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1、变频调速讲座,魏学森,2007年4月,2,目 录,第一章、通用变频器发展史第二章、通用变频器硬件结构与及其原理第三章、常用控制方法第四章、变频器设计、使用的一些注意事项,3,一.变频器发展史、趋势,随着微机技术、电力电子技术和调速控制理论的不断发展，变频器作为一种智能调速“电源”也在不断地更新。从变频器问世以来，通用变频器主要经历以下几个发展阶段：80年代初期的模拟式、80年代中期的数字式、90年代以后的智能式、多功能型通用变频器。通用变频器发展主要有以下特点： 、 功率器件不断更新换代变频器的发展受其电力半导体器件的限制，现在常用器件主要有:绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGC
2、T。80年代初主要使用GTO、大功率晶体管GTR，由于GTR的工作频率一般在2KHZ以下，载波频率和最小脉宽都受到限制，难以得到较为理想的正弦脉宽调制波形，并使异步电机在变频调速时产生噪声。,4,一.变频器发展史、趋势,主要电力电子器件 A.不可控器件：整流二极管（D） B.可控器件：两个系列脉冲控制系列,晶闸管（Th）半控,门极关断晶闸管（GTO） 全控 6000V 6000A fs500Hz 控制脉冲电流大，要求庞大阻尼电路,绝缘门极晶闸管（IGCT） 全控 4500V 4000A fs1000Hz 控制脉冲电流小，器件和触发电路集成在一起，阻尼电路小,5,一.变频器发展史、趋势,电平控制
3、系列,电力场效应晶体管(P-MOSFET)全控 电压控制 电压500V fs达100KHz,双极型晶体管（BJT）曾用名：电力晶体管(GTR) 全控 电流控制 1200V 600A fs5KHz,绝缘栅双极晶体管（IGBT）全控 电压控制 阻尼简单 低压IGBT 1700V， 2400A fs15KHz 高压IGBT 3300V， 1200A fs1KHz左右,电子注入加强门极晶体管（IEGT）(东芝公司专有) 全控 电压控制 阻尼简单 4500V， 3000A fs 1KHz左右,6,一.变频器发展史、趋势,2、应用范围不断扩大在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造纸、食品、装卸搬运等行业
4、都有着广泛应用，随着各种专用变频器的出现，使变频器的应用领域进一步扩大，可以说有电机的地方就会有变频器。3、 控制理论不断成熟 早期通用变频器主要采用恒压频比（V/F） PWM控制方式，随着矢量控制技术、直接转矩控制技术的出现使得电动机变频后的机械特性可以和直流电机相媲美。变频调速控制技术不断成熟、功率电子器件不断发展，变频器应用日益广泛，在电气传动、节能领域起着重要的作用。,7,一.变频器发展史、趋势,趋势： 1、低电磁噪音、静音化新型通用变频器除了采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化外(载波频率越高,电磁噪音越小,漏电流噪声越大),还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校
5、正电路APFC，而在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。如三菱公司的柔性PWM控制技术，实现了更低噪音运行。 2、专用化 新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、 交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。,8,历史、特点及趋势,3、系统化 通用变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向
6、发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化”（TIA）平台概念，可以使变频器、伺服装置、控制器及通讯装置等集成配置，甚至自动化和驱动系统、通讯和数据管理系统都可以像驱动装置通常嵌入“全集成自动化”系统那样进行，目的是为用户提供最佳的系统功能。 4、网络化新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP、 Interbus-S 、 Device Net 、 Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet
7、、CAN Open、T-LINK等通讯。如西门子、VACON、富士、日立、三菱、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。,9,历史、特点及趋势,5、操作傻瓜化 新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。如西门子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一种称为“易于使用”的成功概念，使得在连接技术、安装和调试方面的操作变得非常简单。,10,历史、特点及趋势,6、内置式应用软件 新型通用变频器可以内置多种应用软件，有的品牌可提供多达130余种的应用软件，以满足现场过程控制
8、的需要，如PID控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通讯软件等。7、参数自调整 用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置，通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态（矢量型变频器可对电机参数进行自整定）。 8、功能设置软件化 通用变频器的功能可以在WINDOW环境下设置并下装，并可以进行数据通讯。,11,变频器分类和工作原理,一、通用变频器的类型从结构上可分为：交交变频器；交直交变频器 1.交交变频器 1）晶闸管交-交直接变频：fo.max20Hz 用于大功率，低速传动,12,变频器分类和工作原理,2）矩阵变频器: fo不受限制，研究中尚未实用,13,变频器分
9、类和工作原理,2.交直交变频又可分为 电流源型：中间直流滤波环节采用大电感滤波，电源内阻抗为 零的恒压源，输出电流波形为矩形波。 电压源型：中间直流滤波环节采用大电容滤波，电源内阻抗为 无穷大的恒流源，输出电压波形为矩形波。,14,变频器分类和工作原理,不可控 整流器,PWM 逆变器,R,S,T,U,V,W,CF,（A）电压源型,不可控 整流器,PWM 逆变器,R,S,T,U,V,W,（B）电流源型,LF,IB,15,变频器分类和工作原理,二变频器的主电路,VD1,VD3,VD5,VD4,VD6,VD2,R,S,T,RB,VB,C1,C2,V1,V3,V5,V4,V6,V2,D1,D3,D5,
10、D4,D6,D2,RS,P,N,KS,RC1、2,IB,整流电路,逆变电路,滤波电路,制动电路,16,变频器分类和工作原理,电压型变频器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组成。 1、整流电路： VD1-VD6组成三相不可控整流桥，220V系列采用单相全波整流桥电路；380V系列采用桥式全波整流电路。若电源线电压为UL，三相全桥整流后平均直流电压UD=1.35UL，直流母线电压为535V,17,变频器分类和工作原理,2、滤波电路整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容CF除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰,给电机感性负载提供必要的无功功率，由于该大电容储存
11、能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。限流电阻的作用：由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在上电瞬间滤波电容CF的充电电流很大，过大的电流会损坏整流桥二极管，为保护整流桥,上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流，当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。,18,变频器分类和工作原理,3 制动电阻RB和制动单元VB电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压UD不断上升（即所说的泵升电压），这样变频器将
12、会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的放电电流IB,19,变频器分类和工作原理,4. 逆变电路： 逆变管V1-V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电，是变频器的核心部分。常用逆变模块有：GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元。续流二极管D1-D6：其主要作用为： （1）电机绕组为感性具有无功分量，D1-D6为无功电流返回到直流电源提供通道 （2）当电机处于制动状态时，再生电流通过D1-D6返回直流电路。 （3）V1-V6进行逆变过程
13、是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1-D6提供通路。缓冲电路作用由于逆变管V1-V6每次由导通切换到截止状态的瞬间，C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD，这过高的电压增长率可能会损坏逆变管，吸收电容的作用便是降低V1-V6关断时的电压增长率。,20,变频器分类和工作原理,三变频器的控制回路变频器控制部分一般有：CPU单元、显示单元、电流检测电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源等1、CPU单元： 采用16位单片机或DSP，变频器专用单片机如：INTEL 87C196MH，速度为几十ns级。矢量控制型采用双CPU。2、开关电源单元： 变频
14、器控制电源为开关电源：有24V，15V，+5V等输出，其输入在主电路直流母线侧取得。3、电流检测单元：采用HALL元件检测变频器输出侧电流。CPU根据检测电流，确定加速、减速、运行中过流、变频过载及电机过载。 4、显示单元：其功能为人机界面、参数设定、状态/故障显示、远距离操作等、控制端子：模拟输入、输出端子；开关量输入输出端子；故障输出端子；,21,变频器分类和工作原理,6、驱动单元电路：产生的PWM波经专用驱动芯片、放大电路后驱动IGBT。常用的单路波形驱动芯片有：Motorola的MC33153，日本英达HR065，HCPLJ316（convo变频器用），及光耦TLP521等. IGBT
15、驱动电路特点及要求：动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供陡峭前后沿驱动脉冲。能向IGBT提供适当的正向栅压。IGBT导通后VCE与栅极电压有关， VGE越高则VCE越低。一般为20V左右。在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存贮电荷，能向IGBT提供足够的反向栅压。幅值一般为5V-15V。有足够的输入输出隔离能力。 具有有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。具有故障封锁输出功能。,22,变频器分类和工作原理,显示面板,CPU,输 入 信号,输 出 信号,电流检测电路,开关电源电路,PWM波形驱动电路,主 电 路,电 机,电压检测,电 源,变频器控制回路图,23,常用的控制算法,一、通用变频器的基本控制方式（V/F控制）,24,常用的控制算法,通用变频器的基本控制方式（V/F控制）由n=60f/P（1-S）（P为极对数）可知通过改变频率f可改变电机速度，由三相异步电机定子相电动势有效值：E=4.44kfn，知：当f大于电机额定频率fN时，气隙磁通将会小于额定磁通量N ，结果使电机的铁心没有得到充分利用而造成浪费；当f小于电机额定频率fN时，气隙磁通将会大于额定磁通量N，电机铁心饱和，导致过大的励磁电流严重时会因绕组过热而损坏电机，因而要实现变频调速，最好在变频时保持每极磁通量不变。,
