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1、电力电子技术期末论文浅析变频器发展和应用的趋势物理与电子工程学院 电子信息科学与技术专业 2012 级 陈艾迪指导教师 罗海军摘 要：随着变频控制理论和制造工艺的进一步发展，变频器的应用和发展将会朝着以下方向发展：矩阵变频器的出现和推广；网络化配置的变频器将成为主流；同步电动机的变频应用将得到更为迅猛的发展。关键词：矩阵变频器 变频器概念及组成 网络化配置变频器 变频器基本参数 同步电机 1 矩阵变频器的出现多年来，电气传动专家一直都在讨论关于“矩阵变换”技术的变频器将会是下一代变频器。几个主要的传动供应商包括罗克韦尔、西门子等都在研究该项技术。舆论一直认为：尽管矩阵变频器具有非常诱人的前景，
2、但是由于成本太高而无法在目前进行商业化应用。从原理上讲，矩阵变频器使用了一组电力半导体开关，按照预定的数学算法控制开关顺序，并直接连接到三相电机上。在安川矩阵变频器中有 9 个开关，每一个都有 2 个 IGBT 组成双向开关，能允许正向电压和负向电压通到电机上。IGBT 数量的增加是导致矩阵变频器造价昂贵的其中一个因素。矩阵变频器使用了三相电压输入来控制输出电压，这就不仅能吸收任何电流杂波，也能提供一个清洁的输出电压，也就是说“可以有效地进行输入电源电流控制与输出电压控制”。这也是矩阵变频器吸引人们的一个重要点：能大大降低输入电流谐波的产生，只有大约传统交-直-交变频器的 20%以下。而且矩阵
3、变频器的电流几乎是正弦波，即使在带载情况下，也是如此。当有再生发电时，电流能以 180转换并反馈到电网中，而且也是以正弦波方式。在再生制动方式的工作中，矩阵变频器不需要制动电阻或特殊的变换器。反馈回的电亦无需额外的设备(如变压器等)进行处理。总之，传动能在四象限高效率地运行。另外，一个吸引点就是矩阵变频器去掉了直流电容，作为有一定寿命地铝电解电容，交直交变频器就必须在一定年限更换电容，如 58 年，矩阵变频器就能长时间可靠工作。在安川的计划中，矩阵变频器将逐步覆盖 400V 的 5.522kW，直至 75kW，当然也有 200V 级的 5.545kW 变频器。至于价格策略目前尚未公布，但基本上
4、为目前通功率段传统变频器的 2 倍左右。2 变频器的概念及组成2.1 变频器的概念变频器是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。2.2 变频器主要是由主电路、控制电路组成。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在
5、变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源 6 倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使 6 个开关器件导通、关
6、断就可以得到 3 相交流输出。以电压型 PWM 逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电压的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的
7、速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。3 以网络配置为主的系统化 变频器的网络化配置主要基于三个层面：设备层、控制层和信息层。其中变频器做为执行器，可以配接最基本的 RS232/RS485 串行通讯协议、Profibus等的现场总线协议以及 Internet 局域网协议。针对不同的控制系统和不同的用户要求，配置和选用不同的网络协议。网络化配置的变频器具有以下显著的特点：(1)高精度的频率设定；(2)远程控制与工厂信
8、息化的基本要素；(3)远程诊断系统。通过网络设定频率是一种高精度的频率设定，其具有通讯速率高，稳定可靠，接线简单等优点，而且在模拟量控制时，输出端经过一个数模转换器，经过导线，进入输入端(变频器)又经过一个模数转换器才能参与控制。两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差，而通讯传递直接是数字量，不需要转换，没有误差，在传输过程中不会造成损耗，而且响应速度率也会很高。 变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中，如无人值守泵站、油田磕头机等。变频器故障率在这种环境中自然，比较高，一般都采取事后维修的方式进行，随着电子技术的发展，传统的维修方式将变为故障预报和整机在线
9、维修。有必要对其实现在线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究，以便对其故障的事先诊断分析。目前大功率变频器的故障诊断、远程监控系统及智能控制方面取得了较大进展，并已经投入实际运行。请登陆：输配电设备网浏览更多信息在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通讯连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。目前安装的现场总线模块有ProfibusDP、Interbus、DeviceNet、CANOpen 和 ModbusPlus 等。用户可以有更大的自由根据生产过程来选择 PLC 型号和品牌，并非常简单地集成到现有地网络中去。而且通过现场
10、总线模块，可以不考虑变频器的型号，而以同一种语言来与不同功率段、不同型号地变频器进行组构，如功率、速度、转矩、电流、设定值等。由于采用了通讯方式，可以通过 PC 机来方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。 以 SEWMOVIDRIVE 变频器为例，它可以如图 2 组成 WAGO-I/O 系统，利用后者地现场总线技术进行通讯互联。这种连接方式能通过 WAGO 的可编程总线控制器 PFC 实现变频器到网络控制主机之间的输入数据过程、输出数据过程的交换。而且，总线互联方式可以通过 WAGO 公司专用的软件功能块(SEW.LIB)方便地进行变频器参数的读龋该方式能在最大程度
11、上降低变频器系统的构建成本。4 变频器基本参数的设定4.1 出厂设置 常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂 值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的。 4.2 频率限制 即设定变频器输出频率的上、下限幅值。一般情况下电机散热靠本身风扇进行冷却，因此下限频率不能低于 15HZ。如果工艺要求经常低速运行，则电机要另加散热风扇。上限频率幅值不能超出 50HZ,否则损坏电机。如果工艺要求频率大于 50HZ，需配置专用电机。 4.3 电机参数 在相应参数组中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以 从电机铭牌中直接得到。4.4 加减速时间
12、加减速时间就是输出频率从 0 上升到最大频率和从最大频率下降到 0 所需时间。设定时要满足在电动机加速时防止过电流，减速时以防止过电压。这需要根据负载特性定出最佳加减速时间。以使运转中不发生过电流、过电压报警为原则，将加减速时间缩短。 4.5 控制方式 变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID 控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。 4.6 变频器启动方式 一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可 以用面板、外部端子、通讯方式等几种。 4.7 信号给定方式 一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外
13、部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控 制效果则只能根据实际情况修改相关参数。 4.8 保护参数设定 变频器提供了过压、过流、断相、接地等一系列保护功能，用户可根据实际情况 选取相应功能。5 同步电机的配合应用 交流同步电动机已成为交流可调速传动中的一颗新星，特别是永磁同步电动机，电机是无刷结构，功率因数高、效率也高，转子转速严格与电源频率保持同步。同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类，自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似，用电力电子变流器取代了直流电机的机械
14、换向器，如采用交-直-交变压变频器时叫做“直流无换向器电机”或称“无刷直流电动机”。传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器，现正开发无转子位置传感器的系统，且已经取得重大进步和在市场的成功应用。同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制，其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机简单。采用同步电机的最有效特点：(1)大大降低电机尺寸；(2)高效率的转矩输出；(3)无编码器运行。目前大多数的纸机需要安装速度编码器来反馈电机转速，而且编码器也被证明是可靠的。但是安装的编码器由于是采用轴承需要常规定期性的维护保养和润滑，在一个大型的纸机(如 50 个传动)上每隔一定的周期还必须更换所有的编码器以防止意外
15、的由编码器故障引起的纸机停机。从这个层面上来说，无编码器的运行自然是同步电机直接传动的一个优点和着眼点。电机的实际速度是需要同时反馈和监测的，一个计算电机速度的新方法已经在 ACSDTC 得到发展和应用。为 ABB 造纸部门对直接传动的 37kW 永磁电机进行测试得出的波形曲线。上面的 2 条曲线是表示经速度编码器测量的数据和通过变频器计算出来的数据。从图中可以看出两条曲线几乎是一致的，即使在动态扰动中也是少有偏差。第 3 条曲线是表示电机由于突加负载产生的电机转矩，该负载的变化大概是正常负载的 1/3，以表示在电机在正常运行下突然有一个大的变化。将 ABB 传统的交流传动纸机改造成一个直接传动的纸机系统是非常简单的，纸厂需要购买新的直接传动部分的电机，同时将 ABB 的常规变频器ACS600 通过下载 PM-DTC 软件来升级，而且新的直接传动的系统可以与现 有的交流或直流传动同时正常运行。总而言之，用户将从直接传动中获益。 参考文献： 1王廷才.变频器原理及应用M.机械工业出版社，2005. 2张选正，张金远.变频器应用经
