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1、变 频 器 的 基 本 概 念,胡 波 13910782518 4008101315 010-84346203,什么是变频器？,各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。 把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。 为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。 把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inv
2、erter。 用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。,变频器和软启动器的根本区别,变频器：变频变压。主要作用 调速 节能 软起动 软启动器：仅改变电压。主要作用 降低起动电流 减缓机械冲击 减少线路压降,变频器的英文含义,VVVF： Variable Voltage and Variable Frequency的缩写。 Drive 通用 Frequency Converter 欧州常用 AC Drive 欧美常用 inverter 日本常用,变频器有关基本词汇,变流器 converters 整流 rectifying-rectification 整流器 rectifier 逆变
3、 inverting-inversion 逆变器 inverter 转矩脉动 torque pulsation 脉宽调制 (PWM) pulse width modulation 谐波 harmonic 矢量控制 (VC) vector control 直接转矩控制(DTC) direct torque control 四象限运行 Four quadrant operation,再生(制动) Regeneration 直流制动 d.c braking 漏电流 leak current 滤波器 filter 电抗器 reactor 电位器 potentiometer 编码器 encoder, P
4、G (pulse generator) 定子 stator 转子 rotor,变频器的结构,通常变频器的结构为交直交，也就是将单相或三相交流电压整流成为直流电压（ACDC)，然后再将直流“逆变”成为所需频率的三相交流电压（DCAC)。 变频器最主要的部分是逆变部分，而且有生产厂家单独生产逆变部分，所以有时又将变频器称为逆变器。 由于电机和变频器原理的原因，在额定电压以下，在改变输出频率的同时，也要改变输出电压的有效值，这种形式称为可变电压，可变频率，故又将变频器称为VVVF.,变频器的主回路,进线端子 EMC滤波器 整流桥 储能电容 预充电回路,制动晶体管 制动电阻及其保护 逆变桥 电流互感器
5、 出线端子,变频器的主回路 进线,变频器的进线电源可以是三相380-500V，或三相200240V，也可以是单相200240V；也可以是690V。 电源电压在690V以下称为低压变频器，1000V以上称为中压或高压变频器。 进线电源的相序不影响电机的转向。,变频器的主回路 EMC滤波器,施耐德变频器普遍标配进线EMC滤波器，用来抑制变频器对周围设备的射频干扰。 在变频器通电时，EMC滤波器通过接地电容产生对地电流，尤其是上电瞬间会产生较大的漏电流。 变频器一般应用于工业场合，用接地的方式进行安全保护。 应用于民用配电场合时，有时无安全接地，而采用漏电开关(RCD)，有时会因此发生RCD误脱扣，
6、这是正常的。解决的办法是将图中的接地断开。,变频器的主回路 整流桥,大多数变频器采取三相全波整流，整流器件为功率二极管。 三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的1.35倍，例如电网电压为400V，则这时直流母线电压为540V左右。但随着负载的波动，直流母线电压也会波动。 单整流桥获得的电压波形每个周波有六个波头，称为六波头整流或六脉冲整流，这时的进线电流存在6m+1/6m-1次谐波，如5，7，11，13，。,变频器的主回路 12脉冲整流,为了抑制电流谐波，可以采用两套整流桥，分别连接到一个三绕组变压器的输出的两个绕组，该变压器的两个绕组的输出电压有效值相等，相位互差30度。 两套整流
7、桥串联，电压相加。 这时的电压波形每个周期有12个波头，电流的谐波含量不包含5次，7次，17次，19次。 变频器和配电回路的成本大大增加，用于大功率应用和特殊场合。,变频器的主回路 预充电电阻和预充电接触器,上电瞬间，整流桥输出端将产生峰值1.414U的电压，对储能电容快速充电。 为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻。在变频器上电时，整流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后（如直流母线电压上升到额定电压的70%）以上后，需要用接触器将该电阻旁路掉。在整个运行过程中，该电阻不起作用。 该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器。 如果电网电压不稳定导致瞬间大幅度跌落，
8、会引起预充电回路频繁动作，导致其损坏。,变频器的主回路 半可控整流桥,将上述整流桥中的三个桥臂改成可控硅，如晶闸管或IGBT，则整流桥的输出电压就是可调的。 在变频器上电期间，控制晶闸管的导通角，半可控整流桥的输出电压逐渐升高，最后达到全波整流获得的峰值,这样一来在中就不需要预充电电阻和预充电接触器.,变频器的主回路 全控整流桥,如果上述整流桥的6个桥臂都是可控硅, 加上控制回路, 甚至可以做成可以四象限运行,既可以从电网吸收能量供给负载,也可以将负载制动的能量反馈回电网,实现再生制动.当然这样变频器的成本会大大升高,所以这种方式仅仅适用于大功率传动. 实现能量再生制动的另一种方法是将一个系统
9、中的所有变频器的直流母线并联, 或者采用统一的整流电源和统一的能量再生制动单元,称为网络制动单元.,变频器的主回路 储能电容,变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证。 该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联。 当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低；处于发电（制动）过程中，瞬间会升高直流母线电压，若太高变频器则停止输出。 有些应用中，为了提高变频器的动态能力，或者在断电瞬间保持变频器斜坡停车，需要外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。,直流电抗器,直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈, 因其通过的电流为直流电流,
10、故亦成为直流扼流圈. 直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波,从而减少对电网的污染. 通常采用适当大小的直流电抗器,即可使变频器的谐波污染减少到符合标准,这是一种低成本的方案. 如果要将谐波抑制到更低,需要大配合无源滤波器. 直流电抗器对进线浪涌电压没有抑制作用.,交流电抗器,交流电抗器安装在变频器的进线侧, 也称为进线电抗器. 交流电抗器与直流电抗器作用大致相同,但交流电抗器对进线浪涌电压有抑制作用. 在对电流谐波产生相同的抑制作用时,交流电抗器产生的线路压降比直流电抗器略大,从而会产生略大的输出转矩损失. 在下列情况下推荐使用交流电抗器: 多台变频器并联使用 线路电源有来自其他负荷的明
11、显扰动 变频器由阻抗非常低的线路供电,制动单元和制动电阻,制动单元是一个或一组晶体管,与制动电阻串联之后,接在直流母线上. 当直流母线电压超过某规定电压时,制动晶体管导通,直流母线电容和电机向制动电阻释放能量.使直流母线电压降低,降低到另一规定电压后,制动晶体管截止.所以制动电阻的作用是能耗制动. 图中Tfr为制动晶体管,PA-PB连接制动电阻,PA-PB之间的二极管为保护用续流二极管. 当变频器驱动负载需要克服惯性快速减速或停车时,或位能性负载持续下降时,需要进行能耗制动.,变频器的主回路 逆变桥,逆变桥是变频器的核心部分,其作用是将直流电压通过6个桥臂可控硅的反复轮流通断形成所需要的幅值和
12、频率变化的三相交流输出电压. 逆变桥的桥臂的可控硅的类型主要是IGBT绝缘珊双极型晶体管. 通过逆变桥,直流电压被斩波成为高频率的脉冲电压,由于它是由逆变管反复开关形成,所以其频率称为开关频率.,负载分类,变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的 选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性 人们在实践中常将生产机械分为三种类型: 恒转矩负载 恒功率负载 风机、水泵负载。,负载转矩与转速无关，任何转速下总保持恒定或基本恒定 例如：传送带、搅拌机、挤压机等摩擦类负载； 例如：吊车、提升机等位能负载。 变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。 如果
13、需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。 对长期需要在低速下满负荷运行的情况，需要安装独立强冷风扇对电机进行冷却。 对未能性应用应配置制动单元和制动电阻，以及设置安全制动逻辑。,恒转矩负载,有些应用在高速下要求的转矩，大体与转速成反比，就是所谓的恒功率负载。 机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷等 负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。 当速度很低时，受机械强度的限制，不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。 负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。 电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；
14、 而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。,恒功率负载,在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。 随着转速的减小，转矩按转速的2 次方减小。这种负载所需的功率与速度的3 次方成正比。 当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。 由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。 一般的风机泵类专用和声称为HVAC专用型变频器的低速性能都很差，所以不适于恒转矩应用，即使功率放大也不够用。,风机、泵类负载,电机的转速,
15、变频器所拖动的电机为感应式交流电动机，也称交流异步电动机。 在工业中所使用的大部分电机为交流异步电动机。 异步电动机的旋转速度取决于其定子旋转磁场的转速，即同步转速。 所谓异步，是指其其实际转速与同步转速总是比较接近，但总有一定差别。其差别称为转差。 电动机状态运行时，实际转速略低于同步转速。 发电机或制动状态时，实际转速略高于同步转速。 同步转速n1 = 60f/p，实际转速n=(1-s)n1 =(1-s) 60f/p n: 同步速度 f: 电源频率 p: 电机极对数 s: 转差率，接近于零,变频调速,最好的方法就是变频调速，也就是改变电源频率，使得同步速成比例变化，负载转速就可以与电源频率
16、成正比地变化。这种装置称为变频器 变频调速的优点： 效率高，功率因数高。 数字只能化，易于控制和调节。 固态硬件，可靠性高。 可用于快速频繁起停，正反转等。 动态和静态精度高。 容易集成到系统中。 起动和运行电流小。 适用于廉价可靠的鼠笼式异步电动机。 变频调速目前已经成为异步电机调速的主流，而且逐渐可以控制同步电机等的调速。,改变频率和电压是最优的电机控制方法,如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频
