变频器应用技术.ppt.ppt

龙岩职业技能学院 机电工程系 廖连生 内容大纲 变频器概述 变频器的结构和工作原理 变频器的控制方式 变频器管理注意事项 变频器概述 第一部分 内容大纲 引言 什么是变频器 顾名思义 变频器就是要改变电压或电流的频率 以改变交流异步电动机转速的机器 英文名称 inverter 一般译作逆变器 学术解释 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 变频技术的发展过程 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的 20世纪60年代后半期开始 电力电子器件从scr 晶闸管 gto 门极可关断晶闸管 gtr 电力晶体管 mosfet 电力场效晶体管 发展到今天的igbt 绝缘栅双极型晶体管 hvigbt 耐高压绝缘栅双极型晶闸管 igct 集成门极换流晶闸管 ipm 智能功率模块 器件的更新促使电力变换技术的不断发展 20世纪70年代开始 脉宽调制变压变频 pwm vvvf 调速研究引起了人们的高度重视 20世纪80年代 作为变频技术核心的pwm模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣 并得出诸多优化模式 其中以鞍形波pwm模式效果最佳 20世纪80年代后半期开始 美 日 德 英等发达国家的vvvf变频器已投入市场并广泛应用 20世纪90年代 变频技术从v f控制发展到矢量控制和直接转矩控制 从开环控制到闭环控制 2000年以后 变频技术结合 技术 逐步向智能模糊控制方向发展 我国变频器的应用现状 20世纪90年代初中国企业界才开始认识并认识并尝试使用变频器 得到认可并大量使用是最近几年的事 变频器从一开始进入我国 国外品牌就占据大部分市场份额 同时 国内变频器的研制和生产也在向前发展 目前 国产变频器正在被更多的国内外客户认可和选用 当今 变频器的应用几乎涵盖了国民经济的各个行业 特别是在建材 钢铁 有色金属 采油 石化 纺织等领域应用广泛 采用变频器调速 除了替代过去的老式调速 更多的是用于老式调速无法胜任的新的调速领域 变频调速效果 变频器的发展趋势 向专用型方向发展向人性化方向发展易用性不断提高功率结构模块化智能化减小谐波影响 一 变频调速的基本原理 三相交流异步电动机的同步转速 n1 1 s 60f1 p式中 f1 电动机电源的频率 hz p 电动机定子绕组的磁极对数 s 转差率 可见 在转差率s变化不大的情况下 改变电动机电源的频率f1 则可以平滑地改变电动机的转速 附 三种调速方法的特点 变频调速变频调速具有调速范围宽 调速平滑性好 调速前后不改变机械特性硬度 调速的动态特性好等特点 变极调速三相异步电动机的变极调速是有级调速 通过改变磁极对数p 可以得到2 1调速 3 2调速 4 3调速及三速电机等 调速的级数很少 由于磁极对数p取决于定子绕组的结构 而且笼型转子的极数能自动地保持与定子极数相等 所以此调速只适用于特制的笼型异步电动机 这种电动机结构复杂 成本高 改变转差率调速变转差率调速一般适用于绕线型异步电动机或转差电动机 具体的实现方法很多 比如 转子串电阻的串级调速 调压调速 电磁转差离合器调速等 随着s的增大 电动机的机械特性变软 效率降低 交流变频调速的特性 调速时平滑性好 效率高 低速时 相对稳定性好 调速范围较大 精度高 起动电流低 对系统及电网无冲击 节电效果明显 变频器体积小 便于安装 调试 维修简便 易于实现过程自动化 目前变频技术已经非常成熟 产品性价比非常高 在恒转矩调速时 低速段电动机的过载能力大为降低 二 变频器的作用 变频器是利用半导体器件的通断作用将频率固定 通常为工频50hz 的交流电 三相或单相 变换成频率连续可调的交流电的电能控制装置 如图所示 三 变频器的分类 1 按用途分 1 通用变频器 用在普通电动机的控制 2 高性能专用变频器 用在电动机控制要求较高系统 3 高频变频器 用在高速电动机 频率可达3khz 2 按变换环节分 1 交 交变频器 直接将电网交流电变为可调频调压的交流电输出 没有明显的中间滤波环节 故又称直接变频器 2 交 直 交变频器 将电网交流电经整流器转换为直流电 经中间滤波环节后 再经逆变器变换为调频调压的交流电 故又称间接变频器 变频器的分类 续 3 按直流环节的储能方式分 1 电压型 直流环节的储能的元件是电感线圈l 如图a 2 电流型 直流环节的储能的元件是电容器c 如图b 变频器的分类续 4 按控制方式分 1 pwm 指pulsewidthmodulation 即脉冲宽度调制 改变脉冲电压的宽度 输出时间 以控制输出的电压幅值和频率 可只对逆变部份进行控制pam两种 2 pam 指pulseamplitudemodulation的缩写 即脉冲幅度调制 它对变流部份进行控制 把交流变为直流同时改变直流的大小 在逆变部份控制频率输出 5 按工作原理分 1 v f控制 对变频器输出的电压和频率同时进行控制 通过使u f的值保持一定而得到所需的转矩特性 2 转差频率控制 是对v f控制的一种改进 3 矢量控制 是一种高性能异步电动机控制方式 变频器的结构和工作原理 第二部分 内容大纲 一 变频器的基本结构 通用变频器大多采用交 直 交变频变压方式 其基本结构如图所示 变频器的基本结构 原理框图 变频器的基本构成 用户接口 主回路接口 控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口 控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口 通用变频器主电路如图所示 它主要由以下几部分组成 1 变频器的主电路 原理框图 变频器的主电路 用户接口 组成 由vd1 vd6构成的三相桥式整流桥 功能 将工频电源进行整流 经中间直流环节平波后为逆变器电路和控制电路提供所需的直流电源 三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络再引入整流桥的输入端 以吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压 从而避免由此而损坏变频器 当电源电压为三相380v时 整流器件的最大反向电压一般为1200 1600v 最大整流电流为变频器额定电流的两倍 电源电压为ul 则整流后的平均电压为 ud 1 35ul 1 整流部分 组成 c1 c2及rc1 rc2 作用 对整流电路的输出进行滤波以减小直流电压和电流的波动 同时 逆变器的负载属感性负载的异步电动机 无论异步电动机处于电动或发电状态 在直流滤波电路和异步电动机之间 总会有无功功率的交换 这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲 rc1和rc2的作用 一是作放电电阻 关机后将电容上的电尽放放掉 另一个是均压 保持滤波电容上的电压相等 2 直流中间电路 滤波电路 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容 通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组 以得到所需的耐压值和容量 另外 因为电解电容器容量有较大的离散性 这将使它们的电压不相等 因此 电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻 消除离散性的影响 因而电容的寿命会严重制约变频器的寿命 直流中间电路 滤波电路 限流电阻rl 开关s的作用 防止接通电源瞬间 对电容充电的过大电流损坏三相整流桥的二极管 当电容充电到一定程度 令开关s接通 将rl短路掉 电源指示hl除表示电源接通外 还有一个重要功能 即在变频器切断电源后 指示电容器上的电荷是否已经释放完毕 直流中间电路 限流电阻rl 开关s及电源指示hl 直流中间电路 能耗电路 组成 制动电阻rb和制动单元vb 作用 当变频器输出频率下降过快 减速 时 电动机处于发电制动状态 拖动系统动能回馈到直流电路中 使直流电压上升 导致变频器本身的过电压保护电路动作 切断变频器输出 工作原理 当直流中间电路的电压上升到一定值时 制动三极管vb导通 将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上 组成 逆变管v1 v6构成的三相逆变桥 作用 在控制电路的作用下 将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件 igbt即绝缘栅双极型晶体管 组成的三相桥式逆变电路 有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断 可以得到任意频率的三相交流输出 3 逆变电路 逆变电源电路中都设置有续流电路 续流电路的功能是当频率下降时 异步电动机的同步转速也随之下降 为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道 在逆变过程中 寄生电感释放能量提供通道 另外 当位于同一桥臂上的两个开关 同时处于开通状态时将会出现短路现象 并烧毁换流器件 所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路 以保证电路的正常工作和在发生意外情况时 对换流器件进行保护 逆变电路 续 变频器的控制电路就是为变频器的主电路提供通断控制信号的电路 作用 完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能 控制方式 模拟控制和数字控制 组成 运算电路 信号检测电路 驱动电路和保护电路 2 变频器的控制电路 变频器控制回路的接口 以上端子均可自由编程 3 变频器的电力半导体器件 晶闸管 scr 门极可关断晶闸管 gto 电力晶体管 gtr 功率场效应管 功率mosfet 绝缘栅双极晶体管 igbt 智能功率模块 ipm ipm 智能功率模块 pim 功率集成模块 目前以igbt和pim使用较多 二 变频器的工作原理 单相逆变电路 当开关s1 s2 s3 s4轮流闭合和断开时 在负载上即可得到波形如图 右图 所示的交流电 完成直流到交流的逆变过程 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 开关s1 s2 s3 s4用v1 v2 v3 v4开关三极管来代替 变频器的工作原理 三相逆变电路 按照一定的规律来控制6个逆变器开关的导通和截止 就可把直流电逆变为三相的交流电 据此得到的交流电压是不能直接用于控制电动机运行的 实用的变频器要复杂的多 变频器的工作原理 v f控制 v f控制是在改变变频器输出频率的同时改变输出电压的幅值 以维持电动机磁通基本不变 从而在较宽的调速范围内 使电动机的效率 功率因数不下降 变频调速中 频率变化时 电机阻抗随之发生变化 从而引起励磁电流的变化 使电动机出现励磁不足或励磁过强 励磁不足 电动机输出转矩下降 励磁过强 进入磁饱和状态 励磁电流和功率损耗过大 电动机效率和功率因数下降 采用v f控制 由于定子阻抗的成在 在工作频率较底时 应适当提高电压u 以增加低频时的转矩 据e 4 44k1f1n1 m则 m e 4 44k1f1n1而e u1因此 u1 f1保持不变 m基本不变 v f控制 续 v f控制 简单实用 性能一般 使用最为广泛 例 对于380v50hz电机 当运行频率为40hz时 要保持v f恒定 则40hz时电机的供电电压 380 40 50 304v低频时 定子阻抗压降会导致磁通下降 需将输出电压适当提高 变频器的工作原理 矢量控制 矢量控制 性能优良 可以与直流调速媲美 技术成熟较晚模仿直流电机的控制方法 采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制 保持电机磁通的恒定 进而达到良好的转矩控制性能 实现高性能控制 性能优良 控制相当复杂 直到90代计算机技术迅速发展才真正大范围使用 变频器的工作原理 脉冲宽度调制 pwm 技术 pwm是脉宽调制技术的简称 pwm控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等 等幅不等宽 的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形 pwm技术是在保持整流得到的直流电压大小不变的条件下 在改变输出频率的同时 通过改变输出脉冲的宽度 达到改变等效输出电压的一种方法 pwm脉宽调制技术是实现变频变压的一种常用方法 正弦脉冲宽度调制 spwm 技术 pwm输出电压的波形是非正弦波 用于驱动三相异步电动机性能较差 如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化 即使脉冲宽度先逐步增大 然后再逐步减小 则输出电压也会按正弦规律变化 这就是正弦pwm spwm spwm调制是 采用三角波和正弦波相交获得的pwm波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的脉冲电压 即输出电流近似正弦变化 脉冲宽度调制 pwm 原理 pwm技术的基本原理pwm技术的理论基础是采用控制理论中的一个重要结论 面积等效控制原理 面积相等而形状不同窄脉冲 分别加在具有惯性环节的输入端 其输出响应波形基本相同 也就是说尽管脉冲形状不同 但只要脉冲的面积相等 把它们分别加在具有相同惯性的同一环节上 其作用的效果基本相同 下面来分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦波 如图1 14所示 将一个正弦半波电压分为n 12 等份 如图 a 并把正弦曲线每一等份所保卫的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替 且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合 得到如图 b 所示的脉冲列 正弦波的另外半波也用同样的方法来等效 这就是pwm波 n值越高 即脉冲频率越高 spwm波越接近正弦波 点击显示图形 变频器的功能一 变频器的功能二 变频器的功能三 变频器的功能四 变频器的控制方式 第三部分 内容大纲 控制方式分类 开环控制u f控制和矢量控制对于变频器和电动机而言 都属于开环控制 虽然矢量控制在变频器内部通过一系列环节使电动机的转速精度和机械硬度都有了很大提高 但由于电动机的转速不能直接反馈到变频器 因而还是有一定的速度误差 闭环控制为了进一步减小速度误差 变频器可以采用测速发电机或光电编码器形成闭环控制 变频器的闭环运行 为了提高传动精度 进行自动控制等 通过pg编码器 压力传感器 速度传感器等将电动机的转速 负载压力 负载速度等物理量反馈到变频器的输入端 使变频器与电动机或变频器与拖动负载构成一个闭环系统 这种控制方法就被称为闭环运行 采用光电编码器组成闭环系统采用传感器的pid闭环系统 采用光电编码器组成闭环系统 光电编码器又称为光电码盘 简称pg 它有一个转轴可以连接在电动机轴上与电动机一起转动 通过光电编码 将电动机转速转换成电脉冲信号 电脉冲信号反馈给变频器 变频器根据反馈脉冲信号对电动机进行控制 这种控制方法称为带pg的闭环控制 u f闭环控制和矢量闭环控制比较 闭环控制分为u f闭环控制和矢量闭环控制 其控制精度比较见表2 1 实际应用中的选择 实际应用中要根据具体情况来选择变频器及控制方式 当转速控制精度要求不高时 可选择u f控制 u f控制不需要输入电动机的各种参数 对电动机的要求不是很严格 而且普通u f控制变频器 不含矢量控制 的价格也稍低一些 对于转速控制精度要求较高的场合 可选用矢量控制 具有矢量控制的变频器是较高档次的变频器 由表2 1给出的参数可见 其控制精度已经比较高 能满足较高的应用要求 如果在动态性能方面无严格要求的情况下 不要再轻易增加pg闭环速度反馈 因为增加pg反馈不但增加了系统的复杂程度 也提高了设备成本 但不一定有更佳效果 采用传感器的pid闭环系统 pid是比例 p 积分 i 微分 d 调节器的总称 比例调节器就是在运算放大电路中学习的比例运算电路 它的输出电压与输入电压成比例关系 由于比例运算放大器作为调节器其调节速度快 线形好 得到广泛应用 但p型调节器是有静差调节 为了消除静差 采用积分调节器调节 积分调节器虽无静差 但反馈滞后 而微分调节器又有反应速度快的特点 将它们结合起来应用就是pid控制 pid闭环控制系统控制储气罐例 有些变频器内置pid功能 在应用时可通过相应的功能参数进行预置 变频器在选用pid功能进行闭环控制时 反馈信号一般由压力 流量 速度等传感器获取 图2 24所示是由压力传感器组成的pid闭环控制系统 储气罐的压力由压力传感器测得 通过pid控制器加到变频器的模拟电流控制端 当储气罐的压力设置好以后 如果用气量大使罐内的压力下降 则通过压力传感器反馈到变频器的输入端 使变频器的频率上升 压缩机加速运转 如果罐内的压力上升 则反馈信号使变频器的频率下降 压缩机减速运转 总之 反馈信号控制变频器使罐内的压力保持恒定值 点击显示图形 pid高级功能表 部分 pid高级功能说明 部分 h20 h25pid控制参数 pid控制即是通过控制对象的传感器等检测控制量 反馈量 将其与目标值 设定值 进行比较 若有偏差 则通过此功能的动作使偏差为零 这种控制是使反馈量与目标一致的一种通用的控制方法 适用于流量 温度 压力等过程控制 h20为pid模式 设定值为0 不动作 设定值为1 正动作 目标值可由x1 x9多功能输入端子中的指定端子 该指定端设定为11 进行切换 该端子与cm端闭合 目标值由键盘面板输入 该端子与cm端断开 目标值由 f01频率设定1 中的内容给定 pid高级功能说明 部分 h21为反馈输入信号端子及电气规范 设定值为0 1 2 3 功能见表 变频器管理注意事项 第四部分 内容大纲 变频器应用中需要注意的事项 变频器的安装设计基本要求 变频器最好安装在控制柜内的中部 变频器要垂直安装 正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风 进风的大元件 采用独立进风口 单独的进风口可以设在控制柜的底部 通过独立密闭地沟与外部干净环境连接 此方法需要在进风口处安装一个防尘网 如果地沟超过5m以上时 可以考虑加装鼓风机 密闭控制柜内可以加装吸湿的干燥剂或者吸附毒性气体的活性材料 并近期更换 变频器应用中需要注意的事项 工作环境 使用环境对变频器影响很大 其中温度 湿度 污染度在很大程度上影响变频器工作的可靠性和寿命 特别是温度更是应在40 以下 因此应对使用环境进行降温 除湿 封闭 在日常检查中要特别检查电解电容器的变化情况以及对变频器进行清扫 检查 变频器应用中需要注意的事项 干扰问题 谐波干扰 由于变频器的输入部份为整流装置 工作时因其非线性特性而产生高次谐波 这些高次谐波将使输入电源的电压和电流发生畸变 危害电气设备运行 其中以对电容器的影响最大 由于电容的阻抗与频率成反比 所以不大的高次谐波分量将产生较大的谐波电流或引起并联谐振 高次谐波还产生讨厌的噪声 可在变频器电源侧加装交流电抗器加以抑制 在输出端加装交流电抗器改善输出电流波形 减少电机噪声 在电容器上串接6 的电抗 减少高次谐波的影响 变频器应用中需要注意的事项 电机的漏电 轴电压与轴承电流问题 高频pwm脉冲输入下 电机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路 从而引起对地漏电流 轴电压与轴承电流问题 可能会造成轴承光洁度下降 降低使用寿命 严重地造成直接损坏 变频器应用中需要注意的事项 由pwm变频器驱动电机时 流过电机的电流比工频供电时约大5 当电机低带运转时 冷却风扇能力下降 电机温升增高 应降低负载转矩和限定运行时间 选用变频器时变频器的容量要高出电机最大转矩1 2个档次 变频器特性要与负载特性一致 风机 水泵转速不宜低于额定转速的40 否则 应用效果不理想 还可能损坏机泵 不能将电源接至逆变器的输出端子u v w 否则将损坏变频器 逆变器要良好接地 否则不能可靠运行甚至损坏变频器 不能在变频器端子之间或对控制电路端子之间用兆欧表进行测量 否则会损坏变频器 变频器应用的几个建议 选用变频器 要先作可行性调研 分清应用目的是以控制为主还是以节能为主 变频器技术发展非常迅速 设计寿命5 10年 技术换代平均2 5年 因此需要资金保障 用于维修和更新 变频器的优点众多 但也有其不足之处 由于变频器是高新技术的自动电气设备 自身的保护功能非常完善 对电网的要求也较高 如果电网晃电 打雷或周围有电磁干扰等 容易造成跳闸 这就要求生产车间对选用工频或变频要做风险评估 做好反事故预案 建议非常重要的机泵在雷雨期间最好短时间退出变频运行 改开工频 变频器大量使用会对电网造成污染 电流中含高次谐波较多 影响电力系统的供电可靠性 所以要做到选择性使用 同时要对电网谐波污染进行治理 变频器的管理涉及到电气 仪表 生产车间及上级主管部门 大家应相互支持 相互配合 严格执行相关管理制度 附录 变频器使用问与答一 交流异步电动机是按额定电压 额定频率 额定电流进行设计的 在任何频率下运行时也不能过流 否则将引起磁饱和 怎么办 采取u f 常数的控制方式 当频率上升时 电压上升 当频率下降时 电压也下降 保持电动机电流不变 即电动机的磁通不变 电动机恒转矩运行电动机在额定电压下起动时电流大 是正常值的4 7倍 而变频器工作时又不能过流 电动机怎么起动 变频器采取从0hz开始起动的方法 并且升速要通过一定的时间 电动机在恒转矩作用下转速随着频率上升 频率上升时间长短与电动机惯性成正比 以保证电动机正常起动而变频器又不过流 这也是变频器为什么设置加速时间的由来 变频器使用问与答二 变频器停止时大惯性负载刹不住车怎么办 电动机产生再生电流怎么办 采用直流制动的方法刹车采用制动电阻将再生电流消耗掉的方法刹车采用频率逐渐下降的方法刹车 通过一段减速时间 电动机由于变频运行 当在某个频率产生了机构共振怎么办 采取频率跳跃的方法将共振的频率跳过去 即回避共振频率变频器通常可设置3个或以上回避频率电动机在不同的转速下 不同的工作场合需要的转矩不同怎么办 采取转矩补偿的方法 低速需要大转矩时采用正补偿 水泵 风机等需要节能运行时采用负补偿 变频器可提供若干条补偿曲线 变频器使用问与答三 有些设备需要转速分段运行 且每段转速的上升 下降时间亦不同 怎么办 变频器都设有段速运行功能 8 16种段速 和多种加 减速时间 2 8种 设置功能 在选择不同运行段速的同时还可以选择段速的上升 下降时间 如果有多台电动机需要比例运行怎么办 变频器都设有 频率增益 频率偏置 等功能 通过调整频率增益 改变模拟控制电压和输出频率的比值 当多台变频器用同一模拟电压控制时 通过调整增益 可达到比例运行的目的 也可以通过升降速端子进行控制 瞬时停电怎么办 工作于交流电网的电动机 瞬时停电影响不大 而变频器在瞬时停电时就会停止输出 此时电动机的转速也随即下降 通电后变频器具有重新起动功能 但起动时应知道此时电动机的转速 以采取与电动机转速相接近的起动频率重新起动 各种品牌的变频器都有几种不同的起动方式供选择 变频器使用问与答四 变频器过载 出了故障怎么办 变频器都设有接点故障报警输出端子 当出现问题时此端子即输出报警信号 报警信号端子还可控制切换电路将电动机切换到工频运行 变频器的工作正常与