變頻器的基本知識(shí)

1、 變頻器的基本知識(shí) 2 目 錄第一章、通用變頻器發(fā)展史 第一節(jié) 通用變頻器發(fā)展歷史及特點(diǎn) 第二節(jié) 新型變頻器發(fā)展趨勢(shì)第二章、通用變頻器結(jié)構(gòu)與原理 第一節(jié) 通用變頻器的類(lèi)別結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 通用變頻器的工作原理 附錄：常見(jiàn)的國(guó)內(nèi)外品牌變頻器3第一章、 變頻器發(fā)展歷史及特點(diǎn) 第一節(jié) 通用變頻器發(fā)展歷史及特點(diǎn) 隨著微機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和調(diào)速控制理論的不斷發(fā)展，變頻器作為一種智能調(diào)速“電源”也在不斷地更新。從變頻器問(wèn)世以來(lái)，通用變頻器主要經(jīng)歷以下幾個(gè)發(fā)展階段： 80年代初期的模擬式、80年代中期的數(shù)字式、90年代初期的智能式、90年代中期的多功能型及現(xiàn)在的集中型通用變頻器。通用變頻器發(fā)展主要有以下特點(diǎn)：

2、 、 功率器件不斷更新?lián)Q代功率器件不斷更新?lián)Q代 變頻器的發(fā)展受其電力半導(dǎo)體器件的限制，常用晶體管主要有:雙極晶體管BJT、絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門(mén)極換流晶閘管IGCT、巨型晶體管GTO，見(jiàn)下表（1） 80年代初主要使用巨型晶體管GTO、大功率晶體管GTR，由于GTR的工作頻率一般在2KHZ以下，載波頻率和最小脈寬都受到限制，難以得到較為理想的正弦脈寬調(diào)制波形，并使異步電機(jī)在變頻調(diào)速時(shí)產(chǎn)生噪聲。4 隨著IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的出現(xiàn)，其工作頻率可在1020KHz之間，與GTR相比不僅工作頻率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)且在電流、電壓指標(biāo)（電流浪涌耐量、電壓阻斷峰值、門(mén)極驅(qū)動(dòng)功耗等各項(xiàng)指標(biāo)）均已超過(guò)

3、GTR，因而在新一代的中小功率變頻器中IGBT已基本上代替了GTR。采用IGBT的低壓變頻器的最大容量在380V級(jí)可達(dá)540KVA，而600V級(jí)的可達(dá)700KVA，可驅(qū)動(dòng)485KW電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，最高頻率可達(dá)400600Hz，能對(duì)中頻電機(jī)進(jìn)行調(diào)頻控制。 90年代末又出現(xiàn)適合中壓（1KV-10KV）開(kāi)關(guān)電路的IGCT（集成門(mén)極換流晶體管）、以及現(xiàn)在使用的功率智能模塊IPM：是以IGBT為開(kāi)關(guān)器件，同時(shí)含有驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，IPM的保護(hù)功能有過(guò)流、短路、過(guò)壓、和過(guò)熱等，還可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，由于IPM組成的變頻器只需對(duì)橋臂上各個(gè)IGBT提供隔離的PWM信號(hào)即可，使變頻器的體積逐漸趨向小型化，隨著電

4、力電子功率器件的發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)不斷成熟。5名稱(chēng)代號(hào)符號(hào)控制方式最大電壓電流及頻率雙極型晶體管BJTGTRB C E 電 流 控電 流 控制制Um：450-1400VIm：300-800AFm：10K-50k門(mén)極關(guān)斷門(mén)極關(guān)斷晶閘管晶閘管絕緣柵雙絕緣柵雙極晶體管極晶體管GTO電 流 控電 流 控制制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1K-10kIGBT電 壓 控電 壓 控制制Um：1800-3300VIm：800-1200AFm：20K-50k IGCT G GC CE E集成門(mén)換集成門(mén)換流晶體管流晶體管電壓控電壓控制制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1

5、K-10k表表(1):(1):常用電力半導(dǎo)體器件常用電力半導(dǎo)體器件GKA62 2、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大 在紡織、印染、塑膠、石油、化工、冶金、造紙、食品、裝卸搬運(yùn)等行業(yè)都有著廣泛應(yīng)用，隨著各種專(zhuān)用變頻器的出現(xiàn)，使變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，可以說(shuō)有電機(jī)的地方就會(huì)有變頻器。3、 控制理論不斷成熟控制理論不斷成熟 早期通用變頻器主要采用恒壓頻比（V/F） PWM控制方式，隨著矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的出現(xiàn)使得電動(dòng)機(jī)變頻后的機(jī)械特性可以和直流電機(jī)相媲美。 變頻調(diào)速控制技術(shù)不斷成熟、功率電子器件不斷發(fā)展，變頻器應(yīng)用日益廣泛，在電氣傳動(dòng)、節(jié)能領(lǐng)域起著重要的作用。 第二節(jié)第二節(jié) 新型通

6、用變頻器發(fā)展趨勢(shì)新型通用變頻器發(fā)展趨勢(shì)1 1、低電磁噪音、靜音化、低電磁噪音、靜音化 新型通用變頻器除了采用高頻載波方式的正弦波SPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)靜音化外，還在通用變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正電路APFC，而在逆變電路中采取Soft-PWM控制技術(shù)等，以改善輸入電流波形、降低電網(wǎng)諧波，在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)所謂的清潔電能的變換。如三菱公司的柔性PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更低噪音運(yùn)行。 72 2、專(zhuān)用化專(zhuān)用化 新型通用變頻器為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速控制技術(shù)的獨(dú)特功能，并盡可能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)控制的需要，派生了許多專(zhuān)用機(jī)型如風(fēng)機(jī)水泵空調(diào)專(zhuān)用型、起重機(jī)專(zhuān)用型、恒壓供水專(zhuān)用型、

7、 交流電梯專(zhuān)用型、紡織機(jī)械專(zhuān)用型、機(jī)械主軸傳動(dòng)專(zhuān)用型、電源再生專(zhuān)用型、中頻驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用型、機(jī)車(chē)牽引專(zhuān)用型等。 3 3、系統(tǒng)化、系統(tǒng)化 通用變頻器除了發(fā)展單機(jī)的數(shù)字化、智能化、多功能化外，還向集成化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。如西門(mén)子公司提出的集通訊、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理三者于一體的“全集成自動(dòng)化”（TIA）平臺(tái)概念，可以使變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置等集成配置，甚至自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通訊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都可以像驅(qū)動(dòng)裝置通常嵌入“全集成自動(dòng)化”系統(tǒng)那樣進(jìn)行，目的是為用戶(hù)提供最佳的系統(tǒng)功能。 4 4、網(wǎng)絡(luò)化、網(wǎng)絡(luò)化新型通用變頻器可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內(nèi)裝RS485接口，可由個(gè)人計(jì)算機(jī)向

8、通用變頻器輸入運(yùn)行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等，通過(guò)選件可與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)：Profibus-DP、 Interbus-S 、 Device Net 、 Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通訊。如西門(mén)子、VACON、富士、日立、三菱、臺(tái)安、東洋等品牌的通用變頻器，均可通過(guò)各自可提供的選件支持上述幾種或全部類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。85 5、操作傻瓜化操作傻瓜化 新型通用變頻器機(jī)內(nèi)固化的“調(diào)試指南”會(huì)引導(dǎo)你一步一步地填入調(diào)試表格，無(wú)需記住任何參數(shù)，充分體現(xiàn)了易操作性。如西門(mén)子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一種稱(chēng)為“易于

9、使用”的成功概念，使得在連接技術(shù)、安裝和調(diào)試方面的操作變得非常簡(jiǎn)單。6 6、參數(shù)趨勢(shì)圖形參數(shù)趨勢(shì)圖形 新型通用變頻器的參數(shù)趨勢(shì)圖可適時(shí)地顯示各信號(hào)的現(xiàn)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，用戶(hù)在調(diào)試過(guò)程中，可隨時(shí)監(jiān)控和記錄運(yùn)行參數(shù)。如西門(mén)子公司的新一代MICROMASTER420/440的高級(jí)操作板AOP，變頻器的參數(shù)可上裝或下裝，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的USS連接調(diào)試和控制多達(dá)31臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)裝置。AOP可以存儲(chǔ)10組數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)在AOP中的各組數(shù)據(jù)可以直接裝入其它的MICROMASTER420/440，或者通過(guò)USS裝入7 7、內(nèi)置式應(yīng)用軟件、內(nèi)置式應(yīng)用軟件 新型通用變頻器可以?xún)?nèi)置多種應(yīng)用軟件，有的品牌可提供多達(dá)130余種的應(yīng)

10、用軟件，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的需要，如PID控制軟件、張力控制軟件、速度級(jí)鏈、速度跟隨、電流平衡、變頻器功能設(shè)置軟件、通訊軟件等。變頻器功能設(shè)置軟件可以在WINDOWS95/98環(huán)境下設(shè)置變頻器的功能及數(shù)據(jù)通訊。 8 8、參數(shù)自調(diào)整、參數(shù)自調(diào)整 用戶(hù)只要設(shè)定數(shù)據(jù)組編碼，而不必逐項(xiàng)設(shè)置，通用變頻器會(huì)將運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)整到最佳狀態(tài)（矢量型變頻器可對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行自整定）。9 9、功能設(shè)置軟件化、功能設(shè)置軟件化 通用變頻器的功能可以在WINDOWS95/98環(huán)境下設(shè)置并下裝，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。9第二章、通用變頻器結(jié)構(gòu)與原理通用變頻器結(jié)構(gòu)與原理一、通用變頻器的類(lèi)型一、通用變頻器的類(lèi)型 從結(jié)構(gòu)上可分為： 1

11、、交交變頻器 2、交直交變頻器 從變頻電源的性質(zhì)分（見(jiàn)圖3） 1、電流源型、電流源型：中間直流濾波環(huán)節(jié)采用大電感濾波，電源內(nèi)阻抗為 零的恒壓源，輸出電流波形為矩形波。 2 2、電壓源型、電壓源型：中間直流濾波環(huán)節(jié)采用大電容濾波，電源內(nèi)阻抗為 無(wú)窮大的恒流源，輸出電壓波形為矩形波。 兩者性能差別：兩者性能差別：1)無(wú)功能量的緩沖2)回饋制動(dòng)3)調(diào)速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)4)適用范圍10不可控整流器PWM逆變器RSTUVWCF（A）電壓源型不可控整流器PWM逆變器RSTUVW（B）電流源型圖圖2-1：電壓源型和電流型交：電壓源型和電流型交-直直-交型變頻交型變頻器器LFIB11圖圖2-2、通用變頻器主回路圖

12、、通用變頻器主回路圖VD1 VD3 VD5VD4 VD6 VD2RSTRBVBC1C2V1V3V5V4V6V2D1D3D5D4D6D2RSUVWPNKSRC1、2IB整流電路整流電路逆變電路逆變電路濾波電路濾波電路制動(dòng)電路制動(dòng)電路12（一）、變頻器的主回路（一）、變頻器的主回路 電壓型變頻器主電路包括：整流電路、中間直流電路、逆變電路三部分組，交-直-交型變頻器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖21 1、整流電路：、整流電路： VD1VD6組成三相不可控整流橋，220V系列采用單相全波整流橋電路；380V系列采用橋式全波整流電路。若電源線(xiàn)電壓為UL，三相全橋整流后平均直流電壓UD=1.35UL，直流母線(xiàn)電壓為535V2

13、、中間濾波電路：中間濾波電路：整流后的電壓為脈動(dòng)電壓，必須加以濾波；濾波電容CF除濾波作用外，還在整流與逆變之間起去耦作用、消除干擾給電機(jī)感性負(fù)載提供必要的無(wú)功功率，由于該大電容儲(chǔ)存能量，在斷電的短時(shí)間內(nèi)電容兩端存在高壓電，因而要在電容充分放電后才可進(jìn)行操作。3 3、限流電路：、限流電路：由于儲(chǔ)能電容較大，接入電源時(shí)電容兩端電壓為零，因而在上電瞬間濾波電容CF的充電電流很大，過(guò)大的電流會(huì)損壞整流橋二極管，為保護(hù)整流橋上電瞬間將充電電阻RL串入直流母線(xiàn)中以限制充電電流，當(dāng)CF充電到一定程度時(shí)由開(kāi)關(guān)SL將RL短路。134、逆變電路：、逆變電路： 逆變管V1V6組成逆變橋?qū)⒅绷麟娔孀兂深l率、幅值都可

14、調(diào)的交流電，是變頻器的核心部分。常用逆變模塊有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模塊化結(jié)構(gòu)有2單元、4單元、6單元5 5、續(xù)流二極管續(xù)流二極管D1D6：其主要作用為：（1）電機(jī)繞組為感性具有無(wú)功分量，VD1VD7為無(wú)功電流返回到直流電源提供通道（2）當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流通過(guò)VD1VD7返回直流電路。（3）V1V6進(jìn)行逆變過(guò)程是同一橋臂兩個(gè)逆變管不停地交替導(dǎo)通和截止，在換相過(guò)程中也需要D1D6提供通路。* *6 6、緩沖電路、緩沖電路 由于逆變管V1V6每次由導(dǎo)通切換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，C極和E極間的電壓將由近乎0V上升到直流電壓值UD，這過(guò)高的電壓增長(zhǎng)率可能會(huì)損

15、壞逆變管，吸收電容的作用便是降低V1V6關(guān)斷時(shí)的電壓增長(zhǎng)率。146 6、制動(dòng)電阻、制動(dòng)電阻RB和制動(dòng)單元和制動(dòng)單元VB（1）工作原理： 電機(jī)在工作頻率下降中，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將可能超過(guò)此時(shí)的同步轉(zhuǎn)速（n=60f/P）而處于再生制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能將反饋到直流電路中使直流母線(xiàn)（濾波電容兩端）電壓UD不斷上升（即所說(shuō)的泵升電壓），這樣變頻器將會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓保護(hù)，甚至可能損壞變頻器，因而需將反饋能量消耗掉，制動(dòng)電阻就是用來(lái)消耗這部分能量的。制動(dòng)單元由開(kāi)關(guān)管與驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其功能是用來(lái)控制流經(jīng)RB的放電電流IB（2） 制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻的選擇 各種變頻器手冊(cè)上都提供該公司變頻器配套的外接制動(dòng)

16、單元和制動(dòng)電阻，也可用下列方法選配： RB2US/IN； PB（0.30.5）US2/RB ； 其中US： 整流后的直流電壓；IN 為變頻器的額定電流，選擇系數(shù)當(dāng)電機(jī)容量小時(shí)選小值否則選取大值。15 （二）變頻器的控制回路（二）變頻器的控制回路 變頻器控制部分一般有：CPU單元、顯示單元、電流檢測(cè)電壓檢測(cè)單元、輸入輸出控制端子、驅(qū)動(dòng)放大電路、開(kāi)關(guān)電源等（見(jiàn)圖2）。1 1、CPUCPU單元：?jiǎn)卧?采用16位單片機(jī)或DSP，變頻器專(zhuān)用單片機(jī)如：INTEL 87C196MH，速度為幾十ns級(jí)。矢量控制型采用雙CPU。 2 2、開(kāi)關(guān)電源單元：、開(kāi)關(guān)電源單元： 變頻器控制電源為開(kāi)關(guān)電源：有24V，15

17、V，+5V等輸出，其輸入在主電路直流母線(xiàn)側(cè)取得。 3 3、電流檢測(cè)單元：、電流檢測(cè)單元：采用HALL元件檢測(cè)變頻器輸出側(cè)電流。對(duì)于加速、減速、運(yùn)行中過(guò)流、變頻過(guò)載及電機(jī)過(guò)載的檢測(cè)是：由CPU通過(guò)檢測(cè)輸入的脈沖頻譜來(lái)區(qū)分的。 4 4、顯示單元：、顯示單元：其功能為人機(jī)界面、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)/故障顯示、遠(yuǎn)距離操作等 、控制端子：控制端子：模擬輸入、輸出端子；開(kāi)關(guān)量輸入輸出端子；故障輸出端子； 16 顯示面板 CPU輸入信號(hào)輸出信號(hào)電流檢測(cè)電路開(kāi)關(guān)電源電路 PWM波形驅(qū)動(dòng)電路主電路電電 機(jī)機(jī)電壓檢測(cè)電電 源源圖圖2-3:變頻器控制回路圖變頻器控制回路圖17 6、驅(qū)動(dòng)單元電路：、驅(qū)動(dòng)單元電路：產(chǎn)生的PW

18、M波經(jīng)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片、驅(qū)動(dòng)放大電路后IGBT。常用的單路波形驅(qū)動(dòng)芯片有：Motorola的MC33153，日本英達(dá)HR065，富士J316（convo變頻器用），及光耦TLP521等；常用的六路波形驅(qū)動(dòng)芯片有：IR公司的IR2130，IR3320等。 IGBT驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)及要求：驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)及要求：動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供陡峭前后沿驅(qū)動(dòng)脈沖。 能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?。IGBT導(dǎo)通后VCE與柵極電壓有關(guān)， VGE越高則VCE越低。一般為20V左右。 在關(guān)斷過(guò)程中，為盡快抽取PNP管中的存貯電荷，能向IGBT提供足夠的反向柵壓。幅值一般為5V15V。 有足夠的輸入輸出隔離能力。具有有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。 具有故障封鎖輸出功能。 通用變頻器的基本控制方式（通用變頻器的基本控制方式（V/F控制）控制） 由n=60f/P（1-S）（P為極對(duì)數(shù)）可知通過(guò)改變頻率f可改變電機(jī)速度，由三相異步電機(jī)定子相電動(dòng)勢(shì)有效值：E=4.44kfn，知：當(dāng)f大于電機(jī)額定頻率fN時(shí)，氣隙磁通將會(huì)小于額定磁通量N ，結(jié)果使電機(jī)的鐵心沒(méi)有得到充分利用而造成浪費(fèi)；當(dāng)f小于電機(jī)額定頻率fN時(shí)，氣隙磁通將會(huì)大于額定磁通量N，電機(jī)鐵心飽和，導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)，因而要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，最好在變頻時(shí)保持每極磁通量不變。 基頻以下（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）基頻以下（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）