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MM440变频器简明教程 莱钢培训中心王兵 第一章通用变频器的工作原理 第一节通用变频器的发展概况一 通用变频器的发展过程自20世纪80年代初通用变频器问世以来 通用变频器更新换代了五次 第一代是80年代初的模拟式通用变频器 第二代是80年代中期的数字式通用变频器 第三代是90年代初的智能型通用变频器 第四代是90年代中期的多功能通用变频器 本世纪研制上市了第五代集中型通用变频器 通用变频器的发展情况可以从以下几个方面来说明 1 通用变频器的应用范围不断扩大其产品正向三个方面发展变化 其一 向无需调整便能得到最佳运行的多功能与高性能型变频器方向发展 其二 向通过简单控制就能运行的小型及操作方便的变频器方向发展 其三 向大容量 高起动转矩及具有环境保护功能的变频器方向发展 2 通用变频器使用功率器件不断更新换代GTO 门极可关断晶闸管 GTR 双极型晶体管 IGBT 绝缘栅双极晶体管 及智能模块IPM IntelligentPowerModule 集成门极换流晶闸管IGCT IntegratedGateCommutatedThyristor 3 控制方式不断发展第一阶段 80年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量 或称磁通轨迹法 第二阶段 70年代初由西德F Blasschke等人提出的矢量控制 第三阶段 1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论 4 PWM控制技术进一步发展PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一 由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点 因此在交流传动乃至其他能量变换系统中得到广泛应用 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较 产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始 到目前采用全数字化方案 完成优化的实时在线的PWM信号输出 PWM在各种应用场合仍占主导地位 并一直是人们研究的热点 二 通用变频器技术的发展趋势 通用变频器的发展是世界经济高速发展的产物 其发展的趋势大致如下 1 主控一体化2 小型化3 低电磁噪音化4 专用化5 系统化6 在数字控制技术与接口技术方面 第二节通用变频器的基本工作原理 在各种异步电机调速控制系统中 目前效率最高 性能最好的系统是变压变频调速控制系统 异步电动机的变压变频调速控制系统一般简称为变频器 由于通用变频器使用方便 可靠性高 所以它成为现代自动控制系统的主要组成元件之一 根据异步电动机的转速表达式 可知 改变频率就能改变电动机的转速 但是在实际实验中发现单纯改变电动机的频率会烧坏电动机 为什么呢 一 变频器的基本控制方式 如果f1大于电机的额定频率f1N 那么气隙磁通量 M就会小于额定气隙磁通量 MN 其结果是 尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费 但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机 一 变频器的基本控制方式 如果f1小于电机的额定频率f1N 那么气隙磁通量 M就会大于额定气隙磁通量 M 其结果是 电机的铁心产生过饱和 从而导致过大的励磁电流 严重时会因绕组过热而损坏电机 一 变频器的基本控制方式 要实现变频调速 在不损坏电机的条件下 充分利用电机铁芯 发挥电机转矩的能力 最好在变频时保持每极磁通量 M为额定值不变 对于直流电机 励磁系统是独立的 尽管存在电枢反应 但只要对电枢反应作适当的补偿 保持 M不变是很容易做到的 在交流异步电机中 磁通是定子和转子磁动势合成产生的 如何才能保持磁通基本不变呢 1 基频以下调速 由前面的式子可知 要保持 M不变 当频率f1从额定值f1N向下调节时 必须同时降低E1 使E1 f1 常数 即采用电动势与频率之比恒定的控制方式 然而 绕组中的感应电动势是难以直接控制的 当电动势的值较高时 可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降 而认为定子相电压U1 E1 则得 1 基频以下调速 这是恒压频比的控制方式 在恒压频比条件下改变频率时 我们能够证明 机械特性基本上是平行下移的 如图所示 基频以上调速 在基频以上调速时 频率可以从f1N往上增高 但电压U1却不能超过额定电压U1N 最多只能保持U1 U1N 由下式可知 这将迫使磁通随频率升高而降低 相当于直流电机弱磁升速的情况 基频以上调速 在基频f1N以上变频调速时 由于电压U1 U1N不变 我们不难证明当频率提高时 同步转速随之提高 最大转矩减小 机械特性上移 如右图所示 由于频率提高而电压不变 气隙磁动势必然减弱 导致转矩减小 由于转速升高了 可以认为输出功率基本不变 所以 基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速 图2 2 2 通过分析可得如下结论 当f1 f1N时 变频装置必须在改变输出频率的同时改变输出电压的幅值 才能满足对异步电动机变频调速的基本要求 这样的装置通称变压变频 VVVF 装置 其中VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的缩写 这是通用变频器工作的最基本原理也是设计变频器时所满足的最基本要求 通用变频器是如何实现变压又变频的呢 二 SPWM控制技术原理 目前技术很容易实现的一种方法 逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形 这些波型与正弦波等效 等效的原则是每一区间的面积相等 如果把一个正弦半波分作n等分 然后把每 等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替 矩形脉冲的幅值不变 各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合 这样 由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效 称作SPWM波形 二 SPWM控制技术原理 i 1 SPWM的模拟控制方法 1 SPWM的模拟控制方法 单极性SPWM技术 单极性调制的工作特点是 每半个周期内 逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中 只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作 另一个完全截止 而在另半个周期内 两个器件的工作情况正好相反 流经负载Z的便是正 负交替的交变电流 1 SPWM的模拟控制方法 单极性SPWM技术 单极性调制的工作特点是 每半个周期内 逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中 只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作 另一个完全截止 而在另半个周期内 两个器件的工作情况正好相反 流经负载Z的便是正 负交替的交变电流 只要能保证加在电动机上的三相对称电流是近似正弦波 电动机的定子就能产生能够会旋转的 N S 极磁场 电动机的转子就会跟着旋转起来 形成正向电流过程 1 形成正向电流过程 2 形成反向电流过程 1 形成反向电流过程 2 双极性调制的工作特点是 逆变桥在工作时 同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断 而流过负载Z的电流是按线电压规律变化的交变电流 1 SPWM的模拟控制方法 双极性SPWM技术 SPWM的软件控制法 软件控制法是由微型计算机来实现SPWM控制的方法 是目前经常采用的一种方法 根据其软件制作方法的不同 有如下三种方法 1 表格法 又称ROM法 2 随时计算法 又称RAM法 3 实时计算法 1 3通用变频器的基本结构 一 变频器的基本外形结构 二 变频器的分类 1 按电路结构分 1 交 交变频器把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 故变换效率高 但其连续可调的频率范围窄 一般为额定频率的l 2以下 故它主要用于容量较大的低速拖动系统中 交 直 交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电 再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电 在这类装置中 用不可控整流 则输入功率因数不变 用PWM逆变 则输出谐波可以减小 电压源型变频器在交 直 交变压变频装置中 当中间直流环节采用大电容滤波时 直流电压波形比较平直 在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源 输出交流电压是矩形波或阶梯波 这类变频装置叫做电压源型变频器 电流源型变频器当交 直 交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时 直流电流波形比较平直 因而电源内阻抗很大 对负载来说基本上是一个电流源 输出交流电流是矩形波或阶梯波 这类变频装置叫做电流源型变频器 2 按滤波方式分 电压源型和电流源型变频器的差异 从主电路上看 电压源型变频器和电流源型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同 但是这样一来 却造成两类变频器在性能上相当大的差异 主要表现如下 1 无功能量的缓冲 对于变压变频调速系统来说 变频器的负载是异步电机 属感性负载 在中间直流环节与电机之间 除了有功功率的传送外 还存在无功功率的交换 逆变器中的电力电子开关器件无法储能 无功能量只能靠直流环节中作为滤波器的储能元件来缓冲 使它不致影响到交流电网 因此也可以说 两类变频器的主要区别在于用什么储能元件 电容器或电抗器 来缓冲无功能量 2 回馈制动 如果把不可控整流器改为可控整流器 虽然电力电子器件具有单向导电性 电流Id不能反向 而可控整流器的输出电压是可以迅速反向的 因此 电流源型变压变频调速系统容易实现回馈制动 从而便于四象限运行 适用于需要制动和经常正 反转的机械 与此相反 采用电压源型变频器的调速系统要实现回馈制动和四象限运行却比较困难 因为其中间直流环节有大电容钳制着电压 使之不能迅速反向 而电流也不能反向 所以在原装置上无法实现回馈制动 必须制动时 只好采用在直流环节中并联电阻的能耗制动 或者与可控整流器反并联设置另一组反向整流器 工作在有源逆变状态 以通过反向的制动电流 而维持电压极性不变 实现回馈制动 这样做 设备就要复杂多了 3 调速时的动态响应 由于交 直 交电流源型变压变频装置的直流电压可以迅速改变 所以由它供电的调速系统动态响应比较快 而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多 4 适用范围 由于滤波电容上的电压不能发生突变 所以电压源型变频器的电压控制响应慢 适用于作为多台电机同步运行时的供电电源但不要求快速加减速的场合 电流源型变频器则相反 由于滤波电感上的电流不能发生突变 所以电流源型变频器对负载变化的反应迟缓 不适用于多电机传动 而更适合于一台变频器给一台电机供电的单电机传动 但可以满足快速起动 制动和可逆运行的要求 3 按控制方式分 1 u f控制按一定规律对变频器的频率和电压进行控制 称为u f控制方式 基频以下可以实现恒转矩调速 基频以上则可以实现恒功率调速 2 矢量控制根据交流电动机的动态数学模型 利用坐标变换的手段 将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流 并分别加以控制 即模仿直流电动机的控制方式对电动机的磁场和转矩分别进行控制 可获得类似于直流调速系统的动态性能 矢量控制又可分为磁通矢量控制 电压矢量控制和转矩矢量控制等 4 按外形分类 1 书本型结构书本型结构的功率一般为0 75k 37kw 2 装柜型结构装柜型结构的功率一般为45k 1500kw 三 变频器的额定值和频率指标 1 输入侧的额定值2 输出侧的额定值 1 输出电压UN 2 输