变频器的原理与应.ppt
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1、变频器的原理与应用,希望森兰科技股份有限公司,一.变频器的原理与组成(一)概述:1.定义:转换电能并能改变频率的电能转换装置。2.交流调速技术发展的概况与趋势:交流电机:结构简单,价低,动态响应好、维护方便,但调速困难。直流传动的薄弱环节:换向器的存在;单机容量受限12000kW14000kW、最高电压1000多伏、最高转速3000r/min。交流调速飞速技术发展的原因:电力电子器件制造技术;电力电子电路的变换技术;PWM技术,矢量控制技术,直接转矩控制技术;微机和大规模集成电路基础的数字控制技术。,(二)发展趋势与动向:,IGBT的应用:载波频率可达16KHz,抑制噪声和机械共震,电机电流在
2、低速时波形接近正弦,减少转矩脉动;电压驱动,简化了电路;网侧变流器的PWM控制;矢量控制变频器技术的通用化,无速度传感器矢量控制系统代表另一新技术动向.,无速度传感器矢量控制的速度观测模型,建模方法大体上有:动态速度估计器;模型参考自适应方法;基于PI调节器法;自适应转速观测器法;转子齿谐波法;滑模观测法等.,感应电机是一多变量,强耦合及时变参数系统,围绕它有若干研究课题:,电机参数模型的离散化;电机参数的自测定;电机定子电流的控制;电机参数的辩识;电机状态估计;系统稳定性分析.,(二)发展趋势与动向:,l主控一体化 日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上的DIPIPM(即双列直插式
3、封装)的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路达到一体化,智能化和高性能化的HVIC(高耐压IC)SOC(System on Chip)的概念已被用户接受,首先满足了家电市场低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望,随着功率做大,此产品在市场上极具竞争力。2小型化 用日本富士(FUJI)电机的三添胜先生的话说,变频器的小型化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化,功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因。ABB公司将小型变频器定型为CompACTM他向全球发布的全新概念是,小功率变频器应当象接触器、软起动
4、器等电器元件一样使用简单,安装方便,安全可靠。3低电磁噪音化 今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC,国际标准,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正(Active Power Factor Correction APFC)电路,改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式,这种开关控制方式在3050M时的噪声可降低1520dB。4专用化通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。其目的是更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载的 ARB ACC系列,用于交流电梯的 Siemens MICO
5、340系列和FUJI FRN5000G11UD系列,其他还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。5系统化 作为发展趋势,通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。最近,日本安川由机提出了以变频器,伺服装置,控制器及通讯装置为中心的”D&M&C”概念,并制定了相应的标准。目的是为用户提供最佳的系统。因此可以预见在今后变频器的高速响应器件和高性能控制将是基本条件。,若希望把转矩误差控制在3%以内,需要对磁通变化作修正(补偿励磁电抗引起的饱和及定子铁损的变化);若希望把转矩误差控制在1%以内,需要对定子和转子的铁损进行补偿.矩阵式变频器、直接驱动技术(高精度
6、:电机和负载间刚性耦合,高速和高加速度、高动态响应、高机械刚度和可靠性、低噪声和零保养,部件减少可降低噪声,磨损部件只有旋转或直线轴承,做到永久性润滑和无序维修的一次性装配,可实现零保养。,(三)交流电机的调速方法:调压调速,电磁调速,绕线式电机转子串电阻调速,串级调速,变极调速,变频调速等(四)变频器的构成:,主回路(整流器、中间直流环节、逆变器)控制回路保护回路,(三)交流电机的调速方法(四)变频器的构成:,(五)变频器的分类:,1.按直流电源性质分:电流型,(1)电流型 Id趋于平稳;四象限运行,(2)电压型 Ed趋于平稳;不选择负载的通用性,(3)电流源供电时交流电机工作特性:,(五)
7、变频器的分类:,a,电机起动转矩小;b.能够稳定运行范围窄,在大部分的转速范围内是电机运行不稳定区.,原因:恒流源供电时,定子磁势是恒定的.空载时,全部定子磁势用于励磁,气隙中产生很强的磁场,铁心高度饱和.负载增加时,转子减速而转差率增大,转子电流增加.由于转子电流的去磁作用,气隙合成磁场减小,磁场变弱,先退出饱和,磁场变化缓慢,而未随转子电流的增加磁场很快变弱,导致端电压急剧下降,单位转子电流产生的转矩减小,导致转子电流进一步增大,形成恶性循环,使转矩很快下降到较小数值.,实际上,电流源不是真正的恒流源,等效为电压源驱动下的恒流源.,2.按输出电压的调节方式分类:,(1)PAM方式,图6 异
8、步电机在恒流源供电时的等值电路,由戴维南定理,开路电势和等效内阻:,由此求出I2:,电磁转矩:,(1),电压源供电转矩转-速特性,电流源供电转矩转-速特性,图7-电流源供电机转矩-转速特性,由(1)式画出其转矩-转速特性如图7。并求出最大转矩和临界转差率:,电压源供电的情况下,最大转矩出现在 的地方。,由于,所以在恒流源供电时,最大转矩出现在转差率,小得多的地方。电机转矩-转速特性成尖峰状,起动转矩很小,稳定运行的范围很窄。,脉幅调节,改变直流电压幅值的调压方式.,相控整流器;直流斩波器.,(2)PWM方式:,整流器为二极管,变频器的输出电压由逆变器按PWM方式完成.,SPWM-输出电压平均值
9、为正弦波的PWM方式.,3.按控制方式:,(1)V/F控制 逆变器的控制脉冲发生器同时受控于f和v,而v与f的关系由v/f决定.,开环控制,无PG控制电路简单,通用性强,经济性好,用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合.,(2)转差频率控制 转差补偿的闭环控制方式,可达到直流双闭环的水平.,(3).矢量控制:,基于电机动态模型的控制方式,既控制量的大小,又控制方向.要求动态性能较高的场合使用.,4.按主电路使用的器件,IGBT GTR GTO SCR IGCT MOSFET IPM,5.按使用的电压,高压变频器(210KV)低压变频器(380V 660V),二.PWM技术,1.定义:利
10、用半导体器件的开通和关断,把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列,以实现变频,变压及控制和消除谐波为目标的一门技术.2.数学分析:,(1),f(t)为奇函数,由付立叶级数的性质:f(t)=-f(t),则a0=a0=0,设f(t)幅度为1,则,(2),在方波的半波内斩为m个脉冲,斩角分别为,则对于奇数n和奇数m有:,(3),对于奇数n和偶数m 有:,(4),于是,由(3)和(4)式对于奇数n和任意的m均有:,(5),对于奇函数,偶次谐波为零,仅有奇次谐波,即,各次谐波的幅值为:,(6),各次谐波的幅值为:,讨论:(1)利用PWM技术可控制逆变器的输出波形,使谐波含量减少.(2)谐波的减少是以减少基
11、波幅度为代价.3.SPWM(1)自然采样法(2)规则采样法,三.异步电机变频调速控制策略,变频器控制的对象是电机,首先研究电机等效图(一)等效图:1.转子电势:转子电势的频率为f2,转子旋转后,由于转子导体与磁场之间的相对运动速度减小,转子感应电势的频率也随之减小,此时:f2=f1S(1)转子不动时,一相的电势为:E2=4.44f1w2 kw2(2)式中:W2-转子一相绕组匝数 KW2-转子绕组系数,转子旋转后一相的电势为:E2 S=4.44f2W2Kw2=4.44f1SW2KW2=E2S(3)2.转子电势平衡方程:当转子无外加电阻,自成短路时,其一相等值电路如图:=(r2+X2S)(4)式中
12、:R2-转子一相电阻值 X2S-转子旋转后一相的的漏抗 X2S=其中:X2-转子不动时一相的漏抗 X2=L2 L2-转子旋转后一相的漏电感,图(一)转子等值电路图,且:E1=4.44f1W1KW1 由于E1I1ZI,于是:,.3.定子电势平衡方程:式中:Z1=R1+I1X U1定子相电压 E1定子一相绕组的感应电势 I1定子相电流 R1定子一相绕组的电阻 X1定子一相绕组的漏抗 X1=L1,r1 x1,图(二)定子等值电路图,=-,+,Z1(5),或者 U1 E1=4.44f1W1KW1(4)折合算法:等式两端除以S又,X2S),X2)(6),R2 X2,图(三)转子电路值图,(7),上消耗的
13、电功率代表旋转电机转子轴上输械功率.,折合关系:,(8),(9),m1,m2分别为定子相数和转子相数电阻:(10)式中:K=Ke K1,(11),折算后(6)式为:,(12),(7)式为:,(13),(四)异步电机折算后转子一相等值电路图,(5).等值电路:实用上,为简化问题,常用一个和异步电机等效,数值上相等的电路表示异步电机,称为等值电路.于是:,图(五)异步电机等值电路图,Xm=LmLm励磁电感,(二)机械特性:假设:忽略铁心磁饱和,忽略铁损,忽略空间和时间谐波.由异步电机等值电路图,S,(二)机械特性:,(14),式中:,由于:Pm=T,(15),(16),式中:np极对数;-同步角速
14、度.(16)式为异步电机的机械特性方程式.讨论:,(1)当S一定时,T与U1平方成正比.由(16)式可画出不同电压的机械特性曲线:,对(16)式求导:dT/dS=0,得临界转差率:,(17),临界转矩为:,图(六)异步电机不同电压下的机械特性,S,(2)带恒转矩负载时,普通笼型电机变电压时的稳定工作点为A,B,C,转差率的变化范围不超过0-Sm,调速范围小.(3)为了能在恒转矩负载下扩大变电压调速范围,应增大转子电阻,这就要求电机转子绕组有较高的电阻值,此时电机机械特性曲线如图示,由图可见恒转矩负载下调速范围扩大了,而且堵转时也不会烧坏电机,但机械特性很软.一般采用闭环工作,这种电机叫力矩电机
15、.(三)电压频率协调控制下的机械特性:由(16)式表明,电机带负载稳定运行时,对于同一种负载要求,即以一定的转速(或转差率),在一定的负载转矩下运行,电压U1与频率f1有多种配合,电压U1与,图(七)力矩电机机械特性曲线,频率f1的不同配合,机械特性也不相同,因此有不同的电压频率协调控制.1.恒压频比控制(U1/f1=常数):为充分利用铁心,近似地保持 为常数,发挥电机产生转矩的能力.由:U1 E1=4.44f1w1kw1 U1/f1=4.44w1kw1,1.恒压频比控制(U1/f1=常数):,由(16)式:,当S极小时,忽略分母中的含S各项得:,(18),结论:(1).当U1/恒值时,对于同
16、一转矩,基本不变,即在U1/=恒值时,机械特性是一族平行曲线。,图(八)恒压频比控制时变频调速机械特性,由图可见:当转矩增大到最大值以后再降低,特性曲线又折回来.频率越低时最大转矩越小,对于T表达式有:(忽略分母中电抗),当U1/=恒值时,T随 的降低而减小,当很低,T太小,调速系统带载能力差,采用补偿定子的压降,可提升转矩.,(19),2.恒功率控制:,若保持 正比于1/f1,即Tf1=1则电磁功率为:,随f1的升高,转矩特性曲线变软,Tmax也随f1的提高而减小.由于受定子电压地限制,通常保持U1=U1N近似恒功率运行方式.,2.恒功率控制:1 3.恒Er/控制,3.恒Er/控制:,若把电
17、压/频率协调控制中的电压U1相对地再提高一点,把转子漏抗上的压降也抵消掉,就得到恒Er/控制,其机械特性如下:,图(十)不同电压频率协调控制下的机械特性a-Er/bU1/,图(九)异步电机稳态等效电路和感应电动势,Er转子全磁通感应电动势.由图可见:,(20),不作任何近似就得出,机械特性T=f(s)完全是一条直线,这与直流电机特性相同.又,(21),保持=C,则T与 成线性关系,这种关系不因定子频率的改变而改变,与f1无关.小结:采用U1/f1=C控制的变频器属于第一代产品,大多采用16位CPU,是恒气隙磁通控制方式,即用若干条曲线来协调U1与f1的关系.机械特性基本平行下移,机械硬度尚可,
18、能满足一般调速,要求,但低速转矩差,须补偿.恒压频比控制变频器是一种转速,开环的控制系统动.静态要求不高的生产机械经常使用.(1).利用人为选定V/f曲线的模式,很难根据负载转矩变化恰当地调整电机矩转.负载冲击或起动过快,有时会引起过流跳闸.,所以根据定子电流调节变频器电压的方法,并不反映负载矩转,因此,定子电压也不能根据负载转矩变化恰当地改变电磁矩转,特别在低速下,定子电压的设定值相对较小,采用人为选定V/f曲线或自动补偿,实现准确的补偿是困难的.由于定子电阻的压降随负载改变,当负载较重时,可能补偿不足;负载较轻时可能产生过补偿,磁路饱和.(2)采用V/f控制方式,无法准确的控制电机实际转速
19、.电机的转速,不全取决于定子频率,而由转差率(负载)决定.因此V/f控制方式静态稳定度不高.,(3).转速极低的时转矩不够.,(4).这类变频器采用硬件中断过流跳闸,当保护电路的时间常数选择不当时,保护电路的可靠性令人怀疑.事实上时间常数选择颇费脑筋,大保护灵敏度不够;小抗干扰能力差,不得不折衷考虑.(三)转速闭环,转差频率控制:,1.转差频率控制的基本概念:,转速开环变频器系统可满足一般平滑调速的要求,但动,静态性能有限.要提高动,静态性能,首先用转速反馈的闭环控制.,任何一个机电传动系统,有:,(22),(三)转速闭环,转差频率控制:1.转差频率控制的基本概念:,由(22)式可知:提高系统
20、的动、静态性能,主要控制转速的变化率,显然控制转矩就能控制。,直流控制与电流成正比,控制电流就能控制转矩.交流调速中,需控制的是电压(电流)和频率,如何通过控制电压(电流)和频率来控制转矩?交流异步电机中,影响转矩的因素较多,转矩表达式为:,(23),由(14)式:,直流控制与电流成正比,控制电流就能控制转矩.交流调速中,需控制的是电压(电流)和频率,如何通过控制电压(电流)和频率来控制转矩?交流异步电机中,影响转矩的因素较多,转矩表达式为:,直流控制与电流成正比,控制电流就能控制转矩.交流调速中,需控制的是电压(电流)和频率,如何通过控制电压(电流)和频率来控制转矩?交流异步电机中,影响转矩
21、的因素较多,转矩表达式为:,(24),考虑到电机结构参数Cm与其他各量的关系,对比(24)式与(16)式:,(16),当电机稳态运行时,S很小,因而 也很小,一般为 的2%5%,因此近似认为:则得到:,(25),上式说明:在S很小的范围内,只要维持 不变,T就近似与 成正比(负载转矩增大,则 增大,输出转矩增大).这与直流电机一样,达到间接控制转矩的目的,控制 就代表控制转矩.2.转差频率控制的规律:,(26),上面只是找到转矩与转差频率近似正比的关系,可以用来表明,2.转差频率控制的规律:,转差频率控制的基本概念,现推导具体的控制规律:,(1).控制规律一-转差频率控制来代表控制转矩,由图:
22、当 较小时,T与,Tmax,Tm,T,图(十一)恒定控制时T=f()曲线,成正比;当=时,T=Tmax,取dT/dS=0则,因此,转差频率控制的系统中,只要给 限幅,使其限幅值为:,(27),就可以保持T与 的关系,也就可以用转差频率控制来代表控制转矩.(2).控制规律二-保持 恒定,图(十二)异步电机等值电路图,忽略铁心磁饱和,铁损时 与I0成正比,(28),代入(28)式:,取等式两端相量的幅值,(29),I1,I0,图(十三)保持 恒定时 函数曲线,讨论:当 不变(I0不变),I1与,函数关系如图(十三),(1)当=0时,I1=I0,在理想空载时定子电流等于励磁电流.(2)若 增大,(2
23、9)式中分子中含 项的系数大于分母中含 项的系数,因此I1增大.(3)当 时,(4)为正,负值时,I1对应不变,曲线轴对称.按(29)式的关系控制定子电流就能保持 恒定.,优点与不足:(1)频率控制环节输入转差信号,而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的,因此在转速变化过程中,实际频率 随实际转速 同步地上升或下降,与转速开环系统频率的给定信号与电压成正比的情况相比,加.减速更平滑,且容易稳定.,优点与不足:,(2)由于在动态过程中转速调节器饱和,系统能以对应于 的限幅转矩Tm进行控制,保证了允许条件下快速性.,因此,转差频率闭环系统具备了直流电机双闭环控制系统的优点,是一比较优越的
24、控制策略,结构也不复杂,有广泛的应用价值.但是:如果认真考查其静,动态性能就会发现,基本型转差频率控制系统还不能达到直流双闭环的水平,其原因是:,(2)电流调节器只控制电流的幅值,并未控制电流的相位,而在动态过程中电流的相位若不及时赶上去,将延缓转矩的变化.,(3)是非线性的,无论采用何种方式产生,都是近似的,存在一定误差.,(4)在频率控制环节中,使实际频率 随实际转速 上升或下降,这本是转差频率控制的优点,但是若测速信号不准确和有干扰,也会造成误差.,(1)分析转差频率控制规律时,是从电机稳态等效电路和转矩公式出发的.只在稳态时成立,动态过程中 的变化未研究,但肯定不恒定,势必影响动态性能
25、.,(四).电压空间矢量控制:(磁链跟踪控制),(四).电压空间矢量控制:,图(14)电压空间矢量,按照电压所加绕组的空间位置来定义,如图(14)A,B,C分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线,三相定子相电压UAO,UBO,UCO分别加在三相绕组上,可定义三个电压空间矢量uAO,uBO和uCO,它们的方向始終在各相的轴线上,而大小随时间按正弦规律作脉动方式,相位互差120,度。三相电压空间矢量相加的合成矢量u1是一个旋转的,空间矢量,它的幅值不变,是每相电压值的3/2倍;当频率不变时,它以电源角频率 为电气角速度作同步旋转。,同理,可定义电流和磁链的空间矢量I和。,分别为三相电压,电
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