通用变频器原理与变频器选用原则Word文档下载推荐.docx
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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);
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。
如忽略定子漏阻抗压降,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,此时变频器输出U1/f1关系如图1中的曲线2,而不再是曲线1。
图1
U/f关系
多数变频器在频率低于电机额定频率时,输出的电压U1和频率f1类似图1中曲线2,并且随着设置不同,可改变补偿曲线的形状,使用者要根据实际电机运行情况调整。
(2)在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速。
此时变频器的输出频率f1提高,但变频器的电源电压由电网电压决定,不能继续提高。
根据公式(3),E1不能变,f1提高必然使Фm下降,由于Фm与电流或转矩成正比,因此也就使转矩下降,转矩虽然下降了,但因转速升高了,所以它们两的乘积并未变,转矩与转速的乘积表征着功率。
因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行。
异步电机变频调速恒转矩和恒功率区域状态的特性如图2所示。
图2
异步电机调速时的输出特性
由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时,输出频率和电压是按一定规律改变的,在额定频率以下,变频器的输出电压随输出频率升高而升高,即所谓变压变频调速(VVVF)。
而在额定频率以上,电压并不变,只改变频率。
实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下,低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降,其采用的方式多种多样。
有矢量控制技术,直接转矩控制技术以及拟超导技术(森兰变频特有专利技术)等等。
其作用不外乎动态地改变低频时的变频器输出电压、输出相位或输出频率,也就是利用电路和电脑技术,实时地而不是固定地改变图2中曲线1的形状达到低速时力矩提升,并且稳定运行,又不至于电流太大而造成故障。
图3
通用变频器基本电路
通用变频器的基本电路如图3所示,它由4个主要部分组成,分别是:
1—整流部分,把交流电压变为直流电压;
2—滤波部分,把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电;
3—逆变部分,把直流电又转换成三相交流电,这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的PWM波,或者正弦脉宽调制SPWM波,当这种波形的电压加到负载上时,由于负载电感作用,使电流连续化,变成接近正弦形波的电流波形;
4—控制电路是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号,这些信号是受外部指令决定的,有频率、频率上升下降速率、外部通断控制以及变频器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等。
特别要指出的,通用变频器对负载的输出波形都是双极性SPWM波,这种波形可以大幅度提高变频器的效率,但同时这种波形使变频器的输出区别于正常正弦波,产生了变频器很多特殊之处,需要使用者予以重视。
双极性SPWM波如图4所示,其中图4(a)是三角形的载波与正弦形信号进行比较的情形,图4(b)是比较后获的SPWM波形。
图4
双极性SPWM调制器
3
森兰变频器基本系列介绍
森兰变频器基本系列、功率、特性简表如表1,详细请见各系列产品《使用手册》。
森兰变频器因各系列各有特点,因此使用前要根据用途合理选用。
(1)BT40系列有三相380V和单相220V电源供电,适合于通常工业控制调速场合,V/F=常数的控制方式,而且有转矩提升功能,由用户根据需要而调整,使用操作比较方便。
(2)BT12系列是专门给风机水泵类负载设计的变频器,使用该系列有利于风机水泵调速系统的设计和简化,产品带有PID、多泵切换、换泵、睡眠唤醒、消防控制、水位控制、定时开关机等功能。
(3)SB60系列是一种功能齐全的所谓“森兰全能王”系列,它能适应于要求较高的场合,产品中不仅有V/F开环和闭环模式,而且有无速度传感器矢量控制模式和PG速度传器矢量控制模式,还可以利用RS-485接口同上位机通讯。
外壳采用塑料制作,美观大方,功率在11~15kW。
SB60系列安全性良好,防护等级比BT40和BT12高一个等级为IP20,并已取得欧共体CE认证。
(4)SB61系列功能同SB60系列相当,功率较大,从15~315kW,金属喷塑外壳,IP20防护等级。
(5)SB20系列是小功率经济型系列,功能比SB60有所简化,适合一般小功率电机调速,体积小巧,经济实用。
(6)SB40系列是BT40的改进型。
外型、外观、使用特性、防护等级、可靠性都有所提高,使用贴片元件改善电气性能,减少干扰,使用温控风机延长了风机寿命,并有旋钮调频机种可供选用。
(7)SB12系列是BT12的改进型。
有同SB40相似的改进范围。
(8)SB80系列变频器采用了最新的32位嵌入式高速电机控制专用数字处理器,利用模型参考自适应方法解决了电机电阻参数在线辨识的难题,实现了普通变频器难以涉及的高性能无速度传感器基于瞬时转子磁场定向的真正矢量控制算法。
SB80系列使用最新的模型自适应技术和励磁电流正弦注入检测技术,可以实现转速、定子电阻和转子电阻三个参数同时辨识,能准确辨识电机运行时的参数变化,结合本公司的专利技术“一种电流采样电阻”(专利号:
01206891.8),使定子电阻和转子电阻检测精度和观测准确性有了极大的提高,不但可以消除参数初值误差的影响,还可以自动适应电机温度变化导致的参数变化的影响,使磁通观测和速度辨识准确。
上述先进技术的使用,首次实现了基于瞬时转子磁场定向和精确磁通观测的真正动态电流矢量控制,其参数辨识的稳定性和电流控制的快速性为停电再起动、旋转启动、快速加速减速、突变负载无跳闸控制提供了很好的解决手段。
4
变频器的选用原则
4.1变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流
由于变频的过载能力没有电机过载能力强,一旦电机有过载,损坏的首先是变频器(如果变频器的保护功能不完善的话);
又如果设备上已选用的电机功率大于实际机械负载功率,但是有可能用户会将把机械功率调节到达到电机输出功率,此时,变频器一定要可以胜任,也就是说变频器的功率选用一定要等于或大于电机功率。
个别电机额定电流值较特殊,不在常用标准规格附近,又有的电机额定电压低,额定电流偏大,此时要求变频器的额定电流必须等于或大于电机额定电流。
4.2必须认清变频器调速与机械变速存在本质上的区别
绝对不能不假思索地将某电机使用机械变速改为相同功率的变频器变速。
因为功率是转矩与转速的乘积:
机械变速时(例如齿转变速、皮带变速)、若变比为K,在电机功率不变时,忽略变速器效率,
即转速下降K倍,会造成转矩可升高K倍,它属于恒功率负载,这就如图5的曲线1所示。
图5
不同负载的机械特性
而变频器的转矩—转速曲线如图2曲线3所示,低于额定频率时,恒转矩运行,电机不能提高输出转矩。
高于额定频率时,转速升高转矩下降。
图5表示常见的不同负载机械特性。
图5中3为平方律负载(例如风机、水泵)、2为恒转矩负载(例如传送带),这二种负载在电机低与额定频率运行时,负载力矩没有增加,所以当在额定频率以下时,可以按电机功率大小配置变频器功率。
图5中1是恒功率负载(例如切削机床),低速时力矩增加;
而变频器和电机低于额定频率时电流被限制,力矩不能增加,所以变频器调低电机转速有可能会造成电机带不动负载,选用时要根据减速造成力矩增加的比例,选用比原电机功率大的电机和变频器。
例如原来1.5KW电机,负载转矩1kgm,转速1460r/min,机械变速后转速降到720r/min,转矩就可达2kgm,但原来的电机和变频器不可能输出2kgm的转矩。
因此,要改变电机和变频器都是1.5×
2=3kW,选用标准功率3.7或4kW的电机和变频器才行。
4.3变频器的选用型号应根据使用要求而作细仔考虑
(1)基本考虑内容是使用环境条件、电网电压、负载大小及性质。
(2)环境温度长期较高,安装在通风冷却不良的机柜内时,会造成变频器寿命缩短。
电子器件、特别是电解电容等器件、在高于额定温度后,每升高10℃寿命会下降一半,因此环境温度应保持较低,除设置完善的通风冷却系统以保证变频器正常运行外,在选用上增大一个容量等级,以使额定运行时,温升有所下降是完全必要的。
(3)电网电压处于不正常时,将有害于变频器。
电压过高,如对380V的线电压如上升到450V就会造成损坏,因此电网电压超过使用手册规定范围的场合,要使用变压器调整,以确保变频器的安全。
(4)高海拔地区因空气密度降低,散热器不能达到额定散热器效果,一般在1000m以上,每增加100m容量下降10%,必要时可加大容量等级,以免变频器过热。
(5)使用于不同用途时,选择变频器的系列型号应作分析,对于一般用途变频器采用V/F=常数控制方式已可满足,对于负载变化范围大,而且又要求较高运转精度的场合,特别是低速时要求有稳定的速度和负载能力时,则要选用矢量控制等方式的变频器,对数控机床等精密传动还要采用闭环控制和有速度传感器的方式,相应的变频器也要有这些配合的接口,选用时需要综合考虑。
(6)变频器使用不同场所对变频器的防护等级要作选择,为防止鼠害、异物等进入应作防护选择,常见IP10、IP20、IP30、IP40等级分别能防止Ф50、Ф12、Ф2.5、Ф1固体物进入。
(7)当变频器为降低电动机噪声而将调制频率重新设置得较高并超过出厂设置频率时,会造成变频器损耗增大。
设置频率越高,损耗越大,因此要适当减载,图6表示不同调制频率和负载率时的相应减载曲线,不同公司、不同系列会有差别,但趋势是相似的。
不少使用者由于不懂这一点,一味增加调制频率,造成变频器过热而损坏,或者变频器输不出额定功率。
图6
不同调制频率与负载率降低的关系
(8)矢量控制方式只能对应一台变频器驱动一台电机,而且变频器的额定电流应等于或大于电机额定电流,电机的实际使用电流不能比额定电流太小(不低于变频器额定电流的1/8)。
为了正确地使用矢量控制,在驱动前,变频器对电机冷态参数还需进行输入或自动识别。
(9)一台变频器驱动多台电机时,变频器容量应比多台电机容量之和大,并且只能选择V/F控制模式,不能用矢量控制模式。
(10)当多台变频器的逆变单元共用一个整流/回馈单元时,即采用公共直流母线方式,有利于多台逆变器制动能量的储存和利用,此时整流/回馈单元的容量要足够大,并要有防止小功率变频器整流桥过载损坏的措施。
使用中对多台电机不能同时制动。
(11)对风机水泵类负载(即平方律负载),如原来使用阀门、风门调节流量,当改用变频器调速控制流量时,就会带来大幅度节能。
而摩擦类负载(恒转矩负载),使用变频调速的节能效果基本上不能体现,对用机械变速扩大转矩的场合,使用变频器还可能带不动负载,这在选用时必须充分注意!
在这些场合使用变频器,其目的是工作机械需要作速度调整。
二
变频器的配套设备及安装技术
4
变频器的配套设备
4.1附加配套设备的作用
附加配套设备的布置见图7。
图7
变频器附加配套设备的连接图
其中,T—配电变压器;
QF—断路器,用于安全跳闸断开电网;
KM—接触器,用于日常操作通断和电网掉电再来电时变频器不发生自启动;
FIL1—进线侧无线电干扰抑制电抗器,用于减少变频器对外界的无线电干扰;
1ACL—电源侧交流电抗器,用于改善输入电流波形、提高整流器和电解滤波电容寿命、减少不良输入电流波形对外界电网的干扰、协调同一电源网上有晶闸管等变换器造成的波形影响、减少功率切换和三相不平衡的影响,因此也叫电源协调电抗器,在要求高的场合该电抗器便进一步改为较复杂的电力质量滤波单元;
DCL—直流电抗器,用于改善电容滤波(当前电压型变频调速器主要滤波方式是电容滤波)造成的输入电流波形畸变和改善功率因数、减少和防止因冲击电流造成整流桥损坏和电容过热,当电源变压器和输电线(图中的符号DLC应改为DCL)综合内阻小时(变压器容量大于电机容量10倍以上时)、电网瞬变频繁时都需要使用直流电抗器。
BD—制动单元,当变频器降低频率使电机急剧减速、或重力负载使电机处于发电运行时,电机制动的反馈能量使变频器直流母线电压升高到一定程度就会开启该制动单元,使能量消耗在制动电阻上;
DBR—制动电阻,消耗制动时电机能量的电阻;
2ACL—输出侧交流电抗器,变频器输出是脉冲宽度调制的电压波(PWM波)它是前后沿很陡的一联串脉冲方波,存在丰富的谐波,这些谐波有害于电机和负载的寿命(典型的是电机绕阻匝间瞬变电压dv/dt过高,造成匝间击穿),以及对周围电器干扰;
当负载端电容分量大时,造成变频器的开关器件流过大的冲击电流,会损坏开关器件。
使用输出侧交流电抗器可进行平滑滤波,减少瞬变电压dv/dt的影响,并求得以下的改善:
降低了电机的噪音;
降低了输出高次谐波造成的漏电流;
减少了干扰;
保护了变频器内部的功率开关器件。
延长了电机的绝缘寿命。
FIL2—输出侧无线电干扰抑制电抗器,对输出布线距离>
20m时尤其需安装;
JR—热过载继电器,用于防止长时间过电流造成电机损坏。
4.2附加配套设备的选用
(1)断路器(QF)的后面可以接一台或多台变频器及其它负载,当变频器或其它负载因过电流故障时,可自动切断电源供电,防止事故扩大。
当电网掉电时防止再来电自动接通的不安全,以及在维修时安全切断电源,断路器可以使用普通空气开关或高灵敏切断的断路器,视需要而定,选用时总通过电流应大于负载总电流1.5倍以上。
(2)接触器(KM)用于所控变频器日常操作通断,和电网掉电再来电时防止变频器自动启动,选用时额定电流也要大于变频器输出电流1.5倍以上。
(3)无线电干扰抑制电抗器(FIL1、FIL2)因为变频器输出的是PWM(脉宽调制)波,包含了大量的高次谐波,谐波高频分量处于射频范围,变频器通过电源线和输出线向外发射无线电干扰。
又由于变频器接在电网上,电网上各种干扰和瞬变浪涌也可干扰到变频器的控制回路敏感部分发生误动作,因此设置了无线电干扰抑制电抗器。
它是使用三根进线(对单相是两根进线),同方向在铁心或铁氧磁芯上绕制的电感,因三相三根线的正弦交流电瞬时值之和为零(单相正弦交流电两进线电流瞬时值也为零),因此对正常供电,该电抗器不起作用,而对于共模电压(即在进线上出现的、瞬时值不能被抵消的干扰电压)该电抗器起到阻挡作用,抑制了共模干扰,起到良好的抑制无线电干扰使用。
抑制的频段一般在10MHz以下,因此电感量不必大,通常控制在2~33mH左右,是在一个闭合磁路上穿过或绕上几匝导线而制成。
无线电干扰抑制电抗器的连接如图8,对小容量变频器因电流较小,它是在同一磁芯上,三相线同方向绕几匝。
对大容量变频器,因电流大、导线不好弯,则用多个磁芯,让三根导线同时穿过磁芯中孔而构成电抗器。
图8
无线电干扰抑制电抗器的安置
(4)电源侧交流电抗器(1ACL)
电压型通用变频器电网电压交流转变为直流经整流后都经电容滤波,电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状,当电网阻抗小时,这种尖峰脉冲电流极大(见图9),造成很大的谐波干扰,并使变频器整流桥和电容器容易损坏。
当变压器容量大于变频器容量10倍以上,电网配电变压器和输电线的内阻不能阻止尖峰脉冲电流时,当同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时,三相电源不平衡度大于3%时,都要对输入侧功率因数作提高和抑制干扰,都需使用电源侧交流电抗器。
图9
电容滤波输入侧电压和电流波形
图9中:
In1:
电网阻抗小时;
In2:
电网阻抗大时。
一般而言,电压源逆变器、电源侧交流电抗器的电感量,采用3%阻抗即可防止突变电压造成接触器跳闸,使总谐波电流畸变下降到原先的44%左右。
实际使用中为了节省费用,常采用2%阻抗的电感量,但这对环保而言是不好的。
比较好的场合应使用4%阻抗或更大的电抗器。
一般常选用2~4%的压降阻抗,这个百分数是对相电压而言,即:
其中:
ΔU—电压降落;
UP—相电压;
UN—线电压。
三相时,输入侧交流电抗器电感值:
ILmax—电感流过的最大电流。
例如:
对380V、90kW、50Hz、170A的变频器,需要配置输入侧交流电抗器的电感量为:
取:
0.082~0.164mH,可以选择能长期能通170A电流,电感值在0.123mH左右的电抗器即可。
对于使用者,需考虑电感值和电流值两方面,电流值一定要大于等于额定值,电感值略有大小问题不大,偏大有利于减少谐波,但电压降落会超过3%,使用者还要考虑电源内部阻抗,电源变压器功率大于10倍变频器功率,而且线路很短的场合,电源内阻小,不仅需要使用输入侧交流电抗器,而且要选择较大的电感值,例如选用4~5%阻抗的电感量。
(5)直流电抗器(DCL)
直流电抗器接在滤波电容前,它阻止进入电容的整流后冲击电流的幅值,并改善功率因数、降低母线交流脉动。
直流电抗器在变频器功率大于22kW时建议都要采用,当变频器功率越大,越应该使用,因为没有直流电抗器时,变频器的电容滤波会造成电流波形严重畸变和进而使电网电压波形严重畸变,而且非常有害于变频器的整流桥和滤波电容寿命。
直流电抗器的电感值的选择一般为同样变频器输入侧交流电抗器3%阻抗电感量的2~3倍,最少要1.7倍,
即
例:
对三相380V90kW变频器所配直流电抗器计算(参见上例):
取0.25mH,能长期通电170A即可(查使用手册为0.2mH)。
(6)输出侧交流电抗器(2ACL)
变频器的输出是经PWM调制的电压波,由于电动机绕组的电感性质能使电流连续,因此电流基本上是正弦形的,脉冲宽度调制(PWM)有着陡峭的电压上升和下降的前后沿,即dv/dt很大,使得输出引线向外界发射含量极大的电磁干扰,并且在引出线对地、电机绕组匝间、绕组对地间都产生很大的脉冲电流,图10表示SPWM电压,电流的波形。
图10
调制波形
为了减轻变频器输出dv/dt对外界的干扰,降低输出波形畸变,达到环保标准,减少对电机绕组的电压冲击造成绝缘损坏,降低电机的温升和噪音,避免在变频器输出功率管上因dv/dt和流过过大的脉冲冲击电流使功率管损坏,以及降低负载短路造成对变频器的损伤,有必要在变频器输端增设交流电抗器。
值得指出的是脉冲电压通过长的输电线时,由于长线上波的反射叠加使得在长线(即变频器输出导线)超过临界长度后,电压有可能达到直流母线(变频器内直流母线)电压的2倍。
因此变频器输出线长度受到了限制,为解除这种限制,必须接入输出侧交流电抗器。
接入后,送到电机等负载上的波形就接近正弦电压波形了。
但实际使用中,只要负载是电感性的,电抗器可采用1%阻抗或更低一些都是可行的,这是因为,PWM调制频率远高于基波频率,已经相当于>
(40-100)次谐波的范围,因此,输出侧交流电抗器电感量:
例如:
380V、90kW、50Hz、170A变频器的输出侧交流电抗器的选用:
取:
电感值在0.041mH左右,能长期能通170A电流的电抗器即可。
输出侧交流电抗器的电感接法有一定讲究,绕制在磁芯上的导线头尾的位置关系到电感向外发射干扰能量的大小程度。
图11所示,绕组头1在里层,尾2在外层,因此1接变频的输出2接负载电机较好,这样,变频器输出端的强干扰被外层屏蔽,减少干扰向外发射。
图11
输出侧交流电抗器断面结构
输出侧交流电抗器其抑制频率在较高频率范围,因此,使用铁氧体磁芯,以减少损耗,但体积较大。
在有变压器插入于变频器与负载之间的使用条件下,变压器输入绕组的漏抗和变压器损耗大大削弱了调制波,起到了输出侧电抗器的作用,因此有利于输出到负载电机的波形滤波平滑,此时往往有了输出侧变压器就可以省略输出侧交流电抗器。
(7)制动单元和制动电阻(BD和DBR)
小功率制动单元一般在变频器内部,外部只接制动电阻。
大功率的制动单元由外接的制动单元接到变频器母线上,当电机制动时,电机的电能反馈回母线,使母线电压升高,升高到一定值时,开通制动单元的开关管,用制动电阻消耗母线上一部分电能,维持母线电压不继续往上升高,使电机能量消耗在制动电阻上,从而获得制动力矩。
制动单元的导线长度一般不大于5m,接到变频器的直流母线(P+、N端)要使用双绞线或密着平行线,其目的是减少电感,导线的截面应不小于电机输电线的1/2~1/4。
制动电阻的阻值不是随便选用的,它有一定范围。
太大了,制动不迅速,太小了制动用开关元件很容易烧毁。
一般当负载惯量不太大时,认为电机制动时最大有70%能量消耗于制动电阻,30%的能量消耗于电机本身及负载的各种损耗上,此时
P—电机功率(kW);
UC—制动时母线上的电压(V);
R—制动电阻(Ω)。
一般对三相380V时,UC≈700V;
单相220V时,UC≈390V;
这样三相380V时制动电阻阻值:
单相220v时制动电阻阻值:
低频度制动的制动电阻的耗散功率一般为电机功率的(1/4~1/5),在频繁制动时,耗散功率要加大。
有的小变频器内部装有制动电阻,但在高频度或重力负载制动时,内装制动电阻的散热量不足,容易烧毁,此时要改用大功率的外接制动电阻。
各种制动电阻都应选用低电感结构的电阻器;
连接线要短;
并使用双绞线或密着平行线;
采用如此低电感措施的原因是为了防止和减少电感能量加到制动管上,造成制动管损坏;
制动电阻值不能过分小;
如果回路的电感大、电阻又小,将对制动管不利,会造成损坏。
为了确保制动单元内功率管不被损坏,制动电阻不得小于
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