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PLC变频器
变频器自学系列-变频器主电路的功能分析
这里主要分析一下变频器的主回路图,分析一下一些硬件的功能和作用。
一 首先说整流电路
整流一共有2种方式整流,可控(晶闸管)和不可控的(二极管) 他们都有单向导电性,但是晶闸管必须在控制极加上控制电压后才可以正向导通;
晶闸管主要用来整流,二极管除了整流,还可以检波、稳压。
二极管就2个极,晶闸管三个极,阴极阳极和控制极。
(1)晶闸管是晶体闸流管的简称,又可称做可控硅整流器,以前被简称为可控硅,用作整流。
(2)各类整流二极管,肖特基二极管,半桥堆(2只整流二极管),全桥堆(4只整流二极管)。
这些统称整流桥。
下面讲下判断二极管和晶闸管是否被损坏的方法:
晶闸管的测量方法:
判别管脚:
万用表置于(×10或×1)档,测量晶闸管任意两脚间的电阻,当指示为低阻值时,黑表笔所接的是控制极,红表笔所接的是阴极,余下的一脚为阳极,其它情况下阻值均应为无穷大,否则该管可能是坏的。
触发检测:
万用表置于(×10或×1)档,将黑表笔接阳极,红表笔接阴极,万用表指示为不通(零偏),此时如果让控制极接触一下黑表笔,万用表应指示导通(接近满偏),即使断开控制极,只要阳极与阴极保持与表笔接触,就能一直维持导通状态,如果上述测量过程必能顺利进行,说明管子坏啦。
二极管的测量方法
万用表置于(×100或×1k)档,两表笔分别接二极管的两个电极,测量一个结果后,对调两表笔再测量一个结果。
两次测量的结果中,一次的阻值较大(为反向电阻),一次的阻值较小(为正向电阻)。
如果正反向电阻值相差越大,说明二极管的单向导电特性越好。
如果正反向阻值均接近零,说明二极管内部已击穿短路或漏电严重,如果正反向阻值均为无穷大,说明二极管已开路损坏。
二 现在讲一下滤波电路
从图中我们可以看到有一个K8的开关和K8电阻,这个是一个限流控制。
在合闸瞬间,整流桥两端(P、N之间)相当于短路。
因此,在合上电源时,就出现了个问题是:
有很大的冲击电流,这有可能损坏整流管。
所以我们采用了限流电阻,将瞬时的电压都加到限流电阻上,待滤波充电电容两端电压上去后,再闭合K8接触器将限流电阻旁路。
这种方法就减少了瞬间大电流的冲击。
这样子的话就需要选择限流电阻的阻值和容量。
当输入电压为380V(变直流为515V),输入为电压为500V(变直流为710V),当这么大的直流电压加在这个限流电阻上,那是不是我们得选一个大电阻和大容量的电阻呢,其实不是这样。
因为充电的时间很短,一般的充电时间为1S左右,而在限流电阻上处于500V的时间就更短,所以在一个相对较短的时间来接受一个高压的冲击,我们一般选择R>50欧,容量P>50W就可以了。
下面讲一下滤波充电电路,由图可知,是由两个滤波电容和电阻并联构成。
我们知道电容是来滤波充电的,那为什么要2个呢,为什么要并联电阻呢。
首先第一个问题,那是生产水平的问题。
迄今为止,全世界生产的电解电容器的最高耐压,只有500V,而380V全波整流后的峰值电压是(380*1.42)537V。
按照国家规定,电源电压的允许上限误差是+10%,即418V,全波整流后的峰值电压是591V。
此外,变频器在运行过程中允许的最高直流电压可达(700~800)V,而在逆变的过渡过程中,瞬间的直流电压甚至可能高达1000V呢。
所以,只能用两组电容器串联来解决。
第二个问题,这个电阻是均压电阻,就是说使两个电容器两端电压都保持一个平衡的值,不会一个太大一个太小,如何实现的呢。
比如说C1两端是400V,C2是300V,两个电阻阻值一样,那么流过R1的电流会大于R2的,那么多余的电流就会流向C2,使彼此达到一个平衡。
这个R1,R2的阻值一般为几十K欧姆。
三现在讲一下逆变电路
按逆变器主开关器件的类型分,可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应逆变器和绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变器等。
又可将其归纳为“半控型”逆变器和“全控制”逆变器两大类。
前者,不具备自关断能力,元器件在导通后即失去控制作用,故称之为“半控型”普通晶闸管即属于这一类;后者,则具有自关断能力,即无器件的导通和关断均可由控制极加以控制,故称之为“全控型”,电力场效应晶体管和绝缘栅双权晶体管(IGBT)等均属于这一类。
按逆变器控制方式分,可分为调频式(PFM)逆变器和调脉宽式(PWM)逆变器。
1 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
2 MOSEFT全称功率场效应晶体管。
它的三个极分别是源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。
主要优点:
热稳定性好、安全工作区大。
缺点:
击穿电压低,工作电流小。
IGBT全称绝缘栅双极晶体管,是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物。
它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。
特点:
击穿电压可达1200V,集电极最大饱和电流已超过1500A。
由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上,工作频率可达20kHz。
以IGBT为逆变器件的逆变电路。
其主要特点如下:
1、载波频率高
大多数变频器的载波频率可在3~15kHz的范围内任意可调。
2、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,电流波形十分接近正弦波,故电磁噪声减小,而电动机的转矩增大。
3、控制功耗减小
IGBT的驱动电路取用电流极小,几乎不损耗功率。
4、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不会立即进入放大状态。
在变频器的逆变部分,为什么要并联续流二极管?
具体的电路图解释起来就比较复杂了,所以讲讲原理,首先我们知道变频器输出的是PWM波,这种波是由逆变桥通过spwm或者svpwm调制而形成的,它的负载是电机,而电机是一种感性负载,所以它必然要向电源侧返回能量,也就是我们所说的无功功率(其实就是电感中储存的能量,呵呵)所以,我们在设计逆变系统时,必须给无功功率返回电网提供回路,这样才不至于烧毁逆变桥上的IGBT等器件,如果没有这些续流二极管,IGBT就会被反向击穿。
在现如今使用较多的如变频器等设备中包含有整流和逆变等变流电路,其中用到的续流二极管,一般都是在变频器内部的直流母线上加续流二极管,那是因为如果负载是电感元件时当母线上大容量的逆变器发生故障时,直流母线上会产生巨大的反向浪涌能量,此时,我们需要给这些能量提供一个泻放通道,否则巨大的能量将击穿或烧毁小逆变器.而这个通道就需要二极管来构成,故应为续流二极管.
1 变频器的工作原理
我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:
n=60f(1-s)/p
(1)
式中 n———异步电动机的转速;f———异步电动机的频率;s———电动机转差率;p———电动机极对数。
由式
(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为0.75~400kW,工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。
其控制方式经历了以下四代。
2.1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。
另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.2电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。
2.3矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
2.4直接转矩控制(DTC)方式
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
2.5矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。
为此,矩阵式交—交变频应运而生。
由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是:
——控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;
——自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩。
注意:
在一些继电器中也使用续流二极管(继电器内也有线圈,为感性负载)
1启保停电路
该电路实现线圈(电机)的启动,保持和停止功能。
实现了断电保持(意思是启动触点断开,电机也仍然运行)。
这个是比较常用的一段电路图。
I1.0为启动,I1.1为停止。
2 多点启保停电路
与上面的启保停电路类似,更进一步地实现了多点控制。
意思是多点控制断,多点控制启动。
3 互锁控制电路
用在一组相反控制,比如电机的正反接触器等等。
比如Q0.1和Q0.2线圈,Q0.1的一个常闭触点接在Q0.2回路中,Q0.2同样,即可以实现互锁。
例子中互锁电路再加一个启保停,即实现了电机的正反转起停控制。
周期闪烁电路
周期地输出高电平和低电平,这两个高低波输出时间的长度由两个定时器决定。
如果需要两个输出端闪烁,即只需要在当中串一个定时器,形成顺连即可以了。
5 定时器接力电路
这个接力电路主要用在一些步进工序当中,入A动作开始运行10S后B开始动作,B动作5S后,C开始动作。
C动作3S后再循环。
如此一个接力动作,即需要接力电路来控制接力的时间点。
基本上也是顺接的一个意思。
这种电路中比较主要的一点是最后一个定时器,它的输出是控制第一个定时器的一个常开触点,如此来构建一个循环。
因为当最后一个定时器有输出的瞬间,最后一个线圈得电,第一个定时器前面的常闭触点断开,定时器被清零,导致所有定时器清理,无输出,一个循环结束。
当最后一个定时器被清理后,最后一个线圈失电,常闭触点又闭合,下一个周期开始。
定时器
定时器指令本质上也就是一个输出指令。
主要功能是当输入端有能流时,并不立即进行输出动作,而是延时一段时间进行输出动作。
根据计时方法和输出动作不同,定时器分为接通延时定时器,有保持接通延时定时器,关断延时定时器。
1接通延时定时器
接通延时定时器,就是输入端能流延时一段指定时间输出到指定变量。
接通,顾名思义,就是接通的时候就开始延时,因为要相对于关断延时器。
接通的时候,计时器开始计时,能流保持才会计时,能流消失,计时将失效,无输出。
当计时时间到,定时器被置位,就开始输出。
如果输入能流消失,定时器被复位,输出消失。
所以有输出的一个过程就是从定时器被置位开始到被复位的这段。
置位和复位都与输入能流相关。
2有保持接通延时定时器
有保持接通延时定时器,该定时器与接通延时定时器的区别是,在定时器未到达预设时间时,若输入能流中断,不会清当前定时器变量。
之后若输入能流恢复,则在原定时器变量上继续累加。
只有当定时器变量到达预设时间后,输入能流中断,才清楚定时器变量。
3 关断延时定时器
将输入能流立即输出到指定变量,在输入能流关闭时,延时一段时间关闭指定变量。
在这个过程中,在关闭输入能流的时候,才是一个触发开始。
在之前没关闭输入时,输入和输出通道想通的,有输入立即输出。
计数器
在很多场合,需要对特定事件进行技术。
计数器分为普通计数器和告诉计数器。
如果计数事件发生的频率远小于PLC的扫描频率,那么就可以使用普通计数器。
如果计数事件接近于或者大于PLC的扫描频率,那么就必须使用高速计数器。
按照技术方式,分为增计数器,减计数器,增减计数器。
1增计数器。
端子包括计数能流,复位能流,计数器预设值(计多少次,计数器到达的输出。
每次计数输入CU从关闭向打开转换时,计数器变量加1。
这个向上向下计数和输入是上升沿触发还是下降沿触发是没关系的,两者都是从关闭向打开时计数,只是一个是加1,一个是减1.当计数器变量等于预设值时,输出Q打开,此时计数器停止计数。
Q保持输出,知道复位。
当复位输入R打开时,计数器当前值被清零。
2 减计数器,类似增计数器。
置位复位线圈
普通线圈:
前端输入到达线圈,线圈被置位,对应内存为1;前端输入不能到达线圈,线圈被复位,对应内存为0.
置位线圈:
前端输入到达线圈,线圈被置位,对应内存为1;前端输入不能到达线圈,线圈不动作,对应内存保持原状态。
作用有点类似于断电保持这一功能。
在输入断了之后,线圈仍然保持“1”的动作。
下图为置位线圈例子:
复位线圈:
前端输入到达线圈,线圈被复位,对应内存为0;前端输入不能到达线圈,线圈不动作,对应内存保持原状态。
变频器
变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。
变频器原理以及基本知识
1、什么是变频器?
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。
2、PWM和PAM的不同点是什么?
PWM是英文PulseWidthModulation(脉冲宽度调制)缩写,按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度,以调节输出量和波形的一种调值方式。
PAM是英文PulseAmplitudeModulation(脉冲幅度调制)缩写,是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度,以调节输出量值和波形的一种调制方式。
3、电压型与电流型有什么不同?
变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。
4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变?
异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的,在额定频率下,如果电压一定而只降低频率,那么磁通就过大,磁回路饱和,严重时将烧毁电机。
因此,频率与电压要成比例地改变,即改变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机的磁通保持一定,避免弱磁和磁饱和现象的产生。
这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
5、电动机使用工频电源驱动时,电压下降则电流增加;对于变频器驱动,如果频率下降时电压也下降,那么电流是否增加?
频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。
6、采用变频器运转时,电机的起动电流、起动转矩怎样?
采用变频器运转,随着电机的加速相应提高频率和电压,起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同,为125%~200%)。
用工频电源直接起动时,起动电流为6~7倍,因此,将产生机械电气上的冲击。
采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。
起动电流为额定电流的1.2~1.5倍,起动转矩为70%~120%额定转矩;对于带有转矩自动增强功能的变频器,起动转矩为100%以上,可以带全负载起动。
7、V/f模式是什么意思?
频率下降时电压V也成比例下降,这个问题已在回答4说明。
V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的,通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性,可以用开关或标度盘进行选择
8、按比例地改V和f时,电机的转矩如何变化?
频率下降时完全成比例地降低电压,那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。
因此,在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。
可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法
9、在说明书上写着变速范围60~6Hz,即10:
1,那么在6Hz以下就没有输出功率吗?
在6Hz以下仍可输出功率,但根据电机温升和起动转矩的大小等条件,最低使用频率取6Hz左右,此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。
变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.5~3Hz.
10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定,是否可以?
通常情况下时不可以的。
在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)电压不变,大体为恒功率特性,在高速下要求相同转矩时,必须注意电机与变频器容量的选择。
11、所谓开环是什么意思?
给所使用的电机装置设速度检出器(PG),将实际转速反馈给控制装置进行控制的,称为“闭环”,不用PG运转的就叫作“开环”。
通用变频器多为开环方式,也有的机种利用选件可进行PG反馈.
12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办?
开环时,变频器即使输出给定频率,电机在带负载运行时,电机的转速在额定转差率的范围内(1%~5%)变动。
对于要求调速精度比较高,即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合,可采用具有PG反馈功能的变频器(选用件)。
13、如果用带有PG的电机,进行反馈后速度精度能提高吗?
具有PG反馈功能的变频器,精度有提高。
但速度精度的值取决于PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率。
14、失速防止功能是什么意思?
如果给定的加速时间过短,变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化,变频器将因流过过电流而跳闸,运转停止,这就叫作失速。
为了防止失速使电机继续运转,就要检出电流的大小进行频率控制。
当加速电流过大时适当放慢加速速率。
减速时也是如此。
两者结合起来就是失速功能。
15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种,和加减速时间共同给定的机种,这有什么意义?
加减速可以分别给定的机种,对于短时间加速、缓慢减速场合,或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的,但对于风机传动等场合,加减速时间都较长,加速时间和减速时间可以共同给定。
16、什么是再生制动?
电动机在运转中如果降低指令频率,则电动机变为异步发电机状态运行,作为制动器而工作,这就叫作再生(电气)制动。
17、是否能得到更大的制动力?
从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中,由于电容器的容量和耐压的关系,通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。
如采用选用件制动单元,可以达到50%~100%。
18、请说明变频器的保护功能?
保护功能可分为以下两类:
(1)检知异常状态后自动地进行修正动作,如过电流失速防止,再生过电压失速防止。
(2)检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号,使电机自动停车。
如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。
19、为什么用离合器连续负载时,变频器的保护功能就动作?
用离合器连接负载时,在连接的瞬间,电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化,流过的大电流导致变频器过电流跳闸,不能运转。
20、在同一工厂内大型电机一起动,运转中变频器就停止,这是为什么?
电机起动时将流过和容量相对应的起动电流,电机定子侧的变压器产生电压降,电机容量大时此压降影响也大,连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断,因而有时保护功能(IPE)动作,造成停止运转。
21、什么是变频分辨率?
有什么意义?
对于数字控制的变频器,即使频率指令为模拟信号,输出频率也是有级给定。
这个级差的最小单位就称为变频分辨率。
变频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如,分辨率为0.5Hz,那么23Hz的上面可变为23.5、24.0Hz,因此电机的动作也是有级的跟随。
这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。
在这种情况下,如果分辨率为0.015Hz左右,对于4级电机1个级差为1r/min以下,也可充分适应。
另外,有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。
22、装设变频器时安装方向是否有限制。
变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的,上下的关系对通风也是重要的,因此,对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位,尽可能垂直安装。
23、不采用软起动,将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以?
在很低的频率下是可以的,但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。
将流过大的起动电流(6~7倍额定电流),由于变频器切断过电流,电机不能起动。
24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题?
超过60Hz运转时应注意以下事项
(1)
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