变频器基础知识.

《变频器基础知识.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器基础知识.（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 变频器基础知识 1 页 共 34 页 变频器基础知识变频器基础知识 交流电动机调速概述交流电动机调速概述 从 19 世纪 80 年代以来， 工业电气传动一直以直流传动为唯一方 式。到 19 世纪末，出现了三相电源和坚固耐用的鼠笼式电动机后， 在不调速的场合交流传动才代替了直流传动。三相交流异步电动机， 由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而具有结构 简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，一经问世， 就备受人们青睐。与其他电动机相比，它在工农业生产设备中的占有 率一直处于绝对领先的地位。 然而，随着生产的不断发展，现代应用的许多变速传动系统， 不仅要求有宽广的调速范

2、围，而且要求静差小、稳定性好及有良好的 动态性能。直流电动机能够满足这些要求，但由于直流电动机在制造 和维护等方面的固有缺陷，长期以来，人们一直渴望用交流电动机代 替直流电动机。从 60 年代起，国外对交流变速传动已开始重视，如 日本在 1961 年发明的滑差调速电机，可以认为是交流串级调速研究 的开始。 长期以来，异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。 虽然改变定子侧的电流频率就可以调节转速， 是由异步电动机的基本 原理所决定的，是和异步电动机“与生俱来”的。然而，异步电动机 诞生于19世纪80年代， 而变频调速技术发展到迅速普及的实用阶段， 却是在 20 世纪 80 年代，整整经历了

3、一个世纪。 变频器基础知识 2 页 共 34 页 是什么原因使变频调速技术从愿望到实现经历了长达百年之久 呢？ 首先，从目前迅速普及的“交-直-交”变频器的基本结构来看， “交-直” （由交流变直流）的整流技术是很早就解决了的。而“直- 交” （由直流变交流）的逆变过程实际是不同组合的开关交替地接通 和关断地过程， 它必须依赖于满足一定条件的开关器件。 这些条件是： 能够承受足够大的电压和电流； 允许长时间频繁地接通和关断； 接通和关断必须十分方便。 直到 20 世纪 70 年代，大功率晶体管（GTR）地开发成功，才比 较满意地满足了上述条件，从而为变频调速技术的开发、发展和普及 奠定了基础。

4、20 世纪 80 年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极晶体 管（IGBT） ，其工作频率比 GTR 提高了一个数量级，从而使变频调 速技术又向前迈进了一步。目前，中小容量的新系列变频器中的逆变 部分，已基本上被 IGBT 垄断了。 其次，由于电动机绕组中反电动势的大小是和频率成正比的。其 次，在改变频率的同时还必须改变电压，故变频器常简写成 VVVF （Variable Voltage Variable Frequency） 。 VVVF 的实现， 虽然不如逆变 电路之对于开关器件那样具有强烈的依赖性， 但简化到足以推广普及 的阶段， 却是在 20 世纪 70 年代提出了正弦波脉宽调制技术 （S

5、PWM） 并不断完善之后。 变频器基础知识 3 页 共 34 页 再其次，在不采取任何措施的情况下，异步电动机在变频（同时 也变压）后的机械特性远逊色于直流电动机变压后的机械特性。这必 将大大影响变频调速技术的应用范围。20 世纪 70 年代末，矢量控制 技术提出和实现， 使异步电动机变频后的机械特性达到了可以和直流 电动机变压后的机械特性相媲美的程度。 而比较简易的 V/F 控制变频 器，也足以满足大多数负载的要求。 与此同时，计算机技术和大规模集成电路的飞速进步，极大地简 化了实施 SPWM 及矢量控制等复杂技术的方法，增强和扩大了变频 器的功能，使变频调速技术迅猛地发展了起来。 如上所述

6、，交流电动机变频调速是近 20 年内发展起来地新技术， 而在我国地普及应用，则大约只有 10 余年。即使在这短短地 10 余年 中，国内外变频器技术地进步也十分可观。在各种功能地设定方面， 早期的模拟量设定早已被数字量设定所代替； 设定的项目也由几个上 升至几十个乃至近百上千个； 逆变管逐渐由 GTR 更新为 IGBT； 变频 器的容量已能做到数千千伏安等等。 当前， 对于广大的电气工程技术人员来说， 了解和熟悉变频调节技术、 选好用好变频器、充分发挥变频器中各种功能的作用，已经是当务之 急的事。 变频器基础知识 4 页 共 34 页 与直流拖动相比与直流拖动相比，交流拖动具有如下特点交流拖动

7、具有如下特点 交流电动机坚固耐用，用交流电动机组成的拖动系统经济可靠、 运行噪声小、维护方便。 能够适应易燃、易爆、高空、井下等恶劣环境，适应范围广。 结构简单，便于制造大容量、高转速、高电压的电动机，这为交 流拖动系统的应用开辟了更广泛的领域。 由于高性能、高精度新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动 系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛地用于 各个生产领域中。 交流调速的发展经历了几个阶段交流调速的发展经历了几个阶段， 最最典型的带有方向性的调速系统典型的带有方向性的调速系统是是 晶闸管调压调速系统； 串级调速系统； 变频调速系统； 无换向器电动机调速系统； 矢量变换控制系统

8、。 变频器基础知识 5 页 共 34 页 交流调速的经济效益：据统计，风机、水泵类机械耗电量占工业 用电的一半左右，目前很多地方采用当板或阀门来调节风量和流量， 能源浪费相当严重。如果对风机泵类机械采用调速控制，则可大大降 低电能的浪费，经济效益极其可观。例如日本 1975 年在调速领域中， 直流调速占 80%，交流调速占 20%，到了 1985 年交流调速占 80%， 而直流调速占 20%，我厂的发展也是如此。 缩缩 写写 符符 号号 PAM 脉幅调制 PWM 脉宽调制 SPWM 正弦波脉宽调制 VVVF 变压变频 SCR 晶闸管 GTO 可关断晶闸管 GTR 大功率晶体管 BJT 双极晶体

9、管 IGBT 绝缘栅双极晶体管 SGCT 对称门极换流晶闸管 FN 额定频率 FX 变频器的输出频率 TM 变频器的转矩 UDN 变频器直流电路的电压 变频器基础知识 6 页 共 34 页 富士 G11 变 施耐德 ATV71 变频器 变频器基础知识 7 页 共 34 页 风机中压变频器 风机软起动高压变频器 变频器基础知识 8 页 共 34 页 变频器调速的工作原理变频器调速的工作原理 我们现在使用的变频器为通用变频器，是指可以应用于通用交流 电动机调速控制的变频器， 其特点是具有通用性， 并具有智能化特征， 通用变频器也因此而得名。 目前，通用变频器已在各行各业中的各种设备上普及应用，并成

10、 为当今节电、改造传统工业、改善工艺流程、提高产品质量、改善环 境、推动技术进步的主要手段之一。它以其优异的性能和广泛的适用 性被国内外公认为最有发展前途的绿色技术， 是国民经济和日常生活 中普遍需要的新技术，也是国际上技术更新换代最快的领域之一。 我厂的配料室圆盘、烧结机、环冷机、泥辊、梭式布料器和有些 风机的电动机都是用变频器进行调速控制的。 变频器基础知识 9 页 共 34 页 变频器是将频率固定（通常为工频 50HZ）的交流电（三相或单 相）变换成频率连续可调（多数为 0400HZ）的三相交流电的设备。 变频器的输入端接至频率固定的三相交流电源； 输出端输出的是 频率在一定范围内连续可

11、调的三相交流电，接至电动机。 变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变同步转速， 从而 实现交流电动机调速的一种方法。 由公式n0=60f/p可知，当频率f连续可调时，电动机的同步转 速n0也连续可调。 又因为异步电动机的转子转速nM总是比同步转速 n0略低一些。所以，当n0连续可调时，nM也连续可调。由于磁极对 数p不同的异步电动机，在相同频率时的转速是不同的。所以，即使 频率的调节范围相同，转速的调节范围也是各异的。 变频器基础知识 10 页 共 34 页 变频器的类别变频器的类别 （1）按变换环节分为：交交变频器和交直交变频器 （2）按电压的调制方式分为： PAM（脉幅调制）和 PWM

12、（脉宽调制） （3）按直流环节的贮能方式分为：电流型和电压型 电流型电流型、电压型逆变器主要特点比较电压型逆变器主要特点比较 电路形式 项目 电流型逆变器 电压型逆变器 电路结构 输出波形 电流为矩形波，电压近似为 正弦波 电压为矩形波，电流近似 为正弦波 再生制动 方便，不附加设备 需要在主电路设置反并 联逆变器 电流控制能力 用电流控制内环控制容易 有大滤波电容，不易控制 电流保护 过流及短路均易保护 困难 对晶闸管要求 耐压高，关断时间不严格可 用普通元件 耐压一般，关断时间要求 短要用快速元件 系统的稳定性 轻载高频时易振荡 稳定，滤波电容小，可能 产生振荡 适用范围 单机或多机要求加

13、减速的 拖动系统 多机同步运行的拖动系 统，稳频稳压电源 变频器基础知识 11 页 共 34 页 变频器的类型变频器的类型 风机、水泵、空调专用型变频器 高性能矢量控制型变频器 专用变频器 高频变频器 中、高压变频器 单相变频器 变频器基础知识 12 页 共 34 页 变频器的变频器的 PAM（脉幅调制脉幅调制）控制方式控制方式 逆变所得交流电压的振幅值等于直流电压值（Um=Ud） 。因此， 实现变频也变压的最容易想到的方法，便是在调节频率的同时，也调 节直流电压。设FN 为调制前的频率；TN 为调制前的周期；UDN 为调制前的直流电压。又设 FX 为调制后的频率；TX 为调制后 的周期；UD

14、X 为调制后的直流电压。则调制前和调制后逆变器 电路的输出波形如下图所示。 u 0 UDN TN t u 0 UDN Tx t 调制前 调制后 PAM 方法的特点方法的特点：变频器在改变输出频率的同时，也改变了电压 的振幅值，故称为脉幅调制，常用 PAM（Pulse Amplitude Modulation）表示。 PAM 需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，控制电路比较 复杂。 变频器基础知识 13 页 共 34 页 变频器的变频器的 PWM（脉宽调制脉宽调制）控制方式控制方式 PWM 脉宽调制技术是通用变频器的核心技术之一， 任何控制算法 的最终实现几乎都是以各种 PWM 控制方式完

15、成的。 从 20 世纪 70 年 代开始至 80 年代初， 由于大功率晶体管主要为双极型达林顿三极管， 载波频率一般最高不超过 5KHZ，电动机绕组的电磁噪声及谐波引起 的振动引起人们的关注，为求得改善，PWM 控制技术成为人们研究 的热点。 脉宽调制逆变器简称 PWM， 其基本原理是控制逆变器开关元件的 导通和关断时间比 （即调节脉冲宽度） 来控制交流电压的大小和频率。 在每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的 宽度为 t1，每两个脉冲间的间隔宽度为 t2，则脉冲的占空比为： y = t1/（t1+t2） 这时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改 变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实 现变频也变压的效果，如下图所示： 变频器基础知识 14 页 共 34 页 u 0 t1 UDN t2 TN t u 0 t UDN t Tx t 1 2 ? ? ? ? ? ? 调制后和调制前相比，电压周期增大（频率降低） ，电压脉冲的幅 值不变，而占空比则减小，故平均电压降低。 PWM 方法的特点方法的特点：变频器在改变输出频率的同时，也改变输出