变频器应用内蒙古科技大学.docx

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变频器应用内蒙古科技大学

绪言

一、无级调速的历史

1902年美国Hewitt发现汞弧单向导性，发明了玻璃制的水银整流器

1904年电子管问世，无线电音响广泛应用，但功率小，大功率还得使用水银整流器。

1914年美Langmuiv发明汞弧的控制功能，并率先用在热阴极放电管，此时还没有变频技术，因此F-D机组支配无级调速。

1930年铁制水银整流器实用化，第一次出现静止电力变换装置

随着电力电子技术及微机技术的发展，功率半导体电力变频技术迅速发展，取代水银整流器，20世纪60年后半，从SCR、GTO、BJT（双极型晶体管）

MOSFET（金属氧化硅场效应管）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）发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压IGBT），器件每次更新都为电力电子技术发展注入新的活力，电机调速发展从F-DSCR-DVVVF-D（见书）

二、变频技术的发展

VVVF→矢量变频→直接转矩控制变频调速（直接在定子坐标系下分析交流电机数模，控制磁通和转速）。

三、半导体电力变换技术的发展：

朝高性能化、高频化、大容量化发展

缺点：

①高频电磁噪声电磁干扰（EMI）

②谐波COSΦ↓电流畸变，其它电器故障，设备容量下降，过热、振动。

噪声，绝缘老化，谐振，误动作等。

解决①误②问题是一个重要的课题。

科学家预言：

21世纪，电力电子技术连同运动控制将和计算机技术一起成为最重要的两大技术。

四、推广变频调速技术的现实意义

①加工精度：

工艺水平及工作效率上升从而质量和数量提高

②体积和重量下降

③对风机和泵类负载，节电（20～60）%

五、变频器的额定数据和分类

1、额定值

⑴额定输入值

2额定输入电压U1N:

②相数：

单相、三相

③频率f1N：

我国50H

（2）输出侧额定值：

①额定电压UN：

UN通常为输出最大电压一般UN=U1N.V或KV

②额定电压流IN：

允许长时输出的最大电流。

A或KA

3额定容量Sn：

sn=

UNINKVA

4配用电机容量PN：

在连续不变负载中，允许配用的最大电动机容量KW

⑤过载能力：

输出电流允许超过额定值的倍数和时间。

一般：

150%，1min

（3）输出频率指标：

①频率范围（fmin～fmax）如（0.1～400）HZ

②频率精度（fout-fgd）/fmax

③频率分辨率：

输出频率的最小改变量

2、分类

交一直一交

（1）以电流

（2）

交一交电压型

（2）以直流电路储能环节（滤波方式）分类

电流型

正弦脉宽调制-（SPWM）、中小容量

（3）以电压调制方式

脉幅调制（PAM）-：

电压大小通过调节直

流电压幅值实现

三进三出变频器

（4）以输入电流相数

单进三出变频器

六、目前市场流行的变频器

7、参考书：

（1）PWM变频调速及软开关电力变换技术，陈国呈，机械工业出版社

（2）三菱电机朱式会社编：

变频器调速用手册，许振茂等译。

电器工业出版社1992

（3）变频调速应用实践，张燕主编，机械工业出版社2000

（4）通用变频器及其应用，韩安荣，机械工业出版社2000

第一章：

中小容量通用型变频器电路结构

一、交一直一交电压型变频器额的主电路

1构成：

2、主回路（P10图1-1）

（1）交一直变换电路

①全波整流电路（见P10图1-1）整流元件选择；最大反向电压URM=2Um=2×

×380=1073V,UM=

U1N→振幅值

最大整流电流-IVDM=2I1N（变频器）

②滤波及限流电路

受容量以及耐压限制，滤波由若干电容串并联组成。

（2）直一交变换电路

①三相逆变桥电路（逆变器件选择）

1）击穿电压Ucex=2UDMaX=2×

×380=1073,选1200V

UDMaX:

直流电压最大值

2）集电极最大电流：

ICM=2Imax、Imax=

IN

②续流电路：

作用1）为电动机绕组无功电流返回直流电路提供通道

2）当频率下降时，为电动机再生发电电能反馈至直流回路提供通道

3）为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通道

4）为位能负载下放重物发电反馈至直流回路提供通道

（3）能耗制动电路

①作用

制动电阻：

IB=UD/RB≤IN/2RB>2UD/IN

②构成功率PB≥αUD2/RB一般α=0.3～0.5，制动常态时α=1.0

制动单元：

击穿电压UcexU1N=380V时选1000V即可

集电极最大电流Icm≥2Iв=2UD/RB

（4）、主回路外部接线

①输入侧接线:

断路器，接触器作用

②输出侧接线：

1）变频器与电机之间一般不允许接入接触器，接入接触器时，必须先闭合接触器后变频器再升速。

2）变频器与电机之间一般不需要接入热继电器，接多台电动机时需要接入热继电器

3）变频器输出侧不允许接入电容器及电容式的单相电动机。

③变频器与工频电源的切换电路

2、控制回路：

控制回路包括变频器的核心软件算法电路、检测传感电路、控制信号的输入输出电路、驱动电路和保护电路组成。

不同变频器控制电路和差异很大，其基本结构如图

由主控板，键盘与显示板，控制电源板等组成

1、主控板

①接受键盘输入信号

②接受外控输入信号

③接受内部采样输入信号：

如VD：

温度t、工作状态等

④完成SPWM调制

⑤发出显示信号

5发出保护指令

⑦向外部电路提供控制信号及显示信号

2、键盘与显示板：

功能

①键盘：

不同品牌设置和符号不一样。

（1）模式转换键，MOD、PRG、FUNC及作用

（2）增、减键△∧↑和▽∨↓等作用

（3）读出、写入键：

SET、READ、WRITE、DATA、ENTER等

（4）运行键：

RUN、FWD（正）REV（反）STOP、JOG（点动）

（5）复位键：

RESET、RST

（6）数据键：

“0～9”“、”（极少有用的）

②显示屏：

数码管，发光二极管，液晶显示器

①运行数据：

如V、I、f等

（1）数码屏功能：

②功能码和数据码

③故障码

①状态：

如RUN、Stop、FWD、REV、FLT故障等

（2）二极管显示：

②单位：

如HZ、A、V等

（3）液晶：

多行，参数，状态。

外部接线等

3、电源板

提供：

①主控板电源

②驱动电源

③外控电源

4、外接控制回路

①外接给定电路++：

给定电压

给定电流

辅助信号给定：

引入反馈

接电源地

②外接输入控制回路，常任意设定

设有：

（1）运行端FWD、REV、RUN、STOP、JOG等

（2）多段频率X1、X2、X3、

（3）多段升降时间设定

（4）其它功能：

如急停（EMS）RST、THR等电路如图1-9（P21）

③外接输出电路

1、状态信号端（晶体管输出）如：

“RUN”，频到

2、报警信号端：

继电输出（如图1-10、P20）

3、测量信号端：

FM频AM（电流）

第二章变频器功能综述

一、频率给定功能:

所谓频率给定功能，就是调节变频器输出频率的具体方法，也就是提供给定信号的方式。

1、频率给定的选择

（1）面板给定方式

（2）外接接点信号给定方式

（3）模拟信号给定：

电压信号0～5V、0～±5V、0～10V0～±10V等

电流信号0～20mA、4～20mA

频率给定线：

f=f（P）P给定信号

（4）脉冲信号给定

调节脉冲频率来改变变频器的输出频率

（5）通讯方式给定

指上位机通过通讯口按照特定的通讯协议、特定的通讯介质进行数据传输到变频器以改变变频器设定频率的方式

2、概念：

a、给定频率fx，b、工作频率fox，c、基本频率fBA

D、最大频率fmax，e、最大给定频率fxm，f偏置频率fBI，g、上限频率fh、h、下限频率fl，I、点动频率fJOGg、回避频率fJ（跳转频率）

2、控制方式选择功能

低压变频器，其输出电压一般为220～650V、输出功率为0.2～400kW、工作频率为0～800Hz左右，变频器的主电路采用交－直－交电路。

根据不同的变频控制理论，其模式主要有以下:

V/f的正弦脉宽调制模式

矢量控制（VC）模式

直接转矩控制（DTC）模式。

针对以上三种控制模式理论，可以发展为几种不同的变频器控制方式：

1、V/f控制方式（包括开环V/f控制和闭环V/f控制）

（1）基本V/f线:

V/f=C

（2）任选V/f线

（3）V/f线的自动调整功能，（转矩补偿）

2、矢量控制方式

（1）带PG矢量控制：

有速度传感器的矢量控制方式，主要用于高精度的速度控制、转矩控制、简单伺服控制等对控制性能要求严格的使用场合。

迄今最好

⊙可以从零转速起进行速度控制，即使低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达1000:

1；

⊙可以对转矩实行精确控制；

⊙系统的动态响应速度甚快；

⊙电动机的加速度特性很好等优点。

编码器PG接线与参数

一般而言，编码器PG型号分差动输出、集电极开路输出和推挽输出三种，其信号的传递方式必须考虑到变频器PG卡的接口，因此选择合适的PG卡型号或者设置合理的跳线至关重要。

（2）无PG矢量控制：

在一些动态响应要求不很高的场合，采用无PG矢量控制已经足够。

因此，其用途十分广泛。

基本技术指标定义如下：

速度控制精度±0.5％，速度控制范围1：

100，转矩控制响应<200ms，启动转矩>150％/0.5Hz。

其中启动转矩指标，根据不同品牌的变频器其性能有所高低，大致在150％～250％之间。

如图所示为三菱V500系列无速度传感器矢量控制方式下的启动转矩特性。

注意，变频器和电动机容量尽量对应，应输入电机参数

3、转矩控制方式（矢量控制VC或直接转矩控制DTC）

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。

直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。

和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电动机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。

3、速度调节器ASR功能

整定参数包括比例增益P和积分时间I，其数值大小将直接影响矢量控制的效果，其目标就是要取得动态性能良好的阶跃响应!

4、升降速功能

变频器从一个速度过渡到另外一个速度的过程称为加减速，如果速度上升为加速，速度下降为减速。

加减速方式主要有以下几种：

1.直线加减速。

。

1、升速功能：

（1）加速时间合理选取加速时间（0～fBA所需时间）

（2）加速方式：

a、线性：

变频器的输出频率按照恒定斜率递增。

变频器的输出频率随时间成正比地上升，大多数负载都可以选用直线加速方式

b、S形：

变频器的输出频率按照S型曲线递增

c、半S形：

它是S曲线加减速的衍生方式，即S曲线加减速在加速的起始段或结束段，按线性方式加速；而在结束段③或起始段①，按S形方式加速。

因此，半S形加减速方式要么只有①，要么只有③，其余均为线性，如后者主要用于如风机一类具有较大惯性的二次方律负载中，由于低速时负荷较轻，故可按线性方式加速，以缩短加速过程;高速时负荷较重，加速过程应减缓，以减小加速电流；前者主要用于惯性较大的负载。

（3）与起动有关的功能

起动运行方式

a.从起动频率起动

b.先制动再起动

本起动方式是指先对电动机实施直流制动，然后再按照方式

（1）进行起动。

该方式适用于变频器停机状态时电动机有正转或反转现象的小惯性负载，对于高速运转大惯性负载则不适合。

如图所示为先制动再起动的功能示意，起动前先在电动机的定子绕组内通入直流电流，以保证电动机在零速的状态下开始起动。

c、暂停升速功能，GD2较大时，低速运行一段时间，然后再升速。

2、降速功能

（1）减速时间：

（fBA～0HZ）所需t

（2）减速方式：

a、线性:

变频器的输出频率按照恒定斜率递减

b、S形:

变频器的输出频率按照S型曲线递减

c、半S形:

（3）直流制动：

a、直流制动电压VOB

b、直流制动时间toB

C、直流制动起始频率foB

五、变频器控制功能

1、程序控制功能

（1）由外控信号的状态进行控制

（2）由变频器自动切换

2、PID功能：

（1）键盘给定方式

（2）外接给定方式

六、变频器的保护功能

1、过电流保护功能

（1）升降速时过电流的自处理

（2）运行过电流的自处理

（3）必须立即跳闸的过电流

①输出短路

②输也接地

③速变桥臂直通时等

2、过载保护

（1）特点：

a反时限（P41。

图1-36）b与工作频有关f下降散热差，若I=C，则保护时间t缩短

（2）预置：

通常按“电流取用比”Im%来预置

Im%=Ime/Ie×100%

Ime电机额定电流

Ie变频器额定电流

3、电压保护

（1）降速过电压的自处理

（2）“欠压”保护：

a电源欠压b电源缺相c电源瞬时停电等

七、变频器功能预置

1、目的：

为使变频器尽量满足生产要求，如加减速时间，控制方式：

aV/fb无反馈矢量控制c有反馈矢量控制dV/f的转矩补偿等

2、功能码和数据码

功能码：

表示各种功能的代码

数据码：

各功能所需数据或代码

3、方法：

必须在“编程模式”下

（1）步骤：

a找出所需功能码b读出该功能码数据c修改数据或数据码d“写入”新数据

（2）流程：

（P43图1-38，G11）

第三章变频调速系统的抗干扰问题

一、外部对变频器的干扰

1、晶闸管换流设备对变频器的干扰

2、补偿电容的投入和切出对变频器的干扰

二、变频器对外部的干扰

变频器输入，输出电流中都有较强的高次谐波

1、变频器电流波形

（1）、变频器的电流波形

（2）输出电流波形

2、干扰信号的传播方式

（1）电路耦合方式：

通过电源网络传播输入电流干扰主要的传播方式

（2）感应耦合方式：

变频器感应其它设备

①电磁感应方式：

电流干扰信号为之

②静电感应方式：

电压干扰信号为之

（3）空中辐射方式

三、系统抗干扰措施

1、合理布线

（1）其它设备的电源线和信号线远离变频器输入输出线

（2）其它设备的电源线和信号线不与变频器输入

（3）采用双绞线

2、申抗器

在输入回路接入电抗器抵制低频谐波有效

根据接线位置不同有

（1）交流电抗器：

接电源与变频器之间

①抑制谐波电流，使COSΦ提高至（0.75-0.85）

②削弱输入电路中的浪涌电流对变频器冲击

③削弱电源电压不平衡的影响

（2）直流电抗器：

接入直流回路

只有削弱高次谐波电流（输入）但COSΦ提高多

（3）滤波器：

削高频谐波

①输入滤波器：

a电感线圈组成的线路滤波器b由高频电容组成的辐射滤波器

②输也滤波器：

由电感组成，注意，〈1〉不许接入电容器〈2〉LC滤波C接电机侧

第4章高（中）压变频器

§4-1概述

电压≤1KV低压变频器

变频器分类：

1KV＜电压＜10KV高（中）压

（＜10KV中压我国习惯称高压）

≥10KV高压

一、特点：

电压高，功率大，可靠性要求高，技术复杂。

1、功率范围：

＞200KW

2、可靠性：

（1）部件和整机的可靠:

，平均无故障时间（MTBF）

（2）出现故障后迅速维修的能力:

平均维修时间（MTTF）

可靠性决定于功率单元、控制单元和冷却单元

3、技术要求

（1）与电网电压的关系：

P大，起、停对电网影响大

（2）谐波对电网的影响：

不容忽略

（3）输入功率因数和系统效率：

要求功率因数高，效率高。

（4）输出谐波成分：

谐波高、电机发热、须降额使用、共模电压和

dV/dt使绝缘“疲劳”

美ROBICOn

二、适用场合

1、风机，水泵：

效率可提高25%～50%

2、压缩机，鼓风机，轧机或其它机械

（1）可精确调节速度和流量，保证工艺质量

（2）可直接与工作机械耦合，省去中间机构

（3）可接受计算机和PLC的数字，模拟信号实时控制，性能优越

3、起动性能好，实现“软”起动

三、高压变频器分类

交一交：

过载能力强，效率高，输出波形好，但频率低（小于1/2电网频率）器件多，无功大，高次谐波大等缺点，大型机应用多。

结构

交—直—交：

结构简单，输出频率范围大，COSΦ高，谐波易消除。

SCR

GTO

按器件：

IGBT

IGCT（集成门控变流晶闸管）

PAM方式

按工作原理：

PWM方式

电压型

按储能：

电流型

四．组成

1．标准高压变频拖动系统

2、带输出变压器的变频拖动：

降压

变频

升压

称为“高-低-高或高-中-高”方式或“间接式变频”一般〈1500KW经济实用

3、高压变频器的多重化结构

即将变频模块单元进行并联或半联，实现低等级器件驱动高等级容量图2-3

4、高压变频器的切换

（1）“冷”切换：

停机时切换

（2）单向切换：

变频器切电网

（3）同步切换：

电机不停变频器切电网，又称“热切换”必须在同步状态下切换，尤其当变频器输出电压与电机反电势成180°相位差时过电流甚至达起动电流的7～8倍

§4-2典型高压变频器线路介绍

一、SCR电流型变频器

目前成功应用的当属负载换相式电流型变频器通过负载供给的超前电流，使晶闸管关断从而实现自然换相，适用同步机，当用于异步机时，必须在变频器的输出端加LC滤波器，使滤波器和电机的合成功率因素COSΦ超前达到自然换相的目的。

此时称输出滤波器换相式变频器或自换相式（SS1）变频器。

分流电路用于辅助换相（f低时）。

LC还有滤波作用

二、GTO电流型变频器：

∵GTO可门控关断，∴可引入PWM控制技术，其主回路如图2-7，

SCR整流，GTO速变，开关频率180HZ，由于用PWM技术，输出谐波低，滤波器可减小，但不能省去，常加一电容滤波器，为防LC谐振

数值需仔细GTO目前实用水平4500V/3000A以上，串联容量可达5000KW可以说GTO是SCR方式的改进。

缺点：

（1）受耗散功率限制，开关频率较低，一般200HZ左右

（2）通态压降为2.5～4V高于晶闸管（1.5～2V）

（3）GTO门极驱动，除导通电流外，还提供峰值为阳极电流1/5到1/3的反向关断电流

∴驱动容量为晶闸管10倍

三、IGBT电压型PWM变频器

IGBT低压变频器领域处于领导地位，随IGBT器件耐压和容量的提高，不断寻求用于高压、大功率变频器的方法，其中并联多重化，单元串联多电平PWM电压型变频器较成功。

IGBT的特点

（1）10～20KHZ开关频率

（2）通态压降低（1～2V）损耗小，易于冷却

（3）∵隔离栅结构，控制功率低，线路简单，便于与微机接口，

1、并联多重化PWM电压型变频器（图2-8.）

优点：

共用DC-BUS，可任接1-6个逆变单元

缺点：

IGBT容量小，目前只达4000V/1500A以上、实用仍为3000V/1200A以上IGBT一般不能串联

2、单元串联多电平PWM电压型变频器：

用功率单元串联实现高压变频，该方案较为合理（图2-9）每单元承受全部输出电流。

但仅承受1/3输出相电压，1/9的输出功率。

若IGBT（3000V）可实现6000V高压变频器。

单元还可并联，实现大电流。

由于器件多，实现四象限运行困难。

四、三电平PWM电压型变频器：

采用12只可关断功率器件与箝位二极管等组成带中性点箝位的逆变电路。

（图2-10.）

目前4160V/5000KW

§4-3高压变频调速系统的设计

∵投算大，关键设备，选型，设计很重要

步骤：

（1）确定功率要求

（2）确定变频系统组成

（3）系统仿真

（4）谐波分析

（5）转矩分析

（6）经济性评估

一、确定拖动系统功率

依据：

温升选电机

1、电机容量的确定（以连续运行为例）

（1）恒转矩负载

降P=Mn/9550n选最大值

起动能力，变频器入q=150%1分钟

最大起动转矩Tm=Te×150％、

（2）平方律负载：

M∝n2P∝n3选最大值

2、功率裕量的考虑

（1）电机的冷却方式：

恒M自冷式需增容，恒M它冷式不必考虑

（2）变频器谐波的影响

谐波使电机发热，产生噪声，影响输出能力需增容≤5%

（3）超额定转速的运行

一般电机速度50HZ±1%不允许超过同步转速的5％—10％

（4）特殊应用场合

如:

高温、高海拔（标准1000m、40℃）

一般规定海拔1000m。

环温t≤40℃

二、变频调速系统的组成，线路确定

步骤

（1）选定变颇器型号和规格

（2）画结构框图

（3）决定配套设备（变频器高低压电器，滤波器等）参数或型号

设计过程是经济和技术或投资和需求的平衡过程

1、对变频器作出技术定位

包括：

负载特性，功率大小。

起制动要求。

过载性能，保护性能。

调速范围，操作要求，维修性，备件要求等

2、环境的确定：

包括：

电机容量，通风条件，场址大小，环温，距离（VF-D）干扰

3、选变频器并初步设计：

必须制定2～3方案

4、选配套部件：

明细表，价格清单

5、测算费用

三、系统仿真

1、额定速度下风机特性仿真

压力Pa=f（x）功率P=f（Q）

2、变频工作特性仿真

压力-流量曲线、等效曲线和轴功率曲线（n变）

（1）系统负载线仿真：

Mfz=f（Q）（风机，水泵）又称系统阻力线

（2）变频调速系统的仿真

输入电机和VVF参数，得出电流和转矩特性，并对其负载情况和起动性能进行核算。

还包括，谐波分析，谐振和扭矩分析，耗能和经济分析

四、谐波的影响及谐波分析