变频器的结构

,变频器结构,施耐德（苏州）变频器有限公司市场部2006/03,异步电动机的转速,异步电动机的转速按照下列公式计算：式中：n1为气隙旋转磁场的转速，称为同步速，单位：转每分。其中：f为电机供电电源频率，工频频率为50Hz或60Hzp为气隙旋转磁场的极数,由电机的结构决定，为2，4，6，8，对50Hz工频，2级，4级，6级，8级电机的同步速分别为：3000，1500，1000，750转每分同步速实际上也是异步电机理想空载的情况下的转速，这时，转子的转速与定子所产生的旋转磁场转速相同，相对静止，称为同步。,滑差率,式中的s为转子相对于气隙旋转磁场的转速差与同步速之比，称为同步速。通常情况下，滑差率很小，在8以内，所以普通异步电动机的额定转速总是接近于同步速，如2910转每分，1430转每分，975转每分，742转每分等等。,滑差调速,通过改变电机滑差的方法调节转速称为滑差调速。滑差调速的实现是非常困难的。对最常见的鼠笼式异步电动机，除了改变供电电压外，无法实现滑差调速。对于绕线转子电机，其转子回路中可以另外串入电阻，通过改变转子的阻值，可以改变异步电机的机械特性曲线，具体讲就是改变产生最大转矩的转速，从而可以对应于负载转矩的转速，即工作点。,绕线转子电机的滑差调速,这是一种传统的调速方法，同时提供良好的起动性能。优点：起动电流小，通常为额定电流的3倍以下起动转矩和过载力矩较大，通常可达到额定转矩的2倍以上如果串联的电阻可以连续调节，可以获得无级调速可以允许第二象限运行缺点：仅仅适用于绕线转子电机电机结构复杂，造价高起动和调速装置复杂，笨重，体积大滑环，炭刷，接触器，电阻等，可靠性低，维护量大效率低，很多能量消耗在串联的电阻上调速精度低，分辨率低趋势：逐渐淘汰,变极调速,电机具有多套绕组或一套绕组构成不同的接法，形成不同的极（对）数。对应于不同的极数，同步速不同转速就不同，最终的转速就不同。优点：适用于只要求两种转速的场合。不需要外加调速装置，只需接触器切换不同的绕组接法。缺陷：只能实现有限的有级调速。调速精度低，反应慢。绕组接法复杂，可靠性差。电机效率和功率因数低。电机成本高。不能频繁切换。,变频调速,最好的方法就是变频调速，也就是改变电源频率，使得同步速成比例变化，负载转速就可以与电源频率成正比地变化。这种装置称为变频器变频调速的优点：效率高，功率因数高。数字只能化，易于控制和调节。固态硬件，可靠性高。可用于快速频繁起停，正反转等。动态和静态精度高。容易集成到系统中。起动和运行电流小。适用于廉价可靠的鼠笼式异步电动机。变频调速目前已经成为异步电机调速的主流，而且逐渐可以控制同步电机等的调速。,变频器的结构,通常变频器的结构为交直交，也就是将单相或三相交流电压整流成为直流电压（ACDC)，然后再将直流“逆变”成为所需频率的三相交流电压（DCAC)。变频器最主要的部分是逆变部分，而且有生产厂家单独生产逆变部分，所以有时又将变频器称为逆变器。由于电机和变频器原理的原因，在额定电压以下，在改变输出频率的同时，也要改变输出电压的有效值，这种形式称为可变电压，可变频率，故又将变频器称为VVVF.,变频器的叫法,Drive，Convertor通用VSD-VariableSpeedDrive施耐德专用ACDrive-AlternatingCurrentDrive欧洲通用VFDVariableFrequencyDrive北美VVVFVariableVoltageVariableFrequencyDrive通用Inverter日本，台湾,变频器常用术语,变流器converters整流rectifying-rectification整流器rectifier逆变inverting-inversion逆变器inverter转矩脉动torquepulsation脉宽调制(PWM)pulsewidthmodulation谐波harmonic矢量控制(VC)vectorcontrol直接转矩控制(DTC)directtorquecontrol四象限运行Fourquadrantoperation,动态制动dynamicbraking再生(制动)regeneration直流制动d.cbraking漏电流leakcurrent滤波器filter电抗器reactor电位器potentiometer编码器encoder,PG(pulsegenerator)定子stator转子rotor,变频器的主回路,进线端子EMC滤波器整流桥储能电容预充电回路,制动晶体管制动电阻及其保护逆变桥电流互感器出线端子,变频器的主回路进线,变频器的进线电源可以是三相380-500V，或三相200240V，也可以是单相200240V；也可以是690V。电源电压在690V以下称为低压变频器，1000V以上称为中压或高压变频器。进线电源的相序不影响电机的转向。,变频器的主回路EMC滤波器,施耐德变频器普遍标配进线EMC滤波器，用来抑制变频器对周围设备的射频干扰。在变频器通电时，EMC滤波器通过接地电容产生对地电流，尤其是上电瞬间会产生较大的漏电流。变频器一般应用于工业场合，用接地的方式进行安全保护。应用于民用配电场合时，有时无安全接地，而采用漏电开关(RCD)，有时会因此发生RCD误脱扣，这是正常的。解决的办法是将图中的接地断开。,变频器的主回路整流桥,大多数变频器采取三相全波整流，整流器件为功率二极管。三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的1.35倍，例如电网电压为400V，则这时直流母线电压为540V左右。但随着负载的波动，直流母线电压也会波动。单整流桥获得的电压波形每个周波有六个波头，称为六波头整流或六脉冲整流，这时的进线电流存在6m+1/6m-1次谐波，如5，7，11，13，。,变频器的主回路12脉冲整流,为了抑制电流谐波，可以采用两套整流桥，分别连接到一个三绕组变压器的输出的两个绕组，该变压器的两个绕组的输出电压有效值相等，相位互差30度。两套整流桥串联，电压相加。这时的电压波形每个周期有12个波头，电流的谐波含量不包含5次，7次，17次，19次。变频器和配电回路的成本大大增加，用于大功率应用和特殊场合。,变频器的主回路预充电电阻和预充电接触器,上电瞬间，整流桥输出端将产生峰值1.414U的电压，对储能电容快速充电。为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻。在变频器上电时，整流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后（如直流母线电压上升到额定电压的70%）以上后，需要用接触器将该电阻旁路掉。在整个运行过程中，该电阻不起作用。该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器。如果电网电压不稳定导致瞬间大幅度跌落，会引起预充电回路频繁动作，导致其损坏。,变频器的主回路半可控整流桥,将上述整流桥中的三个桥臂改成可控硅，如晶闸管或IGBT，则整流桥的输出电压就是可调的。在变频器上电期间，控制晶闸管的导通角，半可控整流桥的输出电压逐渐升高，最后达到全波整流获得的峰值,这样一来在中就不需要预充电电阻和预充电接触器.,变频器的主回路全控整流桥,如果上述整流桥的6个桥臂都是可控硅,加上控制回路,甚至可以做成可以四象限运行,既可以从电网吸收能量供给负载,也可以将负载制动的能量反馈回电网,实现再生制动.当然这样变频器的成本会大大升高,所以这种方式仅仅适用于大功率传动.实现能量再生制动的另一种方法是将一个系统中的所有变频器的直流母线并联,或者采用统一的整流电源和统一的能量再生制动单元,称为网络制动单元.,变频器的主回路储能电容,变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证。该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联。当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低；处于发电（制动）过程中，瞬间会升高直流母线电压，若太高变频器则停止输出。有些应用中，为了提高变频器的动态能力，或者在断电瞬间保持变频器斜坡停车，需要外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。,直流电抗器,直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈,因其通过的电流为直流电流,故亦成为直流扼流圈.直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波,从而减少对电网的污染.通常采用适当大小的直流电抗器,即可使变频器的谐波污染减少到符合标准,这是一种低成本的方案.如果要将谐波抑制到更低,需要大配合无源滤波器.直流电抗器对进线浪涌电压没有抑制作用.,交流电抗器,交流电抗器安装在变频器的进线侧,也称为进线电抗器.交流电抗器与直流电抗器作用大致相同,但交流电抗器对进线浪涌电压有抑制作用.在对电流谐波产生相同的抑制作用时,交流电抗器产生的线路压降比直流电抗器略大,从而会产生略大的输出转矩损失.在下列情况下推荐使用交流电抗器:多台变频器并联使用线路电源有来自其他负荷的明显扰动变频器由阻抗非常低的线路供电,制动单元和制动电阻,制动单元是一个或一组晶体管,与制动电阻串联之后,接在直流母线上.当直流母线电压超过某规定电压时,制动晶体管导通,直流母线电容和电机向制动电阻释放能量.使直流母线电压降低,降低到另一规定电压后,制动晶体管截止.所以制动电阻的作用是能耗制动.图中Tfr为制动晶体管,PA-PB连接制动电阻,PA-PB之间的二极管为保护用续流二