变频器基础知识

变频器基础知识赵清湘主要内容1.变频调速基础知识2.变频器的硬件结构3.变频器常用功能解析4.变频器常见故障的原因分析及处理交流异步电机调速方式及效能n＝n0(1-s)=60f/p(1-s)1、从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。异步电动机转速方程式2、电机同步转速不变，输出转速变小时，转子电流增加，转子铜耗增加。即转速越低，转差功率越大。3、转差功率即转子铜耗。转差功率损耗增加---导致调速系统效能低交流异步电机调速方式及效能5、从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指调速时转差功率不变，因此无转差损耗，有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中。按效能分类，三相交流异步电动机的调速可分为三种：转差功率消耗型转差功率不变型转差功率回馈型4、在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速，调压调速；改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机、变频调速等。机械特性曲线(不改变同步转速)调压调速转子串电阻调速变级调速（△/YY接法）几种调速方式的机械特性曲线n01n02调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机高效、有级调速，系统简单，最多4段速调压调速转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高启动电流小，性能好可以和直流调速系统相媲美几种交流调速方式性能的对比低效，调速范围窄，电机最大出力能力下降低效，系统简单，性能较差，T电机转矩T负载转矩－－－加速运行T电机转矩T负载转矩－－－减速运行T电机转矩＝T负载转矩－－－恒速运行电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关dnT电机力矩－T负载阻力＝dtJT电机转矩－T负载转矩P电机功率＝T电机转矩×N电机速度×K常数MT电机转矩T负载转矩中间传动机构终端机械电力传动系统运动方程式交直交通用变频器系统框图～整流部分中间环节逆变部分M交流直流平滑直流交流整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦控制系统通用交-直-交电压型变频器主回路的构成VD1VD3VD5VD4VD6VD2RBVBC1C2V1V3V5V4V6V2D1D3D5D4D6D2RSPNKSRC1、2IB整流电路逆变电路滤波电路制动电路整流电路的两种构成形式1.二极管整流RSTD1D2D3D4D5D6DC+DC-以下变频器采用该结构：通用变频器,如LG的iH、iS尺寸为A、B、C、D、E、F（功率小于75KW）的西门子MM4变频器西门子书本型6SE变频器整流电路的两种构成形式2.晶闸管整流以下变频器采用该结构：尺寸为Fx、Gx（功率大于75KW）的西门子MM4变频器西门子书装机装柜型6SE变频器RSTPCC可控硅触发板PCUD1D3D5D4D6D2UL+UL-整流器问题：1、输入电流是双峰波，它的高次谐波成分很大，如果电动机容量很大，将导致电网电压波形畸变，对电网现场污染；2、功率因素低。功率因素的概念λ＝SPλ＝P/S=υ•cosφ功率因素包括两个方面：1、cosφ──位移因数；2、υ──电流的畸变因数，等于电流基波分量的有效值与总有效值之比：υ＝2725211IIII整流器的改进---12脉波整流整流器的改进---PWM整流器1、电网侧输入电流为正弦波，无功从感性到容性可调（包括功率因素为1）；2、双向功率流，既可整流，又可回馈；3、可在不稳定的电网中工作。逆变的基本原理三相逆变桥单相逆变桥逆变器件的发展-----起步始于晶闸管问题：1、晶闸管不能自行关断，造成主电路设计复杂；2、逆变后电压和电流波形不理想，造成电动机调速性能不佳。逆变器件的发展-----普及归功GTR（BJT）问题：1、应用了自关断器件，简化了主电路结构；2、SPWM技术应用于逆变器，改善了电流波形；3、GTR开关频率较低（＜2KHz），电流波形不十分理想，造成电动机电磁噪声较大，电动机转矩降低。逆变器件的发展-----提高全靠IGBT问题：1、IGBT是电压控制型器件，驱动功率小；2、IGBT开关频率达到20KHz，结合SPWM技术，大幅度地改善了电流波形，调速性能佳。逆变电路的SPWM变换电路常用的可关断器件有MOSFET、IGBT、IGCT、IGET；脉宽调制（PWM）通过可关断电力电子器件周期的开通可关断来改变输出电压，可获得较移相控制更好的性能；制动电路（1）泵升电压和再生能量在减速过程中，电动机的转速从n1下降至n2(变频器的输出频率从f1下降至f2)，电动机处于再生制动状态。电动机在再生制动状态发出的电能，将通过和逆变管反并联的二极管全波整流后反馈到直流电路，使直流电路的电压UD升高，称为泵升电压。如果直流电压UD升得太高，将导致整流和逆变器件的损坏，因此必须采取措施抑制泵升电压。制动电路（2）对再生能量的处理能量消耗型：这种方法是在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制一个功率管的通断。在直流母线电压上升至700V左右时，功率管导通，将再生能量通入电阻，以热能的形式消耗掉，从而防止直流电压的上升。并联直流母线吸收型：适用于多电机传动系统，所有的逆变部并接在一条共用直流母线上能量回馈型：可逆变流器将再生能量回馈给电网。这种方法对电源的稳定性要求较高，一旦突然停电，将发生逆变颠覆。西门子制动单元6SE7变频器的整流/回馈单元三相桥式PWM整流电路（AFE）1、既可以工作在整流状态，也可以工作在有源逆变状态；2、功率因数近似为1NaLNbLNcLNaUNbUNcUdL图7.27用IGBT实现的三相电流型PWM整流器dINC负载PWM调制带来的问题PWM输出的是一系列前后沿非常陡峭的方波，受电路中分布参数（寄生电容、电感）的影响，将导致：1、电动机端部电压震荡，过电压，损坏电动机绝缘；2、如果电缆过长，入射波和反射波在电缆中某处相遇，叠加形成驻波，会造成过电压，损坏电缆；3、寄生电容的充放电电流会流过IGBT，带来电流冲击。逆变器M150m/us输出滤波器1.输出电抗器：限制寄生电容的充放电电流，同时减小dv/dt值，输出电压为近似方波，应用最广；2.dv/dt滤波器：主要用于500V以上变频器或输出电缆较长的380V变频器；3.正弦波滤波器：主要用于输出电缆特别长的场合。为了消除上述危害，在使用普通电动机，380V逆变器输出电缆超过30m时，需要在逆变器输出端加装输出滤波器：变频器的控制方式1、V/f控制方式2、无编码器矢量控制3、带编码器矢量控制4、直接转矩控制电动机磁路的磁化曲线iABCΦΦBΦAΦCiCiAiBA点为临界饱和点B点为过励点C点为欠励点铁磁物质具有被磁化特性的原因—磁畴学说V/f控制方式V/f控制即我们常说的VVVF控制，即在改变变频器输出频率的同时改变其输出电压，使V/f的值保持恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定的一种控制方式。⑴f↓→Φm↑→励磁电流上升，导致电动机发热严重，功率因素降低。⑵f↑→Φm↓→Tm↓=KTI2ΦmCOSφ2→电动机拖动能力降低，过载能力下降，严重时会堵转。从电动机定子绕组电动势公式可知，若E1不变mwkNfEU1111L144.4jXriE1）（mwkNfEU1111144.4若要维持Φm为常数，则U1必须随频率的变化成正比变化，即1111mff∝ΦU≈E变频需变压V/f控制电压与频率关系图恒转矩调速恒功率调速UUNΦNΦ0ffNV/f控制系统框图SPWMt工作频率设定升、降速时间设定斜坡函数f(t)ufv/f特性曲线电压补偿设定fu驱动电路参考《MM440使用大全》功能图1100,5200,5300,6100。V/f控制方式的应用V/f控制电路结构简单，应用广泛，主要应用于风机、水泵，对调速性能要求不高的场合。一台变频器拖动两台以上电动机也只能采用这种控制方式。炼焦四大车的走行系统，煤车的螺旋给料等等。通用变频器常采用这种控制方式，价格便宜，如LG的iH、iS系列变频器。1、低速时输出转矩变小为保持气隙磁通Φm为常数，则电动机绕组电动势E1必须随频率的变化成正比变化，但E1不好测量，在设计变频器的时候，就忽略电动机定子绕组漏阻抗压降i（r+jX），用电动机电源电压U1来近似代替E1。但在低频时，定子绕组漏阻抗压降已不能忽略，造成低频时Φm减小，而使电动机的输出转矩减小。在现场，这个问题表现最多的就是启动困难，特别是带较大负载启动时表现更加突出。mwkNfEU1111L144.4jXriE1）（V/f控制方式的问题之一变频调速时电动机的机械特性曲线TNTˊ实践证明：在0~15HZ之内，采用V/f控制不能获得良好的启动和调速性能，解决方法是在低频段进行适当的电压补偿，以提升电动机的输出转矩。不同变频器中提到的电压补偿、转矩补偿、转矩提升是同一个概念。V/f控制方式的问题之二2、动、静态性能差V/f控制方式没有电流环，不能直接对转矩进行控制，它对负载转矩的响应靠的是转差率的变化，从而导致响应时间、调节时间、超调量、振荡次数这些动态指标变差。矢量控制矢量控制的实质是交流电动机的直流化控制它的基本思想是：通过坐标变换先将电动机的三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁通和电流分别控制的目的，这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。三相对称绕组产生的旋转磁场两相互差90°绕组产生的旋转磁场等效旋转的绕组通以直流电产生的磁场等效矢量控制系统框图n*t÷SPWMMnsetnact速度环PI调节器TsetφsetIT-set电流环PI调节器IT-actIΦ-actIΦ-set磁通PI调节器斜坡函数加减速时间参考《MM440使用大全》功能图7000,7010.矢量控制的应用注意事宜1.矢量控制需要对电动机的参数进行正确估算（主要是转子电阻）2.矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下3.电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能相差一个档次4.磁极数一般以２、４极为宜变频器常用功能1.给定方式选择功能2.模拟量输出功能3.数字量输出功能4.多段速功能5.回避频率功能6.加减速时间设定功能7.加减速方式选择功能8.停机功能9.控制方式选择功能10.转矩提升功能11.电子热保护功能12.启动方式选择功能启动困难故障的解决方法案例1焦化6#焦炉2台装煤车的旋转给料装置采用产电IH变频器，2009年4月相继出现启动困难（有时报过电流故障）。维修人员更换了2台变频器之后问题仍然得不到解决。经过观察和分析，故障原因由于连续下雨，造成煤湿，阻转矩过大，大于电机启动转矩而堵转过电流。LG产IH变频器的转矩补偿功能FUN8,9:手动转矩补偿FUNFWDboost082%FUNREVboost092%正向转矩补偿反向转矩补偿设定范围:0～20%案例2五米板2#成品库3台钢性天车小车采用6SE70变频器调速，A小车在某处启动时有卡阻点，造成启动困难，严重影响天车司机的操作，多次对机械提出整改要求，但机械方面处理难度大，时间长。启动困难故障的解决方法P318=1，选择电压补偿，P325=50V，补偿50V电压，P326=15，15HZ时补偿降为0。西门子产6SE7变频器的转矩补偿功能案例3五米板轧钢1#、2#冷床有两台太原重工产的电动夹钳，用于厚板的下线，该夹钳电气采用西门子S7-300PLC控制，ABB变频器驱动，机械采用丝杆传动；电动夹钳投入运行后一直存在卡阻现象，表现为在夹住钢板后操作打开夹钳时打不开，特别是在夹运红板时故障现象特别明显。太重多次派机械、电气技术人员现场调试，效果