變頻器的基本知識

1、1 變頻器的基本知識 2 目 錄第一章、通用變頻器發(fā)展史 第一節(jié) 通用變頻器發(fā)展歷史及特點 第二節(jié) 新型變頻器發(fā)展趨勢第二章、通用變頻器結(jié)構(gòu)與原理 第一節(jié) 通用變頻器的類別結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 通用變頻器的工作原理 附錄：常見的國內(nèi)外品牌變頻器3第一章、 變頻器發(fā)展歷史及特點 第一節(jié) 通用變頻器發(fā)展歷史及特點 隨著微機技術(shù)、電力電子技術(shù)和調(diào)速控制理論的不斷發(fā)展，變頻器作為一種智能調(diào)速“電源”也在不斷地更新。從變頻器問世以來，通用變頻器主要經(jīng)歷以下幾個發(fā)展階段： 80年代初期的模擬式、80年代中期的數(shù)字式、90年代初期的智能式、90年代中期的多功能型及現(xiàn)在的集中型通用變頻器。通用變頻器發(fā)展主要有以下特點

2、： 、 功率器件不斷更新?lián)Q代功率器件不斷更新?lián)Q代 變頻器的發(fā)展受其電力半導(dǎo)體器件的限制，常用晶體管主要有:雙極晶體管BJT、絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管IGCT、巨型晶體管GTO，見下表（1） 80年代初主要使用巨型晶體管GTO、大功率晶體管GTR，由于GTR的工作頻率一般在2KHZ以下，載波頻率和最小脈寬都受到限制，難以得到較為理想的正弦脈寬調(diào)制波形，并使異步電機在變頻調(diào)速時產(chǎn)生噪聲。4 隨著IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的出現(xiàn)，其工作頻率可在1020KHz之間，與GTR相比不僅工作頻率提高一個數(shù)量級且在電流、電壓指標(biāo)（電流浪涌耐量、電壓阻斷峰值、門極驅(qū)動功耗等各項指標(biāo)）均已超

3、過GTR，因而在新一代的中小功率變頻器中IGBT已基本上代替了GTR。采用IGBT的低壓變頻器的最大容量在380V級可達540KVA，而600V級的可達700KVA，可驅(qū)動485KW電動機進行調(diào)速，最高頻率可達400600Hz，能對中頻電機進行調(diào)頻控制。 90年代末又出現(xiàn)適合中壓（1KV-10KV）開關(guān)電路的IGCT（集成門極換流晶體管）、以及現(xiàn)在使用的功率智能模塊IPM：是以IGBT為開關(guān)器件，同時含有驅(qū)動電路和保護電路，IPM的保護功能有過流、短路、過壓、和過熱等，還可以實現(xiàn)再生制動，由于IPM組成的變頻器只需對橋臂上各個IGBT提供隔離的PWM信號即可，使變頻器的體積逐漸趨向小型化，隨著

4、電力電子功率器件的發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)不斷成熟。5名稱代號符號控制方式最大電壓電流及頻率雙極型晶體管BJTGTRB C E 電 流 控電 流 控制制Um：450-1400VIm：300-800AFm：10K-50k門極關(guān)斷門極關(guān)斷晶閘管晶閘管絕緣柵雙絕緣柵雙極晶體管極晶體管GTO電 流 控電 流 控制制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1K-10kIGBT電 壓 控電 壓 控制制Um：1800-3300VIm：800-1200AFm：20K-50k IGCT G GC CE E集成門換集成門換流晶體管流晶體管電壓控電壓控制制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：

5、1K-10k表表(1):(1):常用電力半導(dǎo)體器件常用電力半導(dǎo)體器件GKA62 2、應(yīng)用范圍不斷擴大、應(yīng)用范圍不斷擴大 在紡織、印染、塑膠、石油、化工、冶金、造紙、食品、裝卸搬運等行業(yè)都有著廣泛應(yīng)用，隨著各種專用變頻器的出現(xiàn)，使變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大，可以說有電機的地方就會有變頻器。3、 控制理論不斷成熟控制理論不斷成熟 早期通用變頻器主要采用恒壓頻比（V/F） PWM控制方式，隨著矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的出現(xiàn)使得電動機變頻后的機械特性可以和直流電機相媲美。 變頻調(diào)速控制技術(shù)不斷成熟、功率電子器件不斷發(fā)展，變頻器應(yīng)用日益廣泛，在電氣傳動、節(jié)能領(lǐng)域起著重要的作用。 第二節(jié)第二節(jié) 新型

6、通用變頻器發(fā)展趨勢新型通用變頻器發(fā)展趨勢1 1、低電磁噪音、靜音化、低電磁噪音、靜音化 新型通用變頻器除了采用高頻載波方式的正弦波SPWM調(diào)制實現(xiàn)靜音化外，還在通用變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正電路APFC，而在逆變電路中采取Soft-PWM控制技術(shù)等，以改善輸入電流波形、降低電網(wǎng)諧波，在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)所謂的清潔電能的變換。如三菱公司的柔性PWM控制技術(shù)，實現(xiàn)了更低噪音運行。 72 2、專用化專用化 新型通用變頻器為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速控制技術(shù)的獨特功能，并盡可能滿足現(xiàn)場控制的需要，派生了許多專用機型如風(fēng)機水泵空調(diào)專用型、起重機專用型、恒壓供水專用型

7、、 交流電梯專用型、紡織機械專用型、機械主軸傳動專用型、電源再生專用型、中頻驅(qū)動專用型、機車牽引專用型等。 3 3、系統(tǒng)化、系統(tǒng)化 通用變頻器除了發(fā)展單機的數(shù)字化、智能化、多功能化外，還向集成化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。如西門子公司提出的集通訊、設(shè)計和數(shù)據(jù)管理三者于一體的“全集成自動化”（TIA）平臺概念，可以使變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置等集成配置，甚至自動化和驅(qū)動系統(tǒng)、通訊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都可以像驅(qū)動裝置通常嵌入“全集成自動化”系統(tǒng)那樣進行，目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)功能。 4 4、網(wǎng)絡(luò)化、網(wǎng)絡(luò)化新型通用變頻器可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內(nèi)裝RS485接口，可由個人計算機

8、向通用變頻器輸入運行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等，通過選件可與現(xiàn)場總線：Profibus-DP、 Interbus-S 、 Device Net 、 Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通訊。如西門子、VACON、富士、日立、三菱、臺安、東洋等品牌的通用變頻器，均可通過各自可提供的選件支持上述幾種或全部類型的現(xiàn)場總線。85 5、操作傻瓜化操作傻瓜化 新型通用變頻器機內(nèi)固化的“調(diào)試指南”會引導(dǎo)你一步一步地填入調(diào)試表格，無需記住任何參數(shù)，充分體現(xiàn)了易操作性。如西門子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一種稱為“易

9、于使用”的成功概念，使得在連接技術(shù)、安裝和調(diào)試方面的操作變得非常簡單。6 6、參數(shù)趨勢圖形參數(shù)趨勢圖形 新型通用變頻器的參數(shù)趨勢圖可適時地顯示各信號的現(xiàn)時運行狀態(tài)，用戶在調(diào)試過程中，可隨時監(jiān)控和記錄運行參數(shù)。如西門子公司的新一代MICROMASTER420/440的高級操作板AOP，變頻器的參數(shù)可上裝或下裝，通過現(xiàn)場總線的USS連接調(diào)試和控制多達31臺變頻器驅(qū)動裝置。AOP可以存儲10組數(shù)據(jù)。存儲在AOP中的各組數(shù)據(jù)可以直接裝入其它的MICROMASTER420/440，或者通過USS裝入7 7、內(nèi)置式應(yīng)用軟件、內(nèi)置式應(yīng)用軟件 新型通用變頻器可以內(nèi)置多種應(yīng)用軟件，有的品牌可提供多達130余種的

10、應(yīng)用軟件，以滿足現(xiàn)場過程控制的需要，如PID控制軟件、張力控制軟件、速度級鏈、速度跟隨、電流平衡、變頻器功能設(shè)置軟件、通訊軟件等。變頻器功能設(shè)置軟件可以在WINDOWS95/98環(huán)境下設(shè)置變頻器的功能及數(shù)據(jù)通訊。 8 8、參數(shù)自調(diào)整、參數(shù)自調(diào)整 用戶只要設(shè)定數(shù)據(jù)組編碼，而不必逐項設(shè)置，通用變頻器會將運行參數(shù)自動調(diào)整到最佳狀態(tài)（矢量型變頻器可對電機參數(shù)進行自整定）。9 9、功能設(shè)置軟件化、功能設(shè)置軟件化 通用變頻器的功能可以在WINDOWS95/98環(huán)境下設(shè)置并下裝，并可以進行數(shù)據(jù)通訊。9第二章、通用變頻器結(jié)構(gòu)與原理通用變頻器結(jié)構(gòu)與原理一、通用變頻器的類型一、通用變頻器的類型 從結(jié)構(gòu)上可分為：

11、1、交交變頻器 2、交直交變頻器 從變頻電源的性質(zhì)分（見圖3） 1、電流源型、電流源型：中間直流濾波環(huán)節(jié)采用大電感濾波，電源內(nèi)阻抗為 零的恒壓源，輸出電流波形為矩形波。 2 2、電壓源型、電壓源型：中間直流濾波環(huán)節(jié)采用大電容濾波，電源內(nèi)阻抗為 無窮大的恒流源，輸出電壓波形為矩形波。 兩者性能差別：兩者性能差別：無功能量的緩沖回饋制動調(diào)速時的動態(tài)響應(yīng)適用范圍10不可控整流器PWM逆變器RSTUVWCF（A）電壓源型不可控整流器PWM逆變器RSTUVW（B）電流源型圖圖2-1：電壓源型和電流型交：電壓源型和電流型交-直直-交型變頻交型變頻器器LFIB11圖圖2-2、通用變頻器主回路圖、通用變頻器主

12、回路圖VD1 VD3 VD5VD4 VD6 VD2RSTRBVBC1C2V1V3V5V4V6V2D1D3D5D4D6D2RSUVWPNKSRC1、2IB整流電路整流電路逆變電路逆變電路濾波電路濾波電路制動電路制動電路12（一）、變頻器的主回路（一）、變頻器的主回路 電壓型變頻器主電路包括：整流電路、中間直流電路、逆變電路三部分組，交-直-交型變頻器結(jié)構(gòu)見圖21 1、整流電路：、整流電路： VD1VD6組成三相不可控整流橋，220V系列采用單相全波整流橋電路；380V系列采用橋式全波整流電路。若電源線電壓為UL，三相全橋整流后平均直流電壓UD=1.35UL，直流母線電壓為535V2、中間濾波電路

13、：中間濾波電路：整流后的電壓為脈動電壓，必須加以濾波；濾波電容CF除濾波作用外，還在整流與逆變之間起去耦作用、消除干擾給電機感性負載提供必要的無功功率，由于該大電容儲存能量，在斷電的短時間內(nèi)電容兩端存在高壓電，因而要在電容充分放電后才可進行操作。3 3、限流電路：、限流電路：由于儲能電容較大，接入電源時電容兩端電壓為零，因而在上電瞬間濾波電容CF的充電電流很大，過大的電流會損壞整流橋二極管，為保護整流橋上電瞬間將充電電阻RL串入直流母線中以限制充電電流，當(dāng)CF充電到一定程度時由開關(guān)SL將RL短路。134、逆變電路：、逆變電路： 逆變管V1V6組成逆變橋?qū)⒅绷麟娔孀兂深l率、幅值都可調(diào)的交流電，是

14、變頻器的核心部分。常用逆變模塊有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模塊化結(jié)構(gòu)有2單元、4單元、6單元5 5、續(xù)流二極管續(xù)流二極管D1D6：其主要作用為：（1）電機繞組為感性具有無功分量，VD1VD7為無功電流返回到直流電源提供通道（2）當(dāng)電機處于制動狀態(tài)時，再生電流通過VD1VD7返回直流電路。（3）V1V6進行逆變過程是同一橋臂兩個逆變管不停地交替導(dǎo)通和截止，在換相過程中也需要D1D6提供通路。* *6 6、緩沖電路、緩沖電路 由于逆變管V1V6每次由導(dǎo)通切換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，C極和E極間的電壓將由近乎0V上升到直流電壓值UD，這過高的電壓增長率可能會損壞逆變管，吸收

15、電容的作用便是降低V1V6關(guān)斷時的電壓增長率。146 6、制動電阻、制動電阻RB和制動單元和制動單元VB（1）工作原理： 電機在工作頻率下降中，異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將可能超過此時的同步轉(zhuǎn)速（n=60f/P）而處于再生制動（發(fā)電）狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能將反饋到直流電路中使直流母線（濾波電容兩端）電壓UD不斷上升（即所說的泵升電壓），這樣變頻器將會產(chǎn)生過壓保護，甚至可能損壞變頻器，因而需將反饋能量消耗掉，制動電阻就是用來消耗這部分能量的。制動單元由開關(guān)管與驅(qū)動電路構(gòu)成，其功能是用來控制流經(jīng)RB的放電電流IB（2） 制動單元、制動電阻的選擇 各種變頻器手冊上都提供該公司變頻器配套的外接制動單元和制動電阻

16、，也可用下列方法選配： RB2US/IN； PB（0.30.5）US2/RB ； 其中US： 整流后的直流電壓；IN 為變頻器的額定電流，選擇系數(shù)當(dāng)電機容量小時選小值否則選取大值。15 （二）變頻器的控制回路（二）變頻器的控制回路 變頻器控制部分一般有：CPU單元、顯示單元、電流檢測電壓檢測單元、輸入輸出控制端子、驅(qū)動放大電路、開關(guān)電源等（見圖2）。1 1、CPUCPU單元：單元： 采用16位單片機或DSP，變頻器專用單片機如：INTEL 87C196MH，速度為幾十ns級。矢量控制型采用雙CPU。 2 2、開關(guān)電源單元：、開關(guān)電源單元： 變頻器控制電源為開關(guān)電源：有24V，15V，+5V等輸

17、出，其輸入在主電路直流母線側(cè)取得。 3 3、電流檢測單元：、電流檢測單元：采用HALL元件檢測變頻器輸出側(cè)電流。對于加速、減速、運行中過流、變頻過載及電機過載的檢測是：由CPU通過檢測輸入的脈沖頻譜來區(qū)分的。 4 4、顯示單元：、顯示單元：其功能為人機界面、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)/故障顯示、遠距離操作等 、控制端子：控制端子：模擬輸入、輸出端子；開關(guān)量輸入輸出端子；故障輸出端子； 16 顯示面板 CPU輸入信號輸出信號電流檢測電路開關(guān)電源電路 PWM波形驅(qū)動電路主電路電電 機機電壓檢測電電 源源圖圖2-3:變頻器控制回路圖變頻器控制回路圖17 6、驅(qū)動單元電路：、驅(qū)動單元電路：產(chǎn)生的PWM波經(jīng)專用驅(qū)動

18、芯片、驅(qū)動放大電路后IGBT。常用的單路波形驅(qū)動芯片有：Motorola的MC33153，日本英達HR065，富士J316（convo變頻器用），及光耦TLP521等；常用的六路波形驅(qū)動芯片有：IR公司的IR2130，IR3320等。 IGBT驅(qū)動電路特點及要求：驅(qū)動電路特點及要求：動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供陡峭前后沿驅(qū)動脈沖。 能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?。IGBT導(dǎo)通后VCE與柵極電壓有關(guān)， VGE越高則VCE越低。一般為20V左右。 在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存貯電荷，能向IGBT提供足夠的反向柵壓。幅值一般為5V15V。 有足夠的輸入輸出隔離能力。具有有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。 具有故障封鎖輸出功能。18 通用變頻器的基本控制方式（通用變頻器的基本控制方式（V/F控制）控制） 由n=60f/P（1-S）（P為極對數(shù)）可知通過改變頻率f可改變電機速度，由三相異步電機定子相電動勢有效值：E=4.44kfn，知：當(dāng)f大于電機額定頻率fN時，氣隙磁通將會小于額定磁通量N ，結(jié)果使電機的鐵心沒有得到充分利用而造成浪費；當(dāng)f小于電機額定頻率fN時，氣隙磁通將會大于額定磁通量N，電機鐵心飽和，導(dǎo)致過大的勵磁電流嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機，因而要實現(xiàn)變頻調(diào)速，最好在變頻時保持每極磁通量不變。 基頻以下（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）基頻以下（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）