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1、变频器与伺服控制器 第1章 变频器的结构及工作原理 1 变频器的基本结构变频器的基本结构 变频器可以分为四个主要部分: 整流电路、 直流中间电路、逆变电路和控制电路部分。 1.1 整流电路整流电路 不可控整流 全控整流 双向（四象限）全控整流 半控整流 SPWM 所谓SPWM就是正弦脉宽调制，其波形是与正弦 波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。 电力电子课程有详细讲解，这里不再多做介绍。 1.4 制动电路方案一 制动电路 制动电路的作用 对于电压型变频器来说，当负载的异步电动机作为异步发电机工作时， 回馈能量则主要经续流二极管整流后送至直流中间电路，并使平滑电容 的电压(即直流中间电路的输
2、出电压)上升。 当平滑电容的电压过高时，则有可能烧毁换流器件。 在电压型变频器中必须根据电动机减速的需要专门设置制动电路，以防 止上述现象的发生。 制动电路的工作原理制动电路的工作原理 右图所示制动电路的工作原理如下。 当检测到直流电压Ed的电压上限时，晶 体管开通，并以IR =Ed/R的放电电流进 行放电;而当检测到直流电压Ed达到事 先设定的某一电压下限时IGBT则关断， 电容重新迸入充电过程，从而达到限制 直流电压上升过高的目的。 1.4 制动电路方案二： 共用直流母线的方案 采用通用变频器构成的共用直流母线传动系统，在系统设计中很重要 的一点就是在各变频器直流母线与共用直流母线并联时，
3、必须充分考虑 到各变频器的控制方式、各单体传动系统的故障、负载特性和变频器输 入主回路保护等。图3-38为一种应用比较广泛的共用直流母线方案。 公共制动单元(或采用能量回馈装置) 1.4 制动电路方案三： 四象限逆变器（高功率因素双向逆变器） 一般采用双逆变器结构（相当于二台变频器），成本高； 一般要接输入电抗器； 高效，高功率因数 节能 1.5 变频器的控制电路 变频器的控制电路的主要电路，作用 根据事先确定的变频器控制方式，或电流控制时所需 要的各种门极驱动信号或基极驱动信号 变频器的控制电路还包括对电流、电压、电动机速度 进行检测的信号检测电路 为变频器和电动机提供保护的保护电路 对外接
4、口电路和对数字操作盒的控制电路。 变频器的控制电路的基本电路 主控制电路主控制电路 变频器主控制电路的中心是一个高性能的微处理器，或者DSP DSP配以Flash（内置）、数据内存（内置）、ASIC/FPGA芯片和其 他必要的周边电路。 DSP通过A/D、D/A等接口电路接收检测电路和外部接口电路送来的 各种检测信号和参数设定值，利用事先编制好的软件进行必要的处理， 并为变频器的其他部分提供各种必要的控制信号或显示信息。 在一个通用变频器中，主控制电路主要完成以下任务： (1)输入信号的处理 加减速控制，速度调节 (3)运算处理 (4) PWM波形的产生 主电路驱动电路主电路驱动电路 基极(门
5、极)驱动电路的动作和功能因主 电路的半导体换流器件而异，并具有以下的 特征： 对功率晶体管、IGBT和功率MOSFET来说，为了达到快速 关断换流器件的目的，需要设置施加反向电压反向电压(电流)的回路。 由于晶闸管不具有自我关断的能力，所以门极驱动电路非常 简单 对GTO来说，由于需要为门极提供反向电流才能够关断器件， 所以电路较为复杂 信号检测电路信号检测电路 在通用变频器中，检测电路主要包括 电流检测电路 （要求最高，10-bit AD） 直流电压检测电路（电压保护，V/f） 温度检测电路 (变频器和电动机提供电子热保护) 速度检测电路 (要求高的场合，或者矢量控制变频器) 保护电路保护电
6、路 当按照保护功能的目的考虑时，变频器的保护功 能可以分为对变频器本身的保护，对驱动电动机的保 护和对系统的保护三个方面的内容。 (1)瞬时过电流保护 (2)对地短路保护（检测输出电流不平衡，必要时加装漏电保护器） (3)过电压保护 (4)欠电压保护 (5)变频器过载保护 (软件保护， I2t保护) (6)模块，散热片过热保护 (电子热保护) (7)由保险丝进行过电流保护 （小驱动器内置） (8)控制电路异常保护 (自检，软件保护） 外部接口电路外部接口电路 变频器的外部接口电路通常包括以下的硬 件电路: 顺序控制指令输入电路 频率指令输入电路 监测信号输出电路 数字信号输入, 输出电路 数字
7、操作显示盒数字操作显示盒 用户可以利用数字操作盒对系统进行各种 运行、停止操作，监测变频器的运行状态，显 示故障内容及发生顺序，以及根据系统运行的 需要进行各种参数的设定等。 第2章 变频器的选型 变频器选型应注意以下几点：变频器选型应注意以下几点： 采用变频的目的:恒压控制或恒流控制等。 变频器的负载类型 (负载性能曲线) 变频器与负载的匹配问题。 用于高速电动机的变频器的选型，其容量要稍大于普 通电动机的选型（电感小，纹波大）。 变频器如果要长电缆运行时，需要变频器容量要放大 一挡或在变频器的输出端安装输出电抗器。 对于一些特殊的应用场合，如高温高海拔，此时会引 起变频器的降容，变频器容量
8、要放大一挡。 2.1.2不同负载时变频器的选择 (1)风机和水泵等普通负载 对变频器的要求最简单，只要变频器的容量等于电动 机容量即可(空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的 音乐喷泉需加大容量) (2)起重类负载 这类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器 有一定容量。同时，在重物下放时会有能量回馈，因 此要使用制动单元或采用共用母线 (3)不均匀负载方式 有的负载有时轻，有时重，此时应按照重负载的情况 来选择变频器容量，例如轧钢机械、粉碎机械、搅拌 机等 (4)大惯性负载 如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑丶此类负载惯性很大， 因此启动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。 应该用容量稍大的变
9、频器来加快启动，避免振荡。配 合制动单元消除回馈电能。 (5)长期低速运转的电动机。 由于电动机发热量较高，风扇冷却能力降低，因此必须 采用加大减速比的方式或改用6极电动机，使电动机 运转在较高频率附近。 (6)冲击负载 加有冲击的负载叫作冲击负载。冲压机械冲压瞬间产 生的冲击负载最具代表性，如轧钢机，当钢锭咬入瞬 间产生冲击负载，变频器容易过电流保护。 2.2 变频器容量选择变频器容量选择 变频器的容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机额定电流、可用电动机 功率功率和额定容量额定容量。 选择变频器时，只有变频器的额定电流额定电流是一个反映半导体 变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变
10、频器额定 电流是选择变频器容量的基本原则。 2.2.1 根据电动机电流选择变频器容量根据电动机电流选择变频器容量 采用变频器驱动异步电动机调速，在异步电动 机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流通常应根据异步电动机的额定电流 来选择变频器来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行 中的电流值(最大值)来选择变频器。 (1)连续运行的场合 对连续运转的变频器必须同时满足表2-4所列的三项要求 注: PM：负载要求的电动机轴输出， kW； UE：电动机额定电压，V； 电动机效率(通常 约0.85)； IE：电动机额定电流 A； cos 电动机功率因数(通常约0.75) ；k：电流波形 补偿系数 表
11、2-4变频器容量选择(驱动单台电动机) k是电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形并不是完 全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流有所不同， PWM方式变频器约1.051.1 (见图2-19)，因此需将变频 器的容量留有适当的余量。 图2-19变频器输出电流波形 通常应令变频器的额定输出电流(1.051. 1)电动机 的额定电流(铭牌值)或电动机实际运行中的最大电流 IINV(1. 051. 1)IN或(1. 051. 1)IMAX 式中 IINV变频器额定输出电流，A； IN电动机额定电流，A； IMAX电动机实际最大电流，A。 如按电动机实际运行中的最大电流来选定变频器时， 变频器的容量
12、可以适当缩小 (2)加减速时变频器容量的选定 变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定。 一般情况下，对于短时间的加减速而言，变频器允许达到 额定输出电流130%150% (视变频器容量有别)，因此， 在短时加减速时输出转矩也可以增大 反之，如只需要较小的加减速转矩时，也可降低选择变频 器的容量。 (3)频繁加减速运转时变频器容量的选定 根据图2-20所示的运行曲线图，可根据下式选择恒速、减速等各种运 行状态下的电流值。 IIVN =(I1t1+I2t2 + +I5t5 )/(tl+t2 + +t5 +t6)K0 式中 IIVN 变频器额定输出电流，A I1,I2, ,I5 各运行状态
13、下平均电流，A t1, t2, t6 各运行状态下的时间， s K0 安全系数(运行频繁时取1.2，其他时为1.1) 图2-20电动机运转时特性曲线 (4)电流变化不规则的场合 在运行中，如电动机电流变化不规则，此时不易 获得运行特性曲线，这时可使电动机在输出最大 转矩时的电流限制在变频器的额定输出电流内进 行选定。 (5)电动机直接启动时所需变频器容量的选定 通常，三相异步电动机直接用工频启动时，电流为其额定 电流的57倍，直接启动时可按下式选取变频器 IIVN IK/Kg 式中 IK在额定电压、额定频率下电动机启动时的堵转电流，A Kg变频器的允许过载倍数，Kg =1.31.5 (6)指定
14、启动加速时间 由电网电源供电的场合，电源输出的频率是恒定的，如图2-21所示， 电动机从转差率为1开始加速。此时，加速转矩(电动机转矩TM负载 转矩TL)如图中斜线部分所示 图2-21中在A区域(转差率约5%8%以下)电流与转矩大体上是成比例 的，而在大转差率的启动加速区域，其电流为额定电流的 400%500%，甚至更高。由于电网电源的容量很大，有足够的电流 提供给电动机。 图2-21电网电源供电下电动机转矩与电流的关系 变频器驱动电动机与电网驱动电网驱动则不同，其短时最大电流一 般不超过额定电流的不超过额定电流的200%。通常在超过额定值150%以上 时，变频器就会进行过流保护或防失速保护而
15、停止加速， 以尽可能保持转差率不要过大。 所以，U/f控制的变频器即使运用转矩增强功能，其启动启动 转矩最高也超不过额定转矩的转矩最高也超不过额定转矩的130%，而且由于低频时散 热等问题，电动机所输出的转矩要小于额定转矩(见图2- 22)。所以，绝对不会按照加速转矩为130%(TM -TL)时所 求得的加速时间T1(如图2-23中曲线A)那样进行加速,而是 按图2-24所示曲线进行加速。 由于防失速功能的作用，实际加速时间加长了（避免母线 过压，过电流）。图2-23曲线B表示加速转矩为20%时的 加速曲线。 图2-22 加速转矩 图2-23 加速时间 图2-24 防失速功能作用下的加减速 为
16、了保证加速时间不受防失速功能的影响，应增大变频容量以加大变频器输 出电流的能力，但是，尽管如此，从图2-22中可以看出，电流的大幅度增大 并不能使电动机转矩大幅度增大，所以最好也同时加大电动机容量电动机容量。 运用转差频率控制和矢量控制的变频器，由于可以以最大允许电流和大启动 转矩加速，所以其加速时间可如图2-23中线C那样很短。 因此在指定加速时间的情况下，变频器所必需的容量计算如下： GD2 抵动机轴换算总GD2, kg. m tA 电动机加速度 TL 负载转矩，N m k 电流波形补偿系数 电动机效率(通常约0.85） cos 电动机功率因数 n 电动机额定转速，r/min 2 937 cos375 L A knGD T t 变
