变频器的基本知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,项目十一 变频器的检查与保养,变频器的基本知识,基本概念：,1.,VVVF,改变电压、改变频率（Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写,。,2.,CVCF,恒电压、恒频率（Constant Voltage and Constant Frequency）的缩写。,3.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200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。,为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。,变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。,变频器的作用是通过改变电源的频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。,变频器由顺变器、中间滤波环节、逆变器三部分组成。顺变器的作用是将定压定频的交流电变换为可调直流电，通过电压型或电流型滤波器为逆变器提供直流电源。逆变器将直流电源变为可调频率的交流电。顺变器和逆变器都是晶闸管三相桥式电路。滤波器由电容或电抗器组成，为逆变器提供稳定的电压源或电流源。,变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。,1.电机的旋转速度为什么能够自由地改变？【r/min】电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.例如：2极电机 50Hz 3000 r/min 4极电机 50Hz 1500 r/min,在工业中所使用的大部分电机均为感应式交流电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。,由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。,变频器,是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制,变频器,这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。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。,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年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子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获得了广泛应用。,脉宽调制的基本原理,脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。,模拟电路,模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V,5V这一集合中取值。,模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变,小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。,尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。,数字控制,通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。,简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。,图显示了三种不同的PWM信号。图a是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10的时间通，其余90的时间断。图b和图c显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。,图中使用9V电池来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms，灯泡在这段时间中将得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5V电池(9V的50%)上一样。这种情况下，占空比为50%，调制频率为10Hz。,大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。,1、按变换的环节分类：,可分为交-交变频器，即将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。,变频器,的一般分类,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，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。,此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。,变频器的工作原理,交流电动机的同步转速表达式位：,n60 f(1s)/p (1),式中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。,由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。,变频器,的控制方式,低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。,1、变电压变频率（VVVF）控制方式,，又分为两种：,（1）U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式,（2）电压空间矢量(SVPWM)控制方式,2、矢量控制(VC)方式,3、直接转矩控制(DTC)方式,4、矩阵式交交控制方式,变频器的制动,制动,：,指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧），这时电机的转速高于同步转速。,负载的能量分为动能和势能。动能(由速度和重量确定其大小)随着物体的运动而累积，当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和热能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程。由制动产生的功率将返回到变频器侧，可用电阻发热消耗。当用于提升类负载下降时,能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧进行制动，这种操作方法被称作再生制动，该方法也可用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做功率返回再生方法。在实际中，这种应用需要能量回馈单元选件。,怎样提高制动能力,用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻；而改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。应选用制动电阻、制动单元或功率再生变换器等选件来改善变频器的制动容量。,变频器的散热,变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。因此，我们要重视散热问题。变频器工作时，流过变频器的电流是很大的,变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。一台变频器的发热量可以用以下公式估算：,发热量的近似值 变频器容量（KW）55 W,如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器,并且也在柜子里面,这时发热量会更大一些。电抗器安装在变频器侧面或侧上方比较好。这时可以用估算：,发热量的近似值 变频器容量（KW）60 W,一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。注意控制柜和变频器上的风扇都是要的。,注意：,如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大，因此最好安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。,西门子G110变频器,西门子,G110变频器接线方框图,变频器的标准配置操作面板为状态显示板SDP（标准件），在SDP面板上有两个LED指示灯，显示变频器的运行状态。,如果要访问变频器的各个参数，并能够对变频器进行参数设置，需选配基本操作面板BOP（可选件），在BOP面板上有一液晶显示屏及八个操作按键。,变频器操作,（1）SDP状态显示板上两个LED状态定义说明,（2）BOP基本操作面板上的按键操作,用户访问级,P0003 用户访问级 最小值:0 最大值:4 缺省值:1,本参数用于定义用户访问参数组的等级。对于大多数简单的应用对象，采用缺省设定值(标准模式)就可以满足要求了。,可能的设定值:,0 用户定义的参数表-有关使用方法的详细情