變頻器的原理與結(jié)構(gòu)ppt課件

1、 變頻器的原理與結(jié)構(gòu)變頻器的原理與結(jié)構(gòu)施耐德電氣中國(guó)投資有限公施耐德電氣中國(guó)投資有限公司武漢分公司司武漢分公司產(chǎn)品應(yīng)用工程師產(chǎn)品應(yīng)用工程師周周 耿chneider-electric2019/09SSD Marketing2變頻器的原理變頻器的原理異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按照下列公式計(jì)算：n 式中：n1為氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，稱為同步速，單位：轉(zhuǎn)每分。n 其中：n f為電機(jī)供電電源頻率，工頻頻率為50Hz或60Hzn p為氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極數(shù),由電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定，為2，4，6，8，n 對(duì)50Hz工頻，2級(jí)，4級(jí)，6級(jí)，8級(jí)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速分別為：30

2、00，1500，1000，750轉(zhuǎn)每分n 同步轉(zhuǎn)速實(shí)際上也是異步電機(jī)理想空載的情況下的轉(zhuǎn)速，這時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相同，相對(duì)靜止，稱為同步。1(1)nns1120fnpSSD Marketing3滑差率滑差率n 式中的s為轉(zhuǎn)子相對(duì)于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速差與同步速之比，稱為同步速。n 通常情況下，滑差率很小，在8以內(nèi)，所以普通異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速總是接近于同步轉(zhuǎn)速，如2910轉(zhuǎn)每分，1430轉(zhuǎn)每分，975轉(zhuǎn)每分，742轉(zhuǎn)每分等等。111nnnsnnSSD Marketing4滑差調(diào)速滑差調(diào)速n 通過(guò)改變電機(jī)滑差的方法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速稱為滑差調(diào)速。n 滑差調(diào)速的實(shí)現(xiàn)是非常困難的。n 對(duì)最

3、常見的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，除了改變供電電壓外，無(wú)法實(shí)現(xiàn)滑差調(diào)速。n 對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)，其轉(zhuǎn)子回路中可以另外串入電阻，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子的阻值，可以改變異步電機(jī)的機(jī)械特性曲線，具體講就是改變產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速，從而可以對(duì)應(yīng)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速，即工作點(diǎn)。SSD Marketing5繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)的滑差調(diào)速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)的滑差調(diào)速n 這是一種傳統(tǒng)的調(diào)速方法，同時(shí)提供良好的起動(dòng)性能。n 優(yōu)點(diǎn)：n 起動(dòng)電流小，通常為額定電流的3倍以下n 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)載力矩較大，通?？蛇_(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上n 如果串聯(lián)的電阻可以連續(xù)調(diào)節(jié)，可以獲得無(wú)級(jí)調(diào)速n 可以允許第二象限運(yùn)行n 缺點(diǎn)：n 僅僅適用于繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)n 電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)

4、高n 起動(dòng)和調(diào)速裝置復(fù)雜，笨重，體積大n 滑環(huán)，炭刷，接觸器，電阻等，可靠性低，維護(hù)量大n 效率低，很多能量消耗在串聯(lián)的電阻上n 調(diào)速精度低，分辨率低n 趨勢(shì)：逐漸淘汰SSD Marketing6變極調(diào)速變極調(diào)速n 電機(jī)具有多套繞組或一套繞組構(gòu)成不同的接法，形成不同的極對(duì)數(shù)。n 對(duì)應(yīng)于不同的極數(shù)，同步速不同轉(zhuǎn)速就不同，最終的轉(zhuǎn)速就不同。n 優(yōu)點(diǎn)：n 適用于只要求兩種轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。n 不需要外加調(diào)速裝置，只需接觸器切換不同的繞組接法。n 缺陷：n 只能實(shí)現(xiàn)有限的有級(jí)調(diào)速。n 調(diào)速精度低，反應(yīng)慢。n 繞組接法復(fù)雜，可靠性差。n 電機(jī)效率和功率因數(shù)低。n 電機(jī)成本高。n 不能頻繁切換。1120fnpS

5、SD Marketing7變頻調(diào)速變頻調(diào)速n 最好的方法就是變頻調(diào)速，也就是改變電源頻率，使得同步轉(zhuǎn)速成比例變化，負(fù)載轉(zhuǎn)速就可以與電源頻率成正比地變化。這種裝置稱為變頻器n 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：n 效率高，功率因數(shù)高。n 數(shù)字智能化，易于控制和調(diào)節(jié)。n 固態(tài)硬件，可靠性高。n 可用于快速頻繁起停，正反轉(zhuǎn)等。n 動(dòng)態(tài)和靜態(tài)精度高。n 容易集成到系統(tǒng)中。n 起動(dòng)和運(yùn)行電流小。n 適用于廉價(jià)可靠的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。n 變頻調(diào)速目前已經(jīng)成為異步電機(jī)調(diào)速的主流，現(xiàn)在已經(jīng)可以控制同步電機(jī)等的調(diào)速。1120fnpSSD Marketing8異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性n藍(lán)色為轉(zhuǎn)矩特性，n紅色為負(fù)載特性，

6、n(nN,TN)為額定工作點(diǎn)nTm為可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩nTst為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩SSD Marketing9負(fù)載類型負(fù)載類型n 變頻器的選型和應(yīng)用, 首先要考慮的就是負(fù)載的類型n 負(fù)載可以分為三大類n 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載n 例如輸送帶,提升,鉆床,擠出機(jī)n 變轉(zhuǎn)矩負(fù)載n 例如離心風(fēng)機(jī), 離心泵n 恒功率負(fù)載n 例如磨床, 高速車床, 繞線筒等n 根據(jù)不同的負(fù)載類型,以及其它功能和性能的要求,選擇對(duì)應(yīng)系列的變頻器SSD Marketing10恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載n 在整個(gè)運(yùn)行的速度范圍內(nèi),需要相同大小的負(fù)載n 當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí),負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本保持不變n 所需功率與轉(zhuǎn)速成正比n 通常轉(zhuǎn)速限制在基本頻率以內(nèi)SSD Mar

7、keting11變轉(zhuǎn)矩負(fù)載變轉(zhuǎn)矩負(fù)載n 負(fù)載轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)速的函數(shù):在低速下需要較小的轉(zhuǎn)矩, 而在高速下需要較大的轉(zhuǎn)矩n 只有兩類典型的負(fù)載:離心泵和離心風(fēng)機(jī)n 額定轉(zhuǎn)速以下n 設(shè)備產(chǎn)生的流量與泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比n 設(shè)備產(chǎn)生的壓力與泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比n 設(shè)備消耗的功率與泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比SSD Marketing12恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載n 通常恒功率段是指在電機(jī)的基本頻率之上n 對(duì)于一個(gè)恒功率負(fù)載,實(shí)際上負(fù)載轉(zhuǎn)矩是負(fù)載物理尺寸的函數(shù)n 在轉(zhuǎn)速較低時(shí)需要的轉(zhuǎn)矩較高,在轉(zhuǎn)速較高時(shí),需要的轉(zhuǎn)矩較低.n 負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比,其乘積,亦即功率為恒定值,稱為恒功率負(fù)載SSD Marketing1

8、3機(jī)械知識(shí)機(jī)械知識(shí)四象限水平運(yùn)動(dòng)四象限水平運(yùn)動(dòng)SSD Marketing14變頻器和軟起動(dòng)器的區(qū)別變頻器和軟起動(dòng)器的區(qū)別n 軟起動(dòng)器n 軟起動(dòng)器是一種智能化的降壓起動(dòng)器, 在起動(dòng)電機(jī)時(shí)可以有效地控制和限制起動(dòng)電流, 同時(shí)可減少對(duì)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的設(shè)備的機(jī)械應(yīng)力.n 軟起動(dòng)可以將機(jī)械從零速平滑地加速到額定轉(zhuǎn)速, 也可以控制平滑地減速到零速n 在只需要軟起動(dòng)和軟停止而不需要調(diào)速的場(chǎng)合可以使用軟起動(dòng)器n 軟起動(dòng)器為了降低起動(dòng)電流,必須實(shí)施降壓起動(dòng), 同時(shí)降低了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩n 變頻器n 變頻器可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停止n 也可以根據(jù)負(fù)載的變化和系統(tǒng)的要求調(diào)節(jié)速度和改變輸出轉(zhuǎn)矩n 電機(jī)起動(dòng)后可以不以工頻轉(zhuǎn)速運(yùn)行n

9、變頻器在起動(dòng)電機(jī)的同時(shí)不必降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩n 結(jié)論n 從功能上,變頻器可以取代軟起動(dòng)器,但軟起動(dòng)器不能取代變頻器n 從成本上,變頻器高于軟起動(dòng)器, 但其優(yōu)勢(shì)自不待言.SSD Marketing15啟動(dòng)電流啟動(dòng)電流n 電動(dòng)機(jī)通上工頻電源，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)即以額定同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而電機(jī)的轉(zhuǎn)子尚處于靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)速度很高，故感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流都很大，即電子電流可達(dá)額定電流的4-7倍。n 當(dāng)使用變頻器啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)瞬間變頻器的輸出頻率很低，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也較低，故啟動(dòng)電流很小。一般使用變頻器，啟動(dòng)電流不會(huì)大于額定電流的1.5倍。SSD Marketing16當(dāng)使用軟啟時(shí)，同步轉(zhuǎn)速

10、不變，臨界轉(zhuǎn)速不變，臨界轉(zhuǎn)距隨電壓的減小而減小。SSD Marketing17變頻器容量的選擇變頻器容量的選擇n 一般來(lái)說(shuō)，變頻器的額定電流要大于電機(jī)的額定電流。n 1、同功率電機(jī)的額定電流因磁極數(shù)而異，磁極數(shù)越大，額定電流越大。一般的變頻器的額定電流是參照4極電機(jī)的。n 2、變頻器的額定電流因開關(guān)頻率而異。開關(guān)頻率越大，額定電流越小。一般的變頻器以4KHz定義額定電流的。SSD Marketing18變頻器的結(jié)構(gòu)變頻器的結(jié)構(gòu)n 通常變頻器的結(jié)構(gòu)為交直交，也就是將單相或三相交流電壓整流成為直流電壓ACDC)，然后再將直流“逆變成為所需頻率的三相交流電壓DCAC)。n 變頻器最主要的部分是逆變部

11、分，而且有生產(chǎn)廠家單獨(dú)生產(chǎn)逆變部分，所以有時(shí)又將變頻器稱為逆變器。n 由于電機(jī)和變頻器原理的原因，在額定電壓以下，在改變輸出頻率的同時(shí)，也要改變輸出電壓的有效值，這種形式稱為可變電壓，可變頻率，故又將變頻器稱為VVVF.SSD Marketing19變頻器的叫法變頻器的叫法n Drive，Convertor 通用n VSD-Variable Speed Drive 施耐德專用n AC Drive-Alternating Current Drive 歐洲通用n VFDVariable Frequency Drive 北美n VVVFVariable Voltage Variable Freque

12、ncy Drive 通用n Inverter 日本，臺(tái)灣SSD Marketing20變頻器常用術(shù)語(yǔ)變頻器常用術(shù)語(yǔ)n 變流器 convertersn 整流 rectifying-rectificationn 整流器 rectifiern 逆變 inverting-inversionn 逆變器 inverter n 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) torque pulsationn 脈寬調(diào)制 (PWM) pulse width modulation n 諧波 harmonicn 矢量控制 (VC) vector control n 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC) direct torque control n 四象限運(yùn)行 F

13、our quadrant operationn 動(dòng)態(tài)制動(dòng) dynamic brakingn 再生(制動(dòng)) regeneration n 直流制動(dòng) d.c brakingn 漏電流 leak current n 濾波器 filtern 電抗器 reactor n 電位器 potentiometern 編碼器 encoder, PG (pulse generator)n 定子 stator n 轉(zhuǎn)子 rotor SSD Marketing21變頻器的主回路變頻器的主回路n 進(jìn)線端子n EMC濾波器n 整流橋n 儲(chǔ)能電容n 預(yù)充電回路n 制動(dòng)晶體管n 制動(dòng)電阻及其保護(hù)n 逆變橋n 電流互感器n 出線

14、端子SSD Marketing22變頻器的主回路變頻器的主回路 進(jìn)線進(jìn)線n 變頻器的進(jìn)線電源可以是三相380-500V，或三相200240V，也可以是單相200240V；也可以是690V。n 電源電壓在690V以下稱為低壓變頻器，1000V以上稱為中壓或高壓變頻器。n 進(jìn)線電源的相序不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)向。SSD Marketing23變頻器的主回路變頻器的主回路 EMC濾波器濾波器n 施耐德變頻器普遍標(biāo)配進(jìn)線EMC濾波器，用來(lái)抑制變頻器對(duì)周圍設(shè)備的射頻干擾。n 在變頻器通電時(shí)，EMC濾波器通過(guò)接地電容產(chǎn)生對(duì)地電流，尤其是上電瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的漏電流。n 變頻器一般應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合，用接地的方式進(jìn)行安全

15、保護(hù)。n 應(yīng)用于民用配電場(chǎng)合時(shí)，有時(shí)無(wú)安全接地，而采用漏電開關(guān)(RCD)，有時(shí)會(huì)因此發(fā)生RCD誤脫扣，這是正常的。解決的辦法是將圖中的接地?cái)嚅_。SSD Marketing24變頻器的主回路變頻器的主回路 整流橋整流橋n 大多數(shù)變頻器采取三相全波整流，整流器件為功率二極管。ATV71為三相半波整流。n 三相全波整流獲得的直流輸出電壓為進(jìn)線電壓有效值的1.35倍，例如電網(wǎng)電壓為400V，則這時(shí)直流母線電壓為540V左右。但隨著負(fù)載的波動(dòng)，直流母線電壓也會(huì)波動(dòng)。n 單整流橋獲得的電壓波形每個(gè)周波有六個(gè)波頭，稱為六波頭整流或六脈沖整流，這時(shí)的進(jìn)線電流存在6m+1/6m-1次諧波，如5，7，11，13，

16、。SSD Marketing25變頻器的主回路變頻器的主回路 12脈沖整流脈沖整流n 為了抑制電流諧波，可以采用兩套整流橋，分別連接到一個(gè)三繞組特殊變壓器的輸出的兩個(gè)繞組，該變壓器的兩個(gè)繞組的輸出電壓有效值相等，相位互差30度。n 兩套整流橋串聯(lián)，電壓相加。n 這時(shí)的電壓波形每個(gè)周期有12個(gè)波頭，電流的諧波含量不包含5次，7次，17次，19次。n 變頻器和配電回路的成本大大增加，用于大功率應(yīng)用和特殊場(chǎng)合。SSD Marketing26變頻器的主回路變頻器的主回路 預(yù)充電電阻和預(yù)充電接觸器預(yù)充電電阻和預(yù)充電接觸器n 上電瞬間，整流橋輸出端將產(chǎn)生峰值1.414U的電壓，對(duì)儲(chǔ)能電容快速充電。n 為了

17、保護(hù)儲(chǔ)能電容，需要在直流母線中串聯(lián)一個(gè)電阻。在變頻器上電時(shí)，整流橋通過(guò)該電阻向整流橋充電，充電結(jié)束后如直流母線電壓上升到額定電壓的70%）以上后，需要用接觸器將該電阻旁路掉。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，該電阻不起作用。n 該電阻稱為預(yù)充電電阻，該接觸器稱為預(yù)充電接觸器或預(yù)充電繼電器。n 如果電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致瞬間大幅度跌落，會(huì)引起預(yù)充電回路頻繁動(dòng)作，導(dǎo)致其損壞。SSD Marketing27變頻器的主回路變頻器的主回路 半可控整流橋半可控整流橋n 將上述整流橋中的三個(gè)橋臂改成可控硅，如晶閘管或IGBT，則整流橋的輸出電壓就是可調(diào)的。n 在變頻器上電期間，控制晶閘管的導(dǎo)通角，半可控整流橋的輸出電壓逐漸升高

18、，最后達(dá)到全波整流獲得的峰值,這樣一來(lái)在變頻器中就不需要預(yù)充電電阻和預(yù)充電接觸器.SSD Marketing28變頻器的主回路變頻器的主回路 全控整流橋全控整流橋n 如果上述整流橋的6個(gè)橋臂都是可控硅, 加上控制回路, 甚至可以做成可以四象限運(yùn)行,既可以從電網(wǎng)吸收能量供給負(fù)載,也可以將負(fù)載制動(dòng)的能量反饋回電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng).當(dāng)然這樣變頻器的成本會(huì)大大升高,所以這種方式僅僅適用于大功率傳動(dòng).n 實(shí)現(xiàn)能量再生制動(dòng)的另一種方法是將一個(gè)系統(tǒng)中的所有變頻器的直流母線并聯(lián), 或者采用統(tǒng)一的整流電源和統(tǒng)一的能量再生制動(dòng)單元,稱為網(wǎng)絡(luò)制動(dòng)單元.SSD Marketing29變頻器的主回路變頻器的主回路 儲(chǔ)能電

19、容儲(chǔ)能電容n 變頻器運(yùn)行過(guò)程中需要相對(duì)穩(wěn)定的直流母線電壓，用儲(chǔ)能電容保證。n 該電容的形式為電解電容，對(duì)于中大功率變頻器，需要將多個(gè)電容并聯(lián)。n 當(dāng)變頻器處于過(guò)載的過(guò)程中，瞬間會(huì)把直流母線電壓拉低；處于發(fā)電制動(dòng)過(guò)程中，瞬間會(huì)升高直流母線電壓，若太高變頻器則停止輸出。n 有些應(yīng)用中，為了提高變頻器的動(dòng)態(tài)能力，或者在斷電瞬間保持變頻器斜坡停車，需要外加蓄電池或電容，需要考慮回路其它部件的承受能力。SSD Marketing30直流電抗器直流電抗器n 直流電抗器是串聯(lián)在直流中間回路的一個(gè)或兩個(gè)扼流圈, 因其通過(guò)的電流為直流電流, 故亦成為直流扼流圈.n 直流電抗器的作用是抑制變頻器的進(jìn)線電流諧波,從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染.n 通常采用適當(dāng)大小的直流電抗器,即可使變頻器的諧波污染減少到符合標(biāo)準(zhǔn),這是一種低成本的方案.n 如果要將諧波抑制到更低,需要大配合無(wú)源濾波器.n 直流電抗器對(duì)進(jìn)線浪涌電壓沒(méi)有抑制作用