煤矿变频器变频调速装置培训教程

变频调速装置培训教程唐山开诚电控设备集团有限公司-2-1、异步电机基础知识三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1所示。图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速与电流的变化是同步的。旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。一、异步电动机原理-3-定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。为此我们称三相电动机为异步电动机。异步电动机的同步转速由电动机的磁极对数（极对数）和电源频率所决定。电机的同步转速：ns=60f/p且转差率：s=ns-n/ns因此，电动机的转子转速：n=ns×(1–s)=60f/p×(1–s)其中：n———电动机转速，r/min；ns———同步转速，r/min；f———电源频率，Hz；p———电动机磁极对数；s———转差率。一、异步电动机原理2、上式表明，异步电动机的调节转速的基本途径有：1.改变磁极对数P改变磁极对数实际上就是改变定子旋转磁场的转速。所以磁极对数的改变是通过改变定子绕组的接法来实现的，如图a、图b所示。这种调速方法的缺点是显而易见的：（1）一套绕组最多只能变换两种磁极对数，一台电动机只能放两套绕组。所以最多也只有四档转速。（2）不管在那种接法下运行，都不可能得到最佳的运行效果，就是说，其工作效率将下降。（3）在机械特性方面，不同磁极对数下机械特性的“临界转矩”是不一样的，故带负载的能力也不一致，如图c所示。（4）调速时须改变绕组接法，故控制电路比较复杂。显然这不是一种好的调速方法。图a图b图c一、异步电动机原理-5-2.改变转差率s改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的。所以，这种方法只适用于绕线转子异步电动机，如图d。这种调速方法虽然在一部分机械中得到了较为普遍的应用，但其缺点也是十分明显的:(1)因为调速电阻是在外部的，为了使转子电路和调速电阻之间建立电的联系，绕线转子异步电动机在结构上加入了电刷和集电环等薄弱环节，提高了故障率。(2)调速电阻内将白白的消耗掉许多电能。(3)转速的档次也不可能很多。(4)调速后的机械特性较“软”，不够理想。如图e图d图e注：由于电阻箱发热，容易变形，故此种方法尤其不适用于煤矿井下等防爆要求等级高的场所！一、异步电动机原理-6-3.改变频率f调节了电动机的频率，便调节了同步转速，也就调节了异步电动机轴上的转速，并且只有变频，异步电动机才能实现无级调速，才有可能和直流电机一比高低。变频调速具有以下特点：（1）调速范围广，精度高。通用变频器的最低工作频率为0.5HZ，档次较高的变频器的最低工作频率可达0.1HZ，电动机转速可在0.1至50HZ之间调节。（2）调速平滑性好，效率高。（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。（4）在工作特性方面，不管是静态特性还是动态特性，都能做到和直流调速系统不相上下的程度，如图f。（5）经济性方面，变频调速装置的价格虽明显地高于直流调速装置，但在故障率方面，由于直流电机本身的弱点，变频调速系统具有较大的优势。这也是为什么变频调速技术发展得十分迅速的根本原因。由于变频器具有以上优点，所以它广泛用于钢铁、化工、水泥等行业，近年来矿山对变频器的需求也能与日俱增，它主要应用于输送带、提升机、刮板机、采煤机及乳化液泵等系统，这也是我们今天要学习变频器的主要原因。一、异步电动机原理交交变频把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换频率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下（0-f/2），故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。1、变频器的分类1.1按变换环节分交直交变频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及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速的普及应用的主要是这一种。我们公司也主要生产这一种变频器，本教程也只介绍这一种变频器。二、变频器基础知识PAM脉幅调制把变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。1.2按输出电压的调制方式分PWM脉宽调制变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM）方式，这也是本教程所要介绍的方式。二、变频器基础知识电流源型1.3按直流环节的储能方式分直流环节的储能元件是电容器CF，如图H。本教程将只介绍电压型变频器。电压源型图G图H直流环节的储能元件是电感线圈LF，如图G。二、变频器基础知识1.3按控制方式分根据电压、频率对应关系对变频器的频率和电压进行控制，称为U/f控制，又称VVVF控制方式。矢量控制直接采用空间电压矢量，直接在定子坐标系下计算并控制电机的转矩和磁通；采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM（空间矢量SPWM）直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。直接转矩控制转差频率控制利用速度传感器检测出转差频率，实现转差补偿的的闭环控制方式称为转差频率控制方式，是为了提高U/f控制的静态调速精度的一种控制方法。为了提高变频调速的动态性能，根据交流电机的数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量和转矩分量电流，并分别加以控制的一种方式。U/f控制二、变频器基础知识通用变频器的基本电路如图I所示，它由4个主要部分组成：1、整流部分，把交流电压变为直流电压。2、滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电。3、逆变部分，把直流电又转换成三相交流电，这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的PWM波，或者正弦脉宽调制SPWM波，当这种波形的电压加到负载上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦形波的电流波形。三、变频器的原理图I-12-1、整流部分整流管VD1～VD6组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。如电源的线电压为UL，则三相全波整流后平均直流电压UD，的大小是UD=1.35UL若使用的三相电源的线电压为660V，则全波整流后的平均电压是UD=1.35×660V=891V如图J图J三、变频器的原理-13-整流部分实际使用器件660V变频器用1140V变频器用三、变频器的原理-14-2、滤波部分滤波部分采用的是滤波电容器CF，即电解电容，其功能是：1.滤平全波整流后的电压纹波；2.当负载变化时，使直流电压保持平稳。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波的电路通常由若干个电容器串联成一组，变频器的直流电压越高串联的数量就越多，串联后又由于电容量下降，又由若干个电容器组并联而成，变频器的容量越大，并联的电容器组的数量就越多。因为电解电容的电容量有较大的离散性，故电容器CF1～CF6的电容量常不能完全相等，这将使他们承受的电压不相等，为了使每个电容器所承受的电压相等，在CF1～CF6各并联一个阻值相等的均压电阻RC1～RC6。我公司生产的660V变频器采用三个电容组串联；1140V的变频器采用六个电容组串联，如图K。所有电解电容的最高耐压值均为450VDC；电容量从3300MFD～10000MFD不等。图K原理图三、变频器的原理-15-实物图滤波电容均压电阻三、变频器的原理滤波部分实际使用器件-16-3、限流部分当给变频器合上电源的瞬间，滤波电容器组CF的充电电流是很大的。过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里电路内串入限流电阻RL，其作用是将电容器组CF的充电电流限制在允许范围以内。开关SL的功能是：当给CF充电到一定程度时（即直流母线电压上升到接近正常直流母线额定电压值时），令SL接通将RL短接掉。有些变频器SL已由晶闸管代替，我公司生产的变频器开关SL为接触器的触点。根据变频器的电压和功率等级的不同，我公司生产的660V两象限变频器的限流电阻RL和接触器SL在直流侧，四象限和1140V变频器的限流电阻RL和接触器SL在交流侧，如图L。图L三、变频器的原理-17-限流电阻三、变频器的原理限流部分实际使用器件-18-4、逆变部分逆变管V1～V6组成逆变桥，把VD1～VD6整流所得的直流电再“逆变”成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。单相逆变桥的构成及工作过程如图M所示。1.前半周期：令V1、V4导通；V2、V3截止。则负载ZL上所得电压为a“+”、b“-”，设这时的电压为“+”。2.后半周期：令V1、V4截止；V2、V3导通。则负载ZL上所得电压为a“-”、b“+”，设这时的电压为“-”。两种状态如能不断地反复交替进行，则负载ZL上所得到的便是交变电压了。这就是由直流变为交流的逆变过程。图M三、变频器的原理-19-三相逆变桥与单相逆变桥相同，只要注意三相之间互隔T/3就可以了，如图N所示。图N由此可知，逆变桥是实现变频的关键部分，他由六个开关器件构成。这些器件必须满足以下要求：1）能够承受足够大的电压和电流；2）允许长时间频繁的接通和关断；3）接通和关断的控制必须十分方便。显然，手动的刀开关和机械式的接触器都无法满足上述条件。三、变频器的原理IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)-20-变频器的核心器件IGBTIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。图O是IGBT的结构、等效电路和电气符号。图O三、变频器的原理-21-IGBT与GTR（大功率复合晶体管又称达林顿管）相比具有以下的优异性，主要优点有：1）IGBT管的开关频率比GTR管提高了一个数量级；2）IGBT管是电压控制器件（和场效应管类似），其驱动电路的功耗极小；此外，在电源断电时，驱动电源的电压衰减较慢，整个管子不易进入放大区而损坏；3）GTR管有二次击穿现象，管子较易损坏。IGBT管则无此现象。主要缺点有：1）迄今为止，其最大的管子容量比GTR管略小；2）由于其驱动部分与场效应晶体管相同，因此，在存放和焊接时，如不加注意，较易损坏。GTR管则无此现象。三、变频器的原理-22-下图P为变频器逆变部分的原理图及输出波形图P下图蓝色为电压波形，红色为电流波形三、变频器的原理-23-左边660V变频器使用，右边1140V变频器使用1700V3300V三、变频器的原理逆变部分实际使用器件1、变频器控制系统接口介绍四、唐山开诚矿用防爆变频器的应用-25-主控板接口-与主板的接口，使用26P接