变频器工作原理及应用

1、电工培训班,课堂须知： 1、请将手机关机或置于静音状态； 2、上课期间自觉遵守纪律；,本次讲课的内容主要分为4个方面： 一、变频器的概念和用途； 二、变频器及电器传动的基础知识； 三、变频器的应用现状和发展趋势 四、变频器使用注意事项,模块一、 变频器的概念和用途,变频器的概念 变频器的用途,三相交流电网 3 AC, 400V, 50 Hz,一、变频器的概念和用途,变频器的概念,变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是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。,变频器的概念,基本概念 （1） VVVF 改变电压、改变频率（

2、Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写。 （2） CVCF 恒电压、恒频率（Constant Voltage and Constant Frequency）的缩写。 ,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200V/60Hz（50Hz）或100V/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”。,变频器的组成,变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。,通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，

3、根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。,变频器的保护功能,变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。,变频器保护功能,由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等， 要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。 超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重 新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。,变频器的保护功能,现在通用变频器不但在产品性能上有很大提高，而且 自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，熟悉这

4、些 功能对于正确使用变频器极其重要。 过电流 逆变器过载 过电压 熔断器烧断 欠电压 存储器出错 散热板过热 通讯出错 外部报警输入 CPU出错 变器过热 自整定出错 动机过载,为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。,变频器选型选型原则,考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。 要准确选型，必须要把握以下几个原则： 充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要 求较高的场合则需考虑选用矢量变频

5、器，否则选用通用变频器即可 了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型 了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。,变频器选型选型原则,确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该 电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素，如 选用的是通用变频器，则可以选择P型机 以下情况要考虑容量放大一档： 1、长期高温大负荷 2、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场 3、目标负载波动大 4、现场电网长期偏低而负载接近额定 5、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）,变频器选型选型原则,充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。 对于

6、变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则： 以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器 民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上 电网品质恶劣或容量偏小的场合 如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机 以下情况要选用交流输出电抗器 变频器到电机线路超过100米（一般原则） 以下情况一般要选用制动单元和制动电阻 提升负载 频繁快速加减速 大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）,变频器选型选型原则,变频器的用途比较广泛，无论是在生产还是咱们的日常生活中，都有所应用。 变频器在公司生产中得到广泛的应用： 例1、生产、生活中的恒压泵供水系统； 例2

7、、高炉上料小车的控制； 例3、球团厂的回转窑旋转控制； 例4：炼钢连铸机的引锭杆的控制； 例5：炼钢厂转炉的倾动控制等等；,变频器可用于家电产品： 例1、公共场所使用的中央空调； 例2、家庭中还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。,下面就简单举几个例子对变频器的应用进行讲解。,例1 . 水泵节能恒压供水,图101 供水系统示意图,压力变送器,生 活 小 区,操 作 室,420mA,回 转 窑,出料口,R S T,U V W,进 料 口,减速箱,F U,I,t,例2 . 球团回转窑主驱动变频调速示意图,UF1 UF

8、2 UF3 UF4,UF,UF5 UF6,P L C,计算机,四台拉矫机变频器,结 晶 器 变 频 器,连 铸 钢 锭,切断机,喷 水 系 统,冷却水,钢水,浇铸钢包,钢 锭 连 铸 示 意 图,结晶器,输送辊道变频器,液 压 系 统,例3 ：,例4. 双泵双变频器 PID 调节,U V W,R S T,P I D 调节器,R S T,U V W,RP微调,V+,V-,VI2,GND,II,GND,II,+,-,4 20mA,电动机,电动机,压力传感器,水 泵,水 泵,U F,U F,例5：中央空调冷却水循环系统工艺图,水 泵,电动机,制 冷 机 组,冷 却 塔,温度变送器,冷却风扇,U V

9、W,R S T,GND,II,V+,VI1,RP,4 20mA,Q,Q,Q,U F,模块二、 变频器的基础知识,变频器基础知识简要工作原理,整流部分,储能环节,逆变部分,M,控制系统,交流,交流低压交直交通用变频器系统框图,直流,直流,交流,整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波 逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦,变频器基础知识简要工作原理,单相逆变电路工作原理,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,f1,f2,Ed,U1,逆变器

10、的功能： 通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率 通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序,变频器基础知识简要工作原理,S1,S4,S5,S2,S3,S6,U,V,Ed,W,561,UUV,UVW,UVW,612,123,234,345,456,561,612,三相逆变电路,Ed,缺点： 输出电压的谐波分量太大 电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机 转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳 直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题,电机,变频器基础知识简要工作原理,SPWM调制,PWM（Pulse Width Moduration）调制 PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关

11、断把直流电压调制成电压可变、频 率可变的电压脉冲列。 SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得 到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获 得理想的控制效果：输出电流近似正弦 载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同 GTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题,电气传动基础知识电气传动系统概述,定义 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 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

12、,直流输出,皮带轮、齿轮箱等,风机、泵等,直流 电机,交流 调速 装置,交流输出,执行机构,变频器,电气传动基础知识电气传动的目的和意义,目的 根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输 出转矩,意义,注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能,电气传动基础知识电气传动系统基本工作原理,电力传动系统运动方程式,T电机转矩T负载转矩加速运行 T电机转矩T负载转矩减速运行 T电机转矩T负载转矩恒速运行,电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素 加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关,T电机转矩T负载转矩,电气传动基础知识电气传动系统工作原理,

13、速度模式： 以保持转速恒定为目的，如常规调速系统（电梯、各类生产线）。控制设 备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，恒速时电机转矩 肯定等于负载转矩 转矩模式 以控制电机转矩恒定为目的，如：开卷/收卷，恒速时电机转矩肯定等于 负载转矩，但电机的运转速度不确定。 如果电机转矩始终大于负载转矩，则速度持续上升直至设备限速或损坏 如果电机转矩始终小于负载转矩，则速度为0或最低（下限）速度 为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护,T电机转矩T负载转矩,电气传动基础知识电气传动系统负载特性,传动机构,电动机,生产机械,负载特性,摩擦恒转矩 生产流水线 起重行走,速度,T负载转矩,势能恒转

14、矩 电梯 起重机提升,恒功率 （速度越低， 负载转矩越大） 机床 开卷机/收卷机,变转矩 （速度越低，负载 转矩越小） 风机水泵,负载转矩大小于与转速无关,电气传动基础知识交（直）流电气传动系统的特点,直流电气传动系统特点： 控制对象：直流电动机 控制原理简单，一种调速方式 性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化） 电机设计功率受限 电机易损坏，不适应恶劣现场 需定期维护,交流电气传动系统特点： 控制对象：交流电动机 控制原理复杂，有多种调速方式 性能较差，对硬件要求较高 电机无电刷，无换向火化问题 电机功率设计不受限 电机不易损坏，适应恶劣现场 基本免维护,70年代以前直流占统治

15、地位 交流调速只在大功率电机调速上使用,变频器基础知识交流电气传动系统的发展历程,交流异步电机的机械特性公式,n60f/p(1-s) n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数 s：转差率,T：电机力矩,N：速度,n0,负载1,异步机机械特性,负载2,交流同步电机的机械特性公式,n60f/p n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数,n0,负载1,负载2,T：电机力矩,同步机机械特性,早,晚,发 展 时 间,变频器基础知识交流电气传动系统的发展历程,在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用 三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、

16、经久耐用且价格低廉 还是在一些性能较低的传动现场使用,变频器基础知识变频器及其特点,变频器 变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可 变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency） 变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极,变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）,变频器在调速的地位,在采用了变频器的交流抱动系统中，异步电动机的调速控制，是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，可以通过控制变频器的输出频率，使电动机工作在较宽广的调速范围

17、内：并可以达到提高运行效率的目的。,变频器在调速的地位,通用性变频器的调速范围可以达到1：100以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1：1000。 当采用矢量控制方式的变频器，对异步电动机进行调速时还可以直接控制电动机的输出转矩。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合，在控制性能方面，可以超过高精度直流伺服电动机的控制性能。,模块三、 变频器应用现状 及发展趋势,起步较晚 已进入 “黄金时期” 国外品牌 国内品牌 变频调速的效果 市场空间,我国变频器的应用现状,向专用型方向发展 向人性化方向发展 易用性不断提高,变频器的发展趋势,功率结构模块化 智能化（信息化） 优化

18、电网接口,模块四、 变频器使用注意事项,变频器使用注意事项,1严禁将变频器的输出端子U、V、W连接到AC 电源上。 2变频器要正确接地，接地电阻小于10。 3变频器存放两年以上，通电时应先用调压器逐渐升高电压。存放半年或一年应通电运行一天。,变频器使用注意事项,4变频器断开电源后，待几分钟后方可维护操作，直流母线电压（P+，P-）应在25V以下。 5. 避免变频器安装在产生水滴飞溅的场合。 6. 不准将P+、 P-、PB任何两端短路。,变频器使用注意事项,7. 主回路端子与导线必须牢固连接。 8. 变频器驱动三相交流电机长期低速运转时，建议选用变频电机。 9. 变频器驱动电机长期超过50HZ运

19、行时，应保证电机轴承等机械装置在使用的速度范围内，注意电机和设备的震动、噪音。,变频器使用注意事项,10. 变频器驱动减速箱、齿轮等需要润滑机械装置，在长期低速运行时应注意润滑效果。 11. 变频器在一确定频率工作时，如遇到负载装置的机械共振点，应设置跳跃频率避开共振点。 12. 变频器与电机之间连线过长，应加输出电抗器。,变频器使用注意事项,13. 严禁在变频器的输入侧使用接触器等开关器件进行频繁启停操作。 14. 电机首次使用或长期放置后使用，必须对电机进行绝缘检测。使用500V电压型兆欧表检测，电机绝缘电阻大于5M。 15. 对电机绝缘检测时必须将变频器与电机连线断开。,变频器使用注意事

20、项,16. 在变频器的输出侧，严禁连接功率因数补偿器、电容、 防雷压敏电阻。 17. 变频器的输出侧严禁安装接触器、开关器件。 18. 变频器在海拔1000米以上地区使用时，须降额使用。,变频器使用注意事项,19. 变频器输入侧与电源之间应安装空气开关和熔断器。 20. 变频器输出侧不必安装热继电器。,变频器使用注意事项,21. 变频器使用寿命 影响变频器寿命的元件大致有三种： 自身冷却风扇 上电时限流电阻短路接触器 中间环节大容量电解电容,变频器使用注意事项,注意：前两个元件是机械磨损元件，一般寿命为五年，第三个元件规定为五年，一般情况下五年后测量一下电容值，如果小于额定值的80%就应更换，

21、实际上，如果变频器一直连续运行，电解电容可用十年。 控制线应与主回路动力线分开，控制线采用屏蔽电缆。,变频器使用注意事项,22. 变频器与负载的配置 变频器长期工作电流 I变长=I电115% （ I电- 电动机额定电流） 变频器短期工作电流（可持续12分钟） I变短=I变150% （I变- 变频器额定电流） 变频器瞬时工作电流（可持续数秒钟） I变瞬= I变180%,变频器原理及应用,变频器的调速原理,变频器的调速原理,改变输入频率 （无级调速）变频器,N=60F/P,P：极对数,F：频率,N：转速,改变极对数 （有级调速）,交-直-交变频器的主要结构框图,单向逆变桥,变频方法,三相逆变桥,变

22、频器的输出和频率,即：变频的同时变压，也叫VVVF,变频又变压方法PWM,利用调制波与三角波信号比较后获得一系列等幅不等宽的脉冲序列。 原理：利用三角波载波作为信号与调制信号（一般为正弦波）相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。 改变调制波的电压脉冲频率时，输出电压基波的频率也随之改变，降低调制波的幅值时，各段脉冲宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减少。,变频又变压方法PWM,SPWM,SPWM的实现单极性,SPWM的实现双极性,提问：, 1.可否用万用表，测量变频器的输出电压？ 2.变频器输出的是什么波形？,变频器的控制方法电动机调速基础,Td = Km Fs Fr sin,Td:电

23、动机的电磁转矩 Km：比例系数 Fs， Fr ：三相矢量中的任意两个矢量的模 ： Fs和 Fr的夹角,电动机统一转矩公式,电动机磁通矢量图,由电动机统一转矩公式可知，电动机的电磁转矩和三个磁通矢量中的任意两个矢量的模和夹角有的余弦成正比，所以要控制电磁转矩就必须控制任意两个矢量的模和夹角,变频器的控制方法U/F,1.恒U/F控制(属于标量控制),定子电动势有效值为: E=4.44F :电动机气隙磁链 F:电动机工作频率,为避免电动机因频率的变化而导致磁路饱和引起励磁电流增大,功率因数和效率降低,需要维持气隙磁通,所以在调节F时,E也回相应地变化,即:E/F=K(恒定值),变频器的控制方法矢量控

24、制,8.1 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。,变频器的控制方法矢量控制,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

25、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。,变频器的控制方法矢量控制,无传感器和有传感器的矢量控制,根据在实行矢量控制时，是否需要转速反馈的特点，而有无反馈和有反馈矢量控制之分。 无反馈矢量控制是根据测量到的电流、电压和磁通等数据，简接地计算出当前的转速，并进行必要的修正，从而在不同频率下运行时，得到较硬机械特性的控制模式。由于计算量较大，故动态响

26、应能力稍差在许多场合，安装编码器不方便，同时也是为了 降低成本，要求使用无编码器系统。例如安装空 间较小，控制精度要求不高的场合。 有反馈矢量控制则必须在电动机输出轴上增加转速反馈环节，如图中的虚线所示。由于转速大小直接由速度传感器测量得到，既准确、又迅速。与无反馈矢量控制模式相比，具有机械特性更硬、频率调节范围更大、动态响应能力强等优点。,变频器的控制方法直接转矩控制,3.直接转矩控制（基于定子磁场定向）,直接转矩控制的原理框图,电动机变频调速时的机械特性 n :定常系数,当TT*时，T0=1,磁场加速 n增大，转矩增加； 当TT*时，T0=0，磁场不变，电 动机转子因惯性使n减小，转矩 减

27、小。,矢量控制与直接转矩控制,负载,恒转矩负载 恒功率负载 风机泵类负载,普通异步电动机与变频电机区别,一、普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。以下为变频器对电机的影响 1、电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1（u为调制比）。 高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所

28、对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%20%。,普通异步电动机与变频电机区别,2、电动机绝缘强度问题 目前中小型变频器，不少是采用PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上

29、，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。,普通异步电动机与变频电机区别？,。 3、谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。 4、电动机对频繁启动、制动的适应能力 由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。,电机的极数对其选用有何影响？,电机的极对数越多，电机的转速就越低，但它的扭距就越大；在选用电机时，您要考虑负载需要多大的起动扭距，比如象带负载起动的就比空载起动的需要扭距就大，如果是大功率大负载起动，还要考虑降压启动（或星三角启动）；至于在决定了电机极对数后和负载的转速匹配问题，则可考虑用不同