《变频器基础讲座》PPT课件.ppt

变频器基础讲座,提纲,1、变频器的基本概念 2、变频器的基本运行原理 3、变频器的制动情况 4、电源的频率与电压 5、变频器的散热 6、变频器漏电流 7、重要参数的设置 8、过压的原理与对策,（一）变频器的基本概念,1、什么是变频器？ 通俗的讲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。 2、PWM和PAM的不同点是什麽？ PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。 PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。,（一）变频器的基本概念,3、电压型与电流型有什么不同？ 变频器的主电路大体上可分为两类: 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，其直流回路的滤波是电容; 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路的滤波是电感。,（一）变频器的基本概念,（1）VVVF：改变电压、改变频率（Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写。 （2）CVCF：恒电压、恒频率（Constant Voltage and Constant Frequency）的缩写。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。 通常，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”。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“inverter”，即变频器。变频器也可用于家电等领域。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。,（一）变频器的基本概念,2. 部分常用术语中英文对照变频器： inverter (日本常用)，AC Drive (欧美常用)，Frequency Converter (欧州常用) 变流器 converters 整流 rectifying-rectification 整流器 rectifier 逆变 inverting-inversion 逆变器inverter 转矩脉动 torque pulsation,2. 部分常用术语中英文对照变频器：,脉宽调制 (PWM) pulse width modulation 谐波 harmonic 矢量控制(VC) vector control 直接转矩控制(DTC) direct torque control 四象限运行 Four quadrant operation 再生(制动) Regeneration 直流制动 d.c braking,2. 部分常用术语中英文对照变频器,漏电流 leak current 滤波器 filter 电抗器 reactor 电位器 potentiometer 编码器encoder, PLG (pulse generator) 定子 stator 转子rotor,（二）变频器的基本运行原理,1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ r/min电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.例如：2极电机 50Hz 3000 r/min ，4极电机 50Hz 1500 r/min ，电机的旋转速度同频率成比例。我们所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变极数来调整电机的速度。另外，频率能够在电机的外部调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。,（二）变频器的基本运行原理,n = 60f/p n: 同步速度 f: 电源频率 p: 电机极对数 可见， 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现过电压（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200V 。,（二）变频器的基本运行原理,2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？ *1: 工频电源由电网提供的动力电源（商用电源）。 *2: 起动电流当电机开始运转时，变频器的输出电流。（变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动）电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。,（二）变频器的基本运行原理,3. -当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低 通常的电机是按50Hz设计制造的，其额定转矩也是在这个范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie),（二）变频器的基本运行原理,4. 变频器50Hz以上的应用情况 大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的.如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以工作在50Hz以上，当转速为50Hz时, 变频器的输出电压为380V, 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz, 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.这时的转矩情况怎样呢?因为P= T ( :角速度, T:转矩). 因为P不变, 增加了, 所以转矩会相应减小. .,我们还可以再换一个角度来看:电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为定子电阻, E为感应电势)，可以看出, U,I不变时, E也不变.而E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 所以当f由5060Hz时, X会相应减小，对于电机来说, T=K*I*X, (K:常数, I:电流, X:磁通), 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不变时, 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变最大转矩不变)。 结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时, 电机的输出转矩会减小,（二）变频器的基本运行原理,5. 其他和输出转矩有关的因素 发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。 载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。 海拔高度: 海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了.,（二）变频器的基本运行原理,6. 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？ 转矩提升：此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。改善电机低速输出转矩不足的技术，使用“矢量控制“，可以使电机在低速时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩.对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做“转矩提升“。 。,转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。“矢量控制”把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。“矢量控制“可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效,（三）变频器制动的情况,1. 再生制动的概念 指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能. 动能随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。 对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧，使直流侧的电压升高。这些能量可以通过变频器本身的发热消耗，如果不够的话，还需要用电阻发热消耗。 制动产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法“。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元“选件。,（三）变频器制动的情况,2.直流制动 直流制动减速时，变频器对电机定子注入直流电，通过电机的发热来消耗能量， 改善制动效果。直流制动也可以用于使电机在零速时停的稳一点，防止受外力作用而使电机转动。要注意制动时间和电压不要设的太大，防止电机过热。,（三）变频器制动的情况,3. 公用直流母线 一般用于工程型变频器，在钢铁、造纸等行业用的较多。多台逆变器使用一个公共的整流和直流环节，技术上有很多优点。但价格较高，用的不多，尤其是中小功率的场合。,（四）电源的频率和电压,1 电源的频率 电源频率同变频器输出频率没有关系， 变频器电源侧（输入侧）和电机侧（输出侧）没有联系。由于在变频器中，首先把交流电转换为直流电，所以变频器输出侧不受输入侧电源的影响。变频器额定供电频率一般为50Hz/60Hz (+/- 5%)。,（四）电源的频率和电压,2. 电源的电压 低压变频器的常用电压等级。 在中国, 低于变频器的常用电压等级为: 单相220V, 3相400V，其他地区还有: 单相110V, 3相230V ,3相575V ,3相690V等， 中压变频器的电压等级: 中压变频器也经常被被称为高压变频器.常用的电压等级为3kV, 3.3kV, 6kV, 6.6kV. 中国6kV居多。10kV的产品目前还比较少(虽然10kV的电机并不少) ， 其他:还有一些相对比较专用的电压等级,有的还会用到直流供电, 如矿山, 电力机车等。,（四）电源的频率和电压,3. 注意当使用单相（200V）电源给三相200V的变频器供电时，要考虑下面的几点: （1. 一般小容量变频器 (2.2kW)才可以这样做. （ 2. 这时输出电压是3相220V， 因此电机要使用3相220V的. 3. 额定输出电流和最大输出电流可能会减小，具体程度不同的变频器可能会不同。,（五）变频器的散热,1. 如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题. 变频器的故障率随温度升高而成指数的上升，使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器平均使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。 通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算: 发热量的近似值 变频器容量（KW）55 W,（五）变频器的散热,在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 (过流能力150% * 60s) ，如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。 注意： 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边等。,（五）变频器的散热,2. 怎样降低控制柜内的发热量? 当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。 根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。 如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。 还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。 注意：变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的!,（五）变频器的散热,3. 关于冷却风扇 一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。,（五）变频器的散热,4.其他关于散热的问题 1、在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，每1000m降低5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。 2、开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT， IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。 有的厂家宣称降低开关频率可以扩容， 就是这个道理。,（六）变频器漏电流,关于漏电流的问答（Q表示问，A表示答） Q: 有那些漏电流的形式？ A: 有 2种：电机电缆对地漏电流和电缆线与线之间的漏电流,1) 影响对地漏电流的解决办法： 导线和大地间存在分布电容，分布电容越大，漏电流越大；有效减少变频器及电机间距离以减少分布电容。载波频率越大，漏电流越大。可降低载波频率来减少漏电流。但降低载波频率会导致电机噪声的增加，请注意，加装电抗器也是解决漏电流的好办法 漏电流会随回路电流增大而增大，所以电机功率大时，相应漏电流也大,2）引起线与线之间漏电流的因素及解决办法： 变频器输出布线之间存在分布电容，如果通过线路的电流含高次谐波，则可能引起谐振而产生漏电流。此时若使用热继电器可能会使其误动作。 解决的办法是降低载波频率或加装输出电抗器。建议在使用变频器时，电机前不加装热继电器，使用变频器的电子过流保护功能。,（六）变频器漏电流,Q: 为什么会有漏电流的问题？ A: 不使用变频器时，漏电流一般较小。使用变频器时，因为逆变器的功率模块高速开关，输出电流中有高次谐波的存在。有因为电缆对地、电缆之间存在电感，因此产生了较大的漏电流 （可达不用变频器时的10倍）。,（六）变频器漏电流,Q: 漏电流和开关频率有和关系？ A: 开关频率越小，漏电流越小。 Q: 漏电流和电机功率的关系？ A: 功率越大，漏电流越大。 Q: 漏电流和接地的关系？ A: 无直接关系。但接地不好会增加触电的可能性。Q: 漏电流对策有那些？ A: 降低开关频率，是电缆之间，电缆和地的距离增加，增加开关的漏电流设定水平等。 Q: 对变频器的漏电流水平可有什么规定? A: 现在还没有。,（七）重要参数的设定,1 概述 目前，变频交流调速已遍布冶金、电力、铁路、运输、化工、民用等各个领域。在晋城煤业集团使用的采煤机中，也应用了变频器。变频器是利用交流电动机的同步转速随电机电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置，其中，有几个参数的设定非常重要，将直接影响变频器的合理使用。,（七）重要参数的设定,2 几个重要参数的设定 2.1 V/f类型的选择 V/f类型的选择包括最高频率、基本频率和转矩类型等。 最高频率是变频器-电动机系统可以运行的最高频率。由于变频器自身的最高频率可能较高，当电动机容许的最高频率低于变频器的最高频率时，应按电动机及其负载的要求进行设定。 基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线，应按电动机的额定电压设定。,转矩类型指的是负载是恒转矩负载还是变转矩负载。用户根据变频器使用说明书中的V/f类型图和负载的特点，选择其中的一种类型。我们根据电机的实际情况和实际要求，最高频率设定为83.4Hz，基本频率设定为工频50Hz。负载类型：50Hz以下为恒转矩负载，5083.4Hz为恒功率负载。,（七）重要参数的设定,2.2 如何调整启动转矩 调整启动转矩是为了改善变频器启动时的低速性能,使电机输出的转矩能满足生产启动的要求。 在异步电机变频调速系统中,转矩的控制较复杂. 在低频段,由于电阻、漏电抗的影响不容忽略，若仍保持V/f为常数，则磁通将减小，进而减小了电机的输出转矩。为此，在低频段要对电压进行适当补偿以提升转矩。,可是，漏阻抗的影响不仅与频率有关，还和电机电流的大小有关，准确补偿是很困难的。近年来国外开发了一些能自行补偿的变频器，但所需计算量大，硬件、软件都较复杂，因此一般变频器均由用户进行人工设定补偿。针对我们所使用的变频器，转矩提升量设定为1%5%之间比较合适。,（七）重要参数的设定,2.3频率跨跳 V/f控制的变频器驱动异步电机时，在某些频率段。电机的电流、转速会发生振荡，严重时系统无法运行，甚至在加速过程中出现过电流保护使得电机不能正常启动，在电机轻载或转动量较小时更为严重。因此变频器均备有频率跨跳功能，用户可以根据系统出现振荡的频率点，在V/f曲线上设置跨跳点及跨跳点宽度。当电机加速时可以自动跳过这些频率段，保证系统正常运行。,（七）重要参数的设定,2.4 过负载率设置 该设置用于变频器和电动机过负载保护。当变频器的输出电流大于过负载率设置值和电动机额定电流确定的OL设定值时，变频器则以反时限特性进行过负载保护（OL），过负载保护动作时变频器停止输出。,（七）重要参数的设定,2.5 电机参数的输入 变频器的参数输入项目中有一些是电机基本参数的输入，如电机的功率、额定电压、额定电流、额定转速、极数等。这些参数的输入非常重要，将直接影响变频器中一些保护功能的正常发挥，一定要根据电机的实际参数正确输入，以确保变频器的正常使用。,（八）过电压的原因及其对策,1、过电压的产生与再生制动所谓变频器的过电压，是指由于种种原因造成的变频器电压超过额定电压，集中表现在变频器直流母线的直流电压上。正常工作时，变频器直流部电压为三相全波整流后的平均值。 若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线=513V。在过电压发生时，直流母线上的储能电容将被充电，当电压上升至700V左右时，（因机型而异）变频器过电压保护动作。,（八）过电压的原因及其对策,2、造成过电压的原因主要有两种： 电源过电压和再生过电压。 （1）电源过电压是指因电源电压过高而使直流母线电压超过额定值。而现在大部分变频器的输入电压最高可达460V，因此，电源引起的过电压极为少见。,（八）过电压的原因及其对策,（2）产生再生过电压主要有以下原因： A-当大GD2（飞轮力矩）负载减速时变频器减速时间设定过短； B-电机受外力影响（风机、牵伸机）或位能负载（电梯、起重机）下放 。,由于这些原因，使电机实际转速高于变频器的指令转速，也就是说，电机转子转速超过了同步转速，这时电机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。所以电动机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”成为电能。再生能量经逆变部续流二极管对变频器直流储能电容器充电，使直流母线电压上升，这就是再生过电压。,因再生过电压的过程中产生的转矩与原转矩相反，为制动转矩，因此再生过电压的过程也就是再生制动的过程。换句话说，消除了再生能量，也就提高了制动转矩。如果再生能量不大，因变频器与电机本身具有20%的再生制动能力，这部分电能将被变频器及电机消耗掉。若这部分能量超过了变频器与电机的消耗能力，直流回路的电容将被过充电，变频器的过电压保护功能动作，使运行停止。为避免这种情况的发生，必须将这部分能量及时的处理掉，同时也提高了制动转矩，这就是再生制动的目的,（八）过电压的原因及其对策,3、过电压的防止措施： （1）自由停车 由于过电压产生的原因不同，因而采取的对策也不相同。对于在停车过程中产生的过电压现象，如果对停车时间或位置无特殊要求，那么可以采用延长变频器减速时间或自由停车的方法来解决。所谓自由停车即变频器将主开关器件断开，让电机自由滑行停止。,（八）过电压的原因及其对策,（2）直流制动 直流制动功能是将电机减速到一定频率后，在电机定子绕组中通入直流电，形成一个静止的磁场。电机转子绕组切割这个磁场而产生一个制动转矩，使