变频器技术介绍

第一章变频技术综合应用第二章电动机的基础知识第三章变频器的调速原理第四章电力电子器件主电路第五章控制电路第六章电动机调速特点第七章接电抗器的作用第八章变频器的抗干扰第九章安装接线调试与维修第一章变频技术综合应用变频技术在照明和电源设备上的应用变频技术在空调设备上的应用变频技术在机床设备上的应用变频技术在电梯设备上的应用变频技术在生产线中的应用变频技术在家用电器中的应用变频技术的应用可分为两大类：一种是用于传动调速；另一种是用于各种静止电源。而变频器最为典型的应用是以各种机械的节能为目的。序号变频器传动的特点效果用途1可以使标准电机调速可以使原有电动机调速风机、水泵、空调、一般帆械2可以连续调速可选择最佳速度机床、搅拌机、压缩机、游粱式抽油机3起动电流小电源设备容量可以小压缩机4最高速度不受电源影响最大工作能力不受电源频率影响泵、风机、空调、一般机械5电动机可以高速化、小型化可以得到用其它调速装置不能实现的高速度内圆磨床、化纤机械、运送机械6防爆容易与直流电机相比，防爆容易、体积小、成本低药品机械、化学工厂7低速时定转矩输出低速时电机堵转也无妨定尺寸装置8可以调节加减速的大小能防止载重物倒塌运送机械9可以使用笼型电动机，不需维修不需要维护电动机生产流水线、车辆、电梯表8—1变频器传动的特点1，变频技术应用概述序号项目名称需改造数量或千瓦数节电百分比(％)年节电量／亿kw·h1轧机、提升机(变频器交流传动代替直流传动)320万台30262电力机车和内燃机车(变频交流代直流)120台电力机车256O3IGBT直流励磁电源(代替晶闸管)30万kw203．54无轨电车(交流变频调速或直流斩波代替电阻调速)5000辆301.05工矿电机车(变频交流或直流斩波代电阻调速)5x105辆30206风机，水泵(交流变频调速代替风门，阀门)3700万台改造10％即370万台30517高效节能荧光灯(逆变镇流器)5000万台20308中频感应加热电源(逆变电源)100万台3099电解电源400万kw55.610电焊机(IGBT逆变电源)200万台改造10％即20万台303．111电镀电源340万台3021.612搅拌机，挤压机，精纺机，纤维机械，抽油机，空压机，起重机2000万kw3051．213总计282变频器在工业领域中的节电潜力应用效果用途应用方法以前的调速方式节能鼓风机、泵、搅拌机、挤压机、精纺机(1)调逸运转(2)采用工频电源恒速运转与采用变频器调速运转相结合(1)采用工频电源恒速运转(2)采用挡板、阀门控制(3)机械式变速机(4)液压联轴器省力化自动化各种搬运机械(1)多台电机以比例速度运转；(2)联动运转，同步运转(1)机械式变速减速机(2)定子电压控制(3)电磁滑差离合器控制提高产量机床撤运机械纤维机械游梁式抽油机(1)增速运转(2)消除缓冲起动停止(3)对稠油降低冲次(1)采用土领电源恒速运转(2)定子电压控制(3)带轮调速提高设备的效率(节省设备)金属加工机械采用高频电机进行高速运转直流发电机—电动机减少维修(恶劣环境的对策)纤维机械(主要为纺纱机)，机床的主袖传动，生产流水线，车辆传动取代直流电机直流电机提高质量机床搅拌机纤维机械制茶机选择无级的最佳速度运转采用工频电源桓速运转提高舒适性空调机采用压缩机调速运转，进行连续温度控制采用工频电源的通、断控制变频器的应用效果变频技术在照明和电源设备上的应用应用变频技术的目的之一就是节能。我国重点实施的“绿色照明工程”中，变频电子节能灯是主要推广项目，其工作频率高达20～50KHZ以上。高频镇流器的内耗一般在1W左右，而电感镇流器却高达8W左右，仅镇流器一项即可节电20%，再配上稀土三基色高效荧光灯，取代普通的白炽灯可节电60%～80%；取代普通的荧光灯可节电25%～50%。高频照明技术是气体放电灯的高频高效化技术。气体放电灯包括普通荧光灯(φ38mm)、细管荧光灯(≤φ26mm)、稀土三基色荧光灯(节能型荧光灯，即紧凑型荧光灯)、高压钠灯、金属卤化物灯和低压钠灯等。它们都比白炽灯的发光效率高得多。气体放电灯发光效率不仅与灯的种类和结构有关，还与工作频率有关。即使是节能型荧光灯，其工作频率由50Hz升至30kHz时，光效可提高20％，为白炽灯光效的5倍；灯管寿命可延长25％，为白炽灯的10倍。高频照明技术（2）LC耦合串联谐振基本电路变频电源在高频电源中，又分为脉宽调制(PWM)型和谐振型两种类型。前者是采用固定频率，脉冲通过改变脉冲宽度(导通时间)进行全功率开关转换，称为硬转换型；后者是采用正弦波固定导通时间在交流过零(零电压)或电流过零(零电流)时进行开关转换，称为软转换。后者功率损耗几乎为零，谐波干扰、电磁干扰和射频干扰也较小，成为最有发展前途的新一代开关电源。谐振型开关电源的类型主要有：电流谐振型、电压谐振型、多谐振型和部分谐振型。电源装置根据主次作用分为主电源(一次电源)和辅助电源(二次电源)。如程控交换机的48V电源是主电源，容量较大；而辅助电源由主电源输入，二次输出多种电压，容量较小。UPS发展方向1)高频化所谓高频化，一是先逆变为18～20kHz的高频交流电，然后再经二次变频输出工频交流电。变频技术在空调设备上的应用空调现已经被广泛应用。空调电动机一般为380V、15～55KW。作为建筑物重要的耗电设备，空调风机采用变频调速已是大事所趋。采用变转矩变频器，即可满足空调的需要，且可节电30%～60%，又延长了空调机的寿命。再加上温湿度传感器和微机闭环控制，成为现代化的空调室。而小型空调器数量大，应用面广，多为单相电动机驱动，故效率低，又笨重。后采用微型三相电动机，与相同功率单相电动机比，体积和重量可减少30%～50%左右。变频器可由三相供电，也可单相输入、三相输出。8.3.1中央（集中）空调1.中央空调系统的构成冷却塔家用空调1.分体式一个房间用的空调过去通常房间用的空调是采用ON／OFF控制方式，用笼型电机带动压缩机来调节冷暖气，但它存在着以下的问题：1)根据地区气候、房屋的朝向等估计一年中最大负载，从而选择恰当的空调机是比较困难。2)由于是ON／OFF方式运行，室内温度和湿度会发生波动时，会引起不舒适的感觉。3)在50／60Hz地区会产生较大差别。4)压缩机电机在起动时有很大的冲击电流，因此需要比连续运行时更大的电源容量。5)由于压缩机转速恒定，外面温度变化会引起冷暖空调能力的变化(特别在暖气运行时，外面气温下降会导致暖气效果下降，这是很大的弱点)。数控机床是由数字控制技术操纵的一切工作母机的总称，是集现代机械制造技术、微电子技术、功率电子技术、通讯技术、控制技术、传感技术、光电技术、液压气动技术等为一体的机电一体化产品，是兼有高精度、高效率、高柔性的高度自动化生产制造设备。变频技术在机床设备上的应用数控机床这里从节电的角度来考虑数控机床的电气拖动问题。数控机床的电力驱动主要分为3种类型：1）进给伺服驱动系统2）主轴驱动系统3）电机内装式高速交流主轴驱动系统1.数控机床的电力驱动2.主轴变频交流调速使用通用型变频器可以对标准电机直接变速传动，所以除去离合器很容易实现主轴的无级调速。对于通常采用主轴直流调速的高级机种，引入主轴专用变频器进行交流调速后，可以得到以下的效果：1)由于有更高的主轴速度，可以实现对铝等软工件的高效率切削以及更高精度的最终切削。2)由于不需要维护电刷，主轴电机的安装位置可更自由地选择。3)由于采用全封闭式电机，适应环境性更好。4)由于不需要励磁线圈，更节省电能。另外，对于通常采用离合器变速的车床，引入通用变频器后，也可取得如下的效果：1)简化了动力传递机构。2)能实现精细的恒线速控制。3)不用对离合器进行维护。4)容易实现高速恒功率运转。车床1.立式车床对于自动车床，采用具有下列功能的变频器可以缩短加工周期：(1)可不经过停止状态直接由正转变反转。(2)变频器输出频率为120Hz以上，可加快速度。(3)备有相应于急剧减速的再生制动装置。而且有制动功能，减速结束时不用机械闸就能完全停止。(4)低速时速度变化率小，运行平滑。使用效果有：(1)缩短了加工周期，使生产率提高。(2)将以往的带制动器电机更换为通用电机，因而不需要维护。(3)由于采用数控变频器，使速度再现性好，产品质量稳定。2.自动车床动力来自电动机，一般选11kW或15kW的异步电动机。曳引机的作用有三点：一是调速，二是驱动曳引钢丝绳，三是在电梯停车时实施制动。为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重量的大小而变化。计算公式如下：配重的重量＝(载重量／2十轿厢自重)×45％。公式中的45％是平衡系数，一般要求平衡系数在45％～50％之间。这种施动机构可使电梯的载重能力大为提高，在电梯空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处在发电状态；而电梯在重载上行和空载下行时，电动机的负载最大，是处在拖动状态，这就要求电动机在四象限内运行。为满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和难确停车性能。电梯的工作原理1.变频调速器在电机的应用第二章电动机的基础知识1.异步电动机构造和原理图2-1异步电动机构造a）外形b）定子c）转子2.旋转原理图2-2三相交流异步电动机旋转原理a）三相交流电流b）三相绕组c）旋转原理3.电动机定子和转子的能量传递图2-3能量传递a）从电能转变成机械能b）定子与转子能量传递电流特性：输入电机电流=励磁电流+转矩电流输出电流取决于负载的大小7.异步电动机的特性:•启动力矩——电动机停止，通电后,电动机产生的力矩Ts=1.25TN;•最大转矩——电动机在最大转差Sm时，产生的最大转矩Tm;•空载电流——空载电流主要是励磁电流，转速几乎达到同步;•电动状态——电机产生转矩，带动负载转动;•再生制动状态——由于负载原因，电机实际转速超过同步转速，即设备带动电机转动.三.变频器调速原理~380V50HZf=0~500HZ图3-1变频调速•变频调速f•变极对数调速P•变转差率调速S1.变频调速原理2.交—直—交变频器基本结构图3-2交—直—交变频器主回路图整流器滤波器逆变器3.三相逆变桥示意图图3-3三相逆变桥4.开关元器件应满足的条件图3-4开关元器件的条件1.能承受足够大的电压和电流2.允许长时间频繁接通和关断3.接通和关断的控制十分方便开关元器件应满足的条件IGBT的特点：耐压1200V开关频率高达30~40KHZ驱动电路电流小，功耗很少第四章电力电子器件晶闸管的特性参数及保护门极关断晶闸管的特性参数功率晶体管的特性参数及驱动电路MOS器件的特性参数及保护绝缘栅双极型晶体管IGBT的特性参数、驱动电路及其保护集成门极换流晶闸管和功率集成电路简介本章要点电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键，也是变频技术技术发展的“龙头”。可以说，电力电子技术起步于晶闸管，普及于GTR，提高于IGBT。新型电力电子器件的涌现与发展，促进了电力电子电路的结构、控制方式、装置性能的提高。本章从应用的角度出发，对电力电子器件的种类、性能及应用等加以介绍。2.1半控型电力电子器件2.1.1晶闸管（SCR）的特性及参数1.晶闸管的特性（1）晶闸管的阳极伏安特性晶闸管有三个引线端子：阳极（anode）A、阴极(cathode)K和门极(gate)G，有三个PN结。晶闸管的结构见图2-1（2）晶闸管的并联1）主回路对并联晶闸管电流分配的影响2）正向压降对并联晶闸管电流分配的影响常用的均流电路有：①串联电阻均流电路②串联电抗器均流电路晶闸管的正向压降等于与正向电流无关的恒定压降与内阻压降之和。由于晶闸管内阻很小，并联晶闸管各回路的阻抗又不相同，因此，各支路电流分配也不均衡。当负载电流很大时，各并联支路的电阻和自感必须相等，互感也应尽量相等。③采用直流电抗器的均流电路工作原理：当主电路过电流时，电流反馈信号电压Ufi增大，稳压管VS被击穿，晶体管V导通，直流快速灵敏继电