变频器原理及应用王博文

1、变频器的基本原理及应用东区机电：王博文东区机电：王博文 ABB GroupJanuary 7, 2012 | Slide 2目录传动基本概念-传动是什么变频器基本原理 -变频器作用变频器基本结构 -变频器组成变频器功能及应用SINAMICS GSINAMICS S电气传动系统概述电气传动系统概述v 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传动基本概念变频器0-50HZ可调三相交流电网（

2、3AC 400V 50HZ）三相异步电动机转速可调传动基本概念传动的主要组成部分传动基本概念n = (1-s) 60 f / p电机转速公式三相异步电机的调速方法变极调速变频调速改变转差率调速变频器的发展史变频器的发展史变频器的发展变频器相关技术（即发展基础）变频器相关技术（即发展基础）电力电子技术电力电子技术 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

3、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(Digital Signal Processor, DSP )、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit, 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

4、制理论的不断进步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。网络技术网络技术局域网，互联网，远程监控；Profibus BUS , Interbus-S,Device NET, I/O Interface变频器的发展变频器的概念变频器（变频器（Variable-frequency Drive，VFD） 应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备 各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均220V/60Hz（50Hz）或1

5、10V/60Hz（50Hz）。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器基本原理变频器是什么？电源平波电容整流逆变直流电压电源电压输出电压输出电压的平均值是正弦波马达逆变部分整流部分整流部分储能环节逆变部分M交流变频器基本原理变频器的工作原理交流低压交直交通用变频器直流直流交流控制系统整流器：将交流电变换成直流电逆变器：将直流电转换成交流电变频器基本原理交一交变频器交一交变频器v 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

6、低速拖动系统中。交一直一交变频器交一直一交变频器v 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。 类别作用主要构成器件主回路整流部分将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分将直流转换为频率电压均可变的交流电，输出无相序要求IGBT制动部分消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT 和制动电阻,大功率制动单元外置上电 缓冲降低上电冲击电流，上电结束后接触器自动吸合，而后变频器

7、允许运行限流电阻和接触器储能部分保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态MCU( 单片机）控制电路交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护DSP( 戒两个MCU）变频器基本原理变频器基本原理结构件：散热器温度传感器 检测散热器温度，确保模块温度正常风扇变频器基本结构变频器主电路变频器各种功能变频器各种功能软启动功能软启动功能 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：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

8、方式形方式 ：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。半半S形方式：形方式：用用户设定的拐角点确定曲线来控制，加减速方式。 ABB变频器简介变频器的多种功能变频器各种功能变频器各种功能起动频率与暂停加速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X

9、S%对应的频率，如图(b)所示。变频器的多种功能变频器各种功能变频器各种功能起动频率与暂停加速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。变频器的多种功能变频器各种功能变频器各种功能电动机各种停机功能电动机各种停机功能电动机的停机方式 : 在变频调速系统中，电动机可以设定的

10、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 。变频器的多种功能 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

11、而准确地无限接近于控制目标。 PID反馈控制主要是通过温度、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。 变频器各种功能变频器各种功能PID反馈控制功能反馈控制功能变频器的多种功能 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)

12、，并可能导致机械损坏的严重后果。变频器各种功能变频器各种功能回避频率（跳跃频率）功能回避频率（跳跃频率）功能变频器的多种功能其他基本功能其他基本功能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。变频器各种功能变频器各种功能程序控制频率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:

13、 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。变频器的多种功能变频器的作用变频器的作用(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

14、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，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器结电动机加上一个直流电压，进行制动，而无需另加制动控制电路。(三)以提高工艺水平和产品质量为目的的应用(四)提高电网质量 由于它在电机启动时实现了很好的软启动功能，使电动机在启动时不会对电网造成巨大的冲击。同时

15、由于它大量地使用了晶闸管等非线性电力电子元件，使变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，给电网带来高次谐波的干扰； 变频器越来越广泛的运用于风能和太阳能发电，在其中它也起到提高电能质量的作用。变频器的多种功能应用范围应用范围风机水泵 空调系统 传送负载 提升机 锅炉系统供水、输油装置 起重设备 风能发电位势负载 冶金、玻璃辊道 拉丝设备 注塑设备 污水处理装置低速造纸 螺杆输出装置 化工装置染整装置 高速造纸 机床设备 化纤装置纺织机械变频器的应用变频技术与家用电器和新

16、能源变频技术与家用电器和新能源 20世纪70年代，家用电器开始逐步变频化，出现了变频电冰箱、变频空调器、变频洗衣机、电磁烹饪器、变频照明器具、变频微波炉、IH(感应加热)饭煲等。 20世纪90年代后半期，家用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。 首先是电冰箱，由于它处于全天工作，采用变频制冷后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声，节能效果更加明显。 其次，空调器使用变频后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。 风能和太阳能发电都用到了变频技术，实现电源的优化。 变频器的应用 例例一一 、水泵节能恒压供水水泵