变频应用技术

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1、变频控制技术,2008.09,?,电梯结构？,电梯结构,?,为什么要调速？,?,如何调速？,?,电动机 结构？工作原理？,工作原理:,结构:,三相交流电,通入,三相定子绕组,产生,旋转磁场,转子在旋转磁场中,切割磁力线,感生电流,产生,感生磁场,感生磁场,旋转磁场,相互作用,转子旋转,定子 + 转子,?,为什么要变频？,无级调速,变频器调速原理说明,异步电动机的速度由频率决定：,n电动机转速 （转/分） f 交流电频率 （Hz） s电动机滑差 p电机极对数,早,晚,发 展 时 间,变频器基础知识交流电气传动系统的发展历程,在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用 三相

2、交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉还是在一些性能较低的传动现场使用,.电梯理想运行曲线,驱动装置决定电梯的： 运行速度 舒适感 停层精度 载重量 理想电梯驱动装置的 主要特征 加减速柔和 速度可以调整 平层精度高 自动再平层 耗能小,理想电梯运行曲线,?,什么叫变频？,交流直流： 整流,直流交流： 逆变,?,变频如何实现？,一 、变频器的认识,变频器基础知识变频调速的发展历程,电机控制算法,功率半导体技术,V/F控制,SCR,GTR,矢量控制,IGBT,计算机技术,单片机 DSP,IGBT大容量化,更高速率和容量,PWM技术,SPWM技术,PWM优化新一代 开关技术

3、,无速度矢量控制 电流矢量V/F,70年代,80年代,60年代,90年代,高速DSP专用芯片,00年代,算法优化,更大容量 更高开关频率,PWM技术,空间电压矢量 调制技术,变频器基础知识简要工作原理,整流部分,储能环节,逆变部分,M,控制系统,交流,交流低压交直交通用变频器系统框图,直流,直流,交流,整流器：将交流成直流的装置，其输入电压为正弦波，输入 电流非正弦，带有丰富的谐波 逆变器：将直流交流电的装置，其输出电压为非正弦波，输 出电流近似正弦,变频器工作框图,整流电路工作原理,整流电路的作用是将交流电AC转换成脉动直流电DC。,单相逆变电路工作原理,Ed,逆变器的功能：( 直流交流 )

4、 通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率 通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序,三相逆变电路,缺点： 输出电压的谐波分量太大 电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机 转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳 直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题,逆变器工作原理,通过按规定顺序接通和关断6个晶体管的三个，轮流导通,逆变器将直流回路中的直流电压变换成电压、频率都可变化的三相交流电。 晶体管作为开关使用，当一个晶体管关断以后续流二极管释放多余的能量。,变频器的构成实用原理框图,1,4,3,2,5,6,7,8,项目4 变频器的控制方式,V/F 控制 矢量控制 直接转矩控制,V/F

5、控制,E=4.44 *f1* K* N* f1 - 电机频率。 N - 每相绕组匝数 - 电机气隙磁通 K - 与绕组有关的常数 =E/(4.44*K*N*f1)=K*(E/f1) VVVF- 变压变频同时进行是电机正常运行的需要,为什么要保证u/f为一个常量？,解释1： 从公式可以看出：如果减小f，而电源频率U不变，那么必然变大； 因为电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的，如果增大磁路进入了饱和状态励磁电流过大绕组过热烧坏电机 所以必须保证为恒定，所以相应的也应该减小电源电压U ，同理，f增大，U也要增大，我们必须保证u/f为一个常量。,为什么要保证u/f为一个常量？,=E/(4.44*

6、K*N*f1),解释2： 负载转矩不变时：降低频率使电机转速下降导致输出功率下降而电机的输入功率并不因为频率下降而自动下降。因此，频率下降时将导致输入功率与输出功率之间的严重失衡，使传递能量的电磁功率和磁通相对大幅增加，电机的磁路严重饱和绕组过热 因此，变频器必须在降低频率的同时，相应地降低输出电压，才能维持输入功率与输出功率之间的平衡。 既要在低频运行时同时降低输出电压，又要保证此时电机能输出足够的转矩以拖动负载，这就要求我们根据不同的负载特性适当地调整 U /f比，以得到需要的电机机械特性。,为什么要保证u/f为一个常量？,(a) 磁通减小 任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果

7、，电流是不允许超过额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小，导致带载能力降低。 (b) 磁通增大 电动机的磁路将饱和，由于在变频调速时，运行频率fX是在相当大的范围内变化的，因此，如不采取措施的话，磁通的变化范围也是非常大的。它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流,保持磁通恒定的必要性,综上： 电机在任何速度下都应保持磁通恒定。 磁通太强-电机励磁电流过大，损耗增加 磁通太弱-电机铁芯利用不充分，输出力矩下降,保持磁通恒定的必要性,变频器可以提供多条 U/f 线供用户选用，或者通过功能参数的设置得到所需的 U /f线。应

8、用时应根据负载的低速特性选用或设置变频器相应的 U/f 线。,在额定频率以下调速（f=fN）： U不能跟着上调，转速上升，转矩下降 恒功率,V/F 控制,当电动机的运行频率高于额定频率时，变频器的输出电压不再能随频率的上升而上升，在这种情况下，由于U/f比将随频率的上升而下降，电动机磁路内的磁通也因此而减小，处于弱磁运行状态。因此，通常把转折点称为弱磁点。,矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。 控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相

9、当的控制性能。,二、矢量控制,直接转矩控制方法同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，可以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。 电动机的转速大小取决于电磁转矩和负载转矩比较的结果，只能决定拖动系统是加速还是减速，其输出频率不能调节，很难使拖动系统在某一转速下等速运行。 由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，在某些转速控制系统中，转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，仍应切换成转速控制方式，以便控制转速。,三、直接转矩控制,变频器的各种参数及设定,变频器的频率参数 加、减速时间及模式 其他功能参数,1、给定频率 用户根据系统需要，变频器

10、的设定输出频率 2、输出频率 负载变化时，变频器输出频率动态调整，某时刻实际输出的频率叫输出频率 3、基准频率（基本频率） 与变频器的最大输出电压对应的频率称为基本频率。在大多数情况下，基本频率等于电动机的额定频率。,一、变频器的频率参数,变频器的频率参数,频率给定线 在给定信号X从0增大至最大值Xmax的过程中，给定频率fx线性地从0增大到最大频率fmax的频率给定线，称为基本频率给定线。,最大频率 在数字量给定(包括键盘给定、外接升速/降速给定、外接多档转速给定等)时，是变频器允许输出的最高频率;在模拟量给定时，是与最大给定信号对应的频率。 上、下限频率 根据生产机械所要求的最高与最低转速

11、，可以推算出相对应的频率，分别称为上限频率(用fH表示)与下限频率(用fL表示)。,上限频率与最高频率的关系 上限频率小于最高频率 上限频率比最高频率优先 这是因为，上限频率是根据生产机械的要求来决定的，所以具有优先权,回避频率（跳跃频率） 任何机械在运转过程中，会或多或少产生振动。 每台机器又都有一个固有振荡频率，它取决于机械的结构。 如果生产机械运行在某一转速下时，所引起的振动频率和机械的固有振荡频率相吻合的话，则机械的振动将因发生谐振而变得十分强烈(也称为机械共振)，并可能导致机械损坏的严重后果。 所以要避开共振所对应的频率点,点动频率功能 点动频率指变频器在点动时的给定频率 点动是各类

12、机械在调试过程中经常使用的操作方式。 因为主要用于调试，故所需频率较低，一般也不需要调节。 所以，一般变频器都预置了点动频率(用fJ表示)。,点动,注：一般在调试时使用，如：确定运转方向、反向倒车等,载波频率 变频器输出电压的波形，都是经过脉宽调制后的系列脉冲波。 脉宽调制的基本方法是:各脉冲的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交点决定的。 在这里，正弦波称为调制波，三角波称为载波。三角波的频率就称为载波频率，用fC表示。,SPWM调制,二、变频器加、减速时间及模式,加减速时间（S/min),1.加速和启动,1）、加速时间 工作频率从0Hz上升到设定频率所需的时间 加速时间的设定需兼顾 生产

13、效率和系统启动的平稳性 2）、加速模式 线性： 简单，常用 S形： 平稳，传送带、电梯等 半S形：,设定适合的启动频率和加速时间，和解决启动电流大和机械冲击问题,3）、启动频率fs 电机启动时的频率 加大fs可加大启动转矩，同时也会增大启动电流 4）、启动前直流制动 防止因电动机启动前，转速不为0，而引起电机过电流,1.加速和启动,若系统关系大，而频率下降太快，电动机将处于强烈的再生制动状态，从而引起过电流和过电压。 1）减速的时间和方式（与加速相似） 减速时间： 输出频率减至0所需的时间 系统惯性越大，减速时间越长 减速方式：线性、S形、半S形 2）直流制动 惯性大的系统，在低速时易出现停不

14、住的爬行现象 需制动：通入直流电，产生制动转矩 需考虑：制动强度、制动时间、制动起始频率,2.减速和制动,3）变频停机方式 减速停机：预置减速频率和时间，电机处于再生制 动状态 自由停机：变频器停止输出，惯性停机 变频器在低频状态下短暂运行后再降为0停机： 消除爬行,2.减速和制动,1、参数初始化 通过设置，使变频器参数恢复出厂值：参数初始化 2、电动机参数自动检测： 参数自学习：电动机的定子/转子电阻，电感等 3、自动电压调整 消除输入电压波动的影响,三、其他功能参数,4、电机热过载保护 电子热保护：由微处理器计算控制 热敏电阻PTC保护 5、转矩特性 U/F曲线选择 转矩提升 6、再启动：

15、 瞬间停电再启动：停电时间不超2S时，自动重启动 故障跳闸后重合闸：避免干扰引起的误动作跳闸 通常间隔010S,最多重合闸10次,三、其他功能参数,概括,从启动频率启动 变频器输出由0直接变化为启动频率对应的交流电压，而后在此基础上按照加速曲线逐步提高输出频率和输出电压直到设定频率到达。 注：启动频率不宜过大，否则会造成启动冲击或过流 先制动后从启动频率再启动 变频器先给电机通脉冲直流，使电机保持在停止状态，然后再按照从启动频率方式直接启动。 注：一般应用在负载初始状态不确定的场合 转速跟踪启动 直接将正在自由旋转的电机或负载由当前速度驱动到预定速度 注：非常适用于水泵的工频变频切换或重要设备

16、的异常停机后的快速恢复,启动方式,停车方式,减速停车 变频器按设定的减速时间和曲线逐渐减小输出频率， 降到0后停机 注：这种方式最常用，当直流母线电压过高时会自动启动能耗制动，此时需配置制动单元 自由停车 变频器接到停止命令后，立刻中止输出，负载依惯性停车 注：变频器故障时的停车方式就是自由停车 减速直流制动停车 变频器接到停止命令后，按照设定曲线逐渐减少输出频率，当到达某一预设频率，即开始直流制动（通脉冲直流）停车，防止电机爬行 注：对于大惯量负载或有定位要求的场合非常适用,变频器基础知识变频器及其特点,变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电 压、频率均可变的电源的电力电子变换装置， 英文简称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency）,变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）,变频器的控制对象： 三相交流异步电机和三