变频器的原理介绍完整版课件.ppt
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1、 变变 频频 器器 原原 理理 一一.变频器的原理与组成变频器的原理与组成 (一一)概述概述:1.定义:转换电能并能改变频率的电能转换装置。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。交流电机:结构简单,价低,动态响应好、维护方便,但调速困难。直流电机:结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大;机械换向直流电机:结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大;机械换向器的换向能力限制了电动机的容量(单机容量器的换向能力限制了电动机的容量(单机容量12000kW14000k
2、W)、电压和)、电压和速度(最高电压速度(最高电压1000多伏、最高转速多伏、最高转速3000r/min)。接触式的电流传输又限制)。接触式的电流传输又限制了其使用场合;电枢在转子上,电动机的效率低,散热条件差。为改善换向了其使用场合;电枢在转子上,电动机的效率低,散热条件差。为改善换向能力,减小电枢漏感,转子变得粗短惯性增大,影响系统的动态响应。能力,减小电枢漏感,转子变得粗短惯性增大,影响系统的动态响应。交流调速飞速技术发展的原因: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;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,矢量控制技术,
3、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。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。(二二)发展趋势与动向发展趋势与动向:IGBT的应用,载波频率可达的应用,载波频率可达16KHz,抑制噪声和机械共震,电机电流,抑制噪声和机械共震,电机电流在低速时波形接近正弦,减少转矩脉动;电压驱动,简化了电路;网侧变流在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。统代表另一新技术动向。无速度传感器矢量控制
4、的速度观测模型,建模方法大体上有:动态速度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。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。机参数的辩识、电机
5、状态估计、系统稳定性分析。l 主控一体化主控一体化 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的DIPIPM(即双列直插式封装)的研制已经完成并推向市场。一种使逆变(即双列直插式封装)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(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)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,此产品型化
6、、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。在市场上极具竞争力。2 小型化小型化 用日本富士(用日本富士(FUJI)电机的三添胜先生的话说,变频器的小)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。为小型化的重要原因。ABB公司将小型变频器定型为公司将小型变频器定型为CompACTM,他向
7、,他向全球发布的全新概念是,小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件全球发布的全新概念是,小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件一样使用简单,安装方便,安全可靠。一样使用简单,安装方便,安全可靠。3 低电磁噪音化低电磁噪音化 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)电路,改善输入电流波形降低电网谐波
8、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推崇半谐振方式,这种开关控制方式在3050M时的噪声可降低时的噪声可降低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ACC系列,系列,用于交流电梯的用于交流电梯的 Siemens MICO340系列和系列和FUJI FRN5000G11
9、UD系列,其他系列,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。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,日本安川提出了以变频器,伺服装置,控制器及功能向集中型发展。最近,日本安川提出了以变频器,伺服装置,控制器及通讯装置为中心的通讯装置为中心的”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
10、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。制将是基本条件。若希望把转矩误差控制在若希望把转矩误差控制在3%以内,需要对磁通变化作修正以内,需要对磁通变化作修正(补偿励磁电补偿励磁电抗引起的饱和及定子铁损的变化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;若希望把转矩误差控制在1%以内,需要以内,需要对定子和转子的铁损进行补偿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:电机和负载间刚性耦合,高矩阵式变频器、直接驱动技术(高精度: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,部件速和高加速度
11、、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需维减少可降低噪声,磨损部件只有旋转或直线轴承,做到永久性润滑和无需维修的一次性装配,可实现零保养。修的一次性装配,可实现零保养。(三三)交流电机的调速方法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、变频调速等速、变频调速等 (四四)变频器的构成变频器的构成:主回路(整流器、中间直流环节、逆变器)主回路(整流器、中间直流环节、逆变器)控制回路控制回路保护回路保护回路(五五)变频
12、器的分类变频器的分类:1、按直流电源性质分、按直流电源性质分:电流型、电压型电流型、电压型(1)电流型电流型 Id趋于平稳;四象限运行趋于平稳;四象限运行(2)电压型电压型 Ed趋于平稳;不选择负载的通用性趋于平稳;不选择负载的通用性(3)电流源供电时交流电机工作特性电流源供电时交流电机工作特性:多功能控制板多功能控制板主回路主回路图图(五五)交交-直直-交变频器结构图交变频器结构图 图图(六六)电压型与电流型交一直一交变频器电压型与电流型交一直一交变频器a)电压型变频器 b)电流型变频器变频器输出电压方波经变频器输出电压方波经L/R积分为电流波形近似为正弦波积分为电流波形近似为正弦波特点名称
13、特点名称电压型变频器电压型变频器电流型变频器电流型变频器储能元件储能元件电容器电容器电抗器电抗器波形的特点波形的特点电压波形为矩形波电压波形为矩形波电流波形近似正弦波电流波形近似正弦波电流波形为矩形波电流波形为矩形波电压波形为近似正弦波电压波形为近似正弦波回路构成上回路构成上的特点的特点 有反馈二极管有反馈二极管直流电源并联大容量直流电源并联大容量电容(低阻抗电压源)电容(低阻抗电压源)电动机四象限运转需要再生用变流器电动机四象限运转需要再生用变流器无反馈二极管无反馈二极管直流电源串联大电感直流电源串联大电感(高阻抗电流源)(高阻抗电流源)电动机四象限运转容易电动机四象限运转容易特性上的特特性
14、上的特点点负载短路时产生过电流负载短路时产生过电流转距响应较慢转距响应较慢输入功率因数高输入功率因数高负载短路时能抑制过电流负载短路时能抑制过电流转距响应快转距响应快输入因素低输入因素低电压型变频器和电流型变频起对比电压型变频器和电流型变频起对比 a、电机起动转矩小;、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、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。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。负子磁势用于励磁,气隙中产生很强
15、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
16、源驱动下的实际上,电流源不是真正的恒流源,等效为电压源驱动下的恒流源。恒流源。R1X1X2R2/SxmIIII121m图图(七七)异步电机在恒流源供电时异步电机在恒流源供电时的等值电路的等值电路 由戴维南定理,开路电势和由戴维南定理,开路电势和 等效内阻:等效内阻:m1thXIE2mgXXX22m22m12)XX()SR(XII由此求出由此求出I2:电磁转矩:电磁转矩:)XX()SR(f2XIn3SRI3npnPT22m2212m21p2221pm1p1m(1)nT电压源供电转矩转电压源供电转矩转-速特性速特性电流源供电转矩转电流源供电转矩转-速特性速特性图图(八八)电流源供电机转矩电流源供电
17、机转矩-转速特性转速特性 由(由(1)式画出其转矩)式画出其转矩-转速转速特性如图特性如图7。并求出最大转矩和。并求出最大转矩和临界转差率:临界转差率:)xx(f4XInT2m12m21pmax2m2mxaXXRS 电压源供电的情况下,最大电压源供电的情况下,最大转矩出现在转矩出现在 的的)XX(RS212mxa地方。由于地方。由于 ,所以在恒流源供电时,最大转矩出现在转,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,起动转矩很转速特性成尖峰状,起动转矩很小,小,稳定运行的范围很窄。稳定运行的范围很窄。1mXX 2、按输出电压的调节
18、方式分类、按输出电压的调节方式分类:(1)PAM方式方式 脉幅调节,改变直流电压幅值的调压方式。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。相控整流器;直流斩波器。(2)PWM方式方式:整流器为二极管,变频器的输出电压由逆变器按整流器为二极管,变频器的输出电压由逆变器按PWM方式完成。方式完成。SPWM-输出电压平均值为正弦波的输出电压平均值为正弦波的PWM方式。方式。3、按控制方式、按控制方式:(1)V/F控制控制 逆变器的控制脉冲发生器同时受控于逆变器的控制脉冲发生器同时受控于f和和v,而,而v与与f的关系的关系由由v/f决定。决定。开环控制,无开环控制,无PG控制电路简
19、单,通用性强,经济性好,用于速度精度控制电路简单,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。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转差补偿的闭环控制方式,可达到直流双闭环的水平。平。(3)矢量控制矢量控制: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,又控制方向向.要求动态性能较高的场合使用。要求动态性能较高的场合使用。4、按主电路使用的器件、按主电路使用的器件IGBT GTR GTO SCR IGCT MOSFET IPM5、按使用的电压、按使
20、用的电压高压变频器高压变频器(210KV)低压变频器低压变频器(380V 660V)正弦脉宽调制技术图解正弦脉宽调制技术图解二、二、PWM技术技术n 1、定义:利用半导体器件的开通和关断,把直流电压变成一定形状的、定义:利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。谐波为目标的一门技术。2、数学分析:、数学分析:f(t)t 221221221100000000)()()()sincos()(ttttttntdtfbtdtfatdtfatnbtnaatfnnnn(1)图图(九九)脉冲波
21、形图脉冲波形图 f(t)为奇函数,由付立叶级数的性质为奇函数,由付立叶级数的性质:f(t)=-f(t),则则a0=a0=020002221sin)(sin)(ttdntfttdntfbttn设设f(t)幅度为幅度为1,则,则2011)(tttf(2)在方波的半波内斩为在方波的半波内斩为m个脉冲,斩角分别为个脉冲,斩角分别为m21则对于奇数则对于奇数n和奇数和奇数m有有:mkknkmnnnnnnttdnttdnttdnb11222cos)1(coscoscossinsinsin22124321(3)对于奇数对于奇数n和偶数和偶数m 有有:mkknkmmnnnnnnttdnttdnttdnb112
22、22cos)1(coscoscossinsinsin22114321(4)于是,由于是,由(3)和和(4)式对于式对于奇数奇数n和任意的和任意的m均有均有:211210:cos)1(mknmkknb式中(5)对于奇函数,偶次谐波为零,仅有奇次谐波,即:对于奇函数,偶次谐波为零,仅有奇次谐波,即:tntfnnsin)(127.5.3.1n各次谐波的幅值为各次谐波的幅值为:52322531FFF则相隔和与设,6321tntfnnsincos)(612(6)各次谐波的幅值为各次谐波的幅值为:5335031FFF 讨论:讨论:(1)利用利用PWM技术可控制逆变器的输出波形,使谐波技术可控制逆变器的输出
23、波形,使谐波 含量减少。含量减少。(2)谐波的减少是以减少基波幅度为代价。谐波的减少是以减少基波幅度为代价。3、SPWM (1)自然采样法自然采样法 (2)规则采样法规则采样法图图(十十)三相三相SPWM变变频器输出波形频器输出波形 三、异步电机变频调速控制策略三、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变频器控制的对象是电机,首先研究电机等效图 (一一)等效图等效图:1、转子电势、转子电势:转子电势的频率为转子电势的频率为f2,转子旋转后,由于转子导体与磁,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,此时场之间的相对运动速度
24、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,一相的电势为转子不动时,一相的电势为:E2=4.44f1w2 kw2 (2)式中式中:W2-转子一相绕组匝数转子一相绕组匝数 KW2-转子绕组系数转子绕组系数 转子旋转后一相的电势为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、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)式中式中:R2-转子一相电阻值转子一相电阻值 X2S-转子旋转后一相的漏抗转子旋
25、转后一相的漏抗 X2S=其中其中:X2-转子不动时一相的漏抗转子不动时一相的漏抗 X2=L2 L2-转子旋转后一相的漏电感转子旋转后一相的漏电感 图图(1)转子等值电路图转子等值电路图S2E2IRX222IjSE2SXLSfLf2212222 且且:E1=4.44f1W1KW1 由于由于E1I1ZI,于是于是:.3、定子电势平衡方程、定子电势平衡方程:式中式中:Z1=R1+I1X1 U1定子相电压定子相电压 E1定子一相绕组的感应电势定子一相绕组的感应电势 I1定子相电流定子相电流 R1定子一相绕组的电阻定子一相绕组的电阻 X1定子一相绕组的漏抗定子一相绕组的漏抗 X1=L1R1 x1图图(2
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