变频技术原理及应用

祝大家事业有成！祝大家事业有成！一.变频器使用注意事项变频器使用注意事项1．严禁将变频器的输出端子U、V、W连接到AC电源上。2．变频器要正确接地，接地电阻小于10Ω。3．变频器存放两年以上，通电时应先用调压器逐渐升高电压。存放半年或一年应通电运行一天。4．变频器断开电源后，待几分钟后方可维护操作，直流母线电压（P+，P-）应在25V以下。5.避免变频器安装在产生水滴飞溅的场合。6.不准将P+、P-、PB任何两端短路。7.主回路端子与导线必须牢固连接。8.变频器驱动三相交流电机长期低速运转时，建议选用变频电机。9.变频器驱动电机长期超过50HZ运行时，应保证电机轴承等机械装置在使用的速度范围内，注意电机和设备的震动、噪音。10.变频器驱动减速箱、齿轮等需要润滑机械装置，在长期低速运行时应注意润滑效果。11.变频器在一确定频率工作时，如遇到负载装置的机械共振点，应设置跳跃频率避开共振点。12.变频器与电机之间连线过长，应加输出电抗器。13.严禁在变频器的输入侧使用接触器等开关器件进行频繁启停操作。14.电机首次使用或长期放置后使用，必须对电机进行绝缘检测。使用500V电压型兆欧表检测，电机绝缘电阻大于5MΩ。15.对电机绝缘检测时必须将变频器与电机连线断开。16.在变频器的输出侧，严禁连接功率因数补偿器、电容、防雷压敏电阻。17.变频器的输出侧严禁安装接触器、开关器件。18.变频器在海拔1000米以上地区使用时，须降额使用。19.变频器输入侧与电源之间应安装空气开关和熔断器。20.变频器输出侧不必安装热继电器。21.变频器使用寿命影响变频器寿命的元件大致有三种：自身冷却风扇上电时限流电阻短路接触器中间环节大容量电解电容注意：前两个元件是机械磨损元件，一般寿命为五年，第三个元件规定为五年，一般情况下五年后测量一下电容值，如果小于额定值的80%就应更换，实际上，如果变频器一直连续运行，电解电容可用十年。控制线应与主回路动力线分开，控制线采用屏蔽电缆。22.变频器与负载的配置变频器长期工作电流I变长=I电×115%（I电--电动机额定电流）变频器短期工作电流（可持续1～2分钟）I变短=I变×150%（I变--变频器额定电流）变频器瞬时工作电流（可持续数秒钟）I变瞬=I变×180%二.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4.定子和转子电流间的关系图2-4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5.电动势平衡示意图图2-5定子侧电动势平衡图6.负载改变时的速度变化图2-6负载变化、速度变化a）负载较轻b）机械特性c）负载较重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6.GTR大功率晶体管图3-5GTR逆变桥7.IGBT绝缘栅晶体管图3-6IGBT逆变桥VD1VD3VD5VD4VD6VD2RBVBC1C2V1V3V5V4V6V2D1D3D5D4D6D2RSPNKSRC1、2IB整流电路逆变电路滤波电路制动电路~38050HZ8.变频器主电路图图3-7变频器主电路结构图艾默生变频器基本配线图小功率变频器（5.5-7.5）KW中功率控制端子接线图9.整流和滤波电路图3-8整流和滤波电路10.充电过程的限流电路图3-9合上电源时的充电过程11.逆变电路的基本结构图3-10逆变电路的结构a）逆变电路b）输出电压波形c）输出电压等效波形1、测试整流电路找到变频器内部直流电源的P(positive)端和N(negative)端，将万用表调到电阻X10档，红表棒接到P，黑表棒分别依到R、S、T，应该有大约几十欧的阻值，且基本平衡。相反将黑表棒接到P端，红表棒依次接到R、S、T，有一个接近于无穷大的阻值。将红表棒接到N端，重复以上步骤，都应得到相同结果。如果有以下结果，可以判定电路已出现异常，A.阻值三相不平衡，可以说明整流桥故障。B.红表棒接P端时，电阻无穷大，可以断定整流桥故障或起动电阻出现故障。2、测试逆变电路将红表棒接到P端,黑表棒分别接U、V、W上，应该有几十欧的阻值，且各相阻值基本相同，反相应该为无穷大。将黑表棒接到N端，重复以上步骤应得到相同结果，否则可确定逆变模块故障二、动态测试在静态测试结果正常以后，才可进行动态测试，即上电试机。在上电前后必须注意以下几点:1、上电之前，须确认输入电压是否有误，将380V电源接入220V级变频器之中会出现炸机（炸电容、压敏电阻、模块等）。2、检查变频器各接播口是否已正确连接,连接是否有松动,连接异常有时可能导致变频器出现故障,严重时会出现炸机等情况。3、上电后检测故障显示内容,并初步断定故障及原因。4、如未显示故障,首先检查参数是否有异常,并将参数复归后,进行空载(不接电机)情况下启动变频器,并测试U、V、W三相输出电压值。如出现缺相、三相不平衡等情况，则模块或驱动板等有故障5、在输出电压正常（无缺相、三相平衡）的情况下，带载测试。测试时，最好是满负载测试三、故障判断1、整流模块损坏一般是由于电网电压或内部短路引起。在排除内部短路情况下，更换整流桥。在现场处理故障时，应重点检查用户电网情况，如电网电压，有无电焊机等对电网有污染的设备等。2、逆变模块损坏一般是由于电机或电缆损坏及驱动电路故障引起。在修复驱动电路之后，测驱动波形良好状态下，更换模块。在现场服务中更换驱动板之后，还必须注意检查马达及连接电缆。在确定无任何故障下，运行变频器。3、上电无显示一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起，如启动电阻损坏，也有可能是面板损坏。4、上电后显示过电压或欠电压一般由于输入缺相，电路老化及电路板受潮引起。找出其电压检测电路及检测点，更换损坏的器件。5、上电后显示过电流或接地短路一般是由于电流检测电路损坏。如霍尔元件、运放等。6、启动显示过电流一般是由于驱动电路或逆变模块损坏引起。7、空载输出电压正常,带载后显示过载或过电流该种情况一般是由于参数设置不当或驱动电路老化,模块损伤引起12.电动机状态图3-11电动机状态a）空载示意图b）矢量图c）电路图d）电压、电流曲线13.励磁状态图3-12励磁状态a）带载示意图b）矢量图c）电路图d）电压、电流曲线a）重载示意图b）矢量图c）电路图d）电压、电流曲线14.发电机状态图3-13发电机状态反并联二极管的作用：电机绕组磁场作功，发电状态，电流通过反并联二极管流向直流电路。15.磁通传递能量图3-14异步电动机的能量传递磁通量须恒定Φ↓→TM=KTI2ΦMCOSφ2↓Φ↑→磁路饱和→励磁电流畸变，产生尖峰电流磁通量Φ↑磁路饱和电流增大磁通量Φ↓电机转矩TM下降16.变频不变压磁通饱和图3-15频率下降出现磁通饱和17.磁路饱和的结果图3-16励磁电流饱和与磁通的关系a）简单磁路b）磁通不饱和c）磁通深度饱和18.保持磁通不变图3-17保持磁通不变的途径变频须变压：定子绕组电动势：E1=4.44K1N1f1ΦU1≈E1故U1=KMf1ΦΦ=KΦU1/f1=常数故U1/f1=常数故要保持Φ恒定，只要变频又变压19.定子等效电路图3-18定子等效电路a）定子绕组b）等效电路c）电动机的磁通20.PAM（脉幅调制）整流变压逆变变频图3-19脉幅调制整流变压逆变变频21.PWM图3-20脉宽调制整流逆变变频变压脉宽调制22.正弦脉宽调制（SPWM）图3-21正弦脉宽调制（SPWM）23.实现SPWM（单极性）图3-22单极性调制•变频器是一种电源变换的设备，给电动机提供的电源必须满足电动机的使用要求。即输出正弦波形的电压和电流。•逆变SPWM等幅不等宽的矩形脉冲波形面积，与正弦波形面积等效。逆变器的特性：24.双极性SPWM图3-23双极性调制25.双极性调制的死区及影响图3-24双极性调制的死区及影响•载波频率提高，电磁噪音减少，电机获得较理想的正弦电流曲线。•开关频率高，电磁幅射增大，输出电压下降，开关元件耗损大。载波频率的特性26.低速转矩下降（1）电动机在fx＜fN时的机械特性图3-25U/f=恒定值条件下的机械特性27.转矩下降的原因分析U1下降→I1r1在U1中的比例增大28.低频电压补偿图3-26电压补偿原理•△U的大小随负载电流而变化•U/F的比值只能设定一次；•所以负载变动时不能始终工作在最佳状态，即轻载时磁路易饱和。电压补偿的特性29.矢量控制简述1）直流调速图3-27直流电动机的调速特点2）矢量控制的原理图3-28矢量控制原理示意图等效变换30.在额定转速上的比较图3-29额定转速上的比较a）异步电动机特性b）直流电动机特性四、电动机调速特点1.变频器的输出电流图4-1电动机的电流2.电流和功率的关系图4-2转速下降.输出功率下降.节能变频器各部分电流关系：变频器输出电流IM取决于负载转矩，当负载转矩恒定，IM大小与速度无关；直流回路的电流随频率下降而减少；变频器输入电流随频率下降而减少。3.电机降速耗能低图4-3电动机调速的特点4.去掉减速器的错误去掉减速器图4-4用变频器取代减速器！能量守恒，降速降功率5.增强带负载的能力问题提出：•重物圆周运动到A点电机过载•B点电机堵转，变频器过流图4-5重物圆周运动措施：加大传动比，增加变频器输出功率6.一台变频器带多台电动机图4-6一台变频器带多台电动机变频器的额定电流：•多台电动机同时启动和运行IN＞1.05~1.1×∑IMN•多台电动机分别启动IN＞（1.05~1.1×∑IMN＋K1×∑IST）/K2一台变频器带多台电动机IST=电机起动电流K1=1.2，1.5~2自由状态K2=1.5变频器过载能力五.三种典型负载特性1.恒转矩负载图5-1恒转矩负载及其特性a）带式输送机b）机械特性c）功率特性2.恒功率负载图5-2恒功率负载及其特性a）卷径最小时b）卷径较大c）卷径最大3.二次平方负载图5-3二次平方负载及其特性a）风机示图b）机械特性c）功率特性--TL=KL*n2--PL=KP*n3六.变频调速系统接电抗器的作用1.变频器输出端接入电抗器的场合图6-1需要接入电抗器的场合a）电机与变频器距离远b）小变频器带轻载大电机输出电抗器作用：抑制变频器电磁幅射干扰抑制电动机电压谐振2.输入交流电抗器作用：1）提高功率因数2）抑制高次谐波3）削弱电流浪涌3.接入交流电抗器的场合图6-3接入交流电抗器的场合a）多台变频器接同一电源b）同一电源上接有大容量晶闸管设备c）变压器容量超过变频器容量十倍以上d）电源电压不平衡度≥3%4.直流电抗器做用：1）提高功率因数2）拟制电流尖峰七.变频器的抗干扰1.变频器的干扰源图7-1变频器的电压、电流波形2.电路耦合干扰—电路传播：1）电源线2）地线措施：1）隔离变压器2）光耦隔离3）正确接地3.感应耦合干扰—电磁感应—静电感应1）电磁感应是电流干扰传播方式2）静电感应是电压干扰传播方式4.抗干扰措施