通用變頻器應(yīng)用技術(shù)2

通用變頻器應(yīng)用技術(shù)四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2學(xué)習(xí)情境1：變頻器的認(rèn)識學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2：變頻器的結(jié)構(gòu)及原理分析（6學(xué)時(shí)）學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：1．認(rèn)識通用變頻器在采用不同分類方法的各類型變頻器的特性。2．掌握通用變頻器的基本組成結(jié)構(gòu)、原理。3．認(rèn)識變頻器的SPWM控制的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)勢。1．掌握三相正弦波脈寬調(diào)制SPWM變頻原理實(shí)驗(yàn)。2．SPWM、矢量調(diào)制方式下V/F曲線測定方法。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2

教學(xué)內(nèi)容2.2.1變頻器的基本構(gòu)成變頻器由主電路（整流器、中間直流環(huán)節(jié)（中間直流儲能環(huán)節(jié)）、逆變器）和控制電路組成。

2.1變頻器的結(jié)構(gòu)及原理及分類

圖2-1變頻器基本構(gòu)成學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22.1.2變頻器的原理(1)基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速為了保持電動機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙主磁通Φm不變，這就要求降低供電頻率的同時(shí)降低感應(yīng)電動勢，保持E1/f1=常數(shù)，即保持電動勢與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。由異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩公式T=KmΦI2cosφ2（轉(zhuǎn)矩常數(shù)Km，轉(zhuǎn)子電流I2，轉(zhuǎn)子電路功率因素cosφ2）得T∝Φ，即“恒磁通變頻調(diào)速”屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。

學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2但是，E1難于直接檢測和直接控制。當(dāng)頻率較高時(shí)，E1和f1的值較高，定子的漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）相對較小，如忽略不計(jì)，則可以近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，即認(rèn)為U1=E1，保持U1/f1=常數(shù)即可。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。當(dāng)頻率較低時(shí)，U1和E1都變小，定于漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。近似的保持E1/f1=常數(shù)的關(guān)系。如圖2-2所示，其中1為U1/f1=C時(shí)的電壓、頻率關(guān)系，2為有電壓補(bǔ)償時(shí)（近似的E1/f1=C）的電壓、頻率關(guān)系。

學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2圖2-2U1/f1關(guān)系1--U1/f1=C2—近似E1/f1=C

（2）基頻以上的弱磁變頻調(diào)速這是考慮由基頻開始向上調(diào)速的情況。頻率由額定值f1N向上增大，但電壓U1；受額定電壓U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不變。必然會使主磁通隨著f1的上升而減小，相當(dāng)于直流電動機(jī)弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22.1.3通用變頻器的分類（1）按直流電源的性質(zhì)分類：1）電流型變頻器圖2-3電流型變頻器的主電路特點(diǎn)：中間直流環(huán)節(jié)采用大電感；直流電流Id趨于平穩(wěn)，電動機(jī)的電流波形為方波或階梯波，電壓波形接近于正弦波。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22）電壓型變頻器圖2-4電壓型變頻器的主電路特點(diǎn)：中間直流環(huán)節(jié)采用大電容；直流電壓Ud趨于平穩(wěn)，電動機(jī)的端電壓為波或階梯波。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2（2）按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類1）PAM方式通過改變直流電壓幅值進(jìn)行調(diào)壓的方式。輸出電壓的調(diào)節(jié)由相控整流器或直流斬波器。圖2-5電壓型變頻器的主電路學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2圖2-6采用直流斬波器的PAM方式學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22）PWM方式利用參考電壓波與載頻三角波互相比較來決定主開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。圖2-7PWM變頻器主電路學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2這種參考信號為正弦波、輸出電壓平均值近似為正弦波的PWM方式，稱為正弦PWM調(diào)制，簡稱SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）方式。在通用變頻器中，采用SPWM方式調(diào)壓，是一種最常采用的方案。3）高載波頻率的PWM方式這種方式與上述的PWM方式的區(qū)別僅在于調(diào)制頻率有很大的提高。主開關(guān)器件的工作頻率較高，普通的功率晶體管已經(jīng)不能適應(yīng)，常采用開關(guān)頻率較高的IGBT或MOSFET。因?yàn)殚_關(guān)頻率達(dá)到10～20kHZ，可以使電動機(jī)的噪聲大幅度降低（達(dá)到了人耳難于感知的頻段）。其主電路（IGBT作逆變器開關(guān)器件為例）如圖2-8所示。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2這種采用IGBT的高載波頻率的PWM通用變頻器正在取代以BJT為開關(guān)器件的變頻器。圖2-8高載波頻率PWM變頻器（IGBT變頻器）學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2（3）按控制方式分類1）U/f控制（VVVF）圖2-9U/f控制方式U/f控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電流簡單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22）轉(zhuǎn)差頻率控制為提高調(diào)速精度，采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式。根據(jù)速度傳感器的檢測，可以求出轉(zhuǎn)差頻率△f，再把它與速度設(shè)定值f相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值f1，就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式稱為轉(zhuǎn)差頻率控制方式。圖2-10轉(zhuǎn)差頻率控制方式學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)23）矢量控制圖2-11矢量控制原理框圖采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2根據(jù)交流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、利用坐標(biāo)變換的手段，將交流電動機(jī)的定子電流分解成磁場分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，即模仿自然解耦的直流電動機(jī)的控制方式，對電動機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，以獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能。在矢量控制方式中，磁場電流im；和轉(zhuǎn)矩電流it；可以根據(jù)可測定的電動機(jī)定子電壓、電流的實(shí)際值經(jīng)計(jì)算求得。磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流再與相應(yīng)的設(shè)定值相比較并根據(jù)需要進(jìn)行必要的校正。高性能速度調(diào)節(jié)器的輸出信號可以作為轉(zhuǎn)矩電流（或稱有功電流）的設(shè)定值，如圖2-11所示。動態(tài)頻率前饋控制df/dt可以保證快速動態(tài)響應(yīng)。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2（4）按主開關(guān)器件分類IGBTGTOBJT目前大多采用IGBT。（5）MICROMASTER420通用型變頻器圖2-12MICROMASTER4(MM4)系列（通用型變頻器）

學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列。由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機(jī)運(yùn)行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)提供了良好的保護(hù)。MM420具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機(jī)控制系統(tǒng)。MM420既可用于單機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到‘自動化系統(tǒng)’中。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2（6）MICROMASTER440通用型變頻器MM440是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列。本系列有多種型號，額定功率范圍從120W到200kW（恒定轉(zhuǎn)矩（CT）控制方式），或者可達(dá)250kW（可變轉(zhuǎn)矩（VT）控制方式），供用戶選用。MM440變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機(jī)運(yùn)行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)提供了良好的保護(hù)。MM440具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機(jī)控制系統(tǒng)。MM440既可用于單機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到‘自動化系統(tǒng)’中。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22.2通用變頻器中的逆變器及其SPWM控制2.2.16脈波方波逆變器同一橋臂上、下兩管之間互相換流的逆變器稱作180°導(dǎo)通型逆變器。2.2.2PWM逆變器圖2-13交-直-交變壓變頻電路的原理圖學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrierwave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22.2.3SPWM控制由載波調(diào)制正弦波而獲得脈沖寬度按正弦規(guī)律變化又和正弦波等效的脈寬調(diào)制(PWM)波形稱為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)。單極性控制方式雙極性控制方式2.2.4諧波分析與輸出電壓調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）的目的是使變壓變頻器輸出的電壓波形盡量接近正弦波，減少諧波，以滿足交流電機(jī)的需要。要達(dá)到這一目的，除了上述采用正弦波調(diào)制三角波的方法以外，還可以采用直接計(jì)算的下圖中各脈沖起始與終了相位1,2,…,2m的方法，以消除指定次數(shù)的諧波，構(gòu)成近似正弦的PWM波形學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22.2.5波消去法是在方波電壓波形上設(shè)置一些槽口，通過合理安排槽口的位置與寬度，則可以達(dá)到既能控制輸出基波電壓分量，又能有選擇地消除某些較低次諧波的目的。2.2.6瞬時(shí)電流跟蹤控制在電流電機(jī)中，實(shí)際需要保證的應(yīng)該是正弦波電流，因?yàn)樵诮涣麟姍C(jī)繞組中只有通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動分量。因此，若能對電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環(huán)控制能夠獲得更好的性能。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22.3IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)2.3.1采用模擬電路的IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖模擬式IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。系統(tǒng)主電路為由三相二極管整流器-IGBT逆變器組成的電壓型變頻電路。供電對象為三相異步電動機(jī)。IGBT采用專用驅(qū)動模塊驅(qū)動。SPWM發(fā)成電路的主體是，由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號波，與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的載波，通過比較器比較后，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波（SPWM波）。以上這此部件的工作原理已在前面中做了介紹，現(xiàn)對其它環(huán)節(jié)做一簡單說明。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2圖2-20模擬式IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)21）給定環(huán)節(jié)S1為正、反運(yùn)轉(zhuǎn)選擇開關(guān)。電位器RP1調(diào)節(jié)正向轉(zhuǎn)速；RP2調(diào)節(jié)反向轉(zhuǎn)速。S2為起動、停止開關(guān)，停車時(shí)，將輸入端接地，防止干擾信號侵入。2）給定積分電路它的主體是一個(gè)具有限幅的積分環(huán)節(jié)，以將正、負(fù)階躍信號，轉(zhuǎn)換成上升和下降、斜率均可調(diào)的，具有限幅的，正、負(fù)斜坡信號。正斜坡信號將使起動過程變得平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)軟起動，同時(shí)也減小了起動時(shí)的過大的沖擊電流。負(fù)斜坡信號將使停車過程變得平穩(wěn)。3）U/f函數(shù)發(fā)生器U/f函數(shù)發(fā)生器是一個(gè)帶限幅的斜坡信號發(fā)生器。U/f函數(shù)發(fā)生器其輸出特性如下圖所示：學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2圖2-21U/f函數(shù)發(fā)生器其輸出特性因?yàn)镾PWM波的基波頻率取決于正弦信號波的頻率，SPWM的基波的幅值取決于在弦信號波的幅值。U/f函數(shù)發(fā)生器的功能就是在基頻以下，產(chǎn)生一個(gè)與頻率f1成正比的電壓，作為正弦信號波幅值的給定信號，以實(shí)現(xiàn)恒壓頻比（U/f＝恒量）的控制。在基頻以上，則使U為一恒量，以實(shí)現(xiàn)恒壓（弱磁升速）控制。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)24）開通延時(shí)器它是使待導(dǎo)通的IGBT管在換相時(shí)稍作延時(shí)后再驅(qū)動（待橋臂上另一IGBT完全關(guān)斷。這是為了防止橋臂上的兩個(gè)IGBT管在換相時(shí)，一只沒有完全關(guān)斷．而另一只卻又導(dǎo)通形成同時(shí)導(dǎo)通，造成短路。5）其他環(huán)節(jié)此系統(tǒng)還設(shè)有過電壓、過電流等保護(hù)環(huán)節(jié)以及電源、顯示、報(bào)警等輔助環(huán)節(jié)（圖中未畫出）但此系統(tǒng)未設(shè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)，因此是一個(gè)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2綜上所述，模擬式IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)的工作過程大致如下：由給定信號(給出轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速大小)→起動(或停止)信號→給定積分器(實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動、減小起動電流)→U/f函數(shù)發(fā)生器(基頻以下，恒磁恒壓頻比控制；基頻以上，恒壓弱磁升速控制)→SPWM控制電路(由體現(xiàn)給定頻率和給定幅值的正弦信號波與三角波載波比較后產(chǎn)生SPWM波)→驅(qū)動電路模塊→主電路(IGBT管三相逆變電路)→三相異步電動機(jī)(實(shí)現(xiàn)了VVVF調(diào)速)。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)22.3.2單片微機(jī)控制的IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖單片微機(jī)控制的IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用單片微機(jī)來進(jìn)行控制，主要通過軟件來實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制、SPWM控制和發(fā)出各種保護(hù)指令（包含著上例中各單元的功能）。SPWM發(fā)生器可采用專用的集成電路芯片，也可由微機(jī)的軟件來實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)2圖2-22單片微機(jī)控制的IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖學(xué)習(xí)情境1-學(xué)習(xí)性工作任務(wù)21）限流電阻R0和短接開關(guān)S由于中間直流電路并聯(lián)著容量很大的電容器，在突加電源時(shí)，電源通過二極管整流橋?qū)﹄娙莩潆姡ㄍ患与妷簳r(shí)，電容相當(dāng)于短路），會產(chǎn)生很大的沖擊電流，使元器件損壞。為此在充電回路上，設(shè)置電阻R0（或電抗器）來限制電流。待電源合上，起動過渡過程結(jié)束以后，為避免R0上繼續(xù)消耗電能，可延時(shí)以自動開關(guān)S將R0短接。2）電壓檢測與泵升限制當(dāng)異步電動機(jī)減速制動時(shí)，它相當(dāng)一個(gè)感應(yīng)發(fā)電機(jī)，由于二極管