变频器原理(森兰)演示幻灯片

1、变频器的原理，希望森兰科技株式会社，2，1 .变频器的原理和构成(1)概要：1 .定义：能够变换电力，改变频率的电力变换装置。 2 .交流调速技术的发展概况和趋势：交流电机：结构简单，价格低廉，动态响应好，维护方便，但难以调速。 直流电机：结构复杂、成本高、故障多、维护困难、功率大的机械换向器的换向能力限制了电机的容量(单体容量12000kW14000kW )、电压和速度(最高电压1000、最高转速3000r/min )。 接触式电流传输还有限制其使用的电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差。 为了改善换向能力，减小电枢泄漏感，转子变粗惯性变大，影响系统的动态响应。 交流调速快速技术发展的原因：电力电子器件制造技术电力电子电路的转换技术PWM技术、矢量控制技术、直接转矩控制技术微机和大规模集成电路的基础数字控制技术。 3、(2)发展趋势和动向：VCES=2.7V(2.5V、1.5V )、fk=40kHz、接合温度最高为175C6500V 2400AIGBT的应用，载波频率达到16KHz，抑制噪声和机械谐振，电动机电流在低速时波形接近正弦，减少转矩脉动，通过电压驱动简化电路，网侧变流器的PWM控制矢量控制逆变器技术的通用化，代表了无速度传感器矢量控制系统新的技术动向对于没有速度传感器矢量控制的速度观测模型，建模方法基本上是动态速度推定器的模型参考自适应方法、PI调节器法、自适应转速观测器法、转子齿高次谐波法、滑动型观测法等。 感应电动机是多变量的，紧密结合了及时可变参数系统，围绕它的一些研究课题有：电动机参数模型的离散化，电动机参数的自测量，电动机定子电流的控制，电动机参数的辨识，电动机状态估计，系统稳定性分析。(二)发展趋势和动向：4，4，l一体化的三菱公司完成了将功率芯片和控制电路集成到单芯片中的DIPIPM (即双线封装)的开发，投入市场。 使逆变器电力与控制电路一体化，智能高性能化的HVIC (高耐压IC)SOC(SystemonChip )概念得到用户的接受，满足家电市场的低成本、小型化、可靠性、易用性等要求。 因此，叶子是展望，随着力量的增大，该产品在市场上有竞争力。 富士电机的三添胜老师说，变频器的小型化挑战发热。 也就是说，变频器的小型化，除了基于支撑部件的安装技术和系统设计的大规模集成化之外，功率器件的发热的改善和冷却技术的发展也成为小型化的重要原因。 ABB公司将小型变频器定型为Comp-ACTM，他在全世界发表的新概念是，小型电力变频器像接触器、软起动器等电气部件一样易于使用，设置方便安全。 3低电磁噪声化的今后的逆变器在抗噪声和高次谐波抑制方面要求满足EMC国际标准，主要方法是在逆变器输入侧增加交流电抗器和功率因数校正、5、(activeepowerfactorcorrection.apfc )电路，改善输入电流波形，降低电网的高次谐波另一方面，控制电源用的开关电源推荐半共振方式，在该开关控制方式下，30-50M可降低噪声15-20dB。 4在专用化的通用变频器中出现专用类型的家庭是近年来的事情。 目的是进一步发挥变频器的独特功能，使用户尽可能方便。 有起重机负载的ACC系列、交流电梯的SiemensMICO340系列和FUJIFRN5000G11UD系列、其他恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。 5系统化作为发展趋势，通用逆变器从模拟式、数字式、智能、多功能向集中式发展。最近，日本安川提出以变频器、伺服装置、控制器及通信装置为中心的“d小抗干扰能力差”，不得不妥协。 而且，(三)转速的闭环、滑动频率的控制3:1 .提供滑动频率控制的基本概念3360，向图中提供一组U/f曲线，低频时的不同负载能够适应U/f曲线的不同要求。 曲线0称为基本U/f曲线，不包括定子压降补偿。 曲线15是将定子电压在较低频带上提高一定程度的U/f曲线，称为“电压补偿”，也称为“转矩补偿”或“转矩提升”。 适用于恒定转矩负荷。 另外，图(11 )的不同负载对U/f曲线、42、曲线0102是在低频带使定子电压减少一定程度的U/f曲线，称为“负补偿”。 适用于鼓风机、泵类的负荷。 设定U/f曲线的原则是，以最低动作频率可以移动负载为前提，尽量减小补偿的程度，使磁路不会因“补偿过度”而饱和跳闸。 4、高功能型U/f控制采用该控制方式，可使极低速扭矩过载能力达到150%以上，调速比达到1:30，静态机械特性硬度高，具有挖掘机特性和“不跳闸”能力。 (12 )高功能性U/f控制方框图、(43 )、(3)低转速环、差频控制：1 .差频控制的基本概念：低转速开环逆变器系统可以满足通常的平滑调速要求，但动作、静态性能受限制。 为了提高运动、静态性能，首先使用转速反馈的闭环控制。 所有的机电传动系统都有，(22 )，转矩的控制部分有效，无效电流检测器，磁通补偿器，滑动补偿器，电流限制控制器。 后者的作用是根据电动机的定子电流的有效成分It和无效成分Iw计算逆变器的频率和电压的基准值，即图中的值，保证转子磁场的一定，在负载有冲击的情况下适当地进行补偿，防止过电流跳闸。 由式44、(22 )可知，通过提高系统的动作、静态性能，主要控制转速的变化率，能够明显地控制转矩。 直流控制与电流成正比，可以通过控制电流来控制转矩。 在交流调速中，应该控制的是电压(电流)和频率，如何通过控制电压(电流)和频率来控制转矩？ 在交流异步电动机中，影响转矩的要素较多，转矩式为：(23 )式：(45 )、(24 )式与(24 )式：(16 )、46 )式进行比较，在电动机正常运转时，s也较小，因此一般为2%5%，因此近似为： (1)式3360、(23 )式：(45 )、(24 )式：(16 )、(46 )式(25 )、上式的说明：在s小的范围内，只要不变化，t就大致成比例(负载转矩变大时变大，输出转矩变大)。 这与直流电动机一样，代表着间接地达到扭矩控制的目的，控制部控制扭矩。 2 .仅通过在滑动频率控制规律：的基础上发现转矩与滑动频率几乎成比例的关系，滑动频率控制规律3360、47、偏差频率控制的基本概念就可以导出具体的控制规则3360 (1) .控制规则1-控制转速表示控制转矩，图(13 ) :小t与Tmax、Tm、t、图13的一定控制时刻T=f ()曲线成比例，因为T=Tmax、dT/dS=0，所以在转速控制系统中，如果进行切片(slice )使切片值为：则能够保持与(27 )、48、(t )的关系，能够通过转速控制来进行转矩控制(2)将控制规则2-铁心的磁饱和忽略一定，将铁损保持一定与I0成比例，图(14 )代入异步电动机的等效电路图，49，代入(28 )式：取式的两端相量的振幅，保持(29 )，50，I1，I0，图(15 )一定的时函数曲线进行研究：不变(不变) I1和函数关系为图(15 )、(1)式=0时，I1=I0，理想的无负载时定子电流与励磁电流相等。 (2)如果增大，则(29 )式中分子所包含的项的系数比分母所包含的项的系数大，因此I1变大，(3)此时，(4)为正、负的值时，I1保持对应不变，而是曲线轴对称. 按(29 )式的关系控制定子电流的话，可以保持一定。另外，51、优点和小于：(1)的频率控制环被输入差动信号，将差动信号与实际转速信号相加得到频率信号，因此在转速的变化过程中，实际频率与实际转速同步地上升或者下降，与转速的开环系数频率的规定信号与电压成比例的情况相比，加减速平滑因此，差频闭环系统具有直流电动机双闭环控制系统的优点，是一种较好的控制策略，结构不复杂，具有广泛的应用价值，但认真考虑其静、动态性能，发现基本型差频控制系统未达到直流双闭环水平， 其原因是分析：优点和：(1)差动频率控制规律，从电动机稳态等效电路和转矩公式出发。 只在稳态时成立，动态过程中的变化尚未研究，但不一定会影响动态性能。 (2)电流调节器只控制电流的振幅，不控制电流的相位，但在动态过程中电流的相位跟上时，转矩的变化变慢。 (4)在频率控制的一环中，根据实际的旋转速度使实际的频率上升或下降，是滑差频率控制的优点，但是若速度信号不准确且存在干扰，则误差. 53、(4)电压空间矢量控制：(交链磁通跟踪控制)、(4) .电压空间矢量控制：图(16 )电压空间矢量，图(17 )中由电压施加绕组的空间位置定义的图(16)A、b、c分别表示静止于空间的电动机定子的三相绕组的轴线，三相定子相电压UAO、UBO、UCO分别施加于三相绕组，能够定义三个电压空间矢量UAO、UBO、UCO，它们的方向始终在各相的轴线上在、54、1、80年代初，日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或磁通轨迹法)。 在该方法中，以三相波形的整体生成效果为前提，以接近电动机气隙的理想的圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。 该方法称为电压空间矢量控制。 具有代表性的机型有1989年前后进入中国市场的FUJI (富士) FRN5OOOG5/P5、SANKENMF系列等。 2 .引起频率补偿控制，消除速度控制稳态误差。 3 .根据电动机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子的MicroMaster系列，估计交链磁通的振幅值，通过反馈控制消除低速时定子电阻对性能的影响。 4、对输出电压、电流进行闭环控制，在提高动态负载下的电压控制精度和稳定度的同时，也在一定程度上要求改善电流波形。 该控制方法的另一优点是再生引起的过电压过电流抑制显着，能够实现快速的加减速。 但是，以上述的4个方法没有导入扭矩的调节，所以系统的性能基本上没有改善。 55、可以定义电流和交链磁通的空间矢量I。 是三相电压、电流、交链磁通的合成空间矢量。转速不太低时，定子电阻的电压降小，因此可以忽略，(31 )、(32 )、(33 )、式(32 )表示u1的大小与变化率相等，方向与运动方向一致。 另外，56、图17的旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系，由式(34 )可知，在交链磁通宽度一定的情况下，u1的大小成比例，是交链磁通的圆形轨迹的切线方向。 如图(17 )所示，电机旋转磁场的形状问题能够变换为电压空间矢量的运动轨迹的形状问题。 上臂器件导通表示为“1”，下臂器件导通表示为“0”。 图(18 )逆变器电路图，57，8种动作状态100、110、010、011、001、101和111、000。此外，关于图17的电动机空间矢量与交链磁通矢量的关系，电压空间矢量按照u1、u2、 u6的顺序，每周期仅进行6次开关切换，就会仅产生正六边形的旋转磁场，不会产生圆形的旋转磁场。 使用电压空间向量的线性组合以获得更多的与u1.u8相位不同的电压空间向量，最终构成一组等宽度不同相位的电压空间向量以形成尽可能接近于圆形的磁场。 因此，在一个周期中逆变器的开关次数超过6次，其输出电压不是6拍的步进波而是一系列等宽度的脉冲波。 另外，图19 (18 )的电压空间向量线性组合，在u1状态结束后，在TZ时间内(电角度表示)作为ur1起作用，其相位与u-1、u-2不同但是振幅相等。 59，4 .异步电机的多变量数学模型和坐标变换，(:现代自动控制中，运动灵活，行动快，定位准确，传动和伺服系统要求高。 V/f=C只控制磁通，不控制电机转矩。 差频控制：虽然可以在一定程度上控制电机转矩，但差频控制是从电机的静态方程导出的，电机的动态性能差。 考虑到动态快速变化的过程，电机除了稳态电流外，还有相当大的过渡电流，产生的电机转矩和稳态转矩有很大差异。 因此，良好的动态转矩有效地控制电机的动态转矩非常重要。 1 .与直流电机相比，(1)直流电机：磁通量发生在励磁绕组中，可以事先建立，而不参与系统的动态过程，因此动态数学模型只有一个输入变量电枢电压和输出变量转速。 在、60、受控对象中包含机电时间常数和电子时间常数，计算SCR整流装置，也有SCR延迟常数，在工程可接受的假设条件下，可以描述为单变量(单输入、单输出)的三次线性系统，可以用经典的线性控制理论和由此发展的工程设计方法进行分析和设计。 另外，在机械结构上，电刷在磁极几何线上，励磁绕组产生主磁通和电动机电流，产生电枢反应电动势，能够在空间上正交即相互不影响地分别调节，转矩式：(2)交流电动机：异步电动机逆变器进行V/f的协调控制，电压和频率这两个对于输出变量，除了转速以外，磁通也必须作为独立变量计算。 虽然通过向电动机外部施加三相电压，磁通的确立和旋转速度的变化同时进行，但61、为了得到良好的动态性能，希望对磁通施加某种控制在动态过程中尽可能保持一定。 因此，异步电动机是多变量(多输入多输出)系统，由于电压(电流)磁通、转速间有影响，所以是强耦合的多变量系统。 在异步电机中，磁通量随着电流而产生转矩，旋转速度随着磁通量而产生感应电动势，它们同时变化，因此，在数学模型中包含两个变量的乘积项，即使不考虑磁饱和的影响等，数学模型也是非线性的。 三相异步电动机的定子具有三相绕组，转子也与三相绕组等效，在各绕组产生磁通时具有独特的电磁惯性，加上系统的机电惯性，即使不考虑逆变器装置的滞后，也至少是一个七次系统。 异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 转矩式3:(23 )、62、(2)异步电动机矢量图3360，图3360 (1)异步电动机矢量图，产生I1t -转矩的有效成分I1M-产生磁通