變頻器基礎(chǔ)講座(1)

變頻器基本原理及應(yīng)用講座主講人：馬洪

1變頻器基本原理前言一、交流電機的基本原理二、交流電機的調(diào)速方式三、變頻器的基本原理四、變頻器的技術(shù)分類五、變頻器的功率器件的類型六、變頻器的保護功能七、變頻器系統(tǒng)原理圖2交流電機的基本原理按照電機學(xué)的基本原理，已知交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：

式中：s--滑差；P--電機極對數(shù)；

f--電機運行頻率。3控制對象控制方法實現(xiàn)方法f頻率控制將商用電源經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換裝置-變頻器P極對數(shù)變換采用多抽頭組合成不同極對數(shù)電機S調(diào)壓調(diào)速通過可控硅等對定子電壓變換串級調(diào)速在轉(zhuǎn)子串電阻(繞絲電機)滑差電機調(diào)速安裝滑差頭改變交流異步電機轉(zhuǎn)速的方法41．不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速法（改變s）轉(zhuǎn)子串電阻改變定子電壓改變轉(zhuǎn)子附加電勢應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器。

2．改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速法（改變f、p） 改變定子極對數(shù)（p） 改變定子頻率（f）。異步電機調(diào)速方法分類5同步電機的結(jié)構(gòu)示意6異步電機的結(jié)構(gòu)示意7異步電機一相的等值電路8轉(zhuǎn)子串Rf

的調(diào)速原理圖9轉(zhuǎn)子串Ef

的串極調(diào)速原理圖10串級調(diào)速系統(tǒng)11電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)裝置簡圖12異步電機一相的等值電路13液力耦合器調(diào)速1、液力耦合器：是以液體為介質(zhì)傳遞功率的液力傳動裝置。液體在由泵輪和渦輪組成的密閉空腔中循環(huán)，泵輪把原動機（電機）的機械能轉(zhuǎn)變成工作液體的動能和勢能，進人渦輪中的高能液流在渦輪中轉(zhuǎn)變成為輸出軸的機械能傳遞到負載，從而實現(xiàn)能量的柔性傳遞。液力耦合器調(diào)速的特點：調(diào)速范圍一般為50～95%，高速段減小了設(shè)備的出力能力，低速段影響節(jié)能效益的發(fā)揮。調(diào)速越低時效率越低，低速時發(fā)熱厲害。如果是恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速不節(jié)能。調(diào)速精度低，響應(yīng)慢，不大適應(yīng)自動控制要求。電機雖然可以不帶載啟動，但仍然有6-7倍左右的沖擊電流。必須串入電機和機械的連接軸中，不適合于設(shè)備改造液力耦合器故障時，負載機械將無法運轉(zhuǎn)，只能停機維修設(shè)備成本低，但使用和維護成本高。14按照電機學(xué)的基本原理，已知交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：

n=(1-s)60f/p

式中：s——滑差；P——電機極對數(shù)；f電機運行頻率。變頻器的基本原理結(jié)論：如果平滑地改變加到異步電動機定子繞組的交流電的頻率f，就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。變頻調(diào)速是通過改變電源頻率f來調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的?？梢钥闯鰊與f之間為線性關(guān)系對于特定的電機，只要改變電機的運行頻率，就可調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。這就是變頻調(diào)速的基本原理。交流電機滿足如下關(guān)系式：式中：u——電壓；k——電機常數(shù)；

f——電機運行頻率；φ—磁通密度，受材料限制。15變頻調(diào)速為什么要電壓和頻率協(xié)調(diào)調(diào)整變頻調(diào)速必須是電壓和頻率進行協(xié)調(diào)控制。電機常數(shù)磁通密度，受材料限制16商用電源A/D交流↓直流直流直流↓交流VVVF電動機TD2000PWM控制方式(脈沖寬度調(diào)速)變頻器的定義將通用電源轉(zhuǎn)換成電壓可變，頻率可變的適合交流異步機調(diào)速需求的變換裝置變頻器的輸出波形是一個PWM波，其基波分量是正弦波。變頻調(diào)速是最高效的調(diào)速手段17v/f：恒定值380V/50HZTT190V/25HZ頻率的變換18變頻調(diào)速的優(yōu)點1、可實現(xiàn)無級調(diào)速，變傳統(tǒng)電機為智能電機2、顯著的節(jié)能效益3、節(jié)省了維護費用。機械、設(shè)備損耗小，省掉變速機械裝置，減少管網(wǎng)振動及損壞。4、節(jié)約了電網(wǎng)容量5、提高生產(chǎn)效率、機組自動化水平、提高生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品為質(zhì)量6、高精度寬范圍的無級調(diào)速，能夠全面滿足各種復(fù)雜工藝的需要當(dāng)采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(shù)為接近1，工作電流比電機額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用，可以為電網(wǎng)節(jié)約容量。

19輸入電壓輸入電流輸入電壓電流波形20交-直-交電壓型變頻器主電路示意圖21變頻器的技術(shù)分類交-直-交交-交電流源型

電壓源型壓頻比控制直接轉(zhuǎn)矩控制矢量控制主回路結(jié)構(gòu)儲能方式控制方式22變頻器的技術(shù)分類--按主回路分

比較內(nèi)容

主回路結(jié)構(gòu)交-交型交-直-交型

結(jié)構(gòu)交-交結(jié)構(gòu)沒有直流回路，每相都由兩個相互反并聯(lián)的整流電路組成，正橋提供正向相電流，反橋提供負向相電流。交-直-交結(jié)構(gòu)先將電源交流電用整流電路轉(zhuǎn)變成直流電，再用逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為頻率可變的交流電。換能方式一次換能二次換能換流方式電源電壓換流強迫換流或負載換流裝置元件數(shù)量比較多比較少元件利用率比較低比較高調(diào)頻范圍輸出最高頻率為電網(wǎng)頻率的1/3～1/2頻率調(diào)節(jié)范圍寬電網(wǎng)功率因素比較低用PWM方式調(diào)壓，則功率因素高適用場合低速大功率-軋機等特殊負載各種拖動裝置、穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源-通用型23變頻器的技術(shù)分類--按儲能方式比較內(nèi)容儲能方式電流源型電壓源型

結(jié)構(gòu)電流源型輸入采用可控整流，控制電流的大小。中間采用大電感，對電流進行平滑。逆變橋?qū)⒅绷麟娏鬓D(zhuǎn)換為頻率可變的交流電流，供給交流電機。電壓源型大多采用二極管進行全波整流。中間采用大電容濾波，對電壓進行平滑。逆變橋既控制電壓輸出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波電壓的頻率。直流回路環(huán)節(jié)電抗器電容器輸出電壓波形決定于負載，當(dāng)負載為異步電動機時，近似為正旋波矩形輸出電流波形矩形近似為正旋波輸出動態(tài)阻抗大小對電壓波動的敏感性大小逆變器件損壞度容易不易損壞對晶閘管要求耐壓高，對關(guān)斷時間無嚴格要求耐壓較低，關(guān)斷時間要求短線路結(jié)構(gòu)較簡單較復(fù)雜適用范圍單機、多機拖動單機、多機拖動24變頻器的技術(shù)分類--按控制方式分類

比較內(nèi)容控制方式壓頻比（v/f）控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制定義利用半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷，把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，來實現(xiàn)頻率、電壓控制和消除諧波的一門技術(shù)。把交流電機模擬成直流電機進行控制，它是以轉(zhuǎn)子磁場定向，采用矢量變換的方法實現(xiàn)交流電機的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。直接在電機定子坐標系下分析電機的數(shù)學(xué)模型，采用定子磁場定向而無需解耦電流，直接控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。優(yōu)點能明顯改善輸出波形，降低電動機的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動，簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度。調(diào)速精度高，動態(tài)響應(yīng)快，可實現(xiàn)四象限運行，在高速和低速都有比較好的控制性能。不受電機參數(shù)影響，動態(tài)響應(yīng)好，可實現(xiàn)四象限運行，控制算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)頻率低。

缺點V/F控制在穩(wěn)態(tài)下沒有問題，但在負載突然變化的情況下，磁通和轉(zhuǎn)矩不能優(yōu)化，動態(tài)響應(yīng)慢。對轉(zhuǎn)子磁場觀測的準確性受電機及參數(shù)影響較大，需要輸入準確的電機參數(shù)。會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，低速性能略差，調(diào)速范圍不寬。25構(gòu)成變頻器的功率器件的類型高壓變頻器的發(fā)展，是隨著電力電子器件的進步而進步的，功率器件構(gòu)成了高壓變頻器的核心。二極管晶閘管（可控硅）GTOIGCTGTRIGBTIEGT（注入增強柵晶體管）26變頻器功率器件的類型IEGT（注入增強柵晶體管）：二極管：正向電壓導(dǎo)通，反向電壓關(guān)斷，不可控晶閘管（可控硅）：正向觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，電壓反向關(guān)斷GTO：門極可關(guān)斷晶閘管開通和關(guān)斷均可控制；電流拖尾，關(guān)斷損耗大，緩沖電路復(fù)雜；開關(guān)頻率小。已逐漸被IGCT代替GTR：IGBT：大功率三極管，電流控制。已被IGBT淘汰絕緣柵型雙極晶體管，門極MOS結(jié)構(gòu)，功耗最??；開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗小；門極電路和驅(qū)動電路簡單注入增強柵晶體管，尚未大面積應(yīng)用。IGCT：集成門極換流的晶閘管，比GTO開關(guān)頻率高，緩沖電路比GTO簡單，驅(qū)動電路比較復(fù)雜27IGCT2829IGBT模塊30變頻器功率器件的發(fā)展道路1.技術(shù)發(fā)展的道路：二極管->晶閘管->GTO->IGCTGTR->IGBT->IEGT2.當(dāng)今的主流器件是IGBT和IGCT31

DCL直流電抗器(需外配)制動電阻

(需外配)雙向開路集電極輸出PB(+)(-)RSTRST三相

380V50/60HzMUVWPE輔助電源斷路器P1PGP24COMX8X7PEEV2000直流電流表0-20mA電流信號AO1AO2頻率表輸出0-24V脈沖信號DOCOMGNDTBTCTA可編程繼電器輸出485-485+標準RS485通訊口X1X2X3X4X5X6X7X8多功能輸入選擇1FWDREV正轉(zhuǎn)/停止命令反轉(zhuǎn)/停止命令PLCCOM速度指令0～10VVCIGND＋10VPE0~10V/0~20mAY1Y2CME輸出1輸出2公共端CCIP24COMIVCN100~10V...CN160~20mARS232RS485CN14TXDRXDGND標準RS232通訊口多功能輸入選擇2多功能輸入選擇3多功能輸入選擇4多功能輸入選擇5多功能輸入選擇6多功能輸入選擇7多功能輸入選擇8CN170~10V0~20mA.........32保護功能24種強大的保護功能：過流、過壓、缺相、過載、短路、過熱。保護變頻器，保護電機，保護周圍設(shè)備有自我診斷能力，便于設(shè)備的檢修E018、E008、E009等非要害故障可在一定情況下不作處理，讓設(shè)備繼續(xù)運行，有利于生產(chǎn)，減少不必要的損失，故障待到停機檢修期間再做處理屏蔽缺相，變頻器可作為電源來使用33EV2000變頻器系統(tǒng)原理圖34

EV2000-4T0750G~4T1100P變頻器連線圖35變頻器選型、安裝注意事項使用好的第一步

——適當(dāng)選型和正確安裝

36變頻器選型（1）

變頻器選型最關(guān)鍵的依據(jù)是所驅(qū)動電機的額定電流。一般應(yīng)保證變頻器的額定電流大于等于電機的額定電流。一些特殊電機的額定電流要比同容量的普通電機大，如：

——多極電機（6極、8極、10極等）

——潛水電動機

——同步電動機37變頻器選型（2）

對一些特殊的電機或負載，變頻器選型應(yīng)注意：

1、高速電動機，電抗小，高次諧波會增加電流值，故要選用容量稍大的變頻器。

2、繞線式異步電動機，其繞組的阻抗比鼠籠式的小，容易發(fā)生因波紋電流引起過電流跳閘，因此要選用比通常容量稍大的變頻器。

3、對于壓縮機、振動機等轉(zhuǎn)矩波動大的負載和油壓泵等有峰值負載的情況，其峰值電流可能引起過電流保護動作，所以要根據(jù)工頻運行的最大電流來選擇額定電流更大的變頻器。38變頻器選型（3）——若用一臺變頻器同時驅(qū)動多臺電機，變頻器的額定電流要大于所有電機額定電流總合的1.1倍?！獙τ诤戕D(zhuǎn)矩負載，要選用G型的變頻器；P型變頻器適用于普通的風(fēng)機和離心式水泵等負載。（羅茨風(fēng)機、螺桿泵、往復(fù)式柱塞泵等則要用G型）——當(dāng)要求起動轉(zhuǎn)矩較大，加、減速時間較短的時候，最好適當(dāng)增大變頻器的容量。39安裝環(huán)境

1、環(huán)境溫度：-10~40攝氏度

2、環(huán)境濕度：20~90%RH，無結(jié)露

3、振動：<5.9m/s（0.6g）

4、氣體雜質(zhì)：無腐蝕性、爆炸性氣體，無金屬粉塵，少塵埃

5、海拔高度：<1000m，否則要降額使用40安裝距離（1）一、變頻器與電機的距離

EV系列變頻器在裕量方面已作了充分考慮，基本能滿足150m以內(nèi)的接線距離的要求。（普通變頻器不能超過100m）如果客觀要求必須長距離運行，則要加入仰制高次諧波的交流電抗器。即可防止電機的損壞，還可吸收電機噪音。41安裝距離（2）二、變頻器與控制室的距離

1.采用電壓信號（0~10V）使用屏蔽電纜，也只能在20~30m；用雙絞線距離更短

2.采用電流信號（4~20mA）用屏蔽電纜，可達80~100m3.用RS232通訊口距離限制在15~20m以內(nèi)

4.采用RS485通訊口距離可達1200m（波特率為9600bps時）42變頻器的接線布線時應(yīng)該注意以下幾點：

1.動力電源線與控制信號線要分開（最好有10㎝以上的間隔）或垂直交叉。

2.對主回路培線前應(yīng)檢查電纜的線徑是否符合要求。

3.信號線必須用屏蔽線或雙絞線。

4.在連線時特別注意模擬信號線的極性。

5.使用智能輸出端子控制外接繼電器時，要在繼電器線圈兩端加裝浪涌吸