《变频器基础》PPT课件.ppt

建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标，因此，在过去很长时期内，调速传动领域大多为直流电动机调速系统。 如今，由于全控型电力电子器件（如BJT、IGBT）的发展、SWPM专用集成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算机的应用，使得交流调速的性能获得极大的提高，在许多方面已经可以取代直流调速系统，特别是各类通用变频器的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,论自由此后的20多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。 这种进步，突出表现在： （1）变频装置的大容量化 对一些大型生产机械的主传动，直流电动机 在容量等级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。 为了适应大容量的高压电动机，采用直接高压型PWM变频器来控制高压电动机，发展较迅速。如下图2-5所示。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,（2）主开关器件的自关断化 近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速，其中“门极关断晶闸管（GTO）、双极晶体管（BJT）/电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）”的发展最快，实用化的程度也最高。 采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，既可以减小装置体积，又降低了开关损耗提高了效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可采用PWM控制，既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功率因数。优点是很多的。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,（3）变频装置的高性能化 早期的变频调速系统，基本上是采用U/F控制，无法得到快速的转矩响应，低速特性也不好（负载能力差）。 1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。一改过去传统方式中仅对交流电量的量值（电压、电流、频率的量值）进行控制的方法，实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标变换的办法，实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制，可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,多年来，人们围绕着矢量控制技术做了大量的工作，如今矢量控制这一新的交流电动机调速原理得到了广泛的实际应用，做到与直流调速系统一样，甚至有所超过，完全可以取代直流调速系统。 在一些轧钢厂中，大型初轧机这类快速可逆系统，90年代初采用了“交-交变频”矢量控制系统，到目前又开始采用“交-直-交”电压型变频器的矢量控制系统。实践证明，它完全可以满足生产工艺的要求，达到了已往直流调速系统的性能指标。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,（4）PWM技术的应用 PWM：（Pulse Width Modulation）脉宽调制技术。 PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。 PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制。PWM整流器现已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”交流器。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,（5）控制方式的全数字化等方面。 全数字控制方式，使信息处理能力大幅度地增强。采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已成为现实。微处理机和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起到了决定性的作用。全数字控制具有如下特点： 精度高：数字计算机的精度与字长有关，变频器中使用16位乃至32位微型机作为控制机，精度在不断提高。 稳定性好：由于控制信息为数字量，不会随时间发生漂移。与模拟控制不同，它一般不会随温度和环境条件发生变化。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,可靠性高： 微型计算机采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，相应的故障率大大降低。 灵活性好： 系统中硬件向标准化、集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。 存储能力强：存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的。利用这一特点可在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度。 逻辑运算能力强： 容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可使用性、可维修性大大提高。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济、效益显著，所以逐步得到推广。,建华机电,2.1 概述,2.1.1,变频器,前言,建华机电,2.1 概述,2.1.2,变频器,定义,变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。如图：,建华机电,2.1 概述,2.1.2,变频器,定义,整流部分,储能环节,逆变部分,M,控制系统,直流,直流,交流,交流低压交直交变频器系统框图,建华机电,2.2 基本结构,变频器,建华机电,2.2 基本结构,2.2.1,变频器,主回路,建华机电,2.2 基本结构,2.2.1,变频器,主回路,建华机电,2.2 基本结构,2.2.1,变频器,主回路,建华机电,2.2 基本结构,2.2.2,变频器,控制回路,建华机电,2.2 基本结构,2.2.2,变频器,控制回路,建华机电,2.2 基本结构,2.2.2,变频器,控制回路,建华机电,2.2 基本结构,2.2.3,变频器,外部输入控制端,建华机电,2.2 基本结构,2.2.3,变频器,外部输入控制端,建华机电,2.2 基本结构,2.2.4,变频器,外部输入控制端,建华机电,2.2 基本结构,2.2.5,变频器,外部输出控制端,建华机电,2.2 基本结构,2.2.6,变频器,变频器方框简图,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,变频器,交-交 变频器,单相,交-直-交 变频器,有环流,按输出波形分,按储能方式分,按调压方式分,电压型,按相数分,按环流情况分,脉幅调制PAM,脉宽调制PWM,三相,无环流,正弦波,方波,电流型,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,交-直-交变频器,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,交-直-交变频器,2.3.1.1,电压、电流型,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,交-直-交变频器,2.3.1.1,调压型,通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现。 变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器PWM方式调节。PWM信号作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断。,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,交-直-交变频器,2.3.1.1,调压型,电压型变频器的储能元件为电容器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。（23页）,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,交-直-交变频器,2.3.1.1,调压型,用斩波器调压的交直交变频器,用PWM逆变器同时调压调频,调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调,整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频,用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值,用可控整流器调压、逆变器调频,调压方式,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,2.3.1.1,调压型,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,交-直-交变频器,2.3.1.1,电流型,中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流 Id可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直交电流型变频器,建华机电,2.3 基本分类,2.3.1,变频器,按变频的原理分类,交-直-交变频器,2.3.1.1,电流型,建华机电,2.3 基本分类,2.3.2,变频器,按控制方式分类,控制 方式,VC变频器（矢量控制） 将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量和与其垂直的产生转矩的电流分量，并分别加以控制。 矢量控制从原理上说可以得到与直流电动机相同的控制性能，但是矢量控制的运算中要使用电动机的参数。,U/f控制变频器（压频比控制） 对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性,SF控制变频器（转差频率控制） 变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。 在S很小的范围内，电动机的转矩近似地与转差角频率成正比。 控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。,建华机电,2.3 基本分类,2.3.3,变频器,按变频器的基本类型分类,基本类型,通用变频器 基本上采用电路结构简单的U/f控制方式,专用变频器 分为高性能变频器（采用VC控制方式）、高频变频器和高压变频器,建华机电,2.4 简要工作原理,2.4.1,变频器,单相逆变电路工作原理,逆变器的功能： 通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率 通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,f1,Ed,U1,f2,建华机电,2.4 简要工作原理,2.4.2,变频器,三相逆变电路工作原理,缺点： 输出电压的谐波分量太大 电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机 转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳 直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题,S1,S4,S5,S2,S3,S6,U,V,Ed,W,电机,UUV,UVW,UVW,123,561,612,123,234,456,561,612,345,Ed,建华机电,2.4 简要工作原理,2.4.3,变频器,单相逆变电路工作原理,调制解调器,调制解调器 的英文是MODEM，其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。 电子信号分两种，一种是“模拟信号”，一种是“数字信号”。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时，就必须使用调制解调器来“翻译”两种不同的信号。 连入Internet后，当PC机向Internet发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号“翻译”成模拟信号，才能传送到Internet上，这个过程叫做“调制”。 当PC机从Internet获取信息时，由于通过电话线从 Internet传来的信息都是模拟信号，所以PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译”,这个过程叫作“解调”。合起来就是“调制解调”。,建华机电,2.4 简要工作原理,2.4.3,变频器,单相逆变电路工作原理,调制解调器