变频技术的原理与功能应用.ppt

变频器基础知识交流,LTTL13142008-09-01,提纲,变频器的发展和主要相关技术变频器的主要构成及其工作原理变频器各种功能和应用,变频器的发展和主要相关技术,第一节：,变频器的发展和主要相关技术,电气传动系统概述以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。大致构成,中间传动机构,交流电源输入,终端机械,交流电机,直流调速装置,直流输出,皮带轮、齿轮箱等,直流电机,交流调速装置,交流输出,执行机构,变频器,变频器的发展和主要相关技术,变频器的工作原理我们知道，交流电动机的异步转速表达式位：n60f(1s)/p(1)其中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整P)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整s)和变频调速(调整f)等。而我们现在运用最广泛的就是变频调速，由转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。,交流电动机的同步转速表达式位：n60f/p故也可以用变频调速。,变频器的发展和主要相关技术,变频器的发展史,变频器相关技术（即发展基础）电力电子技术半导体功率器件从GTO（门极可关断晶体管）、GTR（大功率晶体管）、BJT（双及型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。微处理器技术随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)等。现在又出现了多个CPU协同工作：管理，核心，键盘，上位机等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。控制理论的不断进步应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论。网络技术局域网，互联网，远程监控；ProfibusBUS,Interbus-S,DeviceNET,I/OInterface,变频器的发展和主要相关技术,变频器控制方式的发展,变频器的发展和主要相关技术,V/F控制,空间矢量调制,矢量变换控制,变结构控制,直接转矩控制,人工智能控制,变频技术在以下几个方面得到发展：1、网络智能化2、专门化和一体化3、环保无公害4、适应新能源,V/F控制及U/f=C的其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。电压空间矢量(SVPWM)控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。,变频器的发展和主要相关技术,矢量控制,变频器的发展和主要相关技术,1）基本思想(1)对直流电动机的分析在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的。究其原因，是因为它具有两个十分重要的特点:(a)磁场特点它的主磁场和电枢磁场在空间是互相垂直的，如图(a)所示;(b)电路特点它的励磁电路和电枢电路是互相独立的，如图(b)所示。在调节转速时，只调节其中一个电路的参数。,2）变频器的矢量控制模式仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率的给定信号，分解成和直流电动机具有相同特点的磁场电流信号i*M和转矩电流信号i*T，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点。对于控制电路分解出的控制信号i*M和i*T，根据电动机的参数进行一系列的等效变换，得到三相逆变桥的控制信号i*A、i*B和i*C，对三相逆变桥进行控制，如图所示。从而得到与直流电动机类似的硬机械特性,提高了低频时的带负载能力。,变频器的发展和主要相关技术,矢量控制,3）矢量控制的主要优点低频转矩大：即使运行在1Hz(或0.5Hz)时,也能产生足够大的转矩,且不会产生在V/F控制方式中容易遇到的磁路饱和现象。机械特性好：在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特性基本上都是平行的。动态响应好：尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间一般都能小于100ms。能进行四象限运行。,矢量控制,变频器的发展和主要相关技术,变频器的主要构成及其工作原理,第二节：,变频器的主要构成及其工作原理,变频器的分类按变频的原理，变频器分为交交变频器和交直交变频器。,变频器的主要构成及其工作原理,变频器的分类交一交变频器它是将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，变换效率高。但其连续可调的频率范围较窄，一般在额定频率的12以下，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。交一直一交变频器先将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，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较易控制，因此在频率的调节范围，以及变频后电动机特性的改善等方面，都具有明显的优势，目前使用最多的变频器均属于交一直交变频器。,变频器的主要构成及其工作原理,变频器的分类根据直流环节的储能方式来分，交一直一交变频器又可分成电压型和电流型两种。(1)电压型：整流后若是靠电容来滤波称为电压型，现在使用的变频器大部分为电压型。电压源型逆变器的中间直流环节由于采用电容储能，因此直流环节电压值不受负载影响，其主要运行特点如下：逆变器采用PWM技术，既变压又变频；由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近正弦波。系统响应速度快；可多台逆变器共用一套直流电源并联运行；同一相的上下桥臂有直通短路的可能，这时电流的变化率和峰值都很大，需要在极短的时间内进行保护，所以保护困难；由于整流部分采用不控整流，因此不能实现能量回馈制动。如果电动机需要向交流电源反馈能量，因直流测电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交直变换的整流桥再反并联一套逆变桥。(2)电流型：整流后若是靠电感来滤波称为电流型，它的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲。电流源型变换器大多用于大功率的风机水泵调速控制系统，采用可控整流调压、逆变器变频方式运行。,交一直一交电压型变频器的主回路构成（以下都简称为变频器）：电源输入整流桥启动电阻（直流电感）母线电容制动单元（制动电阻）逆变桥电源输出。,整流桥,启动电阻,输入交流电源,母线电容,逆变桥,交流输出,制动单元,直流电感,制动电阻,变频器的主要构成及其工作原理,变频器的主要构成及其工作原理,交一直一交电压型变频器的主回路构成（以下都简称为变频器）主要器件整流桥：西门康SEMKRON(SKKD162/16100A/SKD)、三社SanRex（DFA）、IXYS（VU）、IRFInternationalRectifier（160MTKB）、德国Powersem（psd35）等逆变器：IGBT：西门子优派克EUPEC（FS、BSM）、Fuji（2MB）等IPM：三菱（PM）等PIM一体模块：西门子优派克EUPEC（FS、FP、BSM）、泰科TYCO（V23990-P89）等单管IGBT：APT（AdvancedPowerTechnology）APT60GF120JRD电解电容：400V，560V，5600UF以下（包括）CPU：TMS320F2406A/7A，TMS320F2813等光耦：东芝的TLP3120，7840，HP的HCPL-4504等缓冲电阻：单管IGBT、风扇、接触器、散热器、霍尔、温度传感器等,变频器的主要构成及其工作原理,变频器的控制回路构成：电源板（防雷电路、开关电源电路、模块驱动和保护电路、信号采集电路等）控制板（客户命令采集、各种信号处理并进行整机控制等）接口板键盘板。,变频器的主要构成及其工作原理,变频器各电路的工作原理和作用（一）主回路整流电路：大都是由大功率二极管构成的全波整流电路，主要是将单相或三相交流转化为直流；它们将380V的交流电整流成直流，平均直流电压可用下式表示：UD=1.35UL=1.35380513V。中间电路：主要包括缓冲电路、滤波电路、制动电路组成。滤波电路主要是由无感电容和电解电容、均压电阻等，大功率变频器我们常常要求客户加直流电抗器，这些都是为了消除直流中的高次谐波、提高功率因素；缓冲电路作用缓解在上电瞬间对电解电容的冲击；制动电路的作用是在电机减速或停机时将电机反馈回来的电能消耗掉，从而起到快速减速、保护电机和变频器的作用。逆变电路：由六个IGBT和它反向并联的六个续流二极管组成的三相全桥逆变电路组成。这六个续流二极管的功能有以下三点：a,由于电动机是一种感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要它们提供通路；b,降速时电动机处于再生制动状态，它们为再生电流提供返回直流的通路；c,逆变时它们快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替地工作在导通和截止状态，在切换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。,变频器的主要构成及其工作原理,变频器各电路的工作原理和作用（二）控制回路开关电源电路：这部分相对我们公司的电源产品来说就很简单了，它的特点是输出通路多。（2844）模块驱动电路：主要是信号封锁、隔离、放大和电压转换以及强弱电隔离。（3120、4504）信号检测电路:输入缺相信号、母线电压信号（CVD）、三相输出电流信号、残压信号、模块温度信号、接触器状态信号、模块状态信号等的采集和放大处理。控制电路：根据检测来的信号判断工作状态，执行客户外部指令，按照设定的控制方式发出SPWM形波。接口电路：主要是用来实现多功能和通讯功能，并可为客户提供电源，是为了方便客户的现场运用。显示电路：分为LED和LCD两种。,变频器的主要构成及其工作原理,驱动板电路框图和对应实物下面是一个品牌变频器驱动板架构,变频器的主要构成及工作原理,驱动板电路框图和对应实物下面以某品牌变频器功率板为例,变频器的主要构成及工作原理,逆变电路原理的讨论,三相正弦脉冲宽度调制波形刚才我们提到了现代变频器采用了SPWM（正弦脉冲宽度调制）,变频器的主要构成及工作原理,逆变电路原理的讨论SPWM的开关点SPWM的脉冲序列的产生是由基准正弦波和三角载波信号的交点所决定的，且每一个交点都是逆变器同一桥臂上两只逆变管的开、关交替点因此将这个交点称作SPWM的开关点，我们必须将所有的交点的时间坐标汁算出来，才能有序地向逆变器发出通断的指令。调节频率时基准正弦波的频率和幅值都要改变，载波信号(三角波)与基准正弦波的交点也将发生变化。所以每次调节频率后，开关点的坐标都需要重新计算，计算量之大是人工难以完成的。只有通过计算机这个工具才能在最短的时间内将开关点的坐标计算出来，从而控制各逆变管实时通断来完成变频、变压的任务。强调二点（1）逆变器输出频率与正弦调制波频率相同；当逆变器输出端需要变频时，只要改变调制波的频率；2）三角波与正弦波的交点即确定了逆变器输出脉冲的宽度和相位。通常采用恒幅三角波，而改变调制波幅值的方法，以得到不同的宽度，从而得到不同的逆变器输出电压。,变频器各种功能和应用,第三节：,变频器各种功能的应用,变频器各种功能软启动功能加减速过程中，变频器的输出频率随时间上升的关系曲线，称为加速方式。变频器设置的加速方式有:线性方式：变频器的输出频率随时间成正比地上升，如图(a)所示。大多数负载都可以选用线性方式。S形方式：在加速的起始和终了阶段，频率的上升较缓，加速过程呈S形，如图所示。例如，电梯在开始起动以及转入等速运行时，从考虑乘客的舒适度出发，应减缓速度的变化，以采用S形加速方式为宜。半S形方式：用用户设定的拐角点确定曲线来控制，加减速方式。,变频器各种功能的应用,变频器各种功能起动频率与暂停加速功能（1）设置起动频率的方式主要有两种方式:稍有给定信号(X=0+)，变频器的输出频率即为起动频率fS，如图(a)所示;设置一个死区XS%，在给定信号XXS%的范围内，变频器的输出频率为0Hz;当给定信号X=XS%时，变频器直接输出与XS%对应的频率，如图(b)所示。,变频器各种功能的应用,变频器各种功能起动频率与暂停加速功能,（2）电动机起动后，先在较低频率fDR下运行一个短时间，然后再继续加速的功能。对于惯性较大的负载，起动后先在较低频率下持续一个短时间tDR，然后再加速；设置暂停加速的方式主要有两种:变频器输出频率从0Hz开始上升至暂停频率fDR，停留tDR后再加速，如图(a)所示;变频器直接输出起动频率fS后暂停加速，停留tDR后再加速，如图(b)所示。,变频器各种功能电动机各种停机功能,变频器各种功能的应用,电动机的停机方式:在变频调速系统中，电动机可以设定的停机方式有:(a)减速停机即按预置的减速时间和减速方式停机，如上述，在减速过程中，电动机处于再生制动状态。(b)自由制动变频器通过停止输出来停机,这时,电动机的电源被切断,拖动系统处于自由制动状态。由于停机时间的长短由拖动系统的惯性决定,故也称为惯性停机。(c)减速加直流制动首先按预置的减速时间减速，然后转为直流制动，直至停机，如图所示。(d)在低频状态下短暂运行后停机,当频率下降到接近于0时,先在低速下运行一个短时间,然后再将频率下降为0Hz。,变频器各种功能的应用,PID调节的全称是比例、积分、微分调节，是闭环控制中一种重要的调节手段，目的是使被控物理量迅速而准确地无限接近于控制目标。PID反馈控制只要是通过温度、压力传感器等，反馈模拟量给变频器（可以是010V电压信号，也可以是420mA的电流信号），通过变频器相应的处理输出适合的频率。当变频器有两个或多个模拟量给定信号同时从不同的端子输入时，其中必有一个为主给定信号，其他为辅助给定信号。,变频器各种功能PID反馈控制功能,变频器的应用,任何机械在运转过程中，都或多或少会产生振动。每台机器又都有一个固有振荡频率，它取决于机械的结构。如果生产机械运行在某一转速下时，所引起的振动频率和机械的固有振荡频率相吻合的话，则机械的振动将因发生谐振而变得十分强烈(也称为机械共振)，并可能导致机械损坏的严重后果。,变频器各种功能回避频率（跳跃频率）功能,变频器各种功能的应用,其他基本功能V/F控制功能，矢量控制功能，频率上下限功能，多段速功能，异常停机功能，加速和减速时电压、电流过高暂停加减速功能等。,变频器各种功能程序控制频率功能各种变频器都具有按时间控制的程序控制功能，在一个运行周期中，可以划分为若干个程序步。各程序步的工作频率、运行时间以及加、减速的快慢都由用户根据生产工艺的需要来进行预置。(1)程序步的划分程序步是按运行频率的不同而划分的，如图所示。一个周期内各程序步需要预置的内容如下:程序步1:工作频率为f1，运行时间为t1(包括加速过程所需的时间)，加速时间为tA1;程序步2:工作频率上升为f2，运行时间为t2(包括加速过程所需的时间)，加速时间为tA2;l程序步3:工作频率下降并反转至f3，运行时间为t3(包括正转减速和反转加速过程所需时间)，减速时间和加速时间分别为tD3和tA3;程序步4:工作频率下降为f4(反转)，运行时间为t4(包括减速过程所需时间)，减速时间为tD4。,变频器各种功能的应用,变频器的作用(一)变频调速的节能（能量回馈）(二)变频调速在电动机运行方面的优势变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序可实现输出换相也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。变频调速系统起动大都是从低速区开始，频率较低。加、减速时间可以任意设定，故加、减速过程比较平缓、起动电流较小，可以进行较高频率的起停。变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网