变频器和调速系统的介绍

第1章变频器和调速系统的认知1.1变频调速的认知1.2变频器的选用1.3变频器的安装1.4变频器的调试1.5变频器的维护与险修1.1变频调速的认知任务目标(1)了解变频器的行业应用。(2)熟悉变频器的铭牌与结构。(3)理解通用变频器的工作原理。任务引入随着工农业生产对调速性能要求的不断提高和电力电子、微电子及计算机控制等技术的迅速发展，变频调速技术日趋成熟，传统的直流调速系统将逐渐被变频调速系统所取代，其框图分别如图1-1、图1-2所示，变频调速是通过变频器来实现的，那么变频器是由哪些部分组成的?它是如何实现变频调速的?下一页返回1.1变频调速的认知相关知识点一、通用变频器的组成1.变频器的外部特征从外部结构来看，通用变频器有开启式和封闭式两种。开启式的散热性能较好，接线端子外露，适合于电气柜内的安装;封闭式的接线端子全在内部，须打开面盖才能看见。以西门子MM440封闭式系列变频器为例，变频器的外观如图1-3所示。2.变频器的铭牌通用变频器的铭牌主要包含型号(订货号)、输入电源规格、最大输出电流等内容，使用变频器必须遵循铭牌上的有关说明。以西门子MM440系列变频器为例，变频器的铭牌如图1-4所示。上一页下一页返回1.1变频调速的认知其中，变频器型号说明如图1-5所示。3.变频器的内部结构变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的一种电力电子装置，其实际电路相当复杂，图1-6所示为变频器的内部组成框图。从图1-6中可以看出，变频器内部主要由以下几部分组成。1)控制通道(1)面板①—主要用于近距离基本控制与显示;上一页下一页返回1.1变频调速的认知(2)外接控制端子②和③—主要用于远距离、多功能控制;(3)通信接口④—主要用于多电动机、系统控制。2)主控电路部分主控电路部分主要用来处理各种外部控制信号、内部检测信号以及用户对变频器的参数设定信号等，实现变频器的各种控制功能和保护功能，是变频器的控制中心。3)控制电源部分控制电源部分主要由主控电路、外控电路等部分提供稳压电源。上一页下一页返回1.1变频调速的认知4)采样及检测电路部分采样电路的主要作用是提供控制用数据和保护采样。尤其是在进行矢量控制时，必须测定足够的数据，提供给主控电路部分进行矢量运算。5)驱动电路部分驱动电路部分的主要作用是产生逆变器开关管的驱动信号，受主控电路控制。上一页下一页返回1.1变频调速的认知6)主电路部分主电路部分主要包括整流和逆变两个主要功率变换部分，三相交一直一交变频器主电路的基本组成如图1-7所示，电网电压由输入端(R,S,T)接人变频器，经整流器整流成直流电压，然后由逆变器逆变成电压、频率可调的交流电压，从输出端(U,V,W)输出到交流电动机。(1)整流单元(VD1~VD6)。三相不控整流电路由电力二极管VD，一VDT组成整流桥，将三相交流电整流成直流。滤波电容Cd起储能和滤波作用，其平均直流电压可用下式表示:(1.1)上一页下一页返回513V380V1.351.35UULD1.1变频调速的认知式中，队为电源的线电压。(2)逆变单元(VT1~VT6)。由逆变管VT1~VT6组成三相逆变桥，VT1~VT6交替通断，将整流后的直流电压变成交流电压。目前常用的逆变管有功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。整流单元和逆变单元的电力电子器件，是变频器主电路部分的核心，在使用时要参照有关使用手册。二、变频调速基本原理交流异步电动机的转速表达式n=60f(1-s)/D(1.2)上一页下一页返回1.1变频调速的认知式中，n为异步电动机的转速(r/min);为定子电源频率(Hz);S为电动机转差率;P为电动机极对数。由式(1.2)可知，转速n与频率J.成正比，只要改变频率J.即可改变电动机的转速，当频率f在0~50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机的电源频率实现速度调节的。三、变频器的分类变频器的分类方法很多，下面简单介绍几种主要的分类方法。上一页下一页返回1.1变频调速的认知1.按变换环节分类1)交一交变频器交一交变频器的原理框图如图1-8所示，它把恒压恒频(CVCF)的交流电直接变换成变压变频(VVVF)的交流电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围较窄，输出频率一般为额定频率的1/2以下，电网功率因数较低，主要应用于低速大功率的拖动系统。2)交一直一交变频器交一直一交变频器首先将工频交流电整流成直流电，经过滤波，再将平滑的直流电逆变成频率可调的交流电，主要由整流电路、中间直流环节和逆变电路三部分组成。交一直一交变频器按中间环节的滤波方式又可分为电压型变频器和电流型变频器。上一页下一页返回1.1变频调速的认知(1)电压型变频器。电压型变频器的主电路典型结构如图1-9所示。在电路中，中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。(2)电流型变频器。电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，如图1-10所示，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。上一页下一页返回1.1变频调速的认知2.按电压的调制方式分类1)PAM(脉副调制)它是通过调节输出脉冲的幅值来进行输出控制的一种方式。在调节过程中，整流器部分负责调节电压或电流，逆变器部分负责调频。2)PWM(脉宽调制)它是通过改变输出脉冲的占空比来实现变频器输出电压的调节，因此，逆变器部分需要同时进行调压和调频。目前，普遍应用的是脉宽按正弦规律变化的正弦脉宽调制方式，即SPWM方式。上一页下一页返回1.1变频调速的认知3.按控制方式分类1)U/f控制变频器U/f控制是同时控制变频器输出电压和频率，通过保持U/f比值恒定，使得电动机的主磁通不变，在基频以下实现恒转矩调速，基频以上实现恒功率调速。它是一种转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，多应用于精度要求不高的场合。2)VC控制变频器VC控制即矢量控制，矢量控制是一种高性能的异步电动机控制方式，其基本思想是模仿直流电动机的控制原理，以三相交流绕组和两相直流绕组产生同样的旋转磁动势为准则，将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，即通过直/交变换和2/3变换来实现，其控制示意图如图1-11所示。上一页下一页返回1.1变频调速的认知其中是励磁电流分量，是转矩电流分量。它们都是由变频器的给定信号分解而成的(*表示变频器中的控制信号)。经过直/交变换，将和变换成两个交流分量和，再经过2/3变换得到三相交流控制信号、、去控制三相逆变器。可以看到，控制和中的任意一个，就可以控制号、、，也就控制了变频器的交流输出。通过以上变换，将交流电动机的调速转化为控制两个控制量和，因此，更接近直流电动机的调速。*Mi上一页下一页返回*Ti*Mi*Ti*i*i*Ai*Bi*Ci*Mi*Ti*Ai*Bi*Ci*Mi*Ti1.1变频调速的认知一般的矢量控制系统均需速度传感器，然而速度传感器使整个传动系统中最不可靠的环节，安装也很麻烦，因此，现代的变频器又推广使用无速度传感器矢量控制技术，它的速度反馈信号不是来自于速度传感器，而是通过CPU对电动机的一些参数进行计算得到的一个转速的实在值。对于很多新系列的变频器都设置了“无反馈矢量控制”这一功能，这里“无反馈”，是指不需要用户在变频器的外部再加其他的反馈环节，矢量控制时变频器内部还是存在反馈的。本书中用到的西门子MM440变频器就是一款高性能矢量控制变频器。上一页下一页返回1.1变频调速的认知3)DTC控制变频器DTC控制即直接转矩控制，是继矢量控制之后发展起来的另一种高性能的异步电动机控制方式，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电动机定子磁链的瞬时旋转速度，改变它对转子的瞬时转差率，从而达到直接控制电动机输出的目的。上一页下一页返回1.1变频调速的认知不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应好、控制结构简单、计算简便等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。然而作为一种诞生不久的新理沦、新技术，自然有其不完善不成熟之处，一是在低速区，由于定子电阻的变化带来了一系列问题，主要是定子电流和磁链的畸变非常严重;二是低速时转矩脉动大，限制了调速范围。随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破，具有广阔的应用前景。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。以上三种控制方式性能比较见表1-1。上一页下一页返回1.1变频调速的认知4)其他控制方式在实际应用中，还有一些其他非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如转差频率控制、电压空间矢量控制、自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。另外，一些智能控制方式如神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等在变频器的具体应用中也有一些成功的范例。4.按变频器用途分类1)通用变频器通用变频器其特点是通用性，是变频器家族中应用最为广泛的一种。通用变频器主要包含两大类:节能型变频器和高性能通用变频器。上一页下一页返回1.1变频调速的认知(1)节能型变频器。是一种以节能为主要目的而简化了其他一些系统功能的通用变频器，控制方式比较单一，一般为之少、控制，主要应用于风机、水泵等调速性能要求不高的场合，具有其体积小、价格低等优势。(2)高性能通用变频器。是一种在设计中充分考虑了变频器应用时可能出现的各种需要，并为这种需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备，使其具有较丰富的功能如:PID调节、PC闭环速度控制等。高性能通用变频器除了可以应用于节能型变频器的所有应用领域之外，还广泛应用于电梯、数控机床等调速性能要求较高的场合。上一页下一页返回1.1变频调速的认知2)专用变频器是一种针对某一种(类)特定的应用场合而设计的变频器，为满足某种需要，这种变频器在某一方面具有较为优良的性能。如电梯及起重机用变频器等，还包括一些高频、大容量、高压等变频器。任务训练一、训练内容认识变频器的铭牌、外观和结构。二、训练工具、材料和设备西门子MM440变频器一台、通用电工工具一套。三、成绩评价表成绩评价见表1-2。上一页下一页返回1.1变频调速的认知四、巩固练习1.针对某一具体变频器，让学生借助有关工具书，进行铭牌识读，分析其类型、结构组成、工作原理等，并进行拆装。2.简述U/f和矢量控制的基本原理。上一页返回1.2变频器的选用任务目标1.掌握变频器的选择方法。2.掌握变频器容量的计算。任务引入目前，市场上各个厂家的变频器种类繁多，而只有合适的变频器才能使机械设备电控系统既能长期正常、安全可靠地运行，又能实现最佳性价比，变频器的正确选用是使用好变频器的第一步，那么我们该如何选用变频器?下一页返回1.2变频器的选用(1)对于恒转矩负载，如挤压机、搅拌机、传送带、工厂运输电车、起重机等，如采用普通功能型变频器，要实现恒转矩调速，常采用加大电动机和变频器容量的办法，以提高低速转矩;如采用具有转矩控制功能的高性能变频器来实现恒转矩调速，则更理想，因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。(2)对于恒功率负载，如车床、刨床、鼓风机等，由于没有恒功率特性的变频器，一般依靠U/f控制方式来实现恒功率。(3)对于二次方律负载，如风机、泵类等，由于负载转矩与转速平方成正比，低速时负载转矩较小，通常可选择专用或节能型通用变频器