变频调速的基本原理

变频调速的基本原理,毛长柏二008年七月,变频调速系统的核心是变频器，变频器的构成及工作原理较复杂，本课题仅对变频器的基本原理、安装及维护等作一简单介绍。一、概述1变频调速的基本原理我们知道，三相交流异步电动机的转速为；,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，可以认为，调节电动机定子电源频率时，电动机的转速大致随之成正比变化若均匀改变电动机电源的频率，则可以平滑地改变电动机的转速。,2变频器及其分类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，其作用如下图所示。,变频器的种类很多，分类方法也有多种。,(1)按变换环节可分为二类1）交交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率和电压连续可调的交流电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的l2以下，主要适用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统中。2)交一直一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。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面，部有明显优势，是目前广泛采用的变频方式。(2)按直流环节的储能方式分为二类1)电流型变频器直流环节的储能元件是电感线圈L，如下图a所示2)电压型变频器直流环节的储能元件是电容器C，如下图b所示。,(3)按工作原理L分为三类1)V/控制变频器V/仃控制的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/(电压和频率的比)的值保持一定而得到所需的转矩特性。采用V/控制的变频器控制电路结构简单，成本低，多用于对精度要求不高的通用变频器2)转差频率控制变频器转差频率控制方式是对Vf控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来摔制转矩和电流，与V/控制相比其加减速特性和限制过流的能力得到提高。,3)矢量控制变频器矢量控制是一种高性能异步电动机控制力式，它的基本思路是：将异步电动机的定子电流分为产生磁场电流的分量(励磁电流)和与其垂直的产生转矩的电流分量(转矩电流)，并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定于电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。转差频率控制和矢量控制的原理鞍复杂，本次不作进一步的讨论。,(4)按用途可分为三类I)通用变频器所谓通用变频器，是指能与普通的笼型异步电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供选择功能的变频器。2)高性能专用变频器高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要求较高的系统，与通用变频器相比，高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机。3)高频变频器在超精密加工和高性能机械中，常常要用到高速电动机，为了满足这些高速电动机的驱动要求，出现了采用PAM(脉冲幅值调制，是一种在整流电路部分对输电压的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输山频率进行控制的控制方式)控制方式的高频变频器，其输出频率可达到3kHz。,二变颛器的基本结构目前生产中广泛应用的是通用变频器，根据功率的大小，从外形上看有书本型结构(0.7537kW)和装柜型结构(451500kW)两种。日本日立公司的J300系列通用变频器为书本型结构，其外形和结构如下图所示。,a)外型b)结构l一底座2一外壳3一控制电路接线端子4充电指示灯5一防护盖板6一前盖7螺钉8一数字操作面板9主电路接线端于lO一接线孔,从电路结构上看，通用变频器大多采用交-直-交变频变压方式，其基本构成如下图所示。,交-直-交变频器的基本构成,(1)变频器的主电路通用变频器的主电路如下图所示它主要由以下几部分组成；,交-直一交变频器的主电路,1)整流部分整流部分的作用是将频率固定的三相交流电变换成直流电。包括：三相整流桥由整流二极管VDIVD6构成三相桥式整流电路。如电源的线电压为UL整流后的平均电压为：,滤渡电容器CF其作用是滤平桥式整流后的电压纹波，使直流电压保持平稳。限流电阻RL和开关S在变频器电源接通的瞬间，滤波电容CF的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管。为了保护二极管在电路中串入限流电阻RL，从而将电容器CF的充电电流限制在允许的范围内。当CF充电到一定程度，令开关S接通，将RL短接掉。在许多新系列的变频器中。s已由晶闸管代替。,电源指示HLHL除表示电源是否接通外，还有一个重要的功能，即在变频器切电源后，指示电容器CF上的电荷是否已释放完毕。电容器CF的容量较大，而切断变频器电源又必须在逆变电路停l止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电电路，其放电时间往往需数分钟，而CF上的电压又较高，如不放完，将对人身安全构成威胁。故在维修时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器的内部带电部分。2)逆变部分逆变管V1V6构成三相逆变桥，这六个逆变管按一定规律轮流导通和截止，将直流电逆变成频率可调的三相交流电。续流二极管VD7-VDl2的主要作用是在换相过程中为电流提供通路。缓冲电路(R01-R06、VD01VD06、C01C06)的作用是限制过高的电流和电压，保护逆变管免遭损坏。,3)制动电阻RB和制动单元VB采用了变频器的交流调速系统中，电动机的减速是通过降低变频器的输出频率来实现的。在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电压上升，导致变频器本身的过电压保护电路动作，切断变频器的输出。为避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，RB和VB的作用就是消耗这部分能量。如上图所示。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。,(2)变频器的控制电路为变频器的主电路提供通断控制信号的电路，称为控制电路。其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。目前已广泛采用了以微处理器为核心的全数字控制技术，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种控制功能,以充分发挥微处理器计算能力强和软件控制灵活性高的特点，完成许多模拟控制方式难以实现的功能。控制电路主要由以下部分组成。,1)运算电路运算电路的主要作用是将外部的速度、转矩等指令信号同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出频率和电压?2)信号检测电路将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器按事先确定的算法进行处理后为各部分电路提供所需的控制或保护信号。3）驱动电路驱动电路的作用是为变频器中逆变电路的换流器件提供驱动信号。当逆变电路的换流器件为晶体管时，称为基极驱动电路；当逆变电路的换流器件为SCR、IGBT或GTO时，称为门极驱动电路。4)保护电路保护电路的主要作用是对检测电路得到的各种信号进行运箅处理，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到出现异常时，进行各种必要的处理，如使变频器停止工作或抑制电压、电流值等。,通用变频器的蝇型硬件结构如图456所示。,(3)变频器中的电力半导休器件目前，变频器中用作逆变的电力半导体器什主要有晶闸管(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)等。1)晶闸管(SCR)晶闸管没有自关断能力，用门极电流触发，关断时要使正向阳极电流减小到维持电流以下，或者在阳极和阴极间加反向电压。因此在逆变电路中使用时需要另设换流电路，造成电路结构复杂，增加了变频器的成本，但由于元件容量大，在l000kVA以上的大容量变频器中得到广泛应用。2)门极可关断晶闸管(GTO)门极可关断晶闸管是一种可通过门极信号控制导通和关断的晶闸管，与普通晶闸管不同，它是利用门极反向电流而获得自关断能力，因此不需要外部换流电路。由它构成的变频器具有结构简单，体积小，成本低，损耗少等优点，在变频器中正在逐步代替普通晶闸管。3)电力晶体管(GTR)电力晶体管主要是采用达林顿连接的双极型晶体管，它既扩大了容量，又保持了晶体管的固有特性，用基极电流可控制其关断，不需换流电路，在开关频率为数千赫的中小容量PWM(脉冲宽度调制)变频器中被广泛采用。,4)功率场效应管(功率MOSFET)功率场效应管是根据门极电压的电场效应进行导通、关断的单极晶体管，与电力晶体管相比，具有速度快、损耗小、驱动功率小、抗干扰能力强等优点，广泛应用于小容量变频器中。5)绝缘栅双极晶体管(IGBT)绝缘栅双极晶体管是通过栅极驱动电压来控制的晶体管，它集功率MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度陕、驱动电路简单和通态电压低、耐压高等优点，冈此有取代GTR和功率MOSFET的趋势。目前变频器主要生产厂家推出的中小容量新产品中大都采用IGBT作为换流器件。6)智能功率模块(IPM)智能功率模块是一种将功率开关器件及其驱动电路、保护电路等集成在同一封装内的集成模块。目前IPM一般采用IGBT作为功率开关器件，对接收到的控制信号经光电耦合隔离后对IGBT进行驱动，并同时具有过电流保护、过热保护以及驱动电源电压不足时的保护等功能。,2变频器的工作原理(I)逆变的基本工作原理将直流电变换为交流电的过程称为逆变，完成逆变功能的装置叫逆变器，它是变频器的重要组成部分。电压型逆变器的动作原理可用如下图所示机械开关的动作来说明。,当开关S1、S2与S3、S4轮流闭合和断开时，在负载上即可得到波形如左图b所示的交流电压，完成直流到交流的逆变过程。用功能与机械开关类似的逆变器开关元件取代机械开关，即得到单相逆变电路。改变逆变器开关元件的导通与截止时间，就可改变输出电压的频率，即完成变频。,(2)vf控制vf控制是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维持电动机磁通基本恒定，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。vf控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通处于接近饱和状态从而使铁心材料得到充分利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率变化时，电动机的阻抗将随之变化，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。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，使电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行渊速时，必须采取措施保持磁通恒定并为额定值。,异步电动机定子绕组的感应电动势E的有效值为,则式中kr-定子绕组的绕组系数；Nt-每相定子绕组的匝数；f-定子电源的频率(HZ)；m-铁心中每极磁通的最大值(Wb),显然，要使电动机的磁通在整个调速过程中保持不变，只要在改变电源频率的同时改变电动机的感应电动势E，使其满足E/为常数即可。但由于在电动机的实际调速控制过程中，电动机感应电动势的检测和控制较困难，考虑到正常运行时电动机的电源电压与感应电动势近似相等，只要控制电源电压U和频率,使U/为常数，即可使电动机的磁通基本保持不变，采用这种控制方式的变频器称为v/控制变频器。由于电动机的实际电路中存在定子阻抗上的压降，尤其是当电动机低速运行时，感应电动势较低，定子阻抗上的压降不能忽略。采用v，控制的调速系统在工作频率较低时，电动机的输出转矩将下降。为了政善在低频时的转矩特性，可采用补偿电源电压的方法。即在低频时适当提升电压U以补偿定子阻抗E的压降，保证电动机在低速区域运行时仍能得到较大的输出转矩，这种补偿也称为变频器的转矩增强功能。,变频器的转矩增强功能可分为起始转矩增强功能和全范围转矩自动增强功能。所谓起始转矩增强功能指的是在变频器的低频输出区域按某一规则在变频器的输出电压上加上一定的补偿，达到提高输出转矩的目的。而具有全范围转矩自动增强功能的变频器中，电压补偿是在电动机的整个运行范围中进行的：采用这种控制方式的变频器的性能接近于U/f控制的变频器，新系列v/f控制的变频器大多具有这种功能。综上所述，对电动机供电的变频器_般要求兼有调压和调频功能，通常将这种变频器称为变频变压(VVVF)型变频器。,(3)脉冲宽度调制(PWM)技术实现变频变压的方法有种,目前应用较多的是脉冲宽度调制技术，简称PWM技术。PWM技术是指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(或用占空比表示)，达到改变等效输出电压的一种方法。PWM的输出电压基本波形如下图所示。,在半个周期内，输出电压平均值的大小由半周中输出脉冲的总宽度决定。在半周中保持脉冲宽度不变而改变脉冲个数，或保持脉冲个数不变而改变脉冲宽度，均可改变半周内输出电压的平均值，从而达到改变输出电压有效值的目的。,PWM输出电压基本波形,PWM输出电压的波形是非正弦波，用于驱动三相异步电动机运行时性能较差。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，然后再逐渐减小，则输出电压也会按正弦规律变化。这就是目前工程实际中应用最多的正弦PWM法，简称SPWM如下图所示。,在每半个周期内输出若干个宽度不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应局部波形下的面积，则输出电压可近似认为与正弦波等效。如将一个正弦波的正半周划分为12等分，每一份正弦波下的面积可用一个与该面积近似相等的矩形脉冲来代替，则这12个等幅不等宽的矩形脉冲的面积之和与正弦波所包围的面积等效。,SPWM的原理,3变频器的功能下面以通用变频器为例，按用途将变频器的主要功能进行分类并加以简要介绍。(1)系统所具有的功能1)全范围转矩自动增强功能由于电动机绕组中阻抗的作用，采用Vf控制的变频器在电动机的低速运行区域将出现转矩不足的情况。为提高系统的性能，具有全范围转矩自动增强功能的变频器在电动机的加速、减速和正常运行的所有区域中可以根据负载情况自动调节v/f值，对电动机的输出转矩进行补偿。2)防失速功能变频器的防失速功能包括加速过程的防失速功能、恒速运行过程中的防失速功能和减速过程的防失速功能三种。加速过程和恒速运行过程中的防失速功能的基本作用是：当电动机由于加速过快或负载过大等原因出现过电流现象时，变频器将自动降低输出频率，以避免出现变频器因过电流保护电路动作而停止工作。,对于电压形变频器，在电动机的减速过程中回馈能量将使变频器的直流中间电路的电压上升，可能会出现过电压保护电路动作而使变频器停止工作的情况。减速过程的防失速功能的基本作用是：在过电压保护电路动作之前暂停降低变频器的输出频率或减小输出频率的降低速率，达到防止失速的目的。3)过转矩限定运行功能过转矩限定运行功能的作用是对机械设备进行保护并保证运行的连续性。利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定，当电动机的输出转矩达到该设定值时，变频器停止工作并发出报警信号。4)自动节能运行功能变频器能自动选择工作参数，使电动机在满足负载转矩要求的隋况下以最小电流运行。5)自动电压调整功能当电源电压下降时，使用自动电压调整功能可以维持电动机的高启动转矩。6)通过外部信号对变频器进行启停控制的功能变频器通常都具有通过外部信号控制变频器启停的功能。,7)运行状态检测显示功能运行状态检测显示功能主要用于检测变频器的工作状态，使操作者及时了解变频器的工作状态这些功能的名称和内容见下表：,(2)频率设定功能1)给定频率的设定方法与给定信号对应的变频器的工作频率称为给定频率，通用变频器给定频率的设定通常采用以下三种方法：面板给定利用操作面板上的数字增加键和数字减少键进行频率的数字量给定或调整。早期的变频器无键盘，利用面板上的电位器进行模拟量给定和调整。预置给定通过程序预置的方法预置给定频率。启动时，按运行健，变频器即自行升速到预置的给定频率为止。外接给定从控制接线端上，引入外部的电压或电流信号进行频率给定，这种方法常用于远程控制的情况。所有的变频器都为用户提供了可以外接给定控制信号的输入端。下面“VT210S系列变频器为例，说明其接线情况。,VT210S系列变频器的外接给定信号接线如下图所示：外接给定信号有电压信号和电流信号两种，外接给定电压信号又有两种给定方法：一种是直接输入电压信号，通常用于和计算机、PLC或与其他设备配用的情况，此时电压信号接在FSV-COM端子上；另一种是利用变频器内部提供的给定电压信号，由外接电位器RP取出给定信号。而当外接给定信号为电流信号时，将外接信号线接到FSI-COM端子上。,VT210S变频器的给定信号接线,2)基本频率和最高频率基本频率fb电动机的额定频率称为变频器的基本频率。最高频率fmax当频率给定信号为最大时，变频器的给定频率称为最高频率。3)上限频率和下限频率上限频率fH与下限频率fL是调速系统所要求的变频器的工作范围，根据