变频器基础讲座(1)

1、1 2变频器基本原理变频器基本原理前言前言一、交流电机的基本原理一、交流电机的基本原理二、交流电机的调速方式二、交流电机的调速方式三、三、变频器的基本原理变频器的基本原理四、四、变频器的技术分类变频器的技术分类五、变频器的功率器件的类型变频器的功率器件的类型六、变频器的保护功能六、变频器的保护功能七、七、变频器系统原理图变频器系统原理图3交流电机的基本原理交流电机的基本原理按照电机学的基本原理，已知交流异步按照电机学的基本原理，已知交流异步电动机的转速表达式为：电动机的转速表达式为： 式中：式中： s- s-滑差；滑差； P- P-电机极对数；电机极对数； f- f-电机运行频率。电机运行频率

2、。psfn/ )1 (604控制对象控制对象控制方法控制方法实现方法实现方法f频率控制频率控制将商用电源经过频率转换装置将商用电源经过频率转换装置-变频器变频器P极对数变换极对数变换采用多抽头组合成不同极对数电机采用多抽头组合成不同极对数电机S调压调速调压调速通过可控硅等对定子电压变换通过可控硅等对定子电压变换串级调速串级调速在转子串电阻在转子串电阻(绕丝电机绕丝电机)滑差电机调速滑差电机调速安装滑差头安装滑差头改变交流异步电机转速的方法改变交流异步电机转速的方法psfn/ )1 (6051不改变同步转速的调速法（改变s） 转子串电阻 改变定子电压 改变转子附加电势 应用电磁转差离合器。2改变

3、同步转速的调速法（改变f、p）改变定子极对数（p）改变定子频率（f）。异步电机调速方法分类异步电机调速方法分类psfn/ )1 (606同步电机的结构示意)sin( tUuA)120sin(0tUuB)120sin(0tUuC7异步电机的结构示意异步电机的结构示意)sin( tUuA)120sin(0tUuB)120sin(0tUuC8异步电机一相的等值电路异步电机一相的等值电路9转子串转子串Rf Rf 的调速原理图的调速原理图10转子串转子串Ef Ef 的串极调速原理图的串极调速原理图11串级调速系统串级调速系统12电磁转差离合器调速系统装置简图电磁转差离合器调速系统装置简图13异步电机一相

4、的等值电路异步电机一相的等值电路14液力耦合器调速液力耦合器调速1、液力耦合器：是以液体为介质传递功率的液力、液力耦合器：是以液体为介质传递功率的液力传动装置。液体在由泵轮和涡轮组成的密闭空腔中传动装置。液体在由泵轮和涡轮组成的密闭空腔中循环，泵轮把原动机（电机）的机械能转变成工作循环，泵轮把原动机（电机）的机械能转变成工作液体的动能和势能，进人涡轮中的高能液流在涡轮液体的动能和势能，进人涡轮中的高能液流在涡轮中转变成为输出轴的机械能传递到负载，从而实现中转变成为输出轴的机械能传递到负载，从而实现能量的柔性传递能量的柔性传递。液力耦合器调速的特点：液力耦合器调速的特点：调速范围一般为调速范围一

5、般为5095%，高速段减小了设备的出力能力，低速段影响节，高速段减小了设备的出力能力，低速段影响节能效益的发挥。能效益的发挥。调速越低时效率越低，低速时发热厉害。如果是恒转矩负载，调速不节能。调速越低时效率越低，低速时发热厉害。如果是恒转矩负载，调速不节能。调速精度低，响应慢，不大适应自动控制要求。调速精度低，响应慢，不大适应自动控制要求。电机虽然可以不带载启动，但仍然有电机虽然可以不带载启动，但仍然有6-7倍左右的冲击电流。倍左右的冲击电流。必须串入电机和机械的连接轴中，不适合于设备改造必须串入电机和机械的连接轴中，不适合于设备改造液力耦合器故障时，负载机械将无法运转，只能停机维修液力耦合器

6、故障时，负载机械将无法运转，只能停机维修设备成本低，但使用和维护成本高。设备成本低，但使用和维护成本高。15按照电机学的基本原理，已知交流异步电动机的转速表达式为：按照电机学的基本原理，已知交流异步电动机的转速表达式为： n=(1-s)60f/p n=(1-s)60f/p 式中：式中： s s滑差；滑差； P P电机极对数；电机极对数； f f 电机运行频率电机运行频率。变频器的基本原理变频器的基本原理结论：如果平滑地改变加到异步电动机定子绕组的交流电的频率结论：如果平滑地改变加到异步电动机定子绕组的交流电的频率f f，就，就可以平滑地调节异步电动机的转子转速可以平滑地调节异步电动机的转子转速

7、n n。变频调速是通过改变电源频。变频调速是通过改变电源频率率f f来调节电动机转速的。可以看出来调节电动机转速的。可以看出n n与与f f之间为线性关系对于特定的电之间为线性关系对于特定的电机，只要改变电机的运行频率，就可调整电机的转速。这就是变频调机，只要改变电机的运行频率，就可调整电机的转速。这就是变频调速的基本原理。速的基本原理。交流电机满足如下关系式：交流电机满足如下关系式：式中：式中：uu电压；电压； kk电机常数；电机常数； ff电机运行频率；电机运行频率； 磁通密度，受材料限制。磁通密度，受材料限制。*fku16变频调速为什么要电压和频率协调调整变频调速为什么要电压和频率协调调

8、整变频调速必须是电压和频率进行协调控制。电机常数磁通密度，受材料限制*fku17商用电源A/D交流直流直流直流交流VVVF电动机TD2000PWM控制方式(脉冲宽度调速)变频器的定义变频器的定义n将通用电源转换成电压可变，频率可变的适合将通用电源转换成电压可变，频率可变的适合交流异步机调速需求的变换装置交流异步机调速需求的变换装置n变频器的输出波形是一个变频器的输出波形是一个PWM波，其基波分波，其基波分量是正弦波量是正弦波。n变频调速是最高效的调速手段变频调速是最高效的调速手段18v/f：恒定值380V/50HZTT190V/25HZ频率的变换频率的变换19变频调速的优点变频调速的优点1、可

9、实现无级调速，变传统电机为智能电机2、显著的节能效益3、节省了维护费用。机械、设备损耗小，省掉变速机械装置，减少管 网振动及损坏。4、节约了电网容量5、提高生产效率、机组自动化水平、提高生产工艺及产品为质量6、高精度宽范围的无级调速，能够全面满足各种复杂工艺的需要当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量。 20输入电压输入电压输入电流输入电流输入电压电流波形输入电压电流波形21交交-直直-交交 电压型变频器主电路示意图电压型变频器主电路示意图D1D2D3D4D5D6T1T2T3T

10、5T6T4RSTUVWC1C2PN22变频器的技术分类变频器的技术分类交交- -直直- -交交 交交- -交交电流源型电流源型 电压源型电压源型压频比控制压频比控制直接转矩控制直接转矩控制矢量控制矢量控制主回路结构主回路结构储能方式储能方式控制方式控制方式23变频器的技术分类变频器的技术分类-按主回路分按主回路分 比较内容比较内容 主主 回回 路路 结结 构构 交交- -交型交型 交交- -直直- -交型交型 结结 构构交交- -交结构没有直流回路，每相都由两个交结构没有直流回路，每相都由两个相互反并联的整流电路组成，正桥提供正相互反并联的整流电路组成，正桥提供正向相电流，反桥提供负向相电流。

11、向相电流，反桥提供负向相电流。交交- -直直- -交结构先将电源交流电用整流电路转变交结构先将电源交流电用整流电路转变成直流电，再用逆变电路将直流电转换为频率成直流电，再用逆变电路将直流电转换为频率可变的交流电。可变的交流电。换能方式换能方式一次换能一次换能二次换能二次换能换流方式换流方式电源电压换流电源电压换流强迫换流或负载换流强迫换流或负载换流装置元件数量装置元件数量比较多比较多比较少比较少元件利用率元件利用率比较低比较低比较高比较高调频范围调频范围输出最高频率为电网频率的输出最高频率为电网频率的1/31/31/21/2频率调节范围宽频率调节范围宽电网功率因素电网功率因素比较低比较低用用P

12、WMPWM方式调压，则功率因素高方式调压，则功率因素高适用场合适用场合低速大功率低速大功率- -轧机等特殊负载轧机等特殊负载各种拖动装置、稳压稳频电源各种拖动装置、稳压稳频电源- -通用型通用型整流回路（可控或不控）逆变电路直流回路24变频器的技术分类变频器的技术分类-按储能方式按储能方式比较内容比较内容 储储 能能 方方 式式 电电 流流 源源 型型 电电 压压 源源 型型 结结 构构电流源型输入采用可控整流，控制电流的大电流源型输入采用可控整流，控制电流的大小。中间采用大电感，对电流进行平滑。逆小。中间采用大电感，对电流进行平滑。逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电流，变桥将直流电流转换

13、为频率可变的交流电流，供给交流电机。供给交流电机。电压源型大多采用二极管进行全波整流。中间采用电压源型大多采用二极管进行全波整流。中间采用大电容滤波，对电压进行平滑。逆变桥既控制电压大电容滤波，对电压进行平滑。逆变桥既控制电压输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波电压的频率。电压的频率。直流回路环节直流回路环节电抗器电抗器电容器电容器输出电压波形输出电压波形决定于负载，当负载为异步电动机时，近似决定于负载，当负载为异步电动机时，近似为正旋波为正旋波矩形矩形输出电流波形输出电流波形矩形矩形近似为正旋波近似为正旋波输出动态阻抗输出动态阻抗大大小小对

14、电压波动的敏感性对电压波动的敏感性大大小小逆变器件损坏度逆变器件损坏度容易容易不易损坏不易损坏对晶闸管要求对晶闸管要求耐压高，对关断时间无严格要求耐压高，对关断时间无严格要求耐压较低，关断时间要求短耐压较低，关断时间要求短线路结构线路结构较简单较简单较复杂较复杂适用范围适用范围单机、多机拖动单机、多机拖动单机、多机拖动单机、多机拖动相 交 流交 流 3相50Hz25变频器的技术分类变频器的技术分类-按控制方式分类按控制方式分类 比较内容比较内容 控控 制制 方方 式式 压频比（压频比（v/fv/f）控制）控制 矢量控制矢量控制 直接转矩控制直接转矩控制 定定 义义利用半导体器件的开通和关断，利

15、用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的电把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，来实现频率、电压脉冲序列，来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。压控制和消除谐波的一门技术。把交流电机模拟成直流电机把交流电机模拟成直流电机进行控制，它是以转子磁场进行控制，它是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法定向，采用矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。控制的完全解耦。直接在电机定子坐标系下直接在电机定子坐标系下分析电机的数学模型，采分析电机的数学模型，采用定子磁场定向而无需解用定子磁场定向而无需解耦电流，直接控制电动机耦电流，直接控制电动机的磁链和转矩。

16、的磁链和转矩。 优优 点点能明显改善输出波形，降低电能明显改善输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，简化了逆变器的结构，脉动，简化了逆变器的结构，加快了调节速度。加快了调节速度。调速精度高，动态响应快，调速精度高，动态响应快，可实现四象限运行，在高速可实现四象限运行，在高速和低速都有比较好的控制性和低速都有比较好的控制性能。能。不受电机参数影响，动态不受电机参数影响，动态响应好，可实现四象限运响应好，可实现四象限运行，控制算法和系统结构行，控制算法和系统结构简单，开关频率低。简单，开关频率低。 缺缺 点点V/FV/F控制在稳态下没有问题，控制在稳态下没有问题

17、，但在负载突然变化的情况下，但在负载突然变化的情况下，磁通和转矩不能优化，动态响磁通和转矩不能优化，动态响应慢。应慢。对转子磁场观测的准确性受对转子磁场观测的准确性受电机及参数影响较大，需要电机及参数影响较大，需要输入准确的电机参数。输入准确的电机参数。会产生转矩脉动，低速性会产生转矩脉动，低速性能略差，调速范围不宽。能略差，调速范围不宽。26构成变频器的功率器件的类型构成变频器的功率器件的类型高压变频器的发展，是随着电力电子器件的进步而进步的，功率器件构成了高压变频器的核心。二极管二极管晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）GTOGTOIGCTIGCTGTRGTRIGBTIGBTIEGTIEGT（

18、注入增强栅晶体管）（注入增强栅晶体管）27变频器功率器件的类型变频器功率器件的类型IEGT（注入增强栅晶体管）：（注入增强栅晶体管）：二极管：二极管：正向电压导通，反向电压关断，不可控正向电压导通，反向电压关断，不可控晶闸管（可控硅）：晶闸管（可控硅）：正向触发脉冲导通，电压反向关断正向触发脉冲导通，电压反向关断GTO：门极可关断晶闸管开通和关断均可控制；电流拖尾，门极可关断晶闸管开通和关断均可控制；电流拖尾，关断损耗大，缓冲电路复杂；开关频率小。已逐渐被关断损耗大，缓冲电路复杂；开关频率小。已逐渐被IGCT代替代替GTR：IGBT：大功率三极管，电流控制。已被大功率三极管，电流控制。已被IG

19、BT淘汰淘汰绝缘栅型双极晶体管，门极绝缘栅型双极晶体管，门极MOS结构，功耗最小；开结构，功耗最小；开关频率高，开关损耗小；门极电路和驱动电路简单关频率高，开关损耗小；门极电路和驱动电路简单注入增强栅晶体管，尚未大面积应用。注入增强栅晶体管，尚未大面积应用。IGCT：集成门极换流的晶闸管，比集成门极换流的晶闸管，比GTO开关频率高，缓冲开关频率高，缓冲电路比电路比GTO简单，驱动电路比较复杂简单，驱动电路比较复杂28IGCT2930IGBT模块31变频器功率器件的发展道路变频器功率器件的发展道路1. 技术发展的道路： 二极管 - 晶闸管 - GTO - IGCT GTR - IGBT - IE

20、GT2. 当今的主流器件是IGBT和IGCT32 DCL直流电抗器(需外配) 制动电阻 (需外配) 双向开路集电极输出PB(+)(-)RSTRST 三相 380V50/60HzMUVWPE辅助电源断路器P1PGP24COMX8X7PEEV2000直流电流表0-20mA电流信号AO1AO2频率表输出0-24V脉冲信号 DOCOMGNDTBTCTA可编程继电器输出485-485+标准RS485通讯口X1X2X3X4X5X6X7X8多功能输入选择1FWDREV正转/停止命令反转/停止命令PLCCOM速度指令010VVCIGND10VPE010V/020mAY1Y2CME输出1输出2公共端CCIP24

21、COMIVCN10010V.CN16020mARS232RS485CN14TXDRXDGND标准RS232通讯口多功能输入选择2多功能输入选择3多功能输入选择4多功能输入选择5多功能输入选择6多功能输入选择7多功能输入选择8CN17010V020mA.33保护功能保护功能n24种强大的保护功能：过流、过压、缺相、过载、短路、过热。n保护变频器，保护电机，保护周围设备n有自我诊断能力，便于设备的检修nE018、E008、E009等非要害故障可在一定情况下不作处理，让设备继续运行，有利于生产，减少不必要的损失，故障待到停机检修期间再做处理n屏蔽缺相，变频器可作为电源来使用34EV2000变频器系统

22、原理图变频器系统原理图C4R1R2R3C5C6R5C7CT1CT2 IPM M滤波 制动吸收DSP键盘/显示RS232/RS485EEPROMRESTWATCHDOG外部控制端子输入故障继电器输出1mA电流/频率模拟显示集电极开路输出电流信号处理驱动保护电路光耦隔离开关电源直流母线T5 Iu=Iw+Iv风扇驱动电路接触器 驱动 电路 残压 检测 电路缺相掉电检测电路RSTT1T2T3C1C2C3整流模块R4CHARGE35 EV2000-4T0750G4T1100P变频器连线图变频器连线图R相整 流 桥 ： DD171N16K*3F1A493GP1F1A493GU1F1A452GD1F1A49

23、3GR1PARAMETER电 容 ： 5600uF/400VDC*8U相S相T相F1A493GM2吸 收 电 容 ： MKP81-1200V-474K*2缺相检测接用户电源外部端子外部端子420460V380420V公共端R0T0RST.C5D2C3C8C64/200WR1C4C7CN1 123CN11234567891011121314151617181920CN21234567891011121314151617181920CN3 KEYBOARD PORT12345678910CN6 Control Signal Input/Output Port12345678910111213141

24、5161718192021222324CN5 SCI PORT123456CN22019181716151413121110987654321CN12019181716151413121110987654321CN11234567891011121314151617181920CN32019181716151413121110987654321.CN110987654321R3C10D1CN4 1234C9均 压 电 阻 ： 5.1K/60W*2R2C2D3接 触 器K1， CJX4-8011DJJ1PE1R1T111CN21122CN7123456CN9P101-6123456CN8P101

25、-41234S1CN8P101-812345678L1INDUCTORRA046-11SA046-11TA046-11P1A046-11(+)A046-11(-)A046-11PEA046-11TR1TRANSFORMER CTCN5P101-41234J1U1202J11202C1CN10 123IGBT模 块 ： FS450R12KE3F1A493GM1HDC-300-BS-B*3吸 收 电 容 ： MKP81-1200V-474K*3V相W相热 敏 电 阻散 热 器TD2GND外部端子.C12C13C11CN10CANYA123456D2E133-AM47-01/A01风机CN15FAN

26、1321CN11NTC1234715MS-23T-B50风扇CN14FAN2321CN16IW1234CN17IV1234CN18IU1234J4PE1CN12P101-212HRW 1234HRV 1234HRU1234WA046-11VA046-11UA046-11J2V1202J3W1202J21202J31202CN1NTC1236变频器选型、安装注意事项变频器选型、安装注意事项n使用好的第一步使用好的第一步 适当选型和正确安装适当选型和正确安装 37变频器选型（1） 变频器选型最关键的依据是所驱动电机的额定电流。变频器选型最关键的依据是所驱动电机的额定电流。一般应保证变频器的额定电流

27、大于等于电机的额定电一般应保证变频器的额定电流大于等于电机的额定电流。流。 一些特殊电机的额定电流要比同容量的普通电机大，一些特殊电机的额定电流要比同容量的普通电机大，如：如： 多极电机（多极电机（6极、极、 8极、极、 10极等极等 ） 潜水电动机潜水电动机 同步电动机同步电动机38变频器选型（2） 对一些特殊的电机或负载，变频器选型应对一些特殊的电机或负载，变频器选型应注意：注意： 1、高速电动机，电抗小，高次谐波会增加电流值，故要选用容量稍大的变频器。 2、绕线式异步电动机，其绕组的阻抗比鼠笼式的小，容易发生因波纹电流引起过电流跳闸，因此要选用比通常容量稍大的变频器。 3、对于压缩机、振

28、动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载的情况，其峰值电流可能引起过电流保护动作，所以要根据工频运行的最大电流来选择额定电流更大的变频器。39变频器选型（3）若用一台变频器同时驱动多台电机，变频器的额定电流要大于所有电机额定电流总合的1.1倍。对于恒转矩负载，要选用G型的变频器；P型变频器适用于普通的风机和离心式水泵等负载。（罗茨风机、螺杆泵、往复式柱塞泵等则要用G型）当要求起动转矩较大，加、减速时间较短的时候，最好适当增大变频器的容量。40安装环境 1、环境温度：-1040摄氏度 2、环境湿度：2090%RH，无结露 3、振动：5.9m/s（0.6g） 4、气体杂质：无腐蚀性、爆炸性气体，无金属粉 尘，少尘埃 5、海拔高度：1000m，否则要降额使用41安装距离（1）一、 变频器与电机的距离 EV系列变频器在裕量方面已作了充分考虑，基本能满足150m以内的接线距离的要求。（普通变频器不能超过100m） 如果客观要求必须长距离运行，则要加入仰制高次谐波的交流电抗器。即可防止电机的损坏，还可吸收电机噪音。42安装距离（2）二、 变频器