变频器基础知识

变频器基础知识•主要内容如下：•一、电机调速方法和变频器概念•二、基本工作原理•三、变频器的分类•四、面板结构•五、接线端子•六、控制方式简介•七、保护功能•八、维护保养我今年27岁，来南宁闯荡10年有余，记得那年明秀望州路口还有一个大转盘，那年从广东把扶梯拉到到航洋国际（那时候航洋国际还没交房好像是2002年到2005年这个时间段，时间太久了，记忆有点模糊），那时候没有蓝色上城，更没有香格里拉（二期），那时候大自然花园还是很自然（未建），那时候的琅东还是人烟稀少，当时给我感觉像是山里一样，到处都是坡，（不像现在都是房子、写字楼），初中毕业后疯狂的玩了1,2年（相信大家都有一样的经历），第一份工跑去仙湖的万正假日当保安，那时候好像是600块还是800块一个月，做了2个月的保安，感觉自己不是很合适做这行，（记得训练的那个时候，我们的队长说我走正步不协调，左手和左脚同时摆动的，有点搞笑），时光如水，一晃12年过去了，在加工厂削过菠萝，在电器批发店送过货，还在制衣厂做过针线活，摆过地摊，倒卖过汽车配件，等等，最值得一提是，记得那年是08年，偶然的进入了房地产行业（人称中介），也是目前工作过最久（7年）的一个工作，那时候底薪很低的200-300块，相信也有读者从事过这个行业，也有读者对这行业反感，房地产这行业其实很累，很累，不说起得比鸡早，睡得比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n＝60f/p(1-s)T：电机力矩n0负载1异步机机械特性负载2n0负载1负载2T：电机力矩同步机机械特性交流异步电机的机械特性公式§1.1电机调速方法和变频器概念n：电机转速f：给电机供电的交流电频率p：电机极对数n＝60f/pT：电机力矩n0负载1异步机机械特性负载2n0负载1负载2T：电机力矩同步机机械特性交流同步电机的机械特性公式三相异步电机的调速方法1.变极调速2.变频调速3.改变转差率调速变频器的概念•变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。•各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器的用途变频器的概念和用途中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器～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§1.2交－直－交变频器的基本工作原理整流逆变输出电压的平均值是正弦波正弦波ＰＷＭ（脉宽调制）控制方式正弦波ＰＷＭ（脉宽调制）控制方式1.2.1交－直－交变频器的主电路交－直－交变频器的主电路如图1.1.1所示。可以分为以下几部分：1、整流电路——交－直部分整流电路通常由二极管或可控硅构成的桥式电路组成。根据输入电源的不同，分为单相桥式整流电路和三相桥式整流电路。我国常用的小功率的变频器多数为单相220V输入，较大功率的变频器多数为三相380V（线电压）输入。VT1VT3VT5VT2VT4VT6OCAB整流电路滤波电路逆变电路图1.1.1变频器的主电路－＋UdZA三相电源ZBZC2、中间环节——滤波电路根据贮能元件不同，可分为电容滤波和电感滤波两种。由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，所以用电容滤波就构成电压源型变频器，用电感滤波就构成电流源型变频器。3、逆变电路——直－交部分逆变电路是交－直－交变频器的核心部分，其中6个三极管按其导通顺序分别用VT1～VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是彼此相差120°的交流电压，即实现了从直流电到交流电的逆变。输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率，达到了变频的目的。实际逆变电路除了基本元件三极管和续流二极管外，还有保护半导体元件的缓冲电路，三极管也可以用门极可关断晶闸管代替。1.1.2SPWM控制技术原理我们期望通用变频器的输出电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前技术而言，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器。目前技术很容易实现的一种方法是：逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波型与正弦波等效，如图1.1.10所示。θ1θ2θtδ1δ2δtωtUmsinωt图1.1.10单极式SPWM电压波形u等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份（图中n等于12，实际n要大得多），然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，脉冲幅值不变，宽度为δt，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形就与正弦波的正半周等效，称为SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation——正弦波脉冲宽度调制）波形。同样，正弦波的负半周也可以用同样的方法与一系列负脉冲等效。这种正、负半周分别用正、负半周等效的SPWM波形称为单极式SPWM波形。虽然SPWM电压波形与正弦波相差甚远，但由于变频器的负载是电感性负载电动机，而流过电感的电流是不能突变的，当把调制频率为几kHz的SPWM电压波形加到电动机时，其电流波形就是比较好的正弦波了。§1.3变频器的分类1.3.1按变换的环节分类1、交－交变频器交－交变频器直接将电网频率和电压都固定的交流电源变换成频率和电压都连续可调的交流电源。主要优点是没有中间环节，变换效率高。缺点是连续可调的频率范围比较窄，且只能在电网的固定频率以下变化。一般为电网固定频率的，主要用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统中。2、交—直—交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。在这类装置中，一般用不可控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变，则输出谐波可以减小。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减小的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。交—直—交变频器频率调节范围宽，变换的环节容易实现，目前广泛采用。通用变频器一般都采用交—直—交方式。1.3.2按直流环节的储能方式分类1、电压源型变频器在交—直—交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是—个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器，如图1.3.1（a）所示。RSTUVW（b）电流源型变频器RSTUVW（a）电压源型变频器C图1.3.1电压源型变频器与电流源型变频器2、电流源型变频器•当交—直—交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器，如图1.3.1（b）所示。•有的交一交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。1.3.3按控制方式分类1、U/f控制变频器U/f控制变频器的方法是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，通过使U/f（电压和频率的比）保持一定或按一定的规律变化而得到所需要的转矩特性。采用U/f控制的变频器结构简单、成本低，多用于要求精度不是太高的通用变频器。2、转差频率控制变频器转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进。这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环。速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则有电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。3、矢量控制变频器•矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的基本思路是将电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被成为矢量控制方式。4、直接转矩控制变频器•直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控矢量来控制。其特点为转矩控制是控制定子磁链，并能实现无传感器测速。1.3.4按用途分类1、通用变频器•通用变频器是指能与普通的异步电动机配套使用，能适合于各种不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。•一般用途多数使用通用变频器，但在使用之前必须根据负载性质、工艺要求等因素对变频器进行详细的设置。2、高性能专用变频器•高性能专用变频器主要用于对电动机的控制要求较高的系统。与通用变频器相比，高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是变频器生产厂家指定的专用电动机。3、高频变频器•在超精度加工和高性能机械中，通常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机的驱动要求，出现了PAM（脉冲幅值调制）控制方式的高频变频器，其生产频率可达3kHz。§1.4通用变频器的面板结构尽管生产变频器的厂家不同，型号各异，但其面板结构大致相同。图1.4.1是施耐德Altivar31变频器的面板结构。主要部分的作用为：...ESCENT▲▼STOPRESETRUNRUNEERCANAltivar31红色LED直流总线接通选择以前的菜单或参数或增大显示值选择下一菜单或参数，或减小显示值给定电位器，如果CtL菜单中的Fr1参数设置为AIP时激活RUN按键，电动机正向模式接通控制，如果I/O菜单中的tCC参数设置为LOC时激活2个CAN总线接通状态LED退出菜单或参数，或清除显示值，以恢复以前的显示值进入某一菜单或参数，或对显示参数或显示值进行储存STOP/RESET键用于故障复位可用于控制电动机停车，如果I/O菜单中的参数tCC没有设置为LOC，为斜坡停车模式，但如果过程中有注入制动，就会产生自由停车图1.4.1Altivar31变频器操作面板4个7段显示器1、给定电位器如果CtL菜单中的Fr1参数或Fr2参数设置为AIP时激活，此时通过调节该电位器升降速，目前多数变频器没有该电位器，而是通过▲、▼键升降速。2、▲键在选择菜单或参数时，选择上面的菜单或参数；调整参数时，增大显示值。3、▼键在选择菜单或参数时，选择下一菜单或参数；调整参数时，减小显示值。4、ESC键退出菜单或参数，或清除显示值，以恢复以前的显示值。在设置参数时，如果不希望对新设置的参数进行储存，而保留以前的数值，按此键返回即可。5、ENT键•在设置菜单或参数时，按ENT键进入某一菜单或参数；设置完毕，对显示参数或显示值进行储存，此时要按住ENT键直至显示参数或数值闪烁为止，有些参数或数值可以立即储存，而有些参数或数值需要按住ENT键2秒以上才能储存。6、RUN键•如果设置为本机控制（I/O菜单中的tCC参数设置为LOC），按一下RUN键，电动机正向模式运行；如果设置为2线或3线控制该键不起作用。7、STOP/RESET键•如果设置为本机控制，在变频器运行状态，用该键停车；如果设置为2线或3线控制，当CtL菜单中的PSt参数设置为yES时该键具有优先停车权，PSt参数设置为nO时该键不起作用；在变频器非运行状态，出现故障且已修复时，用该键复位。8、液晶显示器•4个7段显示，可显示的内容主要有：•（1）参数设置•（2）变频器运行时，显示运行状态,可显示电机频率、电机电流、电机功率、线电压、变频器热态等，具体显示内容根据需要设置。§1.5通用变频器的接线端子变频器能把电压、频率固定的交流电变换成电压、频率连续可调的交流电。变频器与外界的联系靠接线端子相连，接线端子又分主端子和控制端子。1.5.1变频器主端子•变频器的输入端分为三相输入和单相输入两种，而输出端均为三相输出，三相输入的主端子如图