1、变频器调速技术 主要内容 概述变频器基本原理变频器构成变频器的应用 概述 自80年代以来 随着工业生产对自动化需求程度的提高和社会节能环保意识的加强 变频调速器的应用越来越普及 变频器产品也从以大功率双极晶体管 GTR 为主的时代发展为以绝缘栅晶体管 IGBT 为主的新时代 变频器广泛应用于 石油 化工 冶金等大型生产线 装备制造业 如电力机车 塔吊 机床 纺织机械 印刷包装机械 线缆行业等 民用行业 商用空调 电梯 供水 家电 健身器材等 什么是变频器 各国使用的交流供电电源 无论是用于家庭还是用于工厂 其电压和频率均为400V 50Hz或220V 50Hz 等等 把电压和频率固定不变的交流
2、电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作 变频器 为了产生可变的电压和频率 该设备首先要把电源的交流电变换为直流电 DC 把直流电 DC 变换为交流电 AC 用于电机控制的变频器 既可以改变电压 又可以改变频率 基本原理 变频器所拖动的电机为感应式交流电动机 也称交流异步电动机 在工业中所使用的大部分电机为交流异步电动机 异步电机转速公式 n 120 f p 1 s n 电机转速 r min f 电源频率 Hz p 电机磁极数s 转差率 基本原理 变频器综合了电子技术 电机控制 计算机技术 控制技术等多种技术为一体 是一种广泛应用于各行各业的电力电子设备 它通过控制电机的旋转速度来满足各行业的
3、需求 控制模式 变频器一般有三种基本方式可选择 有速度传感器矢量控制 闭环矢量无速度传感器矢量控制 开环矢量V F控制 变频器优缺点 优点 调速方便 相对与调压调速 转子电子调速等 节能 与具体负载 使用情况有关 启动电流小 对电网冲击小 与直接启动比 功能多样 有利于自动化生产 提高生产效率及自动化水平 缺点 对其他设备干扰大 输出电压是PWM波形 对电机温升及绝缘有不利影响 调试 维护等需要一定的技术水平 变频器主回路原理 各大部分作用 整流部分整流部分与三相交流电源相连接 把交流输入电源整流成脉动的直流电源 整流器有两种基本类型 可控的和不可控的 中间电路中间电路由大电解电容和均压电阻组
4、成 主要作用是把脉动的电压稳成平滑的直流电压 给逆变部分提供平稳的电源 同时提供开关管的脉动电流 逆变部分逆变模块在控制电路和软件的控制下把直流电压逆变成电压和频率可调的交流电压 输出给交流电机 从而控制电机的转速 实现需要的各种功能 控制电路控制电路是整个系统的核心电路 系统所实现的各种不同的功能主要是由其控制电路决定的 控制电路将信号传递给整流器 中间电路和逆变器 同时也接受其反馈信号 控制电路的结构和复杂程度取决于不同的变频器设计 交直流电抗器的作用 解决电网的谐波问题 减小变频器对电网的传导干扰减小整流桥的冲击电流 解决电网的谐波问题减小整流桥的冲击电流 减小变频器的输出干扰问题 解决
5、变频器长线输出振荡问题 避免过高的振荡电压对电机造成伤害 输入电抗器的作用 输入电抗器和直流电抗器 在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量 5次谐波 7次谐波 所占的比重是较高的 它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外 还因为它们消耗了大量的无功功率 使线路的功率因数大为下降 在输入电路内串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法 根据接线位置的不同 主要有以下两种 输入交流电抗器 串联在电源与变频器的输入侧之间 其主要功能有 通过抑制谐波电流 将功率因数提高至 0 75 0 85 削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击 削弱电源电压不平衡的影响 直流电抗器的作用 直流电抗器 串联在整流桥和滤波电
6、容器之间 它的功能比较单一 就是削弱输入电流中的高次谐波成分和减小浪涌电流 但在提高功率因数方面比交流电抗器有效 可达0 95 并具有结构简单 体积小等优点 其他区别 1 输入电抗器对于变频器的传导干扰有抑制作用 直流电抗器没有 2 电网输入电压不平衡时 由于三相电流有耦合的缘故 直流电抗器会引起输入电流的不平衡 而输入电抗器则没有这一问题 3 电压利用率 由于输入电抗器位于交流输入侧 电抗器上的交流压降会对电压利用率有一定的影响 4 成本差异 由于直流电抗器工作时 负载电流是连续的流过直流电抗器 而输入交流电抗器的三个线包是间断地流过电流的 因此直流电抗器的利用率要高 反映在成本上就是 在满
7、足同样的谐波电流要求的情况下 输入交流电抗器的成本要比直流电抗器高很多 输出电抗器的作用 b 输出电抗器 输出电抗器也分为两种 普通的输出电抗器 参数及要求与输入电抗器相同 和正弦波电抗器 正弦波电抗器用于把变频器输出的PWM调制波滤波成正弦波电压波形 主要应用于特殊场合 在此不作讨论 下面主要分析普通的输出电抗器 为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源 为减少电磁噪声和损耗 在变频器输出侧可设置输出电抗器 它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成分 尤其是当变频器输出到电机之间的距离较长时 由于变频器输出的是具有高dV dt的PWM调制波 输出长电缆之间存在的较大的分布电容会造成变频
8、器的输出电压在电机侧产生很高的振荡电压 一方面使得对外界的干扰加剧 另一方面过高的振荡电压也会影响电机的使用寿命 在这种场合 增加输出电抗器是非常有效的措施 变频器基本构成 基本构成 变频器软件 性能软件 烧制在DSP板上的DSP中 其核心是根据电压及负载电流 来控制6个逆变IGBT的导通与关断 从而控制电机的运转 指标 电机出力的大小 加减速的性能 各种各样的保护等等 功能软件 满足客户的要求 诸如 何时运行 何时停止 正传 反转 端子控制 键盘控制 输出故障信号等要求 主回路器件 整流桥 3 7KW 15KW 整流桥与逆变IGBT 制动管等封装在一起 称为PIM 逆变IGBT 3 7KW
9、15KW 整流桥与逆变IGBT 制动管等封装在一起 称为PIM 18 5KW 22 30KW的整流桥与逆变模块分开 都是六管封装 37KW以上的整流桥与逆变模块是双管封装 大电解电容 作用 储能和滤波 控制板 主控制电路板 控制板 驱动电路板 三相整流桥 IGBT 整流桥与IGBT 电容 变频器和软起动器的区别 软起动器软起动器是一种智能化的降压起动器 在起动电机时可以有效地控制和限制起动电流 同时可减少对电机及其驱动的设备的机械应力 软起动可以将机械从零速平滑地加速到额定转速 也可以控制平滑地减速到零速在只需要软起动和软停止而不需要调速的场合可以使用软起动器软起动器为了降低起动电流 必须实施
10、降压起动 同时降低了起动转矩变频器变频器可以实现软起动和软停止也可以根据负载的变化和系统的要求调节速度和改变输出转矩电机起动后可以不以工频转速运行变频器在起动电机的同时不必降低起动转矩结论从功能上 变频器可以取代软起动器 但软起动器不能取代变频器从成本上 变频器高于软起动器 但其优势自不待言 变频器快速增长的原因 节能 尤其是风机 泵和压缩机应用通过减少传动环节的应力提高机械设备的使用寿命减少电机中的电流冲击 从而延长电机的使用寿命可以使用通用的鼠笼式异步电机 价格低廉 安装维护简单 易于采购变频器内无接触器和其他运动部件 是固态设备 可靠性高 变频器对电气方面的影响 频繁的起停控制由于变频器
11、可以进行软起 所以可以对电机和负载进行频繁的起停和正反转控制 而不需要过多考虑电机的热容量电气保护变频器将电机屏蔽于电气扰动之外从电机侧不能看到电网的瞬间波动轻微的电网不平衡不影响电机的平衡运行变频器可提供电机过载 堵转 短路等的精确保护 从而避免电机的过载和堵转 效率变频器的效率很高 可以最大限度地降低电机的损耗 变频控制的效率远远优于其它的调速方式 变频器对供电系统的影响 软起动变频器近乎理想的起动电流最大程度地减少了对供电系统的扰动对其它设备的影响几可忽略不计可以减少变压器 开关 电缆及其保护装置的容量 节省投资 对于有备用发电机的场合 发电机的容量可以减少30 50 功率因数变频器的相
12、移功率因子接近于1 对于很轻的负载也是如此 从而可以省却功率因数补偿的投资 短路容量通过变频器 电机不再产生对电网的短路电流 从而可以减少开关的容量 变频器带来的负面影响及其对策 谐波电流变频器中的整流环节从电网吸收非正弦电流 其中包括很多谐波电流谐波电流的抑制通常通过直流电抗器或交流电抗器来解决当变频器负载超过供电容量的30 40 或没有安装电抗器 就必须评估谐波电流的影响变频器带来的谐波效应远远低于同等容量的直流调速装置射频干扰伴随PWM 脉宽调调制 的高速切换形成射频干扰变频器设计时需要考虑抑制这种射频干扰 例如采用射频干扰滤波器对于异常敏感的场合需要安装附加射频干扰滤波器电机噪声变频器
13、的传统设计会给电机带来额外的噪声通过提高开关频率可以降低电机噪声在额定频率和额定负载下比直接运行带来的电机噪声增加量不超过2 3dB一般来讲 在低于额定频率和负载下 噪声比工频运行还要小 负载类型 变频器的选型和应用 首先要考虑的就是负载的类型负载可以分为三大类恒转矩负载例如输送带 提升 钻床 挤出机 容积泵变转矩负载例如离心风机 离心泵恒功率负载例如磨床 高速车床 绕线筒等根据不同的负载类型 以及其它功能和性能的要求 选择对应系列的变频器 恒转矩负载 在整个运行的速度范围内 需要相同大小的负载当转速变化时 负载转矩保持不变所需功率与转速成正比通常转速限制在基本频率以内 变转矩负载 负载转矩是
14、转速的函数 在低速下需要较小的转矩 而在高速下需要较大的转矩只有两类典型的负载 离心泵和离心风机额定转速以下设备产生的流量与泵或风机的转速成正比设备产生的压力与泵或风机转速的平方成正比设备消耗的功率与泵或风机转速的立方成正比 变转矩负载 对于变转矩的离心风机和泵 所需功率与流量成正比是节能的原理所在 当所需的流量为额定流量的一半时 意味着所需要的功率仅仅为额定功率的八分之一 成年累月地积累下来 形成巨大的节能潜力 恒功率负载 通常恒功率段是指在电机的基本频率之上对于一个恒功率负载 实际上负载转矩是负载物理尺寸的函数在转速较低时需要的转矩较高 在转速较高时 需要的转矩较低 负载转矩与转速成反比 其乘积 亦即功率为恒定值 称为恒功率负载
