变频器基础知识

变频器基础知识变频器简介变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。变频器的问世，使得交流调速在很大程度上取代了直流调速。什么是调速电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。什么是调速目前调速系统分交流和直流调速系统.由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。什么是调速调速范围生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：minmaxnnD1、通用机械的节能调速：指风机，泵等机械，它们的用电量占全国发电总量的1/3，此类机械在不调速交流电机调速时，风量和流量使用挡板和阀门调节，调速后可节电30％～40％，而且优化了工艺过程，减少了管道和阀门的压力，提高了设备的寿命，减少了维修。2、工艺调速：由于工艺的要求需要调速运行的机械，如金属加工，造纸等需要稳态精度很高的领域，目前该领域正在向交流调速过渡。调速按应用领域的分类3、牵引调速：运输机械的电驱动，此类机械对设备的尺寸，重量和防护等级有有严格的要求，所以交流调速比较占优势。如火车，轮船等系统。4、特殊调速：对调速有特殊要求的调速系统，如调速范围达到1：50000～1：100000的场合，只能由特殊的永磁交流电动机实现。如高精度磨床，车床等调速按应用领域的分类交（直）流电气传动系统的特点直流电气传动系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，一种调速方式性能优良，对硬件要求不高电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护交流电气传动系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂，有多种调速方式性能较差，对硬件要求较高电机无电刷，无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏，适应恶劣现场基本免维护70年代以前直流占统治地位交流调速只在大功率电机调速上使用他励直流电动机的转速公式：EECIRUCEn式中：U为他励电动的电枢电压I为电枢电流E为电枢电动势R为电枢回路的总电阻n为电机的转速Φ为励磁磁通CE为由电机结构决定的电动势系数他励直流电机的调速方案EECIRUCEn由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是变电压调速。他励直流电机的调速方案用晶闸管触发整流整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电机转速的目的。这就是所谓的电源—电动机调速系统（V—M）系统，它属于开环系统。（1）容量大。（2）转速高且耐高压。（3）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。（4）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。（5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标。（6）交流调速系统能显著地节能。从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。交流调速系统的特点交流电机的调速方案交流电机转速表达式：spfn1601三类调速方法：变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。原始的分类方法有：1）变极调速；2）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；3）变频调速。科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）（1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率回馈型调速系统——转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。特点：效率高。串级调速属该类系统。（3）转差功率不变型调速系统——调速过程中，转差功率基本不变。特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。交流异步电动机调压调速0风机类负载特性011N7.0U1NU1N5.0U0nECABDSnmSFeTmaxeT图5-1异步电动机在不同电压下的机械特性恒转矩负载M3~M3~M3~~~~TULSVVC+-(a)(b)(c)图5-2异步电动机调压调速原理调压器调压饱和电抗器调压晶闸管交流调压器调压交流异步电动机调压调速~RU1U1VT2VT图5-3晶闸管单相调压电路U02t图5-4晶闸管相位控制下的负载电压波形1）相位控制方式通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图所示。特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。交流异步电动机调压调速2）开关控制方式把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比t0/tp来调节。输出电压波形如图所示。U00t通pt断t图5-5晶闸管开关控制下的负载电压波形特点：采用“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。交流异步电动机调压调速由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。电磁转差离合器调速系统1、电磁转差离合器的结构电磁转差离合器电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。1)直流励磁绕组：由控制装置输出的可调压直流电供电，产生固定磁场；2)机座：它既是离合器的结构体，又是磁路的一部分；3)电枢：圆筒形实心钢体，兼有导磁、导电作用，直接套在异步电动机的轴上，作为主动转子，转速与异步电动机相同。运行时，在电枢中感应电动势并产生涡流；4)磁极：它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴上而输出转矩，在机械上与电枢无连接，借助气隙分开；5)异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体；6)从动轴：输出机械转矩；7)磁导体：它既是结构体又是磁路的一部分。电磁转差离合器调速系统2、电磁转差离合器的转动原理1）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：机座→气隙→电枢→气隙→磁极→导磁体→机座；2）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，在槽间部分磁力线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场；3）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，电枢中感生电动势并产生电流（涡流）；4）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反应磁场，与主磁通合成并产生转矩；5）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就带着生产机械一同旋转。电磁转差离合器调速系统TG~(a)n1Un2Un3UeTn01n(b)图5-15具有转速负反馈控制的滑差电机调速系统nU+-nU晶闸管励磁负载电磁转差离合器n1n电磁转差离合器调速系统3、电磁转差离合器的转速和转向1）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小；2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。电磁转差离合器调速系统（一）串电阻调速绕线式异步机在转子回路中串接电阻调速绕线式异步电动机串级调速系统（二）串级调速在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。按产生直流附加电势方式的不同，可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。RRR滑环电刷定子转子起动电阻•串电阻调速22'RRstTTOn1nmaxT2R2RstT串电阻调速绕线式异步电动机串级调速系统1.电气串级调速系统系统中，直流附加电势Eβ由逆变器UI产生，改变逆变角就改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势Eβ，可实现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：，角速度，则电机输出转矩为：2(1)MPsP0)1(s常数0202)1()1(PsPsPTMe，恒转矩调速特性。M3~(a)~dIUR~+-+-dL2TE~~UI2EβETIr0sE2、机械串级调速系统机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势Eβ由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变电枢电势，相当于改变直流附加电势Eβ的值，实现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：（1-s）P2+sP2=P2=常数。具有恒功率调速特性。图4-18低同步串级调速系统M3~Mfi(b)~dI+-M3~(a)~dIUR~0rsE+-+-dL2TE~~UI2EβETI交流电气传动系统的发展历程交流异步电机的机械特性公式n＝60f/p(1-s)n：电机转速f：给电机供电的交流电频率p：电机极对数s：转差率T：电机力矩N：速度n0负载1异步机机械特性负载2交流同步电机的机械特性公式n＝60f/pn：电机转速f：给电机供电的交流电频率p：电机极对数n0负载1负载2T：电机力矩同步机机械特性调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速，系统简单，最多4段速调压调速无级调速，调速范围窄电机最大出力能力下降，效率低系统简单，性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高系统复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美早晚发展时间交流电气传动系统的发展历程在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉还是在一些性能较低的传动现场使用变频器及其特点变频器变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF(VariableVoltageVariableFrequency）变频器的控制对象三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极序号优点1平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度3无级调速，调速精度大大提高4电机正反向无需通过接触器切换5非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）变频调速的发展历程电机控制算法功率半导体技术V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSPIGBT大容量化更高速率和容量如：矩阵式变频器大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP专用芯片00年代超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化更大容量更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用变频器分类供电电源低压220V/1PH、220V/3PH、380V/3PH高压3000、6000、10000V/3PH控制算法通用内置V/F控制方式，简单，性能一般高性能内置矢量控制方式，复杂，高性能变换方法（拓朴结构）交直交电压型（储能环节为电解电容）电流型(储能环节为电抗器）交交无储能环节注：交直交电压型变频器因结构简单，功率因素高，目前广泛使用常用设计功率在315KW变频器工作原理～整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流交流低压交直交通用变频器系统框图直流直流交流整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦变频器工作原理单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f