变频器应用技术

变频器应用技术龙岩职业技能学院机电工程系——廖连生变频器应用技术内容大纲变频器概述变频器的结构和工作原理变频器的控制方式变频器管理注意事项变频器应用技术变频器概述第一部分内容大纲变频器应用技术引言:什么是变频器?顾名思义，变频器就是要改变电压或电流的频率，以改变交流异步电动机转速的机器。英文名称：Inverter，一般译作逆变器。学术解释：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器应用技术变频技术的发展过程变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、GTR（电力晶体管）、MOSFET（电力场效晶体管）发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、IPM（智能功率模块），器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM—VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。20世纪90年代，变频技术从V/F控制发展到矢量控制和直接转矩控制，从开环控制到闭环控制，2000年以后，变频技术结合ＰＬＣ技术，逐步向智能模糊控制方向发展。变频器应用技术我国变频器的应用现状20世纪90年代初中国企业界才开始认识并认识并尝试使用变频器，得到认可并大量使用是最近几年的事。变频器从一开始进入我国，国外品牌就占据大部分市场份额，同时，国内变频器的研制和生产也在向前发展，目前，国产变频器正在被更多的国内外客户认可和选用。当今，变频器的应用几乎涵盖了国民经济的各个行业，特别是在建材、钢铁、有色金属、采油、石化、纺织等领域应用广泛。采用变频器调速，除了替代过去的老式调速，更多的是用于老式调速无法胜任的新的调速领域。变频器应用技术变频调速效果应用目的应用范围及效果节能风机、泵类、采油、挤压机、搅拌机等。通过调节电动机转速达到节能目的，通过节能在1、2年内即可收回改造成本自动化提高搬运机械停止位置的精度；提高生产线速度、控制精度；采用有反馈装置的流量控制实现自动化提高产品质量生产加工实现最佳速度控制及协调生产线内各装置的速度，使其同步、同速，以提高产品的质量和加工精度提高生产率根据产品种类联网控制，实现生产线的最佳速度，提高生产率增加设备使用寿命采用对设备不产生冲击的起动、停止及空载低速运行等方式，增加设备的使用寿命增加舒适度电梯、电车等，采用平滑加速、减速，以提高乘坐的舒适性；改变空调间断运行为变速连续运行，使室内温差减小，增大环境舒适度变频器应用技术变频器的发展趋势向专用型方向发展向人性化方向发展易用性不断提高功率结构模块化智能化减小谐波影响变频器应用技术一、变频调速的基本原理三相交流异步电动机的同步转速：n1=（1-s)60f1/p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，改变电动机电源的频率f1，则可以平滑地改变电动机的转速。变频器应用技术（附）三种调速方法的特点变频调速变频调速具有调速范围宽，调速平滑性好，调速前后不改变机械特性硬度，调速的动态特性好等特点。变极调速三相异步电动机的变极调速是有级调速，通过改变磁极对数p，可以得到2：1调速、3：2调速、4：3调速及三速电机等，调速的级数很少。由于磁极对数p取决于定子绕组的结构，而且笼型转子的极数能自动地保持与定子极数相等，所以此调速只适用于特制的笼型异步电动机，这种电动机结构复杂，成本高。改变转差率调速变转差率调速一般适用于绕线型异步电动机或转差电动机。具体的实现方法很多，比如：转子串电阻的串级调速、调压调速、电磁转差离合器调速等。随着s的增大，电动机的机械特性变软，效率降低。变频器应用技术交流变频调速的特性调速时平滑性好，效率高。低速时，相对稳定性好。调速范围较大，精度高。起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。易于实现过程自动化。目前变频技术已经非常成熟，产品性价比非常高。在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。变频器应用技术二、变频器的作用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，如图所示。变频器应用技术三、变频器的分类1、按用途分：1）通用变频器：用在普通电动机的控制。2）高性能专用变频器：用在电动机控制要求较高系统。3）高频变频器：用在高速电动机，频率可达3KHZ。2、按变换环节分：1）交——交变频器：直接将电网交流电变为可调频调压的交流电输出，没有明显的中间滤波环节，故又称直接变频器。2）交——直——交变频器：将电网交流电经整流器转换为直流电，经中间滤波环节后，再经逆变器变换为调频调压的交流电，故又称间接变频器。变频器应用技术变频器的分类（续）3、按直流环节的储能方式分：1）电压型：直流环节的储能的元件是电感线圈L，如图a。2）电流型：直流环节的储能的元件是电容器C，如图b。变频器应用技术变频器的分类续）4、按控制方式分：1）PWM：指PulseWidthModulation，即脉冲宽度调制，改变脉冲电压的宽度（输出时间）以控制输出的电压幅值和频率，可只对逆变部份进行控制PAM两种；2）PAM：指PulseAmplitudeModulation的缩写，即脉冲幅度调制，它对变流部份进行控制，把交流变为直流同时改变直流的大小，在逆变部份控制频率输出。5、按工作原理分：1）V/F控制：对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使U/F的值保持一定而得到所需的转矩特性。2）转差频率控制：是对V/F控制的一种改进。3）矢量控制：是一种高性能异步电动机控制方式。变频器应用技术变频器的结构和工作原理第二部分内容大纲变频器应用技术一、变频器的基本结构通用变频器大多采用交——直——交变频变压方式，其基本结构如图所示：变频器应用技术变频器的基本结构——原理框图变频器应用技术变频器的基本构成——用户接口主回路接口控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口变频器应用技术通用变频器主电路如图所示，它主要由以下几部分组成。1、变频器的主电路——原理框图变频器应用技术变频器的主电路——用户接口变频器应用技术组成——由VD1—VD6构成的三相桥式整流桥。功能——将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变器电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络再引入整流桥的输入端，以吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为1200—1600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。电源电压为UL，则整流后的平均电压为：UD=1.35UL1）整流部分变频器应用技术组成——C1、C2及RC1、RC2。作用——对整流电路的输出进行滤波以减小直流电压和电流的波动。同时，逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。Rc1和Rc2的作用：一是作放电电阻，关机后将电容上的电尽放放掉；另一个是均压，保持滤波电容上的电压相等。2）直流中间电路——滤波电路变频器应用技术通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命会严重制约变频器的寿命。直流中间电路——滤波电路变频器应用技术限流电阻RL、开关S的作用——防止接通电源瞬间，对电容充电的过大电流损坏三相整流桥的二极管。当电容充电到一定程度，令开关S接通，将RL短路掉。电源指示HL除表示电源接通外，还有一个重要功能，即在变频器切断电源后，指示电容器上的电荷是否已经释放完毕。直流中间电路——限流电阻RL、开关S及电源指示HL变频器应用技术直流中间电路——能耗电路组成——制动电阻RB和制动单元VB。作用——当变频器输出频率下降过快（减速）时，电动机处于发电制动状态，拖动系统动能回馈到直流电路中，使直流电压上升，导致变频器本身的过电压保护电路动作，切断变频器输出。工作原理：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。变频器应用技术组成——逆变管V1—V6构成的三相逆变桥。作用——在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（IGBT即绝缘栅双极型晶体管）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出3）逆变电路变频器应用技术逆变电源电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护。逆变电路（续）变频器应用技术变频器的控制电路就是为变频器的主电路提供通断控制信号的电路。作用——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——模拟控制和数字控制。组成——运算电路、信号检测电路、驱动电路和保护电路。2、变频器的控制电路变频器应用技术变频器控制回路的接口接口类型主要特点主要功能开关量输入无源输入，一般由变频器内部24V供电，启/停变频器，接收编码器信号、多段速、外部故障等信号或指令开关量输出集电极开路输出、继电器输出变频器故障、就绪、达速等，参与外部控制模拟量输入0-10V/4-20mA频率给定/PID给定、反馈，接收来自外部的给定或控制模拟量输出0-10V/4-20mA运行频率、运行电流的输出，用于外界显示仪表和外部设备控制脉冲输出PWM波输出功能同模拟量输出（只有个别变频器提供）通讯口RS485/RS232组网控制以上端子均可自由编程变频器应用技术3、变频器的电力半导体器件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）变频器应用技术IGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护IPM（智能功率模块）PIM（功率集成模块）目前以IGBT和PIM使用较多变频器应用技术二、变频器的工作原理——单相逆变电路•当开关S1、S2、S3、S4轮流闭合和断开时，在负载上即可得到波形如图（右图）所示的交流电，完成直流到交流的逆变过程。•通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率•通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序变频器应用技术开关S1、S2、S3、S4用V1、V2、V3、V4开关三极管来代替变频器应用技术变频器的工作原理——三相逆变电路按照一定的规律来控制6个逆变器开关的导通和截止，就可把直流电逆变为三相的交流电。据此得到的交流电压是不能直接用于控制电动机运行的，实用的变频器要复杂的多。变频器应用技术变频器的工作原理——V/f控制V/f控制是在改变变频器输出频率的同时改变输出电压的幅值,以维持电动机磁通基本不变，从而在较宽的调速范围内，使电动