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MM440變頻器簡明教程,萊鋼培訓中心王兵,第一章通用變頻器的工作原理,第一節(jié)通用變頻器的發(fā)展概況一、通用變頻器的發(fā)展過程自20世紀80年代初通用變頻器問世以來，通用變頻器更新?lián)Q代了五次：第一代是80年代初的模擬式通用變頻器，第二代是80年代中期的數(shù)字式通用變頻器，第三代是90年代初的智能型通用變頻器，第四代是90年代中期的多功能通用變頻器，本世紀研制上市了第五代集中型通用變頻器。通用變頻器的發(fā)展情況可以從以下幾個方面來說明。,1、通用變頻器的應(yīng)用范圍不斷擴大其產(chǎn)品正向三個方面發(fā)展變化：其一，向無需調(diào)整便能得到最佳運行的多功能與高性能型變頻器方向發(fā)展；其二，向通過簡單控制就能運行的小型及操作方便的變頻器方向發(fā)展；其三，向大容量、高起動轉(zhuǎn)矩及具有環(huán)境保護功能的變頻器方向發(fā)展。,2、通用變頻器使用功率器件不斷更新?lián)Q代GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、GTR(雙極型晶體管)、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）及智能模塊IPM（IntelligentPowerModule）、集成門極換流晶閘管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）。,3、控制方式不斷發(fā)展第一階段：80年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。第二階段：70年代初由西德F.Blasschke等人提出的矢量控制。第三階段：1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論。,4、PWM控制技術(shù)進一步發(fā)展PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點，因此在交流傳動乃至其他能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導地位，并一直是人們研究的熱點。,二、通用變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢,通用變頻器的發(fā)展是世界經(jīng)濟高速發(fā)展的產(chǎn)物。其發(fā)展的趨勢大致如下：1、主控一體化2、小型化3、低電磁噪音化4、專用化5、系統(tǒng)化6、在數(shù)字控制技術(shù)與接口技術(shù)方面,第二節(jié)通用變頻器的基本工作原理,在各種異步電機調(diào)速控制系統(tǒng)中，目前效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。異步電動機的變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)一般簡稱為變頻器。由于通用變頻器使用方便、可靠性高，所以它成為現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的主要組成元件之一。根據(jù)異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式,可知，改變頻率就能改變電動機的轉(zhuǎn)速，但是在實際實驗中發(fā)現(xiàn)單純改變電動機的頻率會燒壞電動機，為什么呢？,一、變頻器的基本控制方式,如果f1大于電機的額定頻率f1N，那么氣隙磁通量M就會小于額定氣隙磁通量MN。其結(jié)果是：盡管電機的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費，但是在機械條件允許的情況下長期使用不會損壞電機。,一、變頻器的基本控制方式,如果f1小于電機的額定頻率f1N，那么氣隙磁通量M就會大于額定氣隙磁通量M。其結(jié)果是：電機的鐵心產(chǎn)生過飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。,一、變頻器的基本控制方式,要實現(xiàn)變頻調(diào)速，在不損壞電機的條件下，充分利用電機鐵芯，發(fā)揮電機轉(zhuǎn)矩的能力，最好在變頻時保持每極磁通量M為額定值不變。對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，盡管存在電樞反應(yīng)，但只要對電樞反應(yīng)作適當?shù)难a償，保持M不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生的，如何才能保持磁通基本不變呢？,1、基頻以下調(diào)速,由前面的式子可知，要保持M不變，當頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低E1，使E1/f1常數(shù)。即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。,然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓U1E1，則得,1、基頻以下調(diào)速,這是恒壓頻比的控制方式。在恒壓頻比條件下改變頻率時，我們能夠證明：機械特性基本上是平行下移的，如圖所示。,、基頻以上調(diào)速,在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從f1N往上增高，但電壓U1卻不能超過額定電壓U1N，最多只能保持U1=U1N。由下式可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。,、基頻以上調(diào)速,在基頻f1N以上變頻調(diào)速時，由于電壓U1=U1N不變，我們不難證明當頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，如右圖所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導致轉(zhuǎn)矩減小。由于轉(zhuǎn)速升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。,圖222,通過分析可得如下結(jié)論：當f1f1N時，變頻裝置必須在改變輸出頻率的同時改變輸出電壓的幅值，才能滿足對異步電動機變頻調(diào)速的基本要求。,這樣的裝置通稱變壓變頻（VVVF）裝置，其中VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的縮寫。這是通用變頻器工作的最基本原理也是設(shè)計變頻器時所滿足的最基本要求。通用變頻器是如何實現(xiàn)變壓又變頻的呢？,二、SPWM控制技術(shù)原理,目前技術(shù)很容易實現(xiàn)的一種方法：逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波型與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個正弦半波分作n等分，然后把每等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合。這樣，由n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效，稱作SPWM波形。,二、SPWM控制技術(shù)原理,i,1、SPWM的模擬控制方法,1、SPWM的模擬控制方法(單極性SPWM技術(shù)),單極性調(diào)制的工作特點是：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反。流經(jīng)負載Z的便是正、負交替的交變電流。,1、SPWM的模擬控制方法(單極性SPWM技術(shù)),單極性調(diào)制的工作特點是：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反。流經(jīng)負載Z的便是正、負交替的交變電流。,只要能保證加在電動機上的三相對稱電流是近似正弦波，電動機的定子就能產(chǎn)生能夠會旋轉(zhuǎn)的“NS”極磁場，電動機的轉(zhuǎn)子就會跟著旋轉(zhuǎn)起來。,形成正向電流過程（1）,形成正向電流過程（2）,形成反向電流過程（1）,形成反向電流過程（2）,雙極性調(diào)制的工作特點是:逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導通和關(guān)斷，而流過負載Z的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。,1、SPWM的模擬控制方法(雙極性SPWM技術(shù)),SPWM的軟件控制法,軟件控制法是由微型計算機來實現(xiàn)SPWM控制的方法，是目前經(jīng)常采用的一種方法。根據(jù)其軟件制作方法的不同，有如下三種方法：（1）表格法（又稱ROM法）（2）隨時計算法（又稱RAM法）（3）實時計算法,13通用變頻器的基本結(jié)構(gòu),一、變頻器的基本外形結(jié)構(gòu),二、變頻器的分類,1、按電路結(jié)構(gòu)分（1）交交變頻器把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的l2以下，故它主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。（）交直交變頻器先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。在這類裝置中，用不可控整流，則輸入功率因數(shù)不變；用PWM逆變，則輸出諧波可以減小。,電壓源型變頻器在交直交變壓變頻裝置中，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電壓源型變頻器。,電流源型變頻器當交直交變壓變頻裝置的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電流源型變頻器。,2、按濾波方式分,電壓源型和電流源型變頻器的差異,從主電路上看，電壓源型變頻器和電流源型變頻器的區(qū)別僅在于中間直流環(huán)節(jié)濾波器的形式不同，但是這樣一來，卻造成兩類變頻器在性能上相當大的差異，主要表現(xiàn)如下：（1）無功能量的緩沖：對于變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)來說，變頻器的負載是異步電機，屬感性負載，在中間直流環(huán)節(jié)與電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。逆變器中的電力電子開關(guān)器件無法儲能，無功能量只能靠直流環(huán)節(jié)中作為濾波器的儲能元件來緩沖，使它不致影響到交流電網(wǎng)。因此也可以說，兩類變頻器的主要區(qū)別在于用什么儲能元件(電容器或電抗器)來緩沖無功能量。,（2）回饋制動：如果把不可控整流器改為可控整流器，雖然電力電子器件具有單向?qū)щ娦?，電流Id不能反向，而可控整流器的輸出電壓是可以迅速反向的，因此，電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)容易實現(xiàn)回饋制動，從而便于四象限運行，適用于需要制動和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的機械。與此相反，采用電壓源型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行卻比較困難，因為其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓，使之不能迅速反向，而電流也不能反向，所以在原裝置上無法實現(xiàn)回饋制動。必須制動時，只好采用在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻的能耗制動，或者與可控整流器反并聯(lián)設(shè)置另一組反向整流器，工作在有源逆變狀態(tài)，以通過反向的制動電流，而維持電壓極性不變，實現(xiàn)回饋制動。這樣做，設(shè)備就要復(fù)雜多了。,（3）調(diào)速時的動態(tài)響應(yīng)：由于交直交電流源型變壓變頻裝置的直流電壓可以迅速改變，所以由它供電的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)比較快，而電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)就慢得多。（4）適用范圍：由于濾波電容上的電壓不能發(fā)生突變，所以電壓源型變頻器的電壓控制響應(yīng)慢，適用于作為多臺電機同步運行時的供電電源但不要求快速加減速的場合。電流源型變頻器則相反，由于濾波電感上的電流不能發(fā)生突變，所以電流源型變頻器對負載變化的反應(yīng)遲緩，不適用于多電機傳動，而更適合于一臺變頻器給一臺電機供電的單電機傳動，但可以滿足快速起動、制動和可逆運行的要求。,3、按控制方式分,（1）u/f控制按一定規(guī)律對變頻器的頻率和電壓進行控制，稱為u/f控制方式?；l以下可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上則可以實現(xiàn)恒功率調(diào)速。（2）矢量控制根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學模型，利用坐標變換的手段，將交流電動機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，即模仿直流電動機的控制方式對電動機的磁場和轉(zhuǎn)矩分別進行控制，可獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能。矢量控制又可分為磁通矢量控制、電壓矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等。,4、按外形分類,（1）書本型結(jié)構(gòu)書本型結(jié)構(gòu)的功率一般為0.75k37kw（2）裝柜型結(jié)構(gòu)裝柜型結(jié)構(gòu)的功率一般為45k1500kw,三、變頻器的額定值和頻率指標,1輸入側(cè)的額定值2輸出側(cè)的額定值（1）輸出電壓UN（2）輸