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1、变频器培训 一、 丹弗斯变频器的外观 VLT 8000 Aqua系列 VLT 5000 系列 VLT2800系列一、基础知识1、概述 变频器定义: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”。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。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“inver
2、ter”，即：变频器。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。 2. 电机结构与基本特征-电机的旋转速度为什么能够自由地改变？三相异步电动机是目前较常用的交流电动机，多用在工业设备。三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1所示。图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场
3、的旋转速度与电流的变化是同步的。 旋转磁场的转速为：n=60f/P 式中f为电源频率 P是磁场的磁极对数 n的单位是：每分钟转数根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关控制交流电动机的转速有两种方法：1. 改变磁极法 2. 变频法以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。观察图1还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机
4、的旋转方向。定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。为此我们称三相电动机为异步电动机。电机转速N与级数P: 每分钟旋转次数r/min 或rpm.例如：2极电机 50Hz 3000 r/min ；4极电机 50Hz 1500 r/min 图1正转 图2反转 电机接线任意调
5、换两相就可以改变马达的转向结论：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，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200Vl 这就是所谓V/f模式。 频率下降时电压V也成比例下降， V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。按比例地改V
6、和f时，电机的转矩会有变化。频率下降时完全成比例地降低电压，那麽由於交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法3、逆变器件的介绍：IGBT 、SCR和GTO晶闸管a) IGBT是绝缘栅双极晶体管的代号。IGBT 简称绝缘门栅极晶体管（缩写IGT）。它是将MOSFET和GTR集成在一个芯片上的复合器件。功率MOSFET是单极型电压驱动器件。它就有工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好以及驱动电路简单特点，但它导通电
7、阻较大，电流容量也较低，而GTR是双极型电流驱动器件，其阻断电压高，载流能力强，但工作速度较慢，驱动电流大、控制电路较复杂。这两类器件的缺点限制了它们的发展。目前出现许多新型复合器件，如MOS/双极复合晶体管，MOS/双极复合晶闸管，这些新型电力电子复合器件，集合了单极和双极型器件各自的优点。IGBT发展得很快，这种复合器件属于晶体管类，它既可以作为开关用，也可以作为放大器件用。他具有良好的特性，很是合作中频电源的逆变器开关用。b) SCR和GTO晶闸管 普通晶闸管SCR 曾称可控硅，它有三个极：阳极，阴极和门极。SCR的工作特点是，当在门极与阴极间加一个不大的正向电压（G为+，K为）时，SC
8、R即导通，负载Rl中就有电流流过。导通后，即使取消门极电压，SCR仍保持导通状态。只有当阳极电路的电压为0或负值时，SCR才关断。所以，只需要用一个脉冲信号，就可以控制其导通了，故它常用于可控整流。作为一种无触点的半导体开关器件，其允许反复导通和关断的次数几乎是无限的，并且导通的控制也十分方便。这是一般的“通-断开关”所望尘莫及的，从而使实现异步电动机的变频调速取得了突破。但由于变频器的逆变电路是在直流电压下工作的，而SCR在直流电压下又不能自行关断，因此，要实现逆变，还必须增加辅助器件和相应的电路来帮助它关断。所以，尽管当时的变频调速装置在个别领域（如风机和泵类负载）已经能够实用，但未能进入
9、大范围的普及应用阶段。门极关断（GTO）晶闸管 SCR在一段时间内，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。因此，针对SCR的缺点，人们很自然地把努力方向引向了如何使晶闸管具有关断能力这一点上，并因此而开发出了门极关断晶闸管。GTO晶闸管的基本结构和SCR类似，它的三个极也是：阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。其图行符号也和SCR相似，只是在门极上加一短线，以示区别。GTO晶闸管的基本电路和工作特点是：在门极G上加正电压或正脉冲（开关S和至位置1）GTO晶闸管即导通。其后，即使撤消控制信号（开关回到位置0），GTO晶闸管仍保持导通。可见，GTO晶闸管的导通过程和SCR的导通过程完全相同
10、。如在G、K间加入反向电压或较强的反向脉冲（开关和至位置2），可使GTO晶闸管关断。用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，故仍较复杂，工作频率也不够高。而几乎是与此同时，大功率管（GTR）迅速发展了起来，使GTO晶闸管相形见拙。因此，在大量的中小容量变频器中，GTO晶闸管已基本不用。但其工作电流大，故在大容量变频器中，仍居主要地位一、主回路主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测电路的传感器部分组成。它的结构图如下：1、整流电路。 整流电路实际上就是一块整流模块。它的作用是把三相（或单相）50Hz、380V（220V）的交流电源，通过整
11、流模块的桥式整流成脉动直流电。整流电路（整流模块）的故障：整流模块中的整流二极管一个或多个损坏而开路，导致主回路PN电压值下降或无电压值。整流模块中的整流二极管一个或多个损坏而短路，导致变频器输入电源短路，供电电源跳闸，变频器无法接上电源。2、限流电路限流电路是限流电阻和继电器触点（或可控硅）相并联的电路。变频器开机瞬间会有一个很大的充电电流，为了保护整流模块，充电电路中串联限流电阻以限制充电电流值。随着充电时间的增长，它的充电电流减少。减少到一定数值，继电器动作触点闭和，短接限流电阻。正常运行时，主回路电流流经继电器触点。限流电路故障：继电器触点氧化，接触不良。导致变频器工作时，主回路电流，
12、部分或全部流经限流电阻，限流电阻被烧毁。继电器触点烧毁，不能恢复常开态。导致开机时，限流电阻不起作用，过大的充电电流损坏整流模块。继电器线包损坏不能工作，导致变频器工作时，主回路电流全部流经限流电阻，限流电阻被烧毁。限流电阻烧毁，、原因所致，再就是限流电阻老化损坏。变频器接通电源，主回路无直流电压输出。因此，也就无低压直流供电。操作盘无显示，高压指示灯不亮。一些变频器限流电路中，不用继电器，而用可控硅等开关器件。可控硅等开关器件损坏后开路、短路和可控硅无触发信号三种情况，其故障类似继电器。3、滤波电路滤波电路是将整流电路输出的脉动直流电压，成为波动较小的直流电压。通常变频器为电压型。由滤波电解
13、电容对整流电路的输出进行平滑。对于380V电源的变频器，是两个电解电容串联后再并联。匀压电阻Rp、Rn是为了使直流电压平分加到每个电容上。滤波电路故障滤波电容老化。其容量低于额定值的85%，致使变频器运行时，输出电压低于正常值。滤波电容损坏成开路，导致变频器运行时输出电压低于正常值。损坏成短路，会导致另一只滤波损坏。进而可能损坏限流电路中的继电器、限流电阻、损坏整流模块。匀压电阻损坏。匀压电阻损坏后，会由于两个电容受压不均而逐个因超压被损坏。4、制动电路 在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速
14、未变。当同步转速w1小于转子转速w时，转子电流的相位几乎改变了180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩Te，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能P经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压Ud升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取必需的措施处理这部分再生能量-就是处理再生能量的方法：能耗制动和回馈制动。1能耗制动的工作方式能耗制动采用的方法是在变频
15、器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动（如图二所示）。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能，因此又被称为“电阻制动”，它包括制动单元和制动电阻二部分。1.1制动单元制动单元的功能是当直流回路的电压Ud超过规定的限值时（如660V或710V），接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式二种，前者是适用于小功率的通用变频器，后者则是适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。1.2制动电阻制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要
