变频调速技术培训教材.docx

变频调速技术培训教材.docx

《变频调速技术培训教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频调速技术培训教材.docx（178页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

变频调速技术培训教材

变频调速技术

编写王孝俭

水利与建筑工程学院

2007年7月

目录

绪论………………………………………………………………………………………………………………2

第一讲变频调速技术及其产生背景……………………………………………………………3

1.1变频调速技术的概念…………………………………………………………………………………3

1.2几种交流调速方式的比较……………………………………………………………………………3

1.3变频调速技术的三大优点……………………………………………………………………………5

1.4变频调速技术是时代的产物…………………………………………………………………………6

1.5变频调速技术的主要发展方向及关键技术…………………………………………………………10

第二讲变频器的简单原理及分类………………………………………………………………11

2.1变频器发展概况………………………………………………………………………………………11

2.2变频器的简单原理……………………………………………………………………………………13

2.3变频器的分类…………………………………………………………………………………………15

2.4变频调速器的优良性能………………………………………………………………………………20

附图：

变频器内部结构……………………………………………………………………………………21

第三讲变频器的主要性能指标及选型………………………………………………………22

3.1变频器得主要性能标…………………………………………………………………………………23

3.2变频器的选型及配置要点……………………………………………………………………………23

3.3传动系统对电机的要求及影响………………………………………………………………………27

3.4变频器周边器件的选择………………………………………………………………………………28

3.5 功率电缆的线径和配线距离…………………………………………………………………………31

第四讲变频器功能解析………………………………………………………………………………33

4.1频率的给定与相关功能………………………………………………………………………………33

4.2变频器的加减速功能…………………………………………………………………………………42

4.3变频器的外接端子及其控制功能……………………………………………………………………49

4.4变频器的系统控制功能………………………………………………………………………………57

4.5变频器的保护和显示功能……………………………………………………………………………66

第五讲变频调速技术的应用………………………………………………………………………75

5.1应用变频调速技术的目的和效益……………………………………………………………………75

5.2应用通用变频器的技术优势…………………………………………………………………………83

5.3变频调速技术在恒压供水系统的应用………………………………………………………………85

5.4变频调速技术在节水灌溉供水系统的应用…………………………………………………………88

5.5通用变频器在电梯中的应用…………………………………………………………………………89

5.6变频调速技术的在我国应用的典型成果……………………………………………………………94

绪论

多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频调速技术的开发及推广应用，在技术开发、技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展统贷统还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用。

1995—1997年3年间我国风机水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元，改造总容量达100万kW，可年节电7亿kWh，平均投资回收期约2年。

1998年1月1日实施的《中华人民共和国节约能源法》第39条，已将变频调速列入通用节能技术加以推广。

在国家经贸委《“九五”资源节能综合利用工作纲要》中，变频调速已被列入重点组织实施的10项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。

由国家经贸委和国家计划委员会在2001年制订了《节约用电管理办法》，着重推荐了变频调速技术。

变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。

中国是能耗大国，能源利用率很低，且能源储备不足。

在2003年的中国电力消耗中，60～70％为动力电，其中，交流电动机占90%左右。

我国电动机的总装机容量已达5.8亿千瓦，约占工业耗电量的80％。

而在5.8亿千瓦总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的，据分析，在中国带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。

因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。

有关统计数据表明，截止到2006年底，我国发电装机容量达到了62200万千瓦，同比增长20.3%。

其中水电达到12875万千瓦，约占总容量的20.67%，同比增长9.5%；火电达到48405万千瓦，约占总容量的77.82%，同比增长23.7%。

我国核电总装机容量为684万千瓦,占全国总装机容量的比例还不足2%。

当前，在全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：

能源和环境。

能源的紧张制约了国民经济的增长，而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。

能源工业作为国民经济的基础，对国民经济的发展和人民生活水平的提高极为重要。

在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临着经济增长与环境保护的双重压力。

有文献表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低得多。

对能源的有效利用在我国已非常迫切。

作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可挖。

虽然我国人均能源资源占有量远比世界平均值低，但我国是世界上单位GDP能耗最高的国家之一。

2004年，我国单位GDP能耗是美国的4倍、德国的7倍、日本的11倍，我国的经济总量在世界上排名是第七，而电力消耗却位居第二，却仅次于美国。

能耗过大已经成为我国经济社会发展中面临的一个突出问题。

，因此，在国家“十五”规划中，电机系统在节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。

党的十六届五中全会提出“2010年人均国内生产总值比2000年翻一番。

单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低20%左右”的目标，这一目标是十一五规划的约束性指标，具有法律效力。

这是建设资源节约型、环境友好型的和谐社会的重大举措，也是实现党的十六大提出全面建设小康社会的根本保证。

2006年我国万元GDP能源消耗仅同比下降了1.23％。

要实现“十一五”规划的目标节能指标，任务还十分艰巨。

市场调查显示，电力行业2003年的变频器市场规模就达到2.5亿元。

2003年变频器在纺织与化纤行业的市场规模超过了10亿元。

此外，在食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等行业，国内企业也需要扩大生产规模，提高生产技术，因此变频调速技术广阔的应用前景和巨大的发展潜力。

第一讲变频调速技术及产生背景

近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。

电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。

近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。

变频调速是交流调速的基础和主干内容。

上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。

长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。

1.1变频调速技术的概念

变频调速技术是一种以改变电机供电电源频率和电压来达到电机调速目的的技术。

电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。

电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。

电气传动分成不调速和调速两大类，调速分为电气调速和机械调速，电气调速又分为交流调速和直流调速两种方式。

不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。

在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。

目前，无论哪种电气调速，都是通过电机来实现的。

从大范围来分，电机有直流电机和交流电机。

过去的调速，多数用直流电机，直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。

其缺点是：

①维修工作量大，事故率高；②容量、电压、电流和转速的上限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；③使用环境受限，特别是在易燃易爆场合难于应用。

而交流电动机有一些固有的优点：

①容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；②结构简单、造价低；③坚固耐用，事故率低，容易维护。

它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。

随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。

目前，由于变频调速技术的应用，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。

1.2几种交流调速方式的比较

交流电动机大多数调速方案的基本原理很早以前就已经确立了。

在变频调速技术出现以前，人们为了实现笼式交流电机调速，也做过长期不懈的努力，因而就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串级调速、液力偶合调速等交流调速方式。

但这些交流调速方式都只能在针对某一用途，在一定的条件下使用于特定场合。

从节能的角度，交流电动机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装置两大类。

高效调速装置的特点是：

调速时基本保持额定转差，不增加转差损耗，或可以将转差功率率回馈至电网。

低效调速装置的特点是：

调速时改变转差，增加转差损耗。

1、具体的交流调速装置的分类如下：

（1）高效调速包括：

①变极对数调速——鼠笼式电机

②变频调速——鼠笼式电机

③串级调速——绕线式电机

④无换向器电机调速——同步电机

（2）低效调速包括：

①定子调压调速——鼠笼式电机

②电磁滑差离合器调速——鼠笼式心机

③转子串电阻调速——绕线式心机

2、各种调速装置的特点

（1）变极对数调速

优点：

①无附加差基损耗，效率高；

②控制电路简单，易维修，价格低；

③与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。

缺点：

①有级调速，不能实现无级平滑的调速。

且由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2一3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。

（2）变频调速

优点：

①无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；，

②对于低负载运行时间较长、起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。

缺点：

①技术较复杂，价格较高。

（3）无换向器电机调速

优点：

①具有交流同步电动机结构简单和直流电动机良好的调速性能：

②低速时用电源电压、高速时用电机反电势自然换流，运行可靠；

③无附加转差损耗，效率高，适用于高速大容量同步电动机的启动和调速

缺点：

①过载能力较低，原有电机的容量不能充分发挥。

（4）串级调速

优点：

①可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用效率高；

②装置容量—与调速范围成正比，适用于70％～95％的调速。

缺点：

①功率因数较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载

（5）定子调压调速

优点：

①线路简单，装置体积小，价格便宜；

②使用维修方便。

缺点：

①调速过程中增加转差功率，且此功率全部用于转子发热，效率较低；

②调速范围比较小：

③要求采用高转差电机，比如特殊设计的力矩电机，所以特性较软，一般适用于55kW以下的异步电动机。

（6）电磁转差离合器调速

优点：

①结构简单，控制装置容量小，价值便宜。

②运行可靠，维修容易。

③无谐波干扰。

缺点：

①速度损失大，因为，电磁转差离合器本身转差较大，所以输出轴的最高转速仅为电机同步转速的80％～90％；

②调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低。

（7）转子串电阻调速

优点：

①技术要求较低，易于掌握；

②设备费用低；

③无电磁谐波干扰。

缺点：

①串铸铁电阻只能进行有级调速。

若用液体电阻进行无级调速，则维护保养要求较高；

②调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗，效率低。

③调速范围不大。

综上所述，交流电动机最理想的调速方法应该是改变电动机供电电源的频率，这就是变频调速。

随着力电子技术的飞速发展变频调速的性能指标完全可以达到甚至超过直流电动机调速系统。

1.3变频调速技术的三大优点

1.具有显著的节电效果。

由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%～60%，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。

而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。

由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的20%～30%，它们的节能就具有非常重要的意义。

对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可节能。

除此之外，原有调速方式耗能较大者（如绕线转子电动机等），原有调速方式比较庞杂，效率较低者（如龙门刨床等），采用了变频调速后，节能效果也很明显。

3.具有卓越的调速性能。

高速响应、低噪声、大范围、高精度平滑无级调速。

变频调速很容易实现电动机的正、反转。

只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。

变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。

加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。

变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。

除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。

3.在国民经济各领域的广泛适用性。

变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。

它可以提高奇特的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。

由于变频调速技术的三大优点，使变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。

既然变频调速技术有以上优点，那么怎样实现变频调速呢？

实现变频调速的装置—变频调速器（简称变频器。

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变成交流电。

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。

1.4变频调速技术是时代的产物

到20世纪80年代，由于电力电子技术，微电子技术和信息技术的发展，才出现了对交流机来说最好的变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。

因而说变频调速是时代的产物，只有在技术高度发展的今天才能实现。

1.是电力电子技术发展的结果

主电路功率元件技术的进展指开关元件的自关断化、模块化、集成化和智能化，开关频率不断提高，开关损耗将进一步降低。

电力电子技术是现代电子学的重要分支，是一门研究如何利用电力电子器件对电能进行控制、变换和传输的学科。

电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键。

主电路功率元件是变频调速技术发展最重要的物质基础，主电路功率元件技术的迅猛发展，促使变频调速技术水平有了突破性的提高。

没有功率元件技术的发展，就没有今天的高水平变频调速技术。

主电路功率元件，相当于信号电路中的A／D采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了系统的可靠性。

目前，根据可控程度，主电路功率元件分成四代产品：

（1）第一代主电路功率元件一半控型器件

上世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管问世，它标志着电力电子技术的开端。

此后，晶闸管（SCR）的派生器件越来越多，到了上世纪70年代，已派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，且功率越来越大，性能日益完善。

但因晶闸管本身工作频率较低，一般低于400HZ，大大限制了它的应用。

此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大，效率和可靠性降低。

目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。

（2）第二代主电路功率元件一全控型器件

随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。

由于全控型器件能控制开通和关断，大大捉高了开关控制的灵活性。

自上世纪70年代后期以来，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR或BJT）及其模块相继实用化。

（3）第三代主电路功率元件一复合场控器件

上世纪80年代末和90年代初发展起来的功率半导体复合器件，以功率MOSFET和IGBT为代表，集高频、高压和大电流等特性于一身，它表明了传统电力电子技术已进入现代电力电子时代。

这些器件主要有电力场控晶体管，即功率金属一氧化物一半导体场效应晶体管（MOS-FET）、绝缘栅极双极晶体管，（IGT或IGBT）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）等。

晶闸管作为最早的电力电子元件自上世纪60年代问世以来，至今其功率容量已提高了近300000％。

许多国家正能稳定生产Φ100mm，8000V/4000A的晶闸管。

尽管有自关断能力的电子电子器件的发展使晶闸管的应用领域有所减小，但因它的高电压、大电流特性，在大功率直流驱动和大功率高电压的变频调速驱动应用中仍占有不可动摇的地位。

自第二代GTR，MOSFET至第三代IGBT为代表的电力半导体器件的发展中，除了自关断能力外，一个显著的特点是元件的开关频率不断提高，元件的通态压降不断降低，使电机控制性能有了很大的提高。

例如，采用GTR做成的通用型变频器，其GTR的开关频率约为2kHz，变频器输出的最低工作频率约为3Hz，最高频率约为120Hz。

而采用IGBT做成的通用型变频器，IGBT的开关频率约达20kHz，变频器的最低输出频率可达0.5Hz，最高工作频率可达400一500Hz。

用它控制电机运行，则噪声更小，电机运行更平稳。

这些高性能的开关元件问世是现代最新的矢量变换控制用于中小功率、高性能变频调速系统的保证。

（4）第四代主电路功率元件一功率集成电路（PIC）

进入21世纪后，可以预期还会出现新的更高性能的主电路功率元件，已有的各代电力电子元件还会不断得以改进和提高。

此外，一个新的发展动向值得注意，那就是大功率元件向集成化、智能化方向的发展；智能功率模块（IPM）是向第四代器件功率集成电路（PIC）发展的过渡产品。

它是微电子技术与电力电子技术相结合的产物。

它不仅具备提供一定的功率输出能力，且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，而且内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机的再生制动。

外界只需提供PWM信号给智能功率模块，就能实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。

主电路功率元件正进入以新型器件为主的新时代，作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器件的研发及关键技术突破，必然会促进电力电子技术的迅速发展，进而促进变频调速技术的迅速发展。

如上所述，电力电子器件（即通常所说的电力半导体器件），种类繁多，发展迅速，技术内涵相当丰富。

在电气传动中，它主要用于开关工作状态。

总体上，可以从三个角度出发对其进行分类。

如图1-2所示的电力电子器件“树”。

下面的分类是针对三端器件而言的。

根据器件的开关特性可以分成为两大类型：

半控型器件和全控型器件。

通过门极信号只能控制其导通而不能控制其关断的器件称为半控型器件；通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件，称为全控型器件。

普通晶闸管（SCR）及其派生器件，如逆导晶闸管（RCT）、不对称晶闸管（ASCR）、和双向晶闸管（TRIAC）为半控型器件。

其余三端器件均为全控型器件。

图1-1所示的电力电子器件“树”

根据半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，众多的电力电子器件可以分成单极型、双极型和混合型三种类型。

凡由一种载流子参与导电的称为单极型器件，图中功率MOSFET、静电感应晶体管（SIT）属单极型器件；凡由电子和空穴两种载流子参与导电的称为双极型器件，图中PN结整流管、普通晶闸管及其派生器件、双极晶体管（BJT）等属于双极型器件，值得强调的是静电感应晶闸管（SITH）也是双极型器件（与SIT不同）；由单极型和双极型两种器件组成的复合器件称为混合型器件，图中绝缘栅双极型晶体管（1GBT）和MOS门极晶闸管（MCT）属于混合型器件。

除上述两种分类方法外，根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，电力电子器件还被分成电流控制型和电压控制型两种类型。

电流控制型器件一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对导通或关断的控制；而电压控制器件是指利用场控原理控制的电力电子器件，其导通或关断是由控制极上的电压信号控制的，控制极电流极小。

图1—2所示的“树’’中，单极性器件MOSFET和SIT都是电压控制型的。

双极型器件基本上是电流控制型的（仅SITH属电压控制型）。

单极型器件只有一种载流子（多数载流子）参与导电，是电压控制型器件，具有控制功率小、驱动电路相对简单、工作频率高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点，其缺点是通态压降大、导通损耗大。

双极型器件中两种载流子都参与导电，具有通态压降小、导通损耗小的显著特点，多数属于电流控制型，其缺点是控制功率大、驱动电路较复杂、工作频率较低、有二次击穿问题等。

混合型器件又称复合型器件，是人们在比较单极型和双极型的优缺点之后，基于两者互为短长的事实取两者所长而制成的一类新型器件。

利用双极型器件作为它的输出级，而利用单极性器件作为它的输入级，所得到的复合器件发扬了两者的优点，摒弃了两者的缺点，成为一代新型的场控复合器件。

其典型代表就是IGBT和MCT。

目前，通用变频器中所用主开关器件基本上是BJT和IGBT。

由于IGBT性能优于BJT，而其电压、电流指标也已超过了BJT，为此IGBT正在取代BJT成为一种应用前景十分广阔的场控电力电子器件。

使用IGBT的通用变频器的单机容量已达1500kw。

近年采，又推出了IGBT的新系列，即智能功率模块（IntelligentPowerModule——IPM）。

很多变频器厂商开始推出小容量的采用IPM的通用变频