变频器初步培训材料(EMERSON)

1.1变频器定义变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制；整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。1.2变频器分类按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器。按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器。按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器；高压变频器、低压变频器；单相变频器和三相变频器等。1.3变频器的发展变频器是应交流电动机无级调速的需求而诞生的变频器是在电力电子技术的发展的基础上发展起来的1.3.1为什么要调速1、以节能为目的风机、水泵都是用交流电动机，由于负荷的变化，需要调节流量，过去由于交流电动机不能调速，只能使用阀门、挡板、回流（再循环门）等措施来调节风量和水的流量。造成很大的电能浪费。2、以提高产品质量、提高生产率为目的由于生产工艺上需要调速的生产机械来提高产品质量，如柠檬酸厂三效、四效养晶泵要求调速，以控制柠檬酸晶体的质量。由于煤的品种、热值的不同，锅炉给粉机的转速需要及时调整以适应燃烧的变化1.3.2常用的调速方法1、直流电动机调速2、液力耦合器调速方法3、变极对数调速方法4、串级调速方法5、绕线式电动机转子串电阻调速方法6、电磁调速电动机调速方法7、变频调速方法1、直流电动机调速由于直流电动机转矩容易控制，直流调速系统具有启动、制动性能好，调速范围广、静差小、稳定性好等优点。晶闸管整流装置的应用是直流电动机在自动调速系统中占据主导地位。缺点：直流电动机的单机容量、最高电压、最高转速、过载能力都受到机械换向的制约。135机组燃料卸船机主、副扬、小车使用2、液力耦合器调速方法液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速。其特点为：功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；尺寸小，能容大；控制调节方便，容易实现自动控制。5#、6#、7#炉的送、引风机，排粉风机使用3、变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。3#机甲循泵用4、串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速。其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。135机组8#、9#炉送、引风机内反馈电动机用5、绕线式电动机转子串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。60MW装卸桥、干煤棚行车主、副扬，大、小车上用6、电磁调速电动机调速方法电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，改变转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；调速平滑、无级调速；对电网无谐波影响；速度损失大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。60MW5#、6#炉给粉、给煤机用7、变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。1.3.3电力电子技术的发展过去为《晶闸管变流技术》，现在为《电力电子技术》20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子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获得了广泛应用。1.3.4电力电子器件的分类电力电子器件分类：可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中（1）晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；（2）电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；（3）还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。IGBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电力MOSFET优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。IGBT为变频调速普及奠定了基础20世纪80年代末，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开发成功，使变频器在许多方面得到了较大的提高。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是场效应晶体管(MOSFET)和电力晶体管(GTR)相结合的产物。其主体部分与GTR相同，也有集电极(C)和发射极(E)，而控制极的结构却与MOSFET相同，是绝缘栅结构，也称为栅极(G)，如图1-11(a)所示。其工作特点如下:控制部分控制信号为电压信号uGE，栅极与发射极之间的输入阻抗很大，故信号电流与驱动功率(控制功耗)都很小。主体部分因为与GTR相同，额定电压与电流容易做得较大，故在中小容量的变频器中，IGBT已经完全取代了GTR。就是说，IGBT是一种以极小的控制功率来控制大功率电路的器件。变频器所用的IGBT管，通常已经制作成各种模块。其主要特点如下:载波频率高大多数变频器的载波频率可在(3～15)kHz的范围内任意可调，电流波形大为改善。载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接近于正弦波，故电磁噪声减小，而电动机的转矩则增大。功耗减小由于IGBT的驱动电路取用电流小，几乎不消耗功率。瞬间停电可以不停机这是因为，IGBT的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减较慢，IGBT管不会立即进入放大状态。故在瞬间停电或变频器因误动作而跳闸后，允许自动重合闸，而可以不必跳闸，从而增强了对常见故障的自处理能力。可以说，IGBT为变频调速的迅速普及和进一步提高奠定了基础。2.0变频器原理调速的基本原理基于以下公式:式(1)中:n1—同步转速(r/min);f1—定子供电电源频率(Hz);P—磁极对数。一般异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系式(2)中:n—异步电机转速(r/min);S—异步电机转差率。由(2)式可知，调速的方法可改变f1、P、S其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频率f1，实现调速控制。由电机理论，三相异步电机每相电势的有效值与下式有关。式(3)中:E1—定子每相电势有效值(V);f1—定子供电电源频率(Hz);N1—定子绕组有效匝数;Фm—定子磁通(Wb)。由(3)式可分成两种情况分析:1、在频率低于供电的额定电源频率50Hz时属于恒转矩调速。变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通Фm不变，从(3)式可知，也就是要使E1/f1=常数。如忽略定子漏阻抗r1压降，U1=EI+I1(r1+jx1)≈E1，可以认为供给电机的电压U1与频率f1按相同比例变化，即U1/f1=常数。但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，因此要人为地提高定子电压，以作漏抗压降的补偿，维持E1/f1≈常数，2、在频率高于供电的额定电源频率50Hz时属于恒功率调速。当频率50Hz时，由于U1不能超过额定电压，当频率升高，转速升高，气隙磁动势减弱，最大转矩减小，输出功率基本不变。属于弱磁恒功率调速。2.1变频器常用的控制方式1、经典V/f控制（标量控制）原理2、转差频率控制原理3、矢量控制（VC）原理4、直接转矩控制（DTC）原理1、V/f控制V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种V/f协调控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，这种控制方式在低频时由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。因此，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。转矩补偿的基本原理为了使E1/f1＝const的条件得到满足，以维持磁通Фm基本不变，人们首先想到的办法便是:频率下降时，在U1/f1＝const的基础上增加Δu，适当提高U1/f1的比值，以补偿阻抗