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1、,变频器工作原理,1,变频器的工作原理,1,、电气传动系统概述,以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交,流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。,大致构成,交流电源,中间传动机构,终端机械,输入,直流,直流输出,调速,直流,装置,电机,交流,交流输出,皮带轮、齿轮箱,调速,交流,等,装置,电机,执行机构,变频,器,2,变频器的工作原理,2,、变频器的工作原理,我们知道，交流电动机的异步转速表达式位：,n,60 f(1,s)/p (1),其中,n,异步电动机的转速；,f,异步电动机的频率；,s,电动机转差率；,p,电动机极对数。,?,由公式,(1),可知，电动
2、机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，,因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速,(,调整,P),、转子串电阻调速或串级调速或内,反馈电机,(,调整,s),和变频调速,(,调整,f),等。,而我们现在运用最广泛的就是变频调速，由转速,n,与频率,f,成正比，只要改变频率,f,即可改变,电动机的转速，当频率,f,在,0,50Hz,的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器,就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。,交流电动机的同步转速表达式位：,n,60 f/p,故也可以用变频调速。,3,变频器的工作原理,a.,V/F,控制及,
3、U/f=C,的,其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般,传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式,在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最,大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调,速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转,矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而,性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。,b.,电压空间矢量,(SVPWM),控制方式,它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙
4、的理想圆形旋转磁场,轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。,经实践使用后又有所改进，,即引入频率补偿，,能消除速度控制的误差；,通过反馈,估算磁链幅值，,消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动,态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性,能没有得到根本改善。,4,变频器的工作原理,c.,矢量控制,1,）基本思想,(1),对直流电动机的分析,在变频调速技术成熟之前，直,流电动机的调速特性被公认为是最,好的。究其原因，是因为它具有两,个十分重要的特点,:,(a),磁场特点,它的主磁场和电枢磁场在空,间是互相垂直的，如图,
5、(a),所示,;,(b),电路特点,它的励磁电路和电枢电路是互相独立的，如图,(b),所示。,在调节转速时，只调节其中一个电路的,参数。,5,变频器的工作原理,c.,矢量控制,2,）变频器的矢量控制模式,仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率的给定信号，分解成和直流电动机具有相同特点的磁,场电流信号,i*M,和转矩电流信号,i*T,，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号,改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电,动机类似的特点。,对于控制电路分解出的控制信号,i*M,和,i*T,，根据电动机的参数进行一系列的等效变换，得到三相,逆
6、变桥的控制信号,i*A,、,i*B,和,i*C,，对三相逆变桥进行控制，如图所示。从而得到与直流电动机类似,的硬机械特性,提高了低频时的带负载能力。,6,变频器的工作原理,c.,矢量控制,3,）矢量控制的主要优点,a),低频转矩大：即使运行在,1Hz(,或,0.5Hz),时,也能产生足够大的转矩,且不会,产生在,V/F,控制方式中容易遇到的磁路饱和现象。,b),机械特性好：在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特,性基本上都是平行的。,c),动态响应好：尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间一般都能,小于,100ms,。,d),能进行四象限运行,。,7,变频器的工作原理,
7、3,、变频器的分类,按变频的原理，变频器分为交交变频器和交直交变频器。,8,变频器的工作原理,4,、变频器的分类,交一交变频器,它是将频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源其主要优点,是没有中间环节，变换效率高。但其连续可调的频率范围较窄，一般在额定频,率的,1,2,以下，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。,交一直一交变频器,先将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频,率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率,的调节范围，以及变频后电动机特性的改善等方面，都具有明显的优势，目前,使用最多的变频器均属于交一直交变频器。,9,变频
8、器的工作原理,根据直流环节的,储能,方式来分，交一直一交变频器又可分成电压型和电流型两种。,(1),电压型：,整流后若是靠电容来滤波称为电压型，现在使用的变频器大部分为电压型。电压源型,逆变器的中间直流环节由于采用电容储能，因此直流环节电压值不受负载影响，其主要运行特,点如下：,逆变器采用,PWM,技术，既变压又变频；由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形,波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近正弦,波。系统响应速度快；,可多台逆变器共用一套直流电源并联运行；,同一相的上下桥臂有直通短,路的可能，这时电流的变化率和峰值都很大，需要在极短的时间内进
9、行保护，所以保护困难；,由于整流部分采用不控整流，因此不能实现能量回馈制动。如果电动机需要向交流电源反馈能,量，因直流测电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交直,变换的整流桥再反并联一套逆变桥。,(2),电流型：,整流后若是靠电感来滤波称为电流型，它的中间直流环节采用大电感作储能元件，无,功功率将由大电感来缓冲。电流源型变换器大多用于大功率的风机水泵调速控制系统，采用可,控整流调压、逆变器变频方式运行。,10,变频器的工作原理,5,、交一直一交电压型变频器的主回路构成,（以下都简称为变频器）,：,电源输入,整流桥,启动电阻（直流电感）,母线电容,制动单元,（制动电阻
10、）,逆变桥,电源输出。,直流,电感,制动,电阻,整流,桥,输入,交流,电源,交流,输出,启动,电阻,母线,电容,制动,单元,逆变,桥,11,变频器的工作原理,6,主要器件,、交一直一交电压型变频器的主回路构成,（以下都简称为变频器）,整流桥：,西门康,SEMKRON (SKKD162/16 100A/SKD),、,三社,SanRex,（,DFA,）、,IXYS,（,VU,）、,IRF International Rectifier,（,160MT KB,）、德国,Powersem,（,psd35,）等,逆变器：,IGBT,：,西门子,优派克,EUPEC,（,FS,、,BSM,）、,Fuji,（
11、,2MB,）,等,IPM,：,三菱（,PM,）等,PIM,一体模块：,西门子,优派克,EUPEC,（,FS,、,FP,、,BSM,）、泰科,TYCO,（,V23990-P89,）等,单管,IGBT,：,APT,（,Advanced Power Technology,）,APT60GF120JRD,电解电容：,400V,，,560V,，,5600UF,以下（包括）,CPU,：,TMS320F2406A/7A,，,TMS320F2813,等,光耦：,东芝的,TLP3120,，,7840,，,HP,的,HCPL-4504,等,缓冲电阻：,单管,IGBT,、风扇、接触器、散热器、霍尔、温度传感器等,1
12、2,变频器的工作原理,7,、变频器的控制回路构成：,电源板（防雷电路、开关电源电路、模块驱动和保护电路、信号采,集电路等）,控制板（客户命令采集、各种信号处理并进行整机控制,等）,接口板,键盘板。,变频器,主回路,驱动板,控制板,接口板,键盘,硬件,软件,硬件,软件,控制,软件,算法,控制,软件,功能,参数,软件,检测,故障,软件,处理,键盘,通讯,接口,通讯,按键,处理,LED,显示,LCD,显示,通讯,故障,处理,自检,13,变频器的工作原理,8,、变频器各电路的工作原理和作用（一）主回路,?,?,?,整流电路：,大都是由大功率二极管构成的全波整流电路，主要是将单相或三,相交流转化为直流；
13、它们将,380V,的交流电整流成直流，平均直流电压可用下,式表示：,UD =1.35 UL=1.35,380,513V,。,中间电路：,主要包括缓冲电路、滤波电路、制动电路组成。滤波电路主要是,由无感电容和电解电容、均压电阻等，大功率变频器我们常常要求客户加直,流电抗器，这些都是为了消除直流中的高次谐波、提高功率因素；缓冲电路,作用缓解在上电瞬间对电解电容的冲击；制动电路的作用是在电机减速或停,机时将电机反馈回来的电能消耗掉，从而起到快速减速、保护电机和变频器,的作用。,逆变电路：,由六个,IGBT,和它反向并联的六个续流二极管组成的三相全桥逆变,电路组成。这六个续流二极管的功能有以下三点：,
14、a,由于电动机是一种感性,负载，工作时其无功电流返回直流电源需要它们提供通路；,b,降速时电动机,处于再生制动状态，,它们为再生电流提供返回直流的通路；,c,逆变时它们快,速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替地工作在导通和截止状态，在切,换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。,14,变频器的工作原理,10,、变频器各电路的工作原理和作用（二）控制回路,?,?,?,?,?,?,开关电源电路：,这部分相对我们公司的电源产品来说就很简单了，它的特点,是输出通路多。（,2844,）,模块驱动电路：,主要是信号封锁、隔离、放大和电压转换以及强弱电隔离。,（,3120,、,4504,）,
15、信号检测电路,:,输入缺相信号,、,母线电压信号（,CVD,）、三相输出电流信号、,残压信号、模块温度信号、接触器状态信号、模块状态信号等的采集和放大,处理。,控制电路：,根据检测来的信号判断工作状态，执行客户外部指令，按照设定,的控制方式发出,SPWM,形波。,接口电路：,主要是用来实现多功能和通讯功能，并可为客户提供电源，是为,了方便客户的现场运用。,显示电路：,分为,LED,和,LCD,两种。,15,变频器的工作原理,11,、逆变电路原理的讨论,三相正弦脉冲宽度调制波形,刚才我们提到了现代变频器采用了,SPWM,（正弦脉冲宽度调制）,16,变频器的工作原理,SPWM,的开关点,SPWM,
16、的脉冲序列的产生是由基准正弦波和三角载波信号的交点所决定的，且每一个交,点都是逆变器同一桥臂上两只逆变管的开、关交替点因此将这个交点称作,SPWM,的,开关点，我们必须将所有的交点的时间坐标汁算出来，才能有序地向逆变器发出通断,的指令。,调节频率时基准正弦波的频率和幅值都要改变，载波信号,(,三角波,),与基准正弦波的交点,也将发生变化。所以每次调节频率后，开关点的坐标都需要重新计算，计算量之大是,人工难以完成的。只有通过计算机这个工具才能在最短的时间内将开关点的坐标计算,出来，从而控制各逆变管实时通断来完成变频、变压的任务。,强调二点,（,1,）逆变器输出频率与正弦调制波频率相同；当逆变器输
17、出端需要变频时，只要,改变调制波的频率；,2,）三角波与正弦波的交点即确定了逆变器输出脉冲的宽度和相,位。通常采用恒幅三角波，而改变调制波幅值的方法，以得到不同的宽度，从而得到,不同的逆变器输出电压。,17,变频器的工作原理,12,、变频器各种功能,a.,软启动功能,加减速过程中，变频器的输出频率随时间,上升的关系曲线，称为加速方式。变频器设置,的加速方式有,:,线性方式：,变频器的输出频率随时间成正比,地上升，如图,(a),所示。大多数负载都,可以选用线性方式。,S,形方式,：,在加速的起始和终了阶段，频率的,上升较缓，加速过程呈,S,形，如图所示。,例如，电梯在开始起动以及转入等速运行时，
18、从考虑乘客的舒适度出发，应减缓速度的变化，以采用,S,形,加速方式为宜。,半,S,形方式：,用用户设定的拐角点确定曲线来控制，加减速方式。,18,a.,起动频率与暂停加速功能,（,1,）设置起动频率的方式,主要有两种方式,:,稍有给定信号,(X=0+),，变频器的输出频率即为起动频率,fS,，如图,(a),所示,;,设置一个死区,XS%,，在给定信号,XXS%,的范围内，变频器的输出频率为,0Hz;,当给定信号,X=XS%,时，变,频器直接输出与,XS%,对应的频率，如图,(b),所示。,19,变频器的工作原理,起动频率与暂停加速功能,（,2,）,电动机起动后，先在较低频率,f,DR,下运行一
19、个短时间，然后再继续加速的功能。对于惯,性较大的负载，起动后先在较低频率下持续一个短时间,t,DR,，然后再加速；,设置暂停加速的方式主要有两种,:,变频器输出频率从,0Hz,开始上升至暂停频率,f,DR,，停留,t,DR,后再加速，如图,(a),所示,;,变频器直接输出起动频率,f,S,后暂停加速，停留,t,DR,后再加速，如图,(b),所示。,20,a.,变频器的工作原理,13,、变频器各种功能,a.,电动机各种停机功能,电动机的停机方式,:,在变频调速系统中，,电动机可以设定的停机方式有,:,(a),减速停机,即按预置的减速时间和减速方式,停机，如上述，在减速过程中，电动机,处于再生制动
20、状态。,(b),自由制动,变频器通过停止输出来停机,这,时,电动机的电源被切断,拖动系统处于,自由制动状态。由于停机时间的长短由,拖动系统的惯性决定,故也称为惯性停机。,(c),减速加直流制动,首先按预置的减速时间减速，然后转为直流制动，直至停机，如图所示。,(d),在低频状态下短暂运行后停机,当频率下降到接近于,0,时,先在低速下运行一个短时间,然后,再将频率下降为,0Hz,。,21,变频器的工作原理,a.,PID,反馈控制功能,PID,调节的全称是比例、积分、微分调节，是闭环控制中一种重要的调节手段，目的是使被控物,理量迅速而准确地无限接近于控制目标。,PID,反馈控制只要是通过温度、压力
21、传感器等，反馈模拟量,给变频器（可以是,010V,电压信号，也可以是,420mA,的电流信号），通过变频器相应的处理输出适,合的频率。当变频器有两个或多个模拟量给定信号同时从不同的端子输入时，其中必有一个为主给,定信号，其他为辅助给定信号。,22,变频器的工作原理,变频器的作用,(,一,),变频调速的节能,（能量回馈）,(,二,),变频调速在电动机运行方面的优势,变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序可实现输出换,相也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。,变频调速系统起动大都是从低速区开始，频率较低。加、减速时间可以任意设定，故加、减速过,程比较平缓、起动电流
22、较小，可以进行较高频率的起停。,变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，,也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流制,动功能，需要制动时，变频器结电动机加上一个直流电压，进行制动，而无需另加制动控制电路。,(,三,),以提高工艺水平和产品质量为目的的应用,(,四,),提高电网质量,由于它在电机启动时实现了很好的软启动功能，使电动机在启动时不会对电网造成巨大的冲击。,同时由于它大量地使用了晶闸管等非线性电力电子元件，使变频器从电网中吸取能量的方式均不是,连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成,脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，给电网带来高次谐波的干扰；,变频器越来越广泛的运用于风能和太阳能发电，在其中它也起到提高电能质量的作用。,23,