǎn)矩以下，大體可以認為產(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：為了控制轉(zhuǎn)差頻率需要檢出電動機的速度，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)構成圖。速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制。它的輸入為速度設定信號ω2*和檢測的電機實際速度ω2之間的誤差信號。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率設定信號ωs*。變頻器的設定頻率即電動機的定子電源頻率ω1*為轉(zhuǎn)差頻率設定值ωs*與實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω2的和。當電動機負載運行時，定子頻率設定將會自動補償由負載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差，保持電動機的速度為設定速度。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載的狀態(tài)，使iT*能隨負載而變化。速度反饋反映出拖動系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異，從而以最快的速度進行校正，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，它的速度反饋信號不是來自速度傳感器，而是通過CPU對電動機的各種參數(shù)，如I1、r2等經(jīng)過計算得到的一個轉(zhuǎn)速的實在值，由這個計算出的轉(zhuǎn)速實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，對變頻器和電動機有如下要求：一臺變頻器只能帶一臺電動機。電動機的極數(shù)要按說明書的要求，一般以4極電動機為最佳。電動機容量與變頻器的容量相當，最多差一個等級。變頻器與電動機間的連接線不能過長，一般應在30m以內(nèi)。如果超過30m，需要在連接好電纜后，進行離線自動調(diào)整，以重新測定電動機的相關參數(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)點動態(tài)的高速響應低頻轉(zhuǎn)矩增大控制靈活矢量控制系統(tǒng)的應用范圍要求高速響應的工作機械適應惡劣的工作環(huán)境高精度的電力拖動四象限運轉(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系下分析交流電動機的模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算，它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。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數(shù)學模型和對電動機參數(shù)的自動識別(ID)。矢量控制系統(tǒng)的應用范圍要求高速響應的工作機械適應惡劣的工作環(huán)境高精度的電力拖動四象限運轉(zhuǎn)恒壓供水系統(tǒng)五、變頻器的應用1、閥門控制法通過關小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保持不變。閥門控制法的