变频器的基本原理、特点及维修.doc
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1、 变频器的基本原理及特点 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成,转子绕组做成笼型(见图2),俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时,在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场,它与转子绕组产生相对运动,使转子绕组产生感应电势,出现感应电流,此电流与旋转磁场相互作用,产生电磁转矩,使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速,用N表示 N=60f/p(r/min) (1) 式中:f三相交流电源频率,一般为50Hz;p磁极对数。当p=1时,N=3000r/min;p=2时,N=1500r/min。可见磁极对
2、数p越多,转速N越慢。 转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点,所以称为异步电机,这个差别用转差率s表示: s=n1n)/n1100% (2) 当加上电源转子尚未转动瞬间,n=0,这时s=1;起动后的极端情况n=N,则s=0,即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=(16)%。 综合式(1)和式(2)可以得出 n=60f(1s)/p (3 图1 三相异步电动机结构示意图 图2笼型电动机的转子绕组 由式(3)可以看出,对于成品电机,其磁极对数p已经确定,转差率s变化不大,则电机的转速n与电源频率f成正比,因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速,进而达到异步电机调速的目的。
3、但是,为了保持在调速时电机的最大转矩不变,必须维持电机的磁通量恒定,因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率(VariableFrequency)的同时还要调整电压(VariableVoltage),故简称VVVF(装置)。通过电工理论分析可知,转矩与磁通量(最大值)成正比,在转子参数值一定时,转矩与电源电压的平方成正比。 变频器的工作原理是把市电(380V、50Hz)通过整流器变成平滑直流,然后利用半导体器件(GTO、GTR或IGBT)组成的三相逆变器,将直流电变成可变电压和可变频率的交流电,由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制(SPWM)方法,使输出波形近似正弦波,用于驱动异步
4、电机,实现无级调速。上述的两次变换可简化为ACDCAC(交直交)变频方式。 图3给出国产(深圳华为)变频器的原理图。图中各组成部分名称已经标出,DSP是微机编程器。 利用变频器可以根据电机负载的变化 实现自动、平滑的增速或减速,基本保持异步电机固有特性转差率小的特点, 具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点,这对于水泵,风机等设备是很适用的。 我国应用的变频器,国外产品以日本富士、三菱牌号较多,台湾普传产品也不少,国内有西普(西安)、艾伦(上海)、华为(深圳)、艾普斯(天津)等厂家的产品均在推广应用。图3变频器的结构主电路 一、主电路 给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,称为主电
5、路。图1 示出了典型的电压逆变器的例子。其主电路由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的整流器,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路,以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。另外,异步电动机需要制动时,有时要附加制动回路 。图1 变频器主电路示意图1、整流器 最近大量使用的是二极管的变流器,如图1 所示,它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。 2、平波回路 在整流器整流后的直流电压中,含有电源6 倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时,
6、如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。 3、逆变器 同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6 个开关器件导通、关断就可以得到3 相交流输出。 4、制动回路 异步电动机在再生制动区域使用时(转差率为负),再生能量存于平波回路电容器中,使直流电压升高。一般说来,由机械系统(含电动机)惯量积累的能量比电容能储存的能量大,需要快速制动时, 可用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路(开关和电阻)把再生功率消耗掉,以免直流电路电压上升。 5、异步电动机的四象限运行 根据负载种类,所需要的异步电动机旋转方向和转矩方向是不同的,必须根据负载构成适当
7、的主电路图。在、象限异步电动机的转矩方向与旋转方向一致,为电动状态。象限是正转的电动运转, 象限是反转的电动运转。在,象限器转矩方向与旋转方向相反,为再生状态。象限为正转的再3 生运转,象限为反转的再生运转。电动运转时,则只需由电源向异步电动机供给功率,可使用不可逆变流器。对于减速时需要制动力的负载,功率就必须从异步电动机向逆变器流传,可附加制动回路以便能在,象限使用。另外,对于需要急加减速并且加减速频繁的场所(例如电梯),或者对于制动为主要目的的场合,可以采用可逆变流器,实现-的象限运转。此时,能量向电源反馈而节能变频器的结构控制电路 二、控制电路 给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路
8、提供控制信号的回路,称为控制电路。如图1所示,控制电路由以下电路组成 :频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路,电动机的速度检测电路,将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路,以及逆变器和电动机的保护电路 。 在图1点划线内,无速度检测电路,为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路,即增加速度指令,可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。 1、运算电路 将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。 2、电压、电流检测电路 与主回路电位隔离检测电压、电流等。 3、驱动电路 为驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关
9、断。 4、I/0输入输出电路 图1 为了变频器更好人机交互,变频器具有多种输入信号的输入(比如运行、多段速度运行等)信号,还有各种内部参数的输出(比如电流、频率、保护动作驱动等)信号。 5、速度检测电路 以装在异步电动轴机上的速度检测器(TG、PLG等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 6、保护电路 检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 逆变器控制电路中的保护电路,可分为逆变器保护和异步电动机保护两种图1变频器的一般分类1、 按变换的环节分类: 可分为交-交变频器,即将
10、工频交流直接变换成频率电压可调的交流,又称直接式变频器;交-直-交变频器,则是先把工频交流通过整流器变成直流,然后再把直流变换成频率电压可调的交流,又称间接式变频器,是目前广泛应用的通用型变频器。 2、按直流电源性质分类: (1)电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节,缓冲无功功率,即扼制电流的变化,使电压接近正弦波,由于该直流内阻较大,故称电流源型变频器(电流型)。电流型变频器的特点(优点)是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。 (2)电压型变频器 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容,负载的无功功率将由它来缓冲,直流电压比
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