浅析变频器器的作用及原理.doc

太原科技大学成人院校毕业论文 1 浅析变频器器的作用及原理浅析变频器器的作用及原理 近年来随着电力电子技术 功率半导体器件及变频控制理论的发展 变 频器作为一种智能控制电源已被广泛应用于各行业 90 年代初期主要以进口品 牌为主如富士 三菱 西门子 ABB 等 90 年代中期国产变频器日渐出现在市 场上 主要以通用型变频器为主 目前国产变频器技术已逐渐成熟 国产变频 器市场占有率也逐渐提高 本文主要讲述变频器通用型在应用中的工作原理及 其作用 关键词关键词 变频器 工作原理 作用 太原科技大学成人院校毕业论文 2 目 录 1 1 变频器工作原理基础变频器工作原理基础 3 2 2 变频器的用变频器的用 7 3 3 通用型变频器主电路通用型变频器主电路 1 11 1 4 4 结束语结束语 1 12 2 参考文献参考文献 1 13 3 致致 谢谢 1 14 4 太原科技大学成人院校毕业论文 3 1 1 变频器工作原理基础变频器工作原理基础 1 1 基本概念基本概念 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200V 60Hz 50Hz 或100V 60Hz 50Hz 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 该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电 DC 然后 再把直流电 DC 变换为三相或单相交流电 AC 我们把实现这种转换的装 置称为 变频器 inverter 变频器也可用于家电产品 使用变频器的家电产品中不仅有电机 例如空 调等 还有荧光灯等产品 用于电机控制的变频器 既可以改变电压 又可以 改变频率 但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率 汽车上使用 的由电池 直流电 产生交流电的设备也以 inverter 的名称进行出售 变频器 的工作原理被广泛应用于各个领域 例如计算机电源的供电 在该项应用中 变频器用于抑制反向电压 频率的波动及电源的瞬间断电 2 2 电机的旋转速度为什么能够自由地改变电机的旋转速度为什么能够自由地改变 1 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 4极 电机 60Hz 1 800 r min 4极电机 50Hz 1 500 r min 电机的旋转速度同频 率成比例 本文中所指的电机为感应式交流电机 在工业领域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 电机的极数是固定不变的 由于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 所以不适合改变极对数来调节电机的 速度 另外 频率是电机供电电源的电信号 所以该值能够在电机的外面调节 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 太原科技大学成人院校毕业论文 4 为目的的变频器 是做为电机调速设备的优选设备 n 60f p n 同步速度 f 电源频率 p 电机极数 改变频率和电压是 最优的电机控制方法 如果仅改变频率 电机将被烧坏 特别是当频率降低时 该问题就非常突出 为了防止电机烧毁事故的发生 变频器在改变频率的同时 必须要同时改变电压 例如 为了使电机的旋转速度减半 变频器的输出频率 必须从60Hz 改变到30Hz 这时变频器的输出电压就必须从200V 改变到约 100V 例如 为了使电机的旋转速度减半 变频器的输出频率必须从60Hz 改变到30Hz 这时变频器的输出电压就必须从200V 改变到约100V 3 3 关于散热的问题关于散热的问题 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 变频器使用寿命减半 因此 我们要重视散热问题啊 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 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 这时可以用估算 变频器容量 KW 60 W 因为各变频器厂家的硬件都差不多 所以上式可以针对各品牌 的产品 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 那么 怎样采能 降低控制柜内的发热量呢 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 变频器散热设计中都是 太原科技大学成人院校毕业论文 5 以垂直安装为基础的 横着放散热会变差的 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 另外 散热问题还要注意以下两个问题 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 1000m 每 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 4 4 矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的 1 转矩提升 此功能增加变频器的输出电压 以使电机的输出转矩和电压 的平方成正比的关系增加 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 如 无速度传感器时 1Hz 对4 极电机 其转速大约为30r min 时的输出转矩可以达到电机在50Hz 供电输出 的转矩 最大约为额定转矩的150 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 1 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 5 5 变频器制动的有关问题变频器制动的有关问题 太原科技大学成人院校毕业论文 6 1 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 由速度和重量确定其大 小 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 这些功率可以用电阻发热消耗 在用于提 升类负载 在下降时 能量 势能 也要返回到变频器 或电源 侧 进行制动 这种操 作方法被称作 再生制动 而该方法可应用于变频器制动 在减速期间 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 2 怎样提高制动能力 为了用散热来消耗再生功率 需要在变频器侧安装制动电阻 为了改善制动能 力 不能期望靠增加变频器的容量来解决问题 请选用 制动电阻 制动单元 或 功率再生变换器 等选件来改善变频器的制动容量 6 6 当电机的旋转速度改变时 其输出转矩会怎样当电机的旋转速度改变时 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 我们经常听到下面的说法 电机在工频电源供电时 1 时 电机的起动 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 如果用大的 电压和频率起动电机 例如使用工频电网直接供电 就会产生一个大的起动冲 击 大的起动电流 2 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 所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值 所以变 频器驱动的电机起动电流要小些 通常 电机产生的转矩要随频率的减小 速 度降低 而减些 减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明 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 当变频器调速到大于60Hz 频率时 电机的输出转矩将降低 通常的电机是按50Hz 60Hz 电压设计制造的 其额定转矩也是在这个电压范围 太原科技大学成人院校毕业论文 7 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60Hz 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 2 2 变频器的作用变频器的作用 1 1 控制电机的启动电流控制电机的启动电流 当电机通过工频直接启动时 它将会产生7到8倍的电机额定电流 这个电 流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量 从而降低电机的寿命 而变频 调速则可以在零速零电压启动 也可适当加转矩提升 一旦频率和电压的关系 建立 变频器就可以按照 V F 或矢量控制方式带动负载进行工作 使用变频调 速能充分降低启动电流 提高绕组承受力 用户最直接的好处就是电机的维护 成本将进一步降低 电机的寿命则相应增加 2 2 降低电力线路电压波动降低电力线路电压波动 在电机工频启动时 电流剧增的同时 电压也会大幅度波动 电压下降的 幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量 电压下降将会导致同一供 电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常 如 PC 机 传感器 接近开关 和接触器等均会动作出错 而采用变频调速后 由于能在零频零压时逐步启动 则能最大程度上消除电压下降 3 3 启动时需要的功率更低启动时需要的功率更低 电机功率与电流和电压的乘积成正比 那么通过工频直接启动的电机消耗 的功率将大大高于变频启动所需要的功率 在一些工况下其配电系统已经达到 了最高极限 其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生 严重的影响 从而将受到电网运行商的警告 甚至罚款 如果采用变频器进行电 机起停 就不会产生类似的问题 4 4 可控的加速功能可控的加速功能 变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行均匀地加速 而且其加速曲 太原科技大学成人院校毕业论文 8 线也可以选择 直线加速 S 形加速或者自动加速 而通过工频启动时对电机或 相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动 这种振动将进一步加剧机械磨 损和损耗 降低机械部件和电机的寿命 另外 变频启动还能应用在类似灌装 线上 以防止瓶子倒翻或损坏 5 5 可调的运行速度可调的运行速度 运用变频调速能优化工艺过程 并能根据工艺过程迅速改变 还能通过远 控 PLC 或其他控制器来实现速度变化 6 6 可调的转矩极限可调的转矩极限 通过变频调速后 能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏 从而保 证工艺过程的连续性和产品的可靠性 目前的变频技术使得不仅转矩极限可调 甚至转矩的控制精度都能达到3 5 左右 在工频状态下 电机只能通过检 测电流值或热保护来进行控制 而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来 动作 7 7 受控的停止方式受控的停止方式 如同可控的加速一样 在变频调速中 停止方式可以受控 并且有不同的停 止方式可以选择 减速停车 自由停车 减速停车 直流制动 同样它能减少 对机械部件和电机的冲击 从而使整个系统更加可靠 寿命也会相应增加 8 8 节能节能 离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗 这在十几年的工程 经验中已经得到体现 由于最终的能耗是与电机的转速成立方比 所以采用变 频后投资回报就更快 9 9 可逆运行控制可逆运行控制 在变频器控制中 要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置 只需要 改变输出电压的相序即可 这样就能降低维护成本和节省安装空间 1010 减少机械传动部件减少机械传动部件 由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出 从而节 省齿轮箱等机械传动部件 最终构成直接变频传动系统 从而就能降低成本和 空间 提高稳定性 太原科技大学成人院校毕业论文 9 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源 稳压器变换为另一频率的 电能控制装置 可分为交 交变频器 交 直 交变频器 交 交变 频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电 交 直 交变频器 则是先把交流电经整流器先整流成直流电 再经过逆变器把这个直流电流变成 频率和电压都可变的交流电 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值方式 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 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 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 其直流回路滤波石电感 非同步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生 的 在额定频率下 如果电压一定而只降低频率 那麽磁通就过大 磁回路饱 和 严重时将烧毁电机 因此 频率与电压要成比例地改变 即改变频率的同 时控制变频器输出电压 使电动机的磁通保持一定 避免弱磁和磁饱和现象的 产生 这种控制方式多用於风机 泵类节能型变频器 频率下降 低速 时 如果输出相同的功率 则电流增加 但在转矩一定的条件下 电 流几乎不变 采用变频器运转 随著电机的加速相应提高频率和电压 起动电流被限制 在150 额定电流以下 根据机种不同 为125 200 用工频电源直接起动 时 起动电流为6 7倍 因此 将产生机械电气上的冲击 采用变频器传动可以 平滑地起动 起动时间变长 起动电流为额定电流的1 2 1 5倍 起动转矩为70 120 额定转矩 对於带有转矩自动增强功能的变频器 起动转矩为100 以上 太原科技大学成人院校毕业论文 10 可以带全负载起动 频率下降时电压 V 也成比例下降 这个问题已在回答4说明 V 与 F 的比 例关系是考虑了电机特性而预先决定的 通常在控制器的存储装置 ROM 中存 有几种特性 可以用开关或标度盘进行选择 频率下降时完全成比例地降低电压 那麽由於交流阻抗变小而直流电阻不 变 将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向 因此 在低频时给定 V F 要使输 出电压提高一些 以便获得一定地起动转矩 这种补偿称增强起动 可以采用各种 方法实现 有自动进行的方法 选择 V F 模式或调整电位器等方法 在6Hz 以下仍可输出功率 但根据电机温升和起动转矩的大小等条件 最 低使用频率取6Hz 左右 此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问 题 变频器实际输出频率 起动频率 根据机种为0 5 3Hz 通常情况下时不可以的 在60Hz 以上 也有50Hz 以上的模式 电压不变 大体为恒功率特性 在高速下要求相同转矩时 必须注意电机与变频器容量的 选择 给所使用的电机装置设速度检出器 PG 将实际转速反馈给控制装置进行 控制的 称为 闭环 不用 PG 运转的就叫作 开环 通用变频器多为开环方 式 也有的机种利用选件可进行 PG 反馈 开环时 变频器即使输出给定频率 电机在带负载运行时 电机的转速在 额定转差率的范围内 1 5 变动 对於要求调速精度比较高 即使负载变动 也要求在近於给定速度下运转的场合 可采用具有 PG 反馈功能的变频器 选用 件 具有 反馈功能的变频器 精度有提高 但速度精度的植取决於 本 身的精度和变频器输出频率的解析度 如果给定的加速时间过短 变频器的输出频率变化远远超过转速 电角频率 的 太原科技大学成人院校毕业论文 11 变化 变频器将因流过过电流而跳闸 运转停止 这就叫作失速 为了防止失 速使电机继续运转 就要检出电流的大小进行频率控制 当加速电流过大时适 当放慢加速速率 减速时也是如此 两者结合起来就是失速功能 加减速可以分别给定的机种 对於短时间加速 缓慢减速场合 或者对於 小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的 但对於风机传动等场合 加减速时间都较长 加速时间和减速时间可以共同给定 电动机在运转中如果降低指令频率 则电动机变为非同步发电机状态运行 作为制动器而工作 这就叫作再生 电气 制动 从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中 由於电容器的容量 和耐压的关系 通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10 20 如采用选 用件制动单元 可以达到50 100 自控系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化 控制工艺指 标 如在烟草行业的糖料 香料工序 可由皮带称的流量信号来控制变频器频 率 使泵的转速随流量信号自动变化 调节加料量 均匀地加入香精 糖料 也可利用生产线起停信号通过正 反端子控制变频器的起 停及正 反转 成 为自动流水线的一部分 此外在流水生产线上 当前方设备有故障时後方设备 应自动停机 变频器的紧急停止端可以实现这一功能 在 SANKEN MF FUT 和 FVT 系列变频器中可以预先设定三四个甚至多达七个 频率 在有些设备上可据此设置自动生产流程 设定好工作频率及时间後 变 频器可使电机按顺序在不同的时间以不同的转速运行 形成一个自动的生产流 程 3 3 通用型变频器主电路通用型变频器主电路 目前国内生产的变频器主要以电压源型交 直 交变频器为主 其主电路主要由整流电路 滤波