变频器应用技术ppt课件.ppt
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1、龙岩职业技能学院,机电工程系廖连生,内容大纲,变频器概述,变频器的结构和工作原理,变频器的控制方式,变频器管理注意事项,变频器概述,第一部分,内容大纲,引言:什么是变频器?,顾名思义,变频器就是要改变电压或电流的频率,以改变交流异步电动机转速的机器。英文名称:Inverter,一般译作逆变器。学术解释: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。,变频技术的发展过程,变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。 20世纪60年代后半期开始,电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)、 MOSFET(电力场效晶体管)发展到今天
2、的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、IPM(智能功率模块),器件的更新促使电力变换技术的不断发展。 20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速研究引起了人们的高度重视。 20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。 20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。20世纪90年代,变频技术从V/F控制发展到矢量控制和直接转矩控制,从开环控制到闭环控制,2000年以后,变频技术结合技
3、术,逐步向智能模糊控制方向发展。,我国变频器的应用现状,20世纪90年代初中国企业界才开始认识并认识并尝试使用变频器,得到认可并大量使用是最近几年的事。变频器从一开始进入我国,国外品牌就占据大部分市场份额,同时,国内变频器的研制和生产也在向前发展,目前,国产变频器正在被更多的国内外客户认可和选用。当今,变频器的应用几乎涵盖了国民经济的各个行业,特别是在建材、钢铁、有色金属、采油、石化、纺织等领域应用广泛。采用变频器调速,除了替代过去的老式调速,更多的是用于老式调速无法胜任的新的调速领域。,变频调速效果,变频器的发展趋势,向专用型方向发展向人性化方向发展易用性不断提高功率结构模块化智能化减小谐波
4、影响,一、变频调速的基本原理,三相交流异步电动机的同步转速:n1=(1-s)60f1/p 式中:f1 电动机电源的频率(HZ); p 电动机定子绕组的磁极对数; s 转差率; 可见,在转差率s变化不大的情况下,改变电动机电源的频率f1,则可以平滑地改变电动机的转速。,(附)三种调速方法的特点,变频调速变频调速具有调速范围宽,调速平滑性好,调速前后不改变机械特性硬度,调速的动态特性好等特点。变极调速三相异步电动机的变极调速是有级调速,通过改变磁极对数p,可以得到2:1调速、3:2调速、4:3调速及三速电机等,调速的级数很少。由于磁极对数p取决于定子绕组的结构,而且笼型转子的极数能自动地保持与定子
5、极数相等,所以此调速只适用于特制的笼型异步电动机,这种电动机结构复杂,成本高。 改变转差率调速变转差率调速一般适用于绕线型异步电动机或转差电动机。具体的实现方法很多,比如:转子串电阻的串级调速、调压调速、电磁转差离合器调速等。随着s的增大,电动机的机械特性变软,效率降低。,交流变频调速的特性,调速时平滑性好,效率高。低速时,相对稳定性好。 调速范围较大,精度高。 起动电流低,对系统及电网无冲击,节电效果明显。变频器体积小,便于安装、调试、维修简便。易于实现过程自动化。 目前变频技术已经非常成熟,产品性价比非常高。在恒转矩调速时,低速段电动机的过载能力大为降低。,二、变频器的作用,变频器是利用半
6、导体器件的通断作用将频率固定(通常为工频50HZ)的交流电(三相或单相)变换成频率连续可调的交流电的电能控制装置,如图所示。,三、变频器的分类,1、按用途分: 1)通用变频器:用在普通电动机的控制。 2)高性能专用变频器:用在电动机控制要求较高系统。 3)高频变频器:用在高速电动机,频率可达3KHZ。2、按变换环节分: 1)交交变频器:直接将电网交流电变为可调频调压的交流电输出,没有明显的中间滤波环节,故又称直接变频器。 2)交直交变频器:将电网交流电经整流器转换为直流电,经中间滤波环节后,再经逆变器变换为调频调压的交流电,故又称间接变频器。,变频器的分类(续),3、按直流环节的储能方式分:
7、1)电压型:直流环节的储能的元件是电感线圈L,如图a。 2)电流型:直流环节的储能的元件是电容器C,如图b。,变频器的分类 续),4、按控制方式分:1)PWM :指Pulse Width Modulation,即脉冲宽度调制,改变脉冲电压的宽度(输出时间)以控制输出的电压幅值和频率,可只对逆变部份进行控制 PAM两种;2) PAM :指Pulse Amplitude Modulation的缩写,即脉冲幅度调制,它对变流部份进行控制,把交流变为直流同时改变直流的大小,在逆变部份控制频率输出。 5、按工作原理分:1)V/F控制:对变频器输出的电压和频率同时进行控制,通过使U/F的值保持一定而得到所
8、需的转矩特性。2)转差频率控制:是对V/F控制的一种改进。3)矢量控制:是一种高性能异步电动机控制方式。,变频器的结构和工作原理,第二部分,内容大纲,一、变频器的基本结构,通用变频器大多采用交直交变频变压方式,其基本结构如图所示:,变频器的基本结构原理框图,变频器的基本构成用户接口,主回路接口,控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口,控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口,通用变频器主电路如图所示,它主要由以下几部分组成。,1、变频器的主电路原理框图,变频器的主电路用户接口,组成由VD1VD6构成的三相桥式整流桥。功能将工频电源进行整流,经中间直流环节平波后为逆变器电路和控制电路提供所需
9、的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络再引入整流桥的输入端,以吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压,从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时,整流器件的最大反向电压一般为12001600V,最大整流电流为变频器额定电流的两倍。电源电压为UL,则整流后的平均电压为: UD=1.35UL,1)整流部分,组成C1、C2及RC1、RC2。作用对整流电路的输出进行滤波以减小直流电压和电流的波动。同时,逆变器的负载属感性负载的异步电动机,无论异步电动机处于电动或发电状态,在直流滤波电路和异步电动机之间,总会有无功功率的交换,这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。 R
10、c1和Rc2的作用:一是作放电电阻,关机后将电容上的电尽放放掉;另一个是均压,保持滤波电容上的电压相等。,2)直流中间电路滤波电路,通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容,通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组,以得到所需的耐压值和容量。另外,因为电解电容器容量有较大的离散性,这将使它们的电压不相等。因此,电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻,消除离散性的影响,因而电容的寿命会严重制约变频器的寿命。,直流中间电路滤波电路,限流电阻RL、开关S的作用防止接通电源瞬间,对电容充电的过大电流损坏三相整流桥的二极管。当电容充电到一定程度,令开关S接通,将RL短路掉。电源指示HL除表示电源接通外,
11、还有一个重要功能,即在变频器切断电源后,指示电容器上的电荷是否已经释放完毕。,直流中间电路限流电阻RL、开关S及电源指示HL,直流中间电路能耗电路,组成制动电阻RB和制动单元VB。作用当变频器输出频率下降过快(减速)时,电动机处于发电制动状态,拖动系统动能回馈到直流电路中,使直流电压上升,导致变频器本身的过电压保护电路动作,切断变频器输出。工作原理:当直流中间电路的电压上升到一定值时,制动三极管VB导通,将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。,组成逆变管V1V6构成的三相逆变桥。作用 在控制电路的作用下,将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。最常见的逆变电路结构形
12、式是利用六个功率开关器件(IGBT即绝缘栅双极型晶体管)组成的三相桥式逆变电路,有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断,可以得到任意频率的三相交流输出,3)逆变电路,逆变电源电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时,异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中,寄生电感释放能量提供通道。另外,当位于同一桥臂上的两个开关,同时处于开通状态时将会出现短路现象,并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路,以保证电路的正常工作和在发生意外情况时,对换流器件进行保护。,逆变电路(续),变频器的控制电路就是为变
13、频器的主电路提供通断控制信号的电路。作用完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式模拟控制和数字控制。组成运算电路、信号检测电路、驱动电路和保护电路。,2、变频器的控制电路,变频器控制回路的接口,以上端子均可自由编程,3、变频器的电力半导体器件,晶闸管(SCR)门极可关断晶闸管(GTO)电力晶体管(GTR)功率场效应管(功率MOSFET)绝缘栅双极晶体管(IGBT)智能功率模块(IPM),IPM (智能功率模块),PIM(功率集成模块),目前以IGBT 和PIM使用较多,二、变频器的工作原理单相逆变电路,当开关S1、S2 、 S3 、 S4轮流闭合和断开时,在负载上即可得到波形
14、如图(右图)所示的交流电,完成直流到交流的逆变过程。 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,开关S1、S2、S3、S4用V1、V2、V3、V4开关三极管来代替,变频器的工作原理三相逆变电路,按照一定的规律来控制6个逆变器开关的导通和截止,就可把直流电逆变为三相的交流电。据此得到的交流电压是不能直接用于控制电动机运行的,实用的变频器要复杂的多。,变频器的工作原理V/f控制,V/f控制是在改变变频器输出频率的同时改变输出电压的幅值,以维持电动机磁通基本不变,从而在较宽的调速范围内,使电动机的效率、功率因数不下降。变频调速中,频率变化时,电机阻抗随之发生
15、变化,从而引起励磁电流的变化,使电动机出现励磁不足或励磁过强。励磁不足,电动机输出转矩下降;励磁过强,进入磁饱和状态,励磁电流和功率损耗过大,电动机效率和功率因数下降。采用V/f控制,由于定子阻抗的成在,在工作频率较底时,应适当提高电压U,以增加低频时的转矩。 据 E=4.44k1f1N1m 则 m=E/4.44k1f1N1 而EU1 因此:U1/f1保持不变,m基本不变。,V/f控制(续),V/F控制简单实用,性能一般,使用最为广泛。 例: 对于380V 50Hz电机,当运行频率为40HZ时,要保持V/F 恒定,则 40HZ时电机的供电电压:380(40/50)304V低频时,定子阻抗压降会
16、导致磁通下降,需将输出电压适当提高,变频器的工作原理矢量控制,矢量控制性能优良,可以与直流调速媲美,技术成熟较晚模仿直流电机的控制方法,采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制,保持电机磁通的恒定,进而达到良好的 转矩控制性能,实现高性能控制。性能优良,控制相当复杂,直到90代计算机技术迅速发展才真正大范围使用。,变频器的工作原理脉冲宽度调制(PWM)技术,PWM是脉宽调制技术的简称。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等(等幅不等宽)的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。PWM技术是在保持整流得到的直流
17、电压大小不变的条件下,在改变输出频率的同时,通过改变输出脉冲的宽度,达到改变等效输出电压的一种方法。PWM脉宽调制技术是实现变频变压的一种常用方法。,正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术,PWM输出电压的波形是非正弦波,用于驱动三相异步电动机性能较差。如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化,即使脉冲宽度先逐步增大,然后再逐步减小,则输出电压也会按正弦规律变化。这就是正弦PWMSPWM。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脉冲电压,即输出电流近似正弦变化。,脉冲宽度调制(PWM)原理,PWM技术的基本原理 PWM技
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