變頻技術(shù)的原理與功能應(yīng)用

1、變頻技術(shù)的原理與功能應(yīng)用.txt6寬容潤滑了彼此的關(guān)系，消除了彼此的隔閡，掃清了彼此的顧忌，增進了彼此的了解。變頻器基礎(chǔ)知識交流LTTL13142008-09-01提綱* 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器各種功能和應(yīng)用* 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)* 電氣傳動系統(tǒng)概述* 以交流（直流）電動機為動力拖動各種生產(chǎn)機械的系統(tǒng)我們稱之為交流（直流）電氣傳動系統(tǒng)，也稱交流（直流）電氣拖動系統(tǒng)。 大致構(gòu)成 * 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)* 變頻器的工作原理 我們知道，交流電動機的異步轉(zhuǎn)速表達式位： n60 f(1s)/p (1) 其中n異步電動機的轉(zhuǎn)速； f異步電動機的

2、頻率； s電動機轉(zhuǎn)差率； p電動機極對數(shù)。 * 由公式(1)可知，電動機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機的極對數(shù)有關(guān)系，因而交流電動機的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速(調(diào)整P)、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速或內(nèi)反饋電機(調(diào)整s)和變頻調(diào)速(調(diào)整f)等。 而我們現(xiàn)在運用最廣泛的就是變頻調(diào)速，由轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f在050Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 * 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)* 變頻器的發(fā)展史* 變頻器相關(guān)技術(shù)（即發(fā)展基礎(chǔ)）* 電力電子技術(shù) 半

3、導(dǎo)體功率器件從GTO（門極可關(guān)斷晶體管）、GTR（大功率晶體管）、BJT（雙及型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應(yīng)管）到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關(guān)高頻化的PWM 技術(shù)成為可能。* 微處理器技術(shù) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機、數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP )、專用集成電路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC)等?，F(xiàn)在又出現(xiàn)了多

4、個CPU協(xié)同工作：管理，核心，鍵盤，上位機等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅(qū)動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護功能都可以通過微處理器實現(xiàn)，為交流傳動系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達到了較高的性能價格比。* 控制理論的不斷進步 應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論。* 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)局域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)，遠程監(jiān)控；Profibus BUS , Interbus-S,Device NET, I/O Interface* 變頻器控制方式的發(fā)展* V/F控制及U/f=C的 其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能

5、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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，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。另外，其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)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)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(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。 * 電壓空間矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實

6、踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 * 矢量控制2）變頻器的矢量控制模式 仿照直流電動機的控制特點，對于調(diào)節(jié)頻率的給定信號，分解成和直流電動機具有相同特點的磁場電流信號i*M和轉(zhuǎn)矩電流信號i*T，并且假想地看作是兩個旋轉(zhuǎn)著的直流磁場的信號。當給定信號改變時，也和直流電動機一樣，只改變其中一個信號，從而使異步電動機的調(diào)速控制具有和直流電動機類似的特點。 對于控制電路分解出的控制信號i*M和i*T，根據(jù)電動機

7、的參數(shù)進行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號i*A、i*B和i*C，對三相逆變橋進行控制，如圖所示。從而得到與直流電動機類似的硬機械特性, 提高了低頻時的帶負載能力。 3）矢量控制的主要優(yōu)點* 低頻轉(zhuǎn)矩大：即使運行在1Hz(或0.5Hz)時, 也能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩,且不會產(chǎn)生在V/F控制方式中容易遇到的磁路飽和現(xiàn)象。 * 機械特性好：在整個頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，都具有較硬的機械特性，所有機械特性基本上都是平行的。* 動態(tài)響應(yīng)好：尤其是有轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制方式，其動態(tài)響應(yīng)時間一般都能小于100ms。* 能進行四象限運行。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的分類 按變頻的原理，變頻器分為

8、交交變頻器和交直交變頻器。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的分類* 交一交變頻器* 它是將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)，變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在額定頻率的12以下，故主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。* 交一直一交變頻器* 先將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及變頻后電動機特性的改善等方面，都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均屬于交一直交變頻器。 * 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的分類 根據(jù)

9、直流環(huán)節(jié)的儲能方式來分，交一直一交變頻器又可分成電壓型和電流型兩種。(1)電壓型： 整流后若是靠電容來濾波稱為電壓型，現(xiàn)在使用的變頻器大部分為電壓型。電壓源型逆變器的中間直流環(huán)節(jié)由于采用電容儲能，因此直流環(huán)節(jié)電壓值不受負載影響，其主要運行特點如下： 逆變器采用PWM技術(shù)，既變壓又變頻；由于直流電壓源的箝位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負載阻抗角的不同而異，其波形接近正弦波。系統(tǒng)響應(yīng)速度快； 可多臺逆變器共用一套直流電源并聯(lián)運行； 同一相的上下橋臂有直通短路的可能，這時電流的變化率和峰值都很大，需要在極短的時間內(nèi)進行保護，所以保護困難； 由于整流部分采用

10、不控整流，因此不能實現(xiàn)能量回饋制動。如果電動機需要向交流電源反饋能量，因直流測電壓方向不能改變，所以只能靠改變直流電流的方向來實現(xiàn)，這就需要給交直變換的整流橋再反并聯(lián)一套逆變橋。(2)電流型： 整流后若是靠電感來濾波稱為電流型，它的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖。電流源型變換器大多用于大功率的風(fēng)機水泵調(diào)速控制系統(tǒng)，采用可控整流調(diào)壓、逆變器變頻方式運行。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 交一直一交電壓型變頻器的主回路構(gòu)成（以下都簡稱為變頻器）主要器件整流橋：西門康 SEMKRON (SKKD162/16 100A/SKD) 、三社 S

11、anRex （DFA ）、IXYS（VU）、 IRF?International Rectifier（ 160MT KB）、德國 Powersem（psd35）等逆變器： IGBT：西門子優(yōu)派克EUPEC （FS、BSM）、Fuji（2MB ） 等 IPM：三菱（PM）等 PIM一體模塊：西門子優(yōu)派克 EUPEC （FS、FP、BSM）、泰科 TYCO（V23990-P89）等單管IGBT：APT（Advanced Power Technology）APT60GF120JRD電解電容：400V，560V，5600UF以下（包括）CPU： TMS320F2406A/7A，TMS320F2813等

12、光耦： 東芝的TLP3120，7840， HP的HCPL-4504等緩沖電阻：單管IGBT、風(fēng)扇、接觸器、散熱器、霍爾、溫度傳感器等* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的控制回路構(gòu)成： 電源板（防雷電路、開關(guān)電源電路、模塊驅(qū)動和保護電路、信號采集電路等）控制板（客戶命令采集、各種信號處理并進行整機控制等）接口板鍵盤板。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器各電路的工作原理和作用（一）主回路* 整流電路：大都是由大功率二極管構(gòu)成的全波整流電路，主要是將單相或三 相交流轉(zhuǎn)化為直流；它們將380V的交流電整流成直流，平均直流電壓可用下式表示：UD =1.35 UL=1.35380513V。

13、* 中間電路：主要包括緩沖電路、濾波電路、制動電路組成。濾波電路主要是由無感電容和電解電容、均壓電阻等，大功率變頻器我們常常要求客戶加直流電抗器，這些都是為了消除直流中的高次諧波、提高功率因素；緩沖電路作用緩解在上電瞬間對電解電容的沖擊；制動電路的作用是在電機減速或停機時將電機反饋回來的電能消耗掉，從而起到快速減速、保護電機和變頻器的作用。* 逆變電路：由六個IGBT和它反向并聯(lián)的六個續(xù)流二極管組成的三相全橋逆變電路組成。這六個續(xù)流二極管的功能有以下三點：a,由于電動機是一種感性負載，工作時其無功電流返回直流電源需要它們提供通路；b,降速時電動機處于再生制動狀態(tài)， 它們?yōu)樵偕娏魈峁┓祷刂绷鞯?/p>

14、通路；c,逆變時它們快速高頻率地交替切換，同一橋臂的兩管交替地工作在導(dǎo)通和截止狀態(tài)，在切換的過程中，也需要給線路的分布電感提供釋放能量的通路。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器各電路的工作原理和作用（二）控制回路* 開關(guān)電源電路：這部分相對我們公司的電源產(chǎn)品來說就很簡單了，它的特點是輸出通路多。（2844）* 模塊驅(qū)動電路：主要是信號封鎖、隔離、放大和電壓轉(zhuǎn)換以及強弱電隔離。（3120、4504）* 信號檢測電路: 輸入缺相信號、母線電壓信號（CVD）、三相輸出電流信號、殘壓信號、模塊溫度信號、接觸器狀態(tài)信號、模塊狀態(tài)信號等的采集和放大處理。* 控制電路：根據(jù)檢測來的信號判斷工作狀態(tài)，

15、執(zhí)行客戶外部指令，按照設(shè)定的控制方式發(fā)出SPWM形波。* 接口電路：主要是用來實現(xiàn)多功能和通訊功能，并可為客戶提供電源，是為了方便客戶的現(xiàn)場運用。* 顯示電路：分為LED和LCD兩種。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的主要構(gòu)成及工作原理* 變頻器的主要構(gòu)成及工作原理* 逆變電路原理的討論 * 變頻器的主要構(gòu)成及工作原理* 逆變電路原理的討論 SPWM的開關(guān)點 SPWM的脈沖序列的產(chǎn)生是由基準正弦波和三角載波信號的交點所決定的，且每一個交點都是逆變器同一橋臂上兩只逆變管的開、關(guān)交替點因此將這個交點稱作SPWM的開關(guān)點，我們必須將所有的交點的時間坐標汁算出來，才能有序地向逆變器發(fā)出通斷的

16、指令。 調(diào)節(jié)頻率時基準正弦波的頻率和幅值都要改變，載波信號(三角波)與基準正弦波的交點也將發(fā)生變化。所以每次調(diào)節(jié)頻率后，開關(guān)點的坐標都需要重新計算，計算量之大是人工難以完成的。只有通過計算機這個工具才能在最短的時間內(nèi)將開關(guān)點的坐標計算出來，從而控制各逆變管實時通斷來完成變頻、變壓的任務(wù)。強調(diào)二點（1）逆變器輸出頻率與正弦調(diào)制波頻率相同；當逆變器輸出端需要變頻時，只要改變調(diào)制波的頻率；2）三角波與正弦波的交點即確定了逆變器輸出脈沖的寬度和相位。通常采用恒幅三角波，而改變調(diào)制波幅值的方法，以得到不同的寬度，從而得到不同的逆變器輸出電壓。* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器各種功能* 軟啟動功能 加減

17、速過程中，變頻器的輸出頻率隨時間上升的關(guān)系曲線，稱為加速方式。變頻器設(shè)置的加速方式有:線性方式：變頻器的輸出頻率隨時間成正比地上升，如圖(a)所示。大多數(shù)負載都可以選用線性方式。S形方式 ：在加速的起始和終了階段，頻率的上升較緩，加速過程呈S形，如圖所示。例如，電梯在開始起動以及轉(zhuǎn)入等速運行時，從考慮乘客的舒適度出發(fā)，應(yīng)減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。半S形方式：用用戶設(shè)定的拐角點確定曲線來控制，加減速方式。 * 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器各種功能* 起動頻率與暫停加速功能 （1）設(shè)置起動頻率的方式 主要有兩種方式: 稍有給定信號(X=0+)，變頻器的輸出頻率即為起動頻率fS，如圖

18、(a)所示; 設(shè)置一個死區(qū)XS%，在給定信號XXS%的范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率為0Hz;當給定信號X=XS%時，變頻器直接輸出與XS%對應(yīng)的頻率，如圖(b)所示。* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器各種功能* 起動頻率與暫停加速功能* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器各種功能的應(yīng)用 PID調(diào)節(jié)的全稱是比例、積分、微分調(diào)節(jié)，是閉環(huán)控制中一種重要的調(diào)節(jié)手段，目的是使被控物理量迅速而準確地?zé)o限接近于控制目標。 PID反饋控制只要是通過溫度、壓力傳感器等，反饋模擬量給變頻器（可以是010V電壓信號，也可以是420mA的電流信號），通過變頻器相應(yīng)的處理輸出適合的頻率。當變頻器有兩個或多個模擬量給定信號同時從

19、不同的端子輸入時，其中必有一個為主給定信號，其他為輔助給定信號。 * 變頻器的應(yīng)用 任何機械在運轉(zhuǎn)過程中，都或多或少會產(chǎn)生振動。每臺機器又都有一個固有振蕩頻率，它取決于機械的結(jié)構(gòu)。如果生產(chǎn)機械運行在某一轉(zhuǎn)速下時，所引起的振動頻率和機械的固有振蕩頻率相吻合的話，則機械的振動將因發(fā)生諧振而變得十分強烈(也稱為機械共振)，并可能導(dǎo)致機械損壞的嚴重后果。* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 其他基本功能V/F控制功能，矢量控制功能，頻率上下限功能，多段速功能，異常停機功能，加速和減速時電壓、電流過高暫停加減速功能等。* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器的作用(一)變頻調(diào)速的節(jié)能 （能量回饋）(二)變頻調(diào)速在電動機

20、運行方面的優(yōu)勢 變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序可實現(xiàn)輸出換相也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。 變頻調(diào)速系統(tǒng)起動大都是從低速區(qū)開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設(shè)定，故加、減速過程比較平緩、起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。 變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。除此之外，變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器結(jié)電動機加上一個直流電壓，進行制動，而無需另加制動控制電路。(三)以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的的應(yīng)用(四)提高電網(wǎng)質(zhì)量 由于它在電機啟動時實現(xiàn)了很好的軟啟動功能，使電動機在啟動時不會對電網(wǎng)造成巨大的沖擊。同時由于它大量地使用了晶閘管等非線性電力電子元件，使變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正