變頻技術(shù)講座

變頻技術(shù)講座第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一目錄第一章、通用變頻器發(fā)展史第二章、通用變頻器硬件結(jié)構(gòu)與及其原理第三章、常用控制方法第四章、變頻器設(shè)計、使用的一些注意事項

2第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一一.變頻器發(fā)展史、趨勢隨著微機技術(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。從變頻器問世以來，通用變頻器主要經(jīng)歷以下幾個發(fā)展階段：80年代初期的模擬式、80年代中期的數(shù)字式、90年代以后的智能式、多功能型通用變頻器。通用變頻器發(fā)展主要有以下特點：１、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，現(xiàn)在常用器件主要有:絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管IGCT。80年代初主要使用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，并使異步電機在變頻調(diào)速時產(chǎn)生噪聲。

3第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一一.變頻器發(fā)展史、趨勢主要電力電子器件

A.不可控器件：整流二極管（D）

B.可控器件：兩個系列脈沖控制系列晶閘管（Th）半控門極關(guān)斷晶閘管（GTO）全控6000V6000Afs≤500Hz控制脈沖電流大，要求龐大阻尼電路

絕緣門極晶閘管（IGCT）全控4500V4000Afs≤1000Hz控制脈沖電流小，器件和觸發(fā)電路集成在一起，阻尼電路小4第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一一.變頻器發(fā)展史、趨勢

電平控制系列

電力場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)全控電壓控制電壓<500Vfs達100KHz雙極型晶體管（BJT）曾用名：電力晶體管(GTR)全控電流控制1200V600Afs<5KHz

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）全控電壓控制阻尼簡單低壓IGBT1700V，2400Afs≤15KHz高壓IGBT3300V，1200Afs1KHz左右

電子注入加強門極晶體管（IEGT）(東芝公司專有)全控電壓控制阻尼簡單4500V，3000Afs1KHz左右5第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一一.變頻器發(fā)展史、趨勢2、應(yīng)用范圍不斷擴大

在紡織、印染、塑膠、石油、化工、冶金、造紙、食品、裝卸搬運等行業(yè)都有著廣泛應(yīng)用，隨著各種專用變頻器的出現(xiàn)，使變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大，可以說有電機的地方就會有變頻器。3、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)使得電動機變頻后的機械特性可以和直流電機相媲美。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、節(jié)能領(lǐng)域起著重要的作用。

6第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一一.變頻器發(fā)展史、趨勢趨勢：1、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)制實現(xiàn)靜音化外(載波頻率越高,電磁噪音越小,漏電流噪聲越大),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國際標(biāo)準(zhǔn)，實現(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)，實現(xiàn)了更低噪音運行。

2、專用化

新型通用變頻器為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速控制技術(shù)的獨特功能，并盡可能滿足現(xiàn)場控制的需要，派生了許多專用機型如風(fēng)機水泵空調(diào)專用型、起重機專用型、恒壓供水專用型、交流電梯專用型、紡織機械專用型、機械主軸傳動專用型、電源再生專用型、中頻驅(qū)動專用型、機車牽引專用型等。

7第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一歷史、特點及趨勢3、系統(tǒng)化

通用變頻器除了發(fā)展單機的數(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。如西門子公司提出的集通訊、設(shè)計和數(shù)據(jù)管理三者于一體的“全集成自動化”（TIA）平臺概念，可以使變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置等集成配置，甚至自動化和驅(qū)動系統(tǒng)、通訊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都可以像驅(qū)動裝置通常嵌入“全集成自動化”系統(tǒng)那樣進行，目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)功能。

4、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，可由個人計算機向通用變頻器輸入運行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等，通過選件可與現(xiàn)場總線：Profibus-DP、Interbus-S、DeviceNet、ModbusPlus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CANOpen、T-LINK等通訊。如西門子、VACON、富士、日立、三菱、臺安、東洋等品牌的通用變頻器，均可通過各自可提供的選件支持上述幾種或全部類型的現(xiàn)場總線。8第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一歷史、特點及趨勢5、操作傻瓜化

新型通用變頻器機內(nèi)固化的“調(diào)試指南”會引導(dǎo)你一步一步地填入調(diào)試表格，無需記住任何參數(shù)，充分體現(xiàn)了易操作性。如西門子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一種稱為“易于使用”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單。9第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一歷史、特點及趨勢6、內(nèi)置式應(yīng)用軟件新型通用變頻器可以內(nèi)置多種應(yīng)用軟件，有的品牌可提供多達130余種的應(yīng)用軟件，以滿足現(xiàn)場過程控制的需要，如PID控制軟件、張力控制軟件、速度級鏈、速度跟隨、電流平衡、變頻器功能設(shè)置軟件、通訊軟件等。

7、參數(shù)自調(diào)整

用戶只要設(shè)定數(shù)據(jù)組編碼，而不必逐項設(shè)置，通用變頻器會將運行參數(shù)自動調(diào)整到最佳狀態(tài)（矢量型變頻器可對電機參數(shù)進行自整定）。8、功能設(shè)置軟件化通用變頻器的功能可以在WINDOW環(huán)境下設(shè)置并下裝，并可以進行數(shù)據(jù)通訊。10第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理一、通用變頻器的類型從結(jié)構(gòu)上可分為：交—交變頻器；交—直—交變頻器1.交交變頻器1）晶閘管交-交直接變頻：fo.max≤20Hz用于大功率，低速傳動

11第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理2）矩陣變頻器:fo不受限制，研究中尚未實用12第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理2.交—直—交變頻又可分為電流源型：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。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)阻抗為無窮大的恒流源，輸出電壓波形為矩形波。13第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理不可控整流器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LFIB14第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理二變頻器的主電路VD1VD3VD5VD4VD6VD2RSTRBVBC1C2V1V3V5V4V6V2D1D3D5D4D6D2RSPNKSRC1、2IB整流電路逆變電路濾波電路制動電路15第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理電壓型變頻器主電路包括：整流電路、中間直流電路、逆變電路三部分組成。1、整流電路：

VD1-VD6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。若電源線電壓為UL，三相全橋整流后平均直流電壓UD=1.35UL，直流母線電壓為535V16第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理2、濾波電路

整流后的電壓為脈動電壓，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,給電機感性負(fù)載提供必要的無功功率，由于該大電容儲存能量，在斷電的短時間內(nèi)電容兩端存在高壓電，因而要在電容充分放電后才可進行操作。限流電阻的作用：由于儲能電容較大，接入電源時電容兩端電壓為零，因而在上電瞬間濾波電容CF的充電電流很大，過大的電流會損壞整流橋二極管，為保護整流橋,上電瞬間將充電電阻RL串入直流母線中以限制充電電流，當(dāng)CF充電到一定程度時由開關(guān)SL將RL短路。17第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理3制動電阻RB和制動單元VB電機在工作頻率下降中，異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將可能超過此時的同步轉(zhuǎn)速（n=60f/P）而處于再生制動（發(fā)電）狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能將反饋到直流電路中使直流母線（濾波電容兩端）電壓UD不斷上升（即所說的泵升電壓），這樣變頻器將會產(chǎn)生過壓保護，甚至可能損壞變頻器，因而需將反饋能量消耗掉，制動電阻就是用來消耗這部分能量的。制動單元由開關(guān)管與驅(qū)動電路構(gòu)成，其功能是用來控制流經(jīng)RB的放電電流IB18第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理4.逆變電路：逆變管V1-V6組成逆變橋?qū)⒅绷麟娔孀兂深l率、幅值都可調(diào)的交流電，是變頻器的核心部分。常用逆變模塊有：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。續(xù)流二極管D1-D6：其主要作用為：（1）電機繞組為感性具有無功分量，D1-D6為無功電流返回到直流電源提供通道（2）當(dāng)電機處于制動狀態(tài)時，再生電流通過D1-D6返回直流電路。（3）V1-V6進行逆變過程是同一橋臂兩個逆變管不停地交替導(dǎo)通和截止，在換相過程中也需要D1-D6提供通路。緩沖電路作用

由于逆變管V1-V6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，這過高的電壓增長率可能會損壞逆變管，吸收電容的作用便是降低V1-V6關(guān)斷時的電壓增長率。19第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理三變頻器的控制回路

變頻器控制部分一般有：CPU單元、顯示單元、電流檢測電壓檢測單元、輸入輸出控制端子、驅(qū)動放大電路、開關(guān)電源等1、CPU單元：采用16位單片機或DSP，變頻器專用單片機如：INTEL87C196MH，速度為幾十ns級。矢量控制型采用雙CPU。

2、開關(guān)電源單元：變頻器控制電源為開關(guān)電源：有±24V，±15V，+5V等輸出，其輸入在主電路直流母線側(cè)取得。3、電流檢測單元：采用HALL元件檢測變頻器輸出側(cè)電流。CPU根據(jù)檢測電流，確定加速、減速、運行中過流、變頻過載及電機過載。

4、顯示單元：其功能為人機界面、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)/故障顯示、遠距離操作等５、控制端子：模擬輸入、輸出端子；開關(guān)量輸入輸出端子；故障輸出端子；

20第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理6、驅(qū)動單元電路：

ＣＰＵ產(chǎn)生的PWM波經(jīng)專用驅(qū)動芯片、放大電路后驅(qū)動IGBT。常用的單路波形驅(qū)動芯片有：Motorola的MC33153，日本英達HR065，HCPLJ316（convo變頻器用），及光耦TLP521等.

IGBT驅(qū)動電路特點及要求：

動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供陡峭前后沿驅(qū)動脈沖。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5V-15V。有足夠的輸入輸出隔離能力。具有有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。具有故障封鎖輸出功能。21第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一變頻器分類和工作原理

顯示面板

CPU輸入信號輸出信號電流檢測電路開關(guān)電源電路

PWM波形驅(qū)動電路主電路電機電壓檢測電源變頻器控制回路圖22第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法一、通用變頻器的基本控制方式（V/F控制）

23第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法通用變頻器的基本控制方式（V/F控制）

由n=60f/P（1-S）（P為極對數(shù)）可知通過改變頻率f可改變電機速度，由三相異步電機定子相電動勢有效值：E=4.44kfn?，知：當(dāng)f大于電機額定頻率fN時，氣隙磁通?將會小于額定磁通量?N，結(jié)果使電機的鐵心沒有得到充分利用而造成浪費；當(dāng)f小于電機額定頻率fN時，氣隙磁通?將會大于額定磁通量?N，電機鐵心飽和，導(dǎo)致過大的勵磁電流嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機，因而要實現(xiàn)變頻調(diào)速，最好在變頻時保持每極磁通量?不變。24第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法基頻以下（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）：當(dāng)頻率較低時認(rèn)為定子相電壓U≈E，要使?不變則：U/f=常數(shù)即可。低頻時U和E都較小，定子繞組阻抗不能再忽略，這時可將電壓U抬高一些以補償定子電壓，基頻以下控制屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”?；l以上控制（恒功率調(diào)速）：基頻以上調(diào)速時電壓U不能超過額定壓Un，最多只能保持在額定電壓Un。頻率上升電壓不變將使磁動勢減弱、轉(zhuǎn)矩減小，但由于同步轉(zhuǎn)速上升可認(rèn)為輸出功率基本不變。故基頻以上變頻調(diào)速屬于“弱磁恒功率調(diào)速”（見圖3）。25第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法2.高性能調(diào)速基礎(chǔ)知識

A.調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制除轉(zhuǎn)矩外，再沒有其他量可影響轉(zhuǎn)速。26第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法B.坐標(biāo)系、坐標(biāo)變換

a.坐標(biāo)系定子三相坐標(biāo)系RST(ABC)，定子兩相坐標(biāo)系αβ，旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系27第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法b.坐標(biāo)變換：已知向量在一坐標(biāo)系的分量求它在另一坐標(biāo)系的分量

三相-兩相變換

矢量回轉(zhuǎn)28第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法C.異步電機的空間矢量圖及轉(zhuǎn)矩Td∝平行四邊形（，）面積—按定子磁鏈定向—磁鏈轉(zhuǎn)矩不解耦。

∝平行四邊形（，）面積—按轉(zhuǎn)子磁場定向—磁鏈轉(zhuǎn)矩解耦。29第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法3.矢量控制

A.矢量控制基本概念30第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法B.異步機矢量控制系統(tǒng)—按轉(zhuǎn)子磁場定向

31第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法電機模型·電壓模型（VM）需要rs和Lσ參數(shù)，與ωr無關(guān)，在n>5%時精確?！る娏髂Ｐ停↖M）需rr、Lm、Lr等參數(shù)及ωr信號，在n<5%時使用。

—電機模型輸出的辨識信號（同時使用VM和IM）用于無編碼器系統(tǒng)。32第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法4.異步機直接力矩控制系統(tǒng)特點：·按定子磁鏈定向，不用Lσ

·在αβ坐標(biāo)系計算和控制，無矢量變換，·用滯環(huán)控制代替調(diào)節(jié)33第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一常用的控制算法DTC原理圖及控制系統(tǒng)框圖34第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)計、使用時的一些注意事項1.開關(guān)頻率選擇：fs>3~6KHz后需降容

35第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)計、使用時的一些注意事項2.變頻器輸入側(cè)（網(wǎng)側(cè)）濾波

A.問題：輸入電流波形及功率因數(shù)差36第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)計、使用時的一些注意事項B.措施:

a.交流進線電抗

b.直流電抗37第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)計、使用時的一些注意事項c.有源前端直流電源AFE（690V裝置不可靠）d.12脈波整流（大中功率）38第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)計、使用時的一些注意事項3.變頻器輸出側(cè)（負(fù)載側(cè)）濾波

A.問題:

a.dv/dt導(dǎo)致電機端部過電壓，IGBT電流沖擊。39第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)計、使用時的一些注意事項b.共模電壓導(dǎo)致軸