通用变频器原理及应用

1、1，2020/7/27，通用变频驱动与应用，四川机电学院，电子与电气工程系，2，2020/7/27，学习情境2:变频器的结构与原理分析-1，学习情境2:变频器的结构与原理分析-1，知识目标：1。了解矢量控制逆变器的基本原理；2.了解不同分类方法的各类变频器中一般变频器的特点；3.掌握通用变频器的基本结构和原理；4.掌握通用变频器SPWM控制的实现及其优点。1.掌握IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统的组成。2.掌握SPWM和矢量调制模式下的伏安曲线测量方法。4，2020/7/27，2.1概述，2.1.1变频调速概述，1。前言DC调速系统具有优良的静态和动态性能指标，所以在过去很长一段时间里

2、，大多数调速传动领域都是DC电机调速系统。如今，由于全控制电力电子器件(如BJT和IGBT)的发展，SWPM专用集成电路(ASIC)的发展，交流电机矢量转换控制技术的发展以及单片机的应用，交流调速的性能得到了很大的提高，在很多方面可以替代DC调速系统，尤其是各种通用变频器的出现，使得交流调速逐渐成为电力拖动的主流。5，2020/7/27，通用变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便、易于与其他设备接口等一系列优点，因此得到广泛应用，具有显著的社会效益和经济效益。目前有：ab ACS系列、西门子MICROMASTER系列和6SE70系列、富士电机公司FRN-

3、G9S/P9S系列、三菱电机FRA540/FR-F540系列、安川VS-616G5系列、三肯SAMCO-I/IP系列等。6，2020/7/27，(1)西门子，图2-1 MICROMASTER 4(MM4)系列(通用变频器)，图2-2 SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE7系列(工程变频器)，7，2020/7/27，(2)ABB，图2-3 ACS图2-4 FR-A540，FR-F540，FR-A241E，FR-F700系列，8，2020/7/27，3。交流调速传动概述目前，人们所说的交流调速传动主要是指采用电力电子变换器的交流电机变频调速传动。除变频以外的其他简单调速方案，如变极调

4、速、定子调压调速、滑动离合器调速等。仍在某些场合使用，但由于它们的性能不佳，它们最终将被变频调速所取代。交流调速技术的快速发展与一些关键技术的突破性进展有关，如电力电子器件(包括半控和全控器件)制造技术、基于电力电子电路的功率转换技术、交流电机矢量转换控制技术、直接转矩控制技术、脉宽调制技术以及基于微机和大规模集成电路的全数字控制技术等。9，2020/7/27，2.1.2通用变频器概述。众所周知，DC调速系统具有优良的静态和动态性能指标。在很长的历史时期内，调速传动领域基本上被DC电机调速系统所垄断。DC电机虽然具有调速性能好的优点，但也有一些难以克服的固有缺点，主要是机械换向器带来的缺点。1

5、.DC电机与交流电机的比较，10，2020/7/27，(1)DC电机的缺点是维护工作量大，事故率高；容量、电压、电流和速度的上限都受换流条件的限制，不能应用于某些大容量和超大容量的速度控制领域；使用环境是有限的，尤其是在易燃易爆的情况下。(2)交流电机的优点容量、电压、电流和速度的上限不像DC电机那样受到限制。结构简单，成本低；经久耐用，事故率低，易于维护。11，2020/7/27，但交流电机最大的缺点是调速困难，而且简单调速方案的性能指标不好。随着交流电机调速理论问题的突破和调速装置(主要是变频器)性能的提高，交流电机调速性能差的缺点得到了克服。目前，交流调速系统的性能可以与DC调速系统相媲

6、美，甚至超过DC调速系统。12，2020/7/27，在20世纪60年代中期，普通晶闸管和低功率晶体管的实际应用使得交流电机的变频调速变得实用。晶闸管同步电动机自控变频调速系统、电压型或电流型晶闸管变频器笼型异步电动机调速系统(包括非变频方案的绕线转子异步电动机串级调速系统)相继投入实际使用，使变频调速成为交流调速的主流。2.通用变频器开发，2020年7月27日。在接下来的20年里，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度发展，变频调速驱动技术也取得了飞速的进步。这种进步表现在以下几个方面：(1)变频装置的大容量已接近某些大型生产机械主传动用DC电机容量等级的极限值，DC调速方案的设计和制造难度很大

7、。为了适应大容量高压电机，直接高压脉宽调制逆变器被用来控制高压电机，发展迅速。如下图2-5所示。14，2020/7/27，图2-5 GTO三电平电压型脉宽调制逆变器主电路，15，2020/7/27，(2)主开关器件的自关断近十年来，大功率自关断电力电子器件发展迅速，其中“门极关断晶闸管”(GTO)、双极晶体管(BJT)、自关断器件被用来省去电路复杂、体积大的强制换向电路，这不仅可以减小器件的尺寸，而且还可以减小器件的体积同时，由于开关频率的提高，变换器可以采用脉宽调制控制，不仅可以降低谐波损耗和转矩脉动，还可以提高快速性和功率因数。有很多优点。据统计，目前，IGBT；用于1500千瓦以下变频器

8、中的开关器件；GTO用于10007500千瓦。16，2020/7/27，(3)变频装置的高性能早期的变频调速系统基本上采用U/F控制，不能获得快速的转矩响应和较差的低速特性(负载能力差)。1971年，德国西门子公司发明了所谓的“矢量控制”技术。取代了传统的只控制交流功率(电压、电流、频率)大小的方法，实现了一种既控制大小又控制相位的新控制思想。通过坐标变换实现定子电流磁场分量和转矩分量的解耦控制，使交流电机具有像DC电机一样良好的调速性能。17，2020/7/27，多年来，人们围绕矢量控制技术做了大量的工作，而现在矢量控制这种交流电机调速的新原理，已经在实践中得到广泛的应用，它与DC调速系统相

9、同甚至更多，并且可以完全取代DC调速系统。20世纪90年代初，一些轧机在大型初轧机的快速可逆系统中采用了“交-交变频”的矢量控制系统，现在则采用了“交流-DC-交流电压源变频器”的矢量控制系统。实践证明，它完全能够满足生产工艺的要求，达到了以往DC调速系统的性能指标。18，2020/7/27，(4)脉宽调制技术的应用。自关断器件的发展为脉宽调制技术铺平了道路。目前，几乎所有的变频调速装置都采用这种技术。脉宽调制技术可以改善变频器的输出波形，降低电机的谐波损耗，减小转矩脉动，简化逆变器结构，加快调节速度，提高系统的动态响应性能。脉宽调制技术不仅用于逆变器控制，也用于整流器控制。研制成功的脉宽调制

10、整流器，可以实现正弦输入电流，功率因数为1。人们称脉宽调制整流器为“绿色”交流转换器，不会污染电网。19，2020/7/27，(5)控制模式全数字化等。全数字控制模式大大提高了信息处理能力。模拟控制无法实现的复杂控制如今已成为现实。微处理器和大规模集成电路的引入对变频器的推广起着决定性的作用。全数字控制具有以下特点：高精度：数字计算机的精度与字长有关，变频器采用16位甚至32位微机作为控制机，精度不断提高。稳定性好：因为控制信息是数字的，不会随时间漂移。与模拟控制不同，它通常不会随温度和环境条件而变化。高可靠性：微机采用大规模集成电路，系统中硬件电路的数量大大减少，相应的故障率也大大降低。20

11、，2020/7/27，具有良好的灵活性：系统中的硬件正朝着标准化和集成化的方向发展，复杂的控制功能可以在尽可能少的硬件支持下由软件完成。如果软件被适当地修改，系统的功能可以被改变或者其性能可以被改善。强大的存储容量：存储容量大，存储时间几乎是无限的，这是模拟系统无法比拟的。利用该特征，大量数据或表格可以存储在存储器中，并且通过使用查找表方法可以简化计算并且可以提高操作速度。逻辑运算能力强：易于实现自诊断、故障记录和故障查找功能，大大提高了变频装置的可靠性、可用性和可维护性。21，2020/7/27，2.2变频器的简单原理(U/f控制)，前言：为负载提供可变交流功率的装置称为变频器。在交流异步电

12、动机的多种调速方法中，变频调速性能最好，调速范围宽，静态稳定性好，运行效率高。通用变频器用于笼型异步电动机的速度控制，具有使用方便、可靠性高、经济有效等优点，因此逐渐得到推广。22，2020/7/27，2.2.1交流调速的基本方案可从电气工程的基本公式中看出：(公式2-1)，(公式2-2)，(公式2-3)，23，2020/7/27。可见，异步电动机的调速方案包括：变交流调速的分类如下：24，2020/7/27，分析：变极对数调速是分级的；转差调速，不同步调速，阻力能耗高，低速时效率低；只有在串级调速的情况下，才能利用滑差功率，效率高。变频调速是交流电机的理想调速方案，它能保持从高速到低速的小转

13、差，效率高，调速范围宽，精度高。频率控制方法可分为变压变频调速、矢量控制变频调速和直接转矩控制变压变频调速。25，2020/7/27，2.2.2异步电动机变频调速的基本控制方式(U/f控制)，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通m不变，这就要求降低电源频率和降低感应电动势，保持E1/f1=不变，即保持电动势与频率之比不变进行控制。这种控制也称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。1。低于基频的恒定通量变频调速，26，2020/7/27。说明：T由异步电动机的转矩公式T=KmI2cos2(公式2-4)(转矩常数Km，转子电流I2，转子回路功率因数cos2)得出，即“恒磁通变频调速”属于“恒

14、转矩调速方式”。然而，E1很难被直接发现和控制。频率高时，E1值和f1值高，定子漏抗压降(主要是定子电阻压降)相对较小。如果忽略不计，定子相电压U1与频率f1的比值可以近似保持不变，即U1=E1，并且在这种情况下，可以人为地适当增加定子电压，以补偿定子电阻压降的影响，从而使气隙磁通基本保持不变。保持E1/f1=的关系近似恒定。如图2-6所示(参见教材P67的图2-4)，其中1为U1/f1=C时电压与频率的关系，2为有电压补偿时电压与频率的关系(近似E1/f1=C)。28，2020/7/27，图2-6 U1/f1关系1-U1/F1=C 2近似于E1/f1=C，这是考虑从基频向上调速的情况。频率从

15、额定值f1N向上增加，但电压u1；受额定电压U1N的限制，它不能再上升，只能保持U1=U1N不变。主磁通不可避免地会随着f1的增大而减小，这相当于DC电机弱磁调速的情况，属于近似恒功率调速模式。2。基频以上弱磁变频调速，29，2020/7/27，(1)异步电动机变频调速的基本控制方式(图2-7)，图2-7异步电动机变频调速的控制特性，3结论，30，2020/7/27，(2)异步电动机变频调速的机械特性(图2 (3)VVVF(变压变频)异步电动机必须按照一定的规律同时改变其定子的电压和频率，即： 需要通过变频装置获得电压和频率可调的电源，从而实现所谓的VVF(变压变频)调速。32，2020/7/

16、27，2.2.3变频器的基本组成，由主电路(整流器、中间DC环节(中间DC储能环节)、逆变器)和控制电路组成，如图2-9所示。图2-9变频器的基本组成，33，2020/7/27，变频器名称说明：对于交流-DC-交流变频器，当不涉及能量传输方向的变化时，我们通常简单地将变频器一称为整流器，将变频器二称为逆变器(见图2-9)，图中的一、二、三统称为变频器(日本数据统称为)。实际上，对于再生能量回馈逆变器，一、二转换器都可以有两种工作状态：整流器状态和逆变器状态。当讨论涉及到变换器工作状态的转换时，I和II不再被称为“整流器”和“逆变器”，而是被称为“网侧变换器”和“负载变换器”。34，2020/7/27，2.3变频器分类，前言：变频器一般分为“交流-交流变频器”和“交流-DC-交流变频器”，如图2-10所示。图2-10变频器A)交流-交流变频器B)交流-DC-交流变频器的结构框图，35，2020/7/27。交-交变频器在结构上没有明显的中间DC环节(或“中间DC储能环节”或“中间滤波环节”)，来自电网的交流功率直接转换成电压频率可调的交流功率，交-DC-交变频器有明显的中间DC环节。工