變頻技術(shù)的原理與功能應(yīng)用

1、變頻技術(shù)的原理與功能應(yīng)用.txt6寬容潤(rùn)滑了彼此的關(guān)系，消除了彼此的隔閡，掃清了彼此的顧忌，增進(jìn)了彼此的了解。變頻器基礎(chǔ)知識(shí)交流LTTL13142008-09-01提綱* 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器各種功能和應(yīng)用* 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)* 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)概述* 以交流（直流）電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)我們稱之為交流（直流）電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，也稱交流（直流）電氣拖動(dòng)系統(tǒng)。 大致構(gòu)成 * 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)* 變頻器的工作原理 我們知道，交流電動(dòng)機(jī)的異步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位： n60 f(1s)/p (1) 其中n異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； f異步電動(dòng)機(jī)的

2、頻率； s電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； p電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 * 由公式(1)可知，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機(jī)的極對(duì)數(shù)有關(guān)系，因而交流電動(dòng)機(jī)的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速(調(diào)整P)、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級(jí)調(diào)速或內(nèi)反饋電機(jī)(調(diào)整s)和變頻調(diào)速(調(diào)整f)等。 而我們現(xiàn)在運(yùn)用最廣泛的就是變頻調(diào)速，由轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在050Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 * 變頻器的發(fā)展和主要相關(guān)技術(shù)* 變頻器的發(fā)展史* 變頻器相關(guān)技術(shù)（即發(fā)展基礎(chǔ)）* 電力電子技術(shù) 半

3、導(dǎo)體功率器件從GTO（門極可關(guān)斷晶體管）、GTR（大功率晶體管）、BJT（雙及型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管）到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實(shí)用化，使得開關(guān)高頻化的PWM 技術(shù)成為可能。* 微處理器技術(shù) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的微處理器有單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP )、專用集成電路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC)等。現(xiàn)在又出現(xiàn)了多

4、個(gè)CPU協(xié)同工作：管理，核心，鍵盤，上位機(jī)等。核心控制算法的實(shí)時(shí)完成、功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)功能都可以通過微處理器實(shí)現(xiàn)，為交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價(jià)格比。* 控制理論的不斷進(jìn)步 應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論。* 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)局域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控；Profibus BUS , Interbus-S,Device NET, I/O Interface* 變頻器控制方式的發(fā)展* V/F控制及U/f=C的 其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能

5、夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。 * 電壓空間矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)

6、踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 * 矢量控制2）變頻器的矢量控制模式 仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)，對(duì)于調(diào)節(jié)頻率的給定信號(hào)，分解成和直流電動(dòng)機(jī)具有相同特點(diǎn)的磁場(chǎng)電流信號(hào)i*M和轉(zhuǎn)矩電流信號(hào)i*T，并且假想地看作是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)著的直流磁場(chǎng)的信號(hào)。當(dāng)給定信號(hào)改變時(shí)，也和直流電動(dòng)機(jī)一樣，只改變其中一個(gè)信號(hào)，從而使異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制具有和直流電動(dòng)機(jī)類似的特點(diǎn)。 對(duì)于控制電路分解出的控制信號(hào)i*M和i*T，根據(jù)電動(dòng)機(jī)

7、的參數(shù)進(jìn)行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號(hào)i*A、i*B和i*C，對(duì)三相逆變橋進(jìn)行控制，如圖所示。從而得到與直流電動(dòng)機(jī)類似的硬機(jī)械特性, 提高了低頻時(shí)的帶負(fù)載能力。 3）矢量控制的主要優(yōu)點(diǎn)* 低頻轉(zhuǎn)矩大：即使運(yùn)行在1Hz(或0.5Hz)時(shí), 也能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩,且不會(huì)產(chǎn)生在V/F控制方式中容易遇到的磁路飽和現(xiàn)象。 * 機(jī)械特性好：在整個(gè)頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，都具有較硬的機(jī)械特性，所有機(jī)械特性基本上都是平行的。* 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：尤其是有轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制方式，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般都能小于100ms。* 能進(jìn)行四象限運(yùn)行。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的分類 按變頻的原理，變頻器分為

8、交交變頻器和交直交變頻器。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的分類* 交一交變頻器* 它是將頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在額定頻率的12以下，故主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。* 交一直一交變頻器* 先將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及變頻后電動(dòng)機(jī)特性的改善等方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前使用最多的變頻器均屬于交一直交變頻器。 * 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的分類 根據(jù)

9、直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式來分，交一直一交變頻器又可分成電壓型和電流型兩種。(1)電壓型： 整流后若是靠電容來濾波稱為電壓型，現(xiàn)在使用的變頻器大部分為電壓型。電壓源型逆變器的中間直流環(huán)節(jié)由于采用電容儲(chǔ)能，因此直流環(huán)節(jié)電壓值不受負(fù)載影響，其主要運(yùn)行特點(diǎn)如下： 逆變器采用PWM技術(shù)，既變壓又變頻；由于直流電壓源的箝位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負(fù)載阻抗角的不同而異，其波形接近正弦波。系統(tǒng)響應(yīng)速度快； 可多臺(tái)逆變器共用一套直流電源并聯(lián)運(yùn)行； 同一相的上下橋臂有直通短路的可能，這時(shí)電流的變化率和峰值都很大，需要在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，所以保護(hù)困難； 由于整流部分采用

10、不控整流，因此不能實(shí)現(xiàn)能量回饋制動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)需要向交流電源反饋能量，因直流測(cè)電壓方向不能改變，所以只能靠改變直流電流的方向來實(shí)現(xiàn)，這就需要給交直變換的整流橋再反并聯(lián)一套逆變橋。(2)電流型： 整流后若是靠電感來濾波稱為電流型，它的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲(chǔ)能元件，無功功率將由大電感來緩沖。電流源型變換器大多用于大功率的風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速控制系統(tǒng)，采用可控整流調(diào)壓、逆變器變頻方式運(yùn)行。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 交一直一交電壓型變頻器的主回路構(gòu)成（以下都簡(jiǎn)稱為變頻器）主要器件整流橋：西門康 SEMKRON (SKKD162/16 100A/SKD) 、三社 S

11、anRex （DFA ）、IXYS（VU）、 IRF?International Rectifier（ 160MT KB）、德國 Powersem（psd35）等逆變器： IGBT：西門子優(yōu)派克EUPEC （FS、BSM）、Fuji（2MB ） 等 IPM：三菱（PM）等 PIM一體模塊：西門子優(yōu)派克 EUPEC （FS、FP、BSM）、泰科 TYCO（V23990-P89）等單管IGBT：APT（Advanced Power Technology）APT60GF120JRD電解電容：400V，560V，5600UF以下（包括）CPU： TMS320F2406A/7A，TMS320F2813等

12、光耦： 東芝的TLP3120，7840， HP的HCPL-4504等緩沖電阻：?jiǎn)喂躀GBT、風(fēng)扇、接觸器、散熱器、霍爾、溫度傳感器等* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的控制回路構(gòu)成： 電源板（防雷電路、開關(guān)電源電路、模塊驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、信號(hào)采集電路等）控制板（客戶命令采集、各種信號(hào)處理并進(jìn)行整機(jī)控制等）接口板鍵盤板。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器各電路的工作原理和作用（一）主回路* 整流電路：大都是由大功率二極管構(gòu)成的全波整流電路，主要是將單相或三 相交流轉(zhuǎn)化為直流；它們將380V的交流電整流成直流，平均直流電壓可用下式表示：UD =1.35 UL=1.35380513V。

13、* 中間電路：主要包括緩沖電路、濾波電路、制動(dòng)電路組成。濾波電路主要是由無感電容和電解電容、均壓電阻等，大功率變頻器我們常常要求客戶加直流電抗器，這些都是為了消除直流中的高次諧波、提高功率因素；緩沖電路作用緩解在上電瞬間對(duì)電解電容的沖擊；制動(dòng)電路的作用是在電機(jī)減速或停機(jī)時(shí)將電機(jī)反饋回來的電能消耗掉，從而起到快速減速、保護(hù)電機(jī)和變頻器的作用。* 逆變電路：由六個(gè)IGBT和它反向并聯(lián)的六個(gè)續(xù)流二極管組成的三相全橋逆變電路組成。這六個(gè)續(xù)流二極管的功能有以下三點(diǎn)：a,由于電動(dòng)機(jī)是一種感性負(fù)載，工作時(shí)其無功電流返回直流電源需要它們提供通路；b,降速時(shí)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)， 它們?yōu)樵偕娏魈峁┓祷刂绷鞯?/p>

14、通路；c,逆變時(shí)它們快速高頻率地交替切換，同一橋臂的兩管交替地工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，在切換的過程中，也需要給線路的分布電感提供釋放能量的通路。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器各電路的工作原理和作用（二）控制回路* 開關(guān)電源電路：這部分相對(duì)我們公司的電源產(chǎn)品來說就很簡(jiǎn)單了，它的特點(diǎn)是輸出通路多。（2844）* 模塊驅(qū)動(dòng)電路：主要是信號(hào)封鎖、隔離、放大和電壓轉(zhuǎn)換以及強(qiáng)弱電隔離。（3120、4504）* 信號(hào)檢測(cè)電路: 輸入缺相信號(hào)、母線電壓信號(hào)（CVD）、三相輸出電流信號(hào)、殘壓信號(hào)、模塊溫度信號(hào)、接觸器狀態(tài)信號(hào)、模塊狀態(tài)信號(hào)等的采集和放大處理。* 控制電路：根據(jù)檢測(cè)來的信號(hào)判斷工作狀態(tài)，

15、執(zhí)行客戶外部指令，按照設(shè)定的控制方式發(fā)出SPWM形波。* 接口電路：主要是用來實(shí)現(xiàn)多功能和通訊功能，并可為客戶提供電源，是為了方便客戶的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用。* 顯示電路：分為L(zhǎng)ED和LCD兩種。* 變頻器的主要構(gòu)成及其工作原理* 變頻器的主要構(gòu)成及工作原理* 變頻器的主要構(gòu)成及工作原理* 逆變電路原理的討論 * 變頻器的主要構(gòu)成及工作原理* 逆變電路原理的討論 SPWM的開關(guān)點(diǎn) SPWM的脈沖序列的產(chǎn)生是由基準(zhǔn)正弦波和三角載波信號(hào)的交點(diǎn)所決定的，且每一個(gè)交點(diǎn)都是逆變器同一橋臂上兩只逆變管的開、關(guān)交替點(diǎn)因此將這個(gè)交點(diǎn)稱作SPWM的開關(guān)點(diǎn)，我們必須將所有的交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)汁算出來，才能有序地向逆變器發(fā)出通斷的

16、指令。 調(diào)節(jié)頻率時(shí)基準(zhǔn)正弦波的頻率和幅值都要改變，載波信號(hào)(三角波)與基準(zhǔn)正弦波的交點(diǎn)也將發(fā)生變化。所以每次調(diào)節(jié)頻率后，開關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)都需要重新計(jì)算，計(jì)算量之大是人工難以完成的。只有通過計(jì)算機(jī)這個(gè)工具才能在最短的時(shí)間內(nèi)將開關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出來，從而控制各逆變管實(shí)時(shí)通斷來完成變頻、變壓的任務(wù)。強(qiáng)調(diào)二點(diǎn)（1）逆變器輸出頻率與正弦調(diào)制波頻率相同；當(dāng)逆變器輸出端需要變頻時(shí)，只要改變調(diào)制波的頻率；2）三角波與正弦波的交點(diǎn)即確定了逆變器輸出脈沖的寬度和相位。通常采用恒幅三角波，而改變調(diào)制波幅值的方法，以得到不同的寬度，從而得到不同的逆變器輸出電壓。* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器各種功能* 軟啟動(dòng)功能 加減

17、速過程中，變頻器的輸出頻率隨時(shí)間上升的關(guān)系曲線，稱為加速方式。變頻器設(shè)置的加速方式有:線性方式：變頻器的輸出頻率隨時(shí)間成正比地上升，如圖(a)所示。大多數(shù)負(fù)載都可以選用線性方式。S形方式 ：在加速的起始和終了階段，頻率的上升較緩，加速過程呈S形，如圖所示。例如，電梯在開始起動(dòng)以及轉(zhuǎn)入等速運(yùn)行時(shí)，從考慮乘客的舒適度出發(fā)，應(yīng)減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。半S形方式：用用戶設(shè)定的拐角點(diǎn)確定曲線來控制，加減速方式。 * 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器各種功能* 起動(dòng)頻率與暫停加速功能 （1）設(shè)置起動(dòng)頻率的方式 主要有兩種方式: 稍有給定信號(hào)(X=0+)，變頻器的輸出頻率即為起動(dòng)頻率fS，如圖

18、(a)所示; 設(shè)置一個(gè)死區(qū)XS%，在給定信號(hào)XXS%的范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率為0Hz;當(dāng)給定信號(hào)X=XS%時(shí)，變頻器直接輸出與XS%對(duì)應(yīng)的頻率，如圖(b)所示。* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器各種功能* 起動(dòng)頻率與暫停加速功能* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器各種功能的應(yīng)用 PID調(diào)節(jié)的全稱是比例、積分、微分調(diào)節(jié)，是閉環(huán)控制中一種重要的調(diào)節(jié)手段，目的是使被控物理量迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)。 PID反饋控制只要是通過溫度、壓力傳感器等，反饋模擬量給變頻器（可以是010V電壓信號(hào)，也可以是420mA的電流信號(hào)），通過變頻器相應(yīng)的處理輸出適合的頻率。當(dāng)變頻器有兩個(gè)或多個(gè)模擬量給定信號(hào)同時(shí)從

19、不同的端子輸入時(shí)，其中必有一個(gè)為主給定信號(hào)，其他為輔助給定信號(hào)。 * 變頻器的應(yīng)用 任何機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，都或多或少會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。每臺(tái)機(jī)器又都有一個(gè)固有振蕩頻率，它取決于機(jī)械的結(jié)構(gòu)。如果生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行在某一轉(zhuǎn)速下時(shí)，所引起的振動(dòng)頻率和機(jī)械的固有振蕩頻率相吻合的話，則機(jī)械的振動(dòng)將因發(fā)生諧振而變得十分強(qiáng)烈(也稱為機(jī)械共振)，并可能導(dǎo)致機(jī)械損壞的嚴(yán)重后果。* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 其他基本功能V/F控制功能，矢量控制功能，頻率上下限功能，多段速功能，異常停機(jī)功能，加速和減速時(shí)電壓、電流過高暫停加減速功能等。* 變頻器各種功能的應(yīng)用* 變頻器的作用(一)變頻調(diào)速的節(jié)能 （能量回饋）(二)變頻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)

20、運(yùn)行方面的優(yōu)勢(shì) 變頻調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序可實(shí)現(xiàn)輸出換相也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動(dòng)機(jī)的問題。 變頻調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)大都是從低速區(qū)開始，頻率較低。加、減速時(shí)間可以任意設(shè)定，故加、減速過程比較平緩、起動(dòng)電流較小，可以進(jìn)行較高頻率的起停。 變頻調(diào)速系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，變頻器可以利用自己的制動(dòng)回路，將機(jī)械負(fù)載的能量消耗在制動(dòng)電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。除此之外，變頻器還具有直流制動(dòng)功能，需要制動(dòng)時(shí)，變頻器結(jié)電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動(dòng)，而無需另加制動(dòng)控制電路。(三)以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的的應(yīng)用(四)提高電網(wǎng)質(zhì)量 由于它在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了很好的軟啟動(dòng)功能，使電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大的沖擊。同時(shí)由于它大量地使用了晶閘管等非線性電力電子元件，使變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正