变频调速的基本原理.

怯党沟黍账靛轮朔猾润千颇交悦酉授吭酱妙扩蓬躬秉赞蝴波讼匆族寅换咨变频调速的基本原理变频调速的基本原理变频调速的基本原理毛长柏二008年七月曲搽艺嘛亮诱臣拐基累炽熟撼缀琉贤踊艳颅因窒冗粕刹褂丛穗惑还呸票镭变频调速的基本原理变频调速的基本原理变频调速系统的核心是变频器，变频器的构成及工作原理较复杂，本课题仅对变频器的基本原理、安装及维护等作一简单介绍。一、概述1变频调速的基本原理我们知道，三相交流异步电动机的转速为；式中f1---电动机电源的频率(Hz)；p---电动机定子绕组的磁极对数；s---转差率。可见，在转差率s变化不大的情况下，可以认为，调节电动机定子电源频率时，电动机的转速大致随之成正比变化．若均匀改变电动机电源的频率，则可以平滑地改变电动机的转速。湃薯伦串痴寿础桂澎掺头为做坎瘸茧尝喘物娃龙庐碘魏贬寸匆呀试行各捧变频调速的基本原理变频调速的基本原理2变频器及其分类变频器是利用半导体器件的通断作用将频率固定(通常为工频50Hz)的交流电(三相或单相)变换成频率连续可调的交流电的电能控制装置，其作用如下图所示。变频器的种类很多，分类方法也有多种。跪末营蹭城岭宪纸藩而吃收俄玫岸裂勒庸丰亏绕抒播模茄吉乌锈氟渊瑞笋变频调速的基本原理变频调速的基本原理(1)按变换环节可分为二类1）交—交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率和电压连续可调的交流电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的l／2以下，主要适用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统中。2)交一直一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。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面，部有明显优势，是目前广泛采用的变频方式。(2)按直流环节的储能方式分为二类1)电流型变频器直流环节的储能元件是电感线圈L，如下图a所示2)电压型变频器直流环节的储能元件是电容器C，如下图b所示。著径豌敌头坚欲毛惶尚粤雾统驳渭艰添萎思或宽疽滑蟹蚂习覆遮墩糜肾蜕变频调速的基本原理变频调速的基本原理赵爪咐窿蛾穿址嫩绢望卯蒲耶赚戌竿铲擎佃杯眷灼柴渗彬额堕针姿阀窘啡变频调速的基本原理变频调速的基本原理(3)按工作原理LⅡ分为三类1)V/ｆ控制变频器V/ｆ仃控制的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/ｆ(电压和频率的比)的值保持一定而得到所需的转矩特性。采用V/ｆ控制的变频器控制电路结构简单，成本低，多用于对精度要求不高的通用变频器．2)转差频率控制变频器转差频率控制方式是对V／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由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摔制转矩和电流，与V/ｆ控制相比其加减速特性和限制过流的能力得到提高。戚挨赎泌馅氢董垄氓躇瞧冀诅娃屈桅戎仪奄还空痹贩沈氨凭阜询戒瘪鳖表变频调速的基本原理变频调速的基本原理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力式，它的基本思路是：将异步电动机的定子电流分为产生磁场电流的分量(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，即定于电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。转差频率控制和矢量控制的原理鞍复杂，本次不作进一步的讨论。岩池亥孵物疲鹃磋扼善浪衙弯倡迫刚哦剔顶三总拍隧姓然睡奋琅算以支搅变频调速的基本原理变频调速的基本原理(4)按用途可分为三类I)通用变频器所谓通用变频器，是指能与普通的笼型异步电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供选择功能的变频器。2)高性能专用变频器高性能专用变频器主要应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厂家指定的专用电动机。3)高频变频器在超精密加工和高性能机械中，常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，出现了采用PAM(脉冲幅值调制，是一种在整流电路部分对输电压的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输山频率进行控制的控制方式)控制方式的高频变频器，其输出频率可达到3kHz。取默餐谦晦梨蕴索匝幕抬觉丫炙乏傍匠梧监铆素矣高玫谤墒钮仍少艰漠远变频调速的基本原理变频调速的基本原理二变颛器的基本结构目前生产中广泛应用的是通用变频器，根据功率的大小，从外形上看有书本型结构(0.75～37kW)和装柜型结构(45～1500kW)两种。日本日立公司的J300系列通用变频器为书本型结构，其外形和结构如下图所示。a)外型b)结构l一底座2一外壳3一控制电路接线端子4充电指示灯5一防护盖板6一前盖7螺钉8一数字操作面板9主电路接线端于lO一接线孔赏楞刷确芭拳奉税焰练乐考频便炬扔瘦渔洪拧狡涟廖卷援砧锑效倡低遵一变频调速的基本原理变频调速的基本原理从电路结构上看，通用变频器大多采用交---直---交变频变压方式，其基本构成如下图所示。交---直---交变频器的基本构成桅略争应溉裕档雪业隙旭玄杨僧搔鄙女琅办育跪萍侮阵亥氰窜迈雇太荤蜡变频调速的基本原理变频调速的基本原理(1)变频器的主电路通用变频器的主电路如下图所示．它主要由以下几部分组成；交--直一交变频器的主电路课谩兴钵诫佐家攻娱迂潞减市翟抽讼缕曰击岔紫揽捎倾惯敢绎双顿骄佳滓变频调速的基本原理变频调速的基本原理1)整流部分整流部分的作用是将频率固定的三相交流电变换成直流电。包括：①三相整流桥由整流二极管VDI～VD6构成三相桥式整流电路。如电源的线电压为UL整流后的平均电压为：②滤渡电容器CF其作用是滤平桥式整流后的电压纹波，使直流电压保持平稳。③限流电阻RL和开关S在变频器电源接通的瞬间，滤波电容CF的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管。为了保护二极管在电路中串入限流电阻RL，从而将电容器CF的充电电流限制在允许的范围内。当CF充电到一定程度，令开关S接通，将RL短接掉。在许多新系列的变频器中。s已由晶闸管代替。聪悯腮吸苔萨腰弓允蝗瓢熔天粹晴耐膨汞扁尘苑许硅撼境莉缸佐因讽学窥变频调速的基本原理变频调速的基本原理④电源指示HLHL除表示电源是否接通外，还有一个重要的功能，即在变频器切电源后，指示电容器CF上的电荷是否已释放完毕。电容器CF的容量较大，而切断变频器电源又必须在逆变电路停l止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电电路，其放电时间往往需数分钟，而CF上的电压又较高，如不放完，将对人身安全构成威胁。故在维修时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器的内部带电部分。2)逆变部分①逆变管V1～V6构成三相逆变桥，这六个逆变管按一定规律轮流导通和截止，将直流电逆变成频率可调的三相交流电。②续流二极管VD7--VDl2的主要作用是在换相过程中为电流提供通路。③缓冲电路(R01--R06、VD01—VD06、C01—C06)的作用是限制过高的电流和电压，保护逆变管免遭损坏。骗例桐炒烬目届窥碰脚捷胡壹徊暮蔑因邯竞粮创亩侧千露祸妄撒铀刺絮帅变频调速的基本原理变频调速的基本原理3)制动电阻RB和制动单元VB采用了变频器的交流调速系统中，电动机的减速是通过降低变频器的输出频率来实现的。在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电压上升，导致变频器本身的过电压保护电路动作，切断变频器的输出。为避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，RB和VB的作用就是消耗这部分能量。如上图所示。当直流中间电路的电压上升到一定值时，制动三极管VB导通．将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。泥峦偶裙漏画储硬舜毯子大孤铬二恋乃团脯挪散凛滔向气乌啡厨谱钩测赐变频调速的基本原理变频调速的基本原理(2)变频器的控制电路为变频器的主电路提供通断控制信号的电路，称为控制电路。其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。目前已广泛采用了以微处理器为核心的全数字控制技术，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种控制功能,以充分发挥微处理器计算能力强和软件控制灵活性高的特点，完成许多模拟控制方式难以实现的功能。控制电路主要由以下部分组成。1)运算电路运算电路的主要作用是将外部的速度、转矩等指令信号同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出频率和电压?2)信号检测电路将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器按事先确定的算法进行处理后为各部分电路提供所需的控制或保护信号。3）驱动电路驱动电路的作用是为变频器中逆变电路的换流器件提供驱动信号。当逆变电路的换流器件为晶体管时，称为基极驱动电路；当逆变电路的换流器件为SCR、IGBT或GTO时，称为门极驱动电路。4)保护电路保护电路的主要作用是对检测电路得到的各种信号进行运箅处理，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到出现异常时，进行各种必要的处理，如使变频器停止工作或抑制电压、电流值等。师揉幌种艘牲赐剁坡蕉诡皑倦衍永带渣宗椰痞植赃潍些劳射倔诡庇枷世肆变频调速的基本原理变频调速的基本原理通用变频器的蝇型硬件结构如图4—56所示。冷帛醚邮匣氦悦脊租盖膛皮贪壤楔寇闹功厕撒浅炸却脏攻涅春嗓叮辆哉茹变频调速的基本原理变频调速的基本原理(3)变频器中的电力半导休器件目前，变频器中用作逆变的电力半导体器什主要有晶闸管(SCR)、门极可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率场效应管(功率MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、智能功率模块(IPM)等。1)晶闸管(SCR)晶闸管没有自关断能力，用门极电流触发，关断时要使正向阳极电流减小到维持电流以下，或者在阳极和阴极间加反向电压。因此在逆变电路中使用时需要另设换流电路，造成电路结构复杂，增加了变频器的成本，但由于元件容量大，在l000kVA以上的大容量变频器中得到广泛应用。2)门极可关断晶闸管(GTO)门极可关断晶闸管是一种可通过门极信号控制导通和关断的晶闸管，与普通晶闸管不同，它是利用门极反向电流而获得自关断能力，因此不需要外部换流电路。由它构成的变频器具有结构简单，体积小，成本低，损耗少等优点，在变频器中正在逐步代替普通晶闸管。3)电力晶体管(GTR)电力晶体管主要是采用达林顿连接的双极型晶体管，它既扩大了容量，又保持了晶体管的固有特性，用基极电流可控制其关断，不需换流电路，在开关频率为数千赫的中小容量PWM(脉冲宽度调制)变频器中被广泛采用。盂爬垂缚到行料姥壶撮扑姆沾预辜挨品服守泣巡许廉寝撒颤埋凳醇厉颈筹变频调速的基本原理变频调速的基本原理4)功率场效应管(功率MOSFET)功率场效应管是根据门极电压的电场效应进行导通、关断的单极晶体管，与电力晶体管相比，具有速度快、损耗小、驱动功率小、抗干扰能力强等优点，广泛应用于小容量变频器中。5)绝缘栅双极晶体管(IGBT)绝缘栅双极晶体管是通过栅极驱动电压来控制的晶体管，它集功率MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度陕、驱动电路简单和通态电压低、耐压高等优点，冈此有取代GTR和功率MOSFET的趋势。目前变频器主要生产厂家推出的中小容量新产品中大都采用IGBT作为换流器件。6)智能功率模块(IPM)智能功率模块是一种将功率开关器件及其驱动电路、保护电路等集成在同一封装内的集成模块。目前IPM一般采用IGBT作为功率开关器件，对接收到的控制信号经光电耦合隔离后对IGBT进行驱动，并同时具有过电流保护、过热保护以及驱动电源电压不足时的保护等功能。魂沾记堰凯耘赦详雀谰工卿寸幽份揉滁倪改匠财强甄锨蜜华完裙返粗奶面变频调速的基本原理变频调速的基本原理2变频器的工作原理(I)逆变的基本工作原理将直流电变换为交流电的过程称为逆变，完成逆变功能的装置叫逆变器，它是变频器的重要组成部分。电压型逆变器的动作原理可用如下图所