低压变频器基本原理介绍.doc

低压变频器基本原理介绍：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（Variable Voltage Variable Frequency 即VVVF），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。其基本结构见下图，主电路原理图三相工频交流电经过VD1VD6 整流后，正极送入到缓冲电阻RL中，RL的作用是防止电流忽然变大。经过一段时间电流趋于稳定后，晶闸管或继电器的触点会导通短路掉缓冲电阻RL，这时的直流电压加在了滤波电容CF1、CF2 上，这两个电容可以把脉动的直流电波形变得平滑一些。由于一个电容的耐压有限，所以把两个电容串起来用。电容的耐压就提高了一倍。CF1、CF2两个电容的容量是一样的，虽然标称的容量相同，但是在实际上两个电容的容量不可能一致，造成分压不均。所以给两个电容分别并联了一个均压电阻R1、R2 ，这样，CF1 和CF2 上的电压就一样了。HL 是主电路的电源指示灯，串联了一个限流电阻接在了正负电压之间，这样三相电源一加进来，HL就会发光，指示直流电源送入。直流电压加在了大功率晶体管VB的集电极与发射极之间，VB的导通由控制电路控制，VB上还串联了变频器的制动电阻RB，组成了变频器制动回路。我们知道，由于电动机的绕组是感性负载，在启动和停止的瞬间都会产生一个较大的反向电动势，这个反向电压的能量会通过续流二极管VD7VD12使直流母线上的电压升高，这个电压高到一定程度会击穿逆变管V1V6 和整流管VD1VD6。当有反向电压产生时，控制回路控制VB导通，电压就会通过VB在电阻RB释放掉。当电机较大时，还可并联外接电阻RB。 一般情况下“+”端和P1端是由一个短路片短接上的，如果断开，这里可以接外加的直流电抗器，直流电抗器的作用是改善电路的功率因数。 直流母线电压加到V1V6 六个逆变管上，这六个大功率晶体管叫IGBT（场效应晶体管），基极由控制电路控制。控制电路用来控制某三个管子的导通给电机绕组内提供电流，产生磁场使电机运转。为了保护IGBT，在每一个IGBT上都并联了一个续流二极管，还有一些阻容吸收回路。主要的功能是保护IGBT，有了续流二极管的回路，反向电压会从该回路加到直流母线上，通过放电电阻释放掉。以上讲的是变频器主回路的基本工作情况，下面讲控制电路的作用。控制部分：异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。因此，变频器在逆变过程中，在改变频率的同时，必须同时改变输出电压。要想做到即改变频率，又要调整输出电压，这个工作是由控制电路完成的，变频器控制部分有几种控制方式，介绍如下：（1）脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation 简称PAM）这是最容易想到的方法，即在频率下降的同时，使直流电压也随着下降，从而逆变后的交流电压的振幅也一起下降，下图是其中1相电压波形图。 PAM的含义图a为较高频率的电压波形，周期小而振幅值较高；b是频率较低时的波形，周期长且振幅值较低；利用晶闸管整流来实现PAM，因为线路比较复杂，因为要同时控制整流和逆变两部分，并且晶闸管整流后的直流电压值并不和移相角成线性关系，也使两个部分之间的协调比较困难。（2）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation 简称PWM）通过调节脉冲宽度和各脉冲间的“占空比”来调节逆变后输出电压的平均值，频率较高时，脉冲的占空比大，频率较低时，脉冲的占空比小，但两者的振幅值是一样的。占空比的定义是： 它是脉冲宽度与脉冲重复周期T的比值， D TpT， 它是描绘脉冲疏密的物理量。PWM的优点是不必控制直流侧，因而大大地简化了控制电路，但是电流的谐波分量还是很大的。（3）正弦脉冲宽度调制（Sine Pulse Width Modulation简称SPWM）正弦脉冲宽度调制是脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布，当正弦值较大时脉冲宽度和占空比都大，当正弦值较小时，脉冲宽度和占空比都小。SPWM的显著优点是，由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的矩形脉冲构成的，但通入电动机的电流和正弦波十分接近。见下图 SPWM的含义随着科学技术的不断进步和新型的控制元器件的研发，结合先进的微处理技术，在上述调制原理的基础上，目前的变频器的驱动效果和控制功能十分完善，使变频器输出的电流更接近理想的正弦波，同时为了适应工厂经常使用的风机、水泵等负载，对PWM调制方式作进一步的改进，实现了电压空间矢量控制的PWM调制。由于三相正弦交流电流的合成磁场是一个幅值恒定的圆旋转磁场，电压空间矢量PWM调制的基本思想，就是以标准的圆旋转磁场作为参照来进行脉宽调制，因为是通过控制电压的空间矢量来实现，故成为电压空间矢量PWM调制。介绍变频器的矢量控制：为了改进和解决异步电动机在变频调速时的机械特性，必须在变频调速时使异步电动机的转速也能通过控制两个相互垂直的直流磁场来进行调节，方法一是对给定信号进行处理，二是进行等效变换，最终效果是使变频器获得和直流电动机相仿的调速特性。转速反馈的作用，转速反馈是在变频器外部加装速度反馈装置，使电动机的转速严格地和给定转速保持一致，因此电动机的机械特性是很硬的，并且有很高的动态响应能力。由于矢量控制技术的核心是等效变换，而转速反馈信号并不是等效变换的必要条件，因此出现了无反馈矢量控制方式。所谓无反馈矢量控制，仅仅指用户不需要在变频器外部另加装速度反馈装置，但在变频器内部，反馈不是开环的。由于转速反馈需要在变频器外部附加测速装置，比较麻烦，在了解电动机参数的前提下，即使只检测端电压和电流，也能算出转子磁通和角速度，进而算出所需要的转矩电流，实现矢量控制。无反馈矢量控制也能得到较硬的机械特性，但由于运算环节相对较多，故动态响应能力与有反馈矢量控制相比较略显逊色。变频器中频率的名称和功能：1给定频率：与给定信号相对应的频率为给定频率，2输出频率：暑促频率即变频器的实际输出频率，3频率的显示：在变频器上既能显示给定频率，也能显示输出频率，但是由于电动机的负荷常常是不断变化的，其补偿值也随之变化，在显示输出频率时的输出值是不断变化的，通常只需要显示给定值。基本频率与最大频率1基本频率： 定义：与变频器的最大输出电压相对应的频率称为基本频率。注意，基本频率与给定信号无关。例如，变频器的负载电动机工作电压为380V，50Hz，那么变频器的输出最高电压为380V时，基本频率就是50Hz。2基本频率的预置：在绝大多数情况下，基本频率总是和电动机的额定频率相等。3最大频率：定义：最大频率是与最大给定信号相对应的频率，也是变频器允许输出的最高频率，在任何情况下，变频器的输出频率都不可能超过最大频率。4最大频率的预置：通常根据负载的具体情况来预置，在大多数情况下，是以电动机的额定频率作为最大频率。预置了最大频率，也就预置了基本频率给定线。5上限频率和下限频率：定义：与生产机械所要求的最高转速相对应的频率称为上限频率。 与生产机械所要求的最低转速相对应的频率称为下线频率。6变频器的分类：方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和SPWM控制变频器；按照工作原理（控制方式）分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 变频器的控制方式：（1）V/F控制方式：所谓V/F控制方式，就是通过调节电压与频率的比值来调整变频后电动机特性的控制方式，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，由于变频器频率降低时电压也成比例地降低，那么由于电动机交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成变频器在低速下产生的转矩有减小的倾向。因此，在低频时要使变频器的输出电压提高一些，其电流相应增大，产生的力矩也相应提高，改善了电动机在低转速下的启动特性。通用型变频器基本上都采用这种控制方式。（2）转差补偿（频率）控制方式：转差补偿的实质，是适当提高变频器的输出频率，使电动机因转差而降低了的转速得到补偿。它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。（3）矢量控制方式：矢量控制方式有两种，无反馈矢量控制和有反馈矢量控制，采用矢量控制的基本要领是：要实现矢量控制功能，必须根据电动机自身的参数，进行一系列的等效变换。因此，将电动机的参数预置给变频器，就是实现矢量控制的必要条件，需要输入到变频器的参数有：1 电动机的额定数据；主要有电动机的额定容量、额定电压、额定电流、额定频率、额定转速、磁极对数等。2 定子及转子的参数；主要有每相绕组的电阻和漏磁电感、转子每相等效绕组的电阻和漏磁电感、定子和转子绕组间的互感、空载励磁电流等。3电动机参数的自测定，由于大多数用户难以准确掌握钉子和转子的参数，给充分利用变频器调速的优越性带来困难，因此，大多数新系列的变频器都配置了自测定功能。能够自动地测定电动机的有关参数，步骤如下：1）将电动机脱离负载（实在脱离不开负载，参照变频器说明书规定），2）输入电动机的额定参数，3）使变频器处于“键盘操作模式”，4）将自测功能预置为“自动”方式，5）按下“RUN”键，电动机将按照预置的升速时间升至一定转速，约额定转速的50左右，但后又按照预置的降速时间逐渐降速并停止运行，当显示屏上显示出“自测定结束”时，自整定过程完成，大约为1分半的时间。矢量控制方式的适用范围：在变频器内部，通常以配用容量与变频器要求相吻合的的4极电动机为基本模型进行计算，由于受到变频器内部微处理器容量的限制，变频器对于灵活处理不同电动机参数的能力也就有限，主要的限制有：1 矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下，当一台变频器控制多台电动机时，矢量控制无效。2 电动机容量和变频器要求的配用容量之间，最多只能差一档，在已知电动机容量的情况下，选择变频器时可以增大一级变频器的容量。3 电动机的磁极对数一般以偶数极为宜，电动机的磁极对数较多且需要变频时，须查阅有关说明书（不同变频器对磁极对数的限制不一样）。4 特殊电动机不能使用矢量控制功能，如力矩电动机、深槽电动机、双鼠笼电动机等。5 当电动机与变频器之间的距离超过30米时，需查阅变频器说明书有关说明。有反馈矢量控制：这里所说的反馈，是专指速度反馈，而不涉及其它物理量的反馈。有反馈矢量控制转速信号大多是由编码器测得。编码器的安装分为有轴型和轴套型两种，轴套型可以直接安装在电动机的轴上，安装简单。但是普通的电动机受到轴的长度限制而难以采用。目前有矢量控制型专用电动机，编码器就直接接在电动机的轴上。有反馈矢量控制的控制方式，可以将电动机的机械特性、低频特性、动态响应等做的可以和直流电机一样完美。无反馈矢量控制：不需要外接转速反馈，对于用户讲很方便，但与有反馈矢量控制方式来讲，仍存在着一些差异，如在机械特性方面由于没有速度检测，转速的控制精度稍差；在低频运行的稳定性方面（10Hz），不同品牌的变频器的性能有一定的差异。在一般情况下，无反馈矢量控制适用于调节范围15的场合。在动态响应方面，因为变频器工作时计算需要时间，所以响应能力稍差。总之，对于一些要求有较硬的机械特性，但是调速范围不是很宽，对动态响应要求不是很高的场合，尽量选择无反馈矢量控制方式。（4）转矩控制方式：在大多数情况下，变频器是以频率的大小为控制对象的，但是转矩控制方式是以转矩大小作为控制方式的。转矩控制方式只在“有反馈矢量控制方式”的情况下才能进行。其含义是当变频器被置于转矩控制时，本身无法控制电动机转速的大小，只能通过预置上限频率来限制变频器的最大输出频率。转矩控制方式实际上就是我们通常所讲的恒转矩控制。负载的机械特性：负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。1）恒转矩负载；恒转矩负载的特点是负载转矩与转速无关，任何转速下转矩总保持恒定或基本恒定。应用的场合比如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载。2）恒功率负载； 恒功率负载特点是：恒功率负载的特点是电动机输出的转矩和速度成反比，比如机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等机械要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，转矩不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。3）二次方率负载；这类负载大多以使流体（气体或液体）获得一定的流量为目的，由于流体没有一定的形状，且有一定的可压缩性，其基本特点是；负载的阻转矩与转速的二次方成正比，负载的功率与转速的三次方成正比，