變頻調速系統結構與原理

2020-12-06 礦山機械維修

一、變頻器的概述

直流電動機調速系統具有良好的啟動、制動性能及在大範圍內平滑調速的優點,因此在過去很長的一段時間內,在需要進行調速控制的拖動系統中一直佔有主導地位。但是直流電動機採用機械換向器換向,其單機容量、最高電壓、最大轉速等方面受到限制,而且維護、維修複雜。20世紀70年代以來,隨著交流電動機調速系統理論、電力電子技術、以微處理器為核心的全數位化控制等關鍵技術的發展,交流電動機變頻調速技術逐步成熟。目前,變頻調速技術的應用幾乎已經擴展到了工業生產領域的所有普通交流異步電動機的調速控制,並且在空調、洗衣機、電冰箱等家電產品中也得到了廣泛的應用

二、變頻器的定義及分類

1、定義:

變頻器是一種利用電力半導體器件的通斷作用,將工頻交流電換成頻率、電壓連續可調的交流電的電能控制裝置。

2、變頻器的分類

變頻器的種類很多,分類方法也有多種,常見的分類方式見表

分類方式

種類

分類方式

種類

按供電

電壓分

低壓變頻器(110V 220V 380V)

中壓變頻器(500V 660V 1140V)

高壓變頻器(3kV 3.3kV 6kV 6.6kv 10kV)

按控制方式分

U/f控制變頻器

轉差頻率控制變頻器

矢量控制變頻器

按輸出

功率分

小功率變頻器

中功率變頻器

大功率變頻器

按用途分

通用變頻器

高性能專用變頻器

高頻變頻器

按直流電源性質分

電流型變頻器

電壓型變頻器

按供電電源相數分

單相輸入變頻器

三相輸入變頻器

按輸出電壓調製方式分

PAM (脈幅調製)控制變頻器

PWM(脈寬調製)控制變頻器

按變換環節分

交—直—交變頻器

交—交變頻器

三、變頻器的基本結構:

目前,變頻器的變換環節大多採用交-直-交變頻變壓方式。交-直-交變頻器是先把工頻交流電通過整流器變成直流電,然後再把直流電逆變成頻率、電壓可調的交流電。通用變頻器主要由主電路和控制電路組成,而主電路又包括整流電路、直流中間電路和逆變電路三部分,其基本構成框圖如圖所示。

1、變頻器的主電路:

下圖所示為通用變頻器的主電路,各部分的作用見表

整流電路部分:將頻率固定的三個交流電變換成直流電

元件

三相整流橋

濾波電容器CF

限流電阻RL與開關S

電源指示燈HL

作用

將交流電變換成脈動直流電。若電源線電壓為UL,則整流後的平均電壓UD=1.35UL

濾平橋式整流後的電壓紋波,保持直流電壓平穩

接通電源時,將電容器CF的充電衝擊電流限制在允許範圍內,以保護整流橋。而當CF充電到一定程度時,令開關S接通,將RL短路。在有些變頻器裡,S由晶閘管代替

HL除了表示電源是否接通外,另一個功能是變頻器切斷電源後,指示電容器CF上的電荷是否已經釋放完畢。在維修變頻器時,必須等HL完全熄滅後才能接觸變頻器的內部帶電部分,以保證安全

逆變電路部分:將直流電逆變成頻率、幅值都可調的交流電

元件

三相逆變橋

V1~V6

續流二極體

VD7~VD12

緩衝電路R01~R06、VD01~VD06、C01~C06

制動電阻RB和

制動三極體VB

作用

通過逆變管V1~V6按一定規律輪流導通和截止,將直流電逆變成頻率、幅值都可調的三相交流電

在換相過程中為電流提供通路

限制過高的電流和電壓,保護逆變管免遭損壞

當電動機減速、變頻器輸出頻率下降過快時,消耗因電動機處於再發生電制動狀態而回饋到直流電路中的能量,以避免變頻器本身的過電壓保護電路動作而切斷變頻器的正常輸出

2、變頻器的控制電路

變頻器的控制電路為主電路提供控制信號,其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制和提供多種保護功能。控制方式有模擬控制和數字控制兩種。通用變頻器控制電路的控制框圖如下圖所示,主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板與驅動板、外接控制電路等構成。各部分的功能見表。

部件

功 能

主控板

主控板是變頻器運行的控制中心,其核心器件是控制器(單片微機)或數位訊號處理器(DSP),其主要功能有:

(1)接受並處理從鍵盤、外部控制電路輸入的各種信號,如修改參數、正反轉指令等

(2)接受並處理內部的各種採樣信號,如主電路中電壓與電流的採樣信號、各部分溫度的採樣信號、各逆變管工作狀態的採樣信號等

(3)向外電路發出控制信號及顯示信號,如正常運行信號、頻率到達信號等,一旦發現異常情況,立刻發出保護指令進行保護或停車,並輸出故障信號

(4)完成SPWM調製,將接受的各種信號進行判斷和綜合運算,產生相應的SPWM調製指令,並分配給各逆變管的驅動電路

(5)向顯示板和顯示屏發出各種顯示信號

鍵盤與顯示板

鍵盤與顯示板總是組合在一起。鍵盤向主控板發出各種信號或指令,主要用於向變頻器發出運行控制指令或修改運行數據等

顯示板將主控板提供的各種數據進行顯示,大部分變頻器配置了液晶或數碼管顯示屏,還有指示燈,還有RUN(運行)、STOP(停止)、FWD(正轉)、REV(反轉)、FLT(故障)等狀態指示燈和單位指示燈,如HZ、A、V等。可以完成以下指示功能:

(1)在運行監視模式下,顯示各種運行數據,如頻率、電壓、電流等

(2)在參數模式下,顯示功能碼和數據碼

(3)在故障狀態下,顯示故障原因代碼

電源板與驅動板

變頻器的內容電源普遍使用開關穩壓電源,電源板主要提供以下直流電源:

(1)主控板電源 具有極好穩定性和抗幹擾能力的一組直流電源

(2)驅動電源逆變電路中上橋臂的三隻逆變管驅動電路的電源是相互隔離的三組獨立電源,下橋臂三隻逆變管驅動電源則可共「地」。但驅動電源與主控板電源必須可靠絕緣

(3)外控電源 為變頻器外電路提供的穩恆直流電源

中小功率變頻器驅動電路往往與電源電路在同一塊電路板上,驅動電路接受主控板發來的SPWM調製信號,在進行光電隔離、放大後驅動逆變管的開關工作

外接控制電路

外接電路可實現由電位器、主令電器、繼電器及其他自控設備對變頻器的運行控制,並輸出其運行狀態、故障報警、運行數據信號等。一般包括:外部給定電路、外接輸入控制電路、外接輸出電路、報警輸出電路等

大多數中小容量通用變頻器中,外接控制電路往往與主控電路設計在同一電路板上,以減小其整機的體積,提高電路可靠性,降低生產成本

四、變頻器中常用電力半導體器件

目前,通用變頻器逆變電路使用的電力半導體器件主要有電力電晶體GTR、電力場效應電晶體MOSFET、絕緣柵雙極電晶體IGBT、門極可關斷電晶體GTO和智能功率模塊IPM等。主要介紹GTR 、MOSFET和IGBT。

1、大功率電晶體(BJT或GTR

(1)特點:是一種雙極結型電晶體,實際上是複合電晶體(達林頓管)。其基本結構與電晶體相同,由集電極C,放射極e和基極b,集電極電流ic的大小受基極電流IB的控制,屬電流控制型器件。如圖所示。

(2)優缺點:

(優)擊穿電壓和集電極最大飽和電流都較大。

(缺)開關頻率較低,最高2KHZ,因而以大功率電晶體為逆變器件的變頻器負載波頻率也很低,電動機電磁噪聲大。此外,控制電路的驅動功率也較大。

2、功率場效應管(MOSFET)

(1)特點:與場效應管相同,由漏極d,源極s和控制極g構成。漏極電流id的大小受控制極與源極間的電壓UGS 的控制,屬電壓控制。如圖所示。

2)優缺點:

(優)MOSFET的開關頻率較高,最高達20kHZ,設MOSFET為逆變管的變頻器的載波頻率也較高,降低電機電磁噪聲。控制電路所需驅動功率較小。

(缺)MOSFET的擊穿電壓和漏極最大飽和電流較小,難以滿足多數變頻器的要求。

3、絕緣柵雙極性電晶體(IGBT管)

1)特點:是MOSFET和BJT結合產物,其主體部分與電晶體相同,也是集電極c和發射極e;但驅動部分卻和場效應管相同,是絕緣柵結構。集電極電流ic的大小受控制極與放射極間的電壓UGE 的控制,也屬於電壓控制型器件。應用時常在 管旁並聯一個反向續流二極體,且做成雙管或六管模塊。如圖所示。

(2)優缺點:

(優)兼有BTT和MOSFET管道優點,一方面擊穿電壓和集電極最大飽和電流較大,IGBT的擊穿電壓已達1200V,集電極最大飽和電流已超過1500A,以IGBT為逆變器件的變頻器容量已達250KVA以上。另一方面,開關頻率已達20KHZ,使變頻器的載波頻率在10KHZ以上,故電動機電波波形比較平滑,無電噪聲。故在絕大多數大、中、小容量變頻器的逆變模塊都採用IGBT管

(3)用萬用表檢測IGBT模塊好壞的簡單測量方法:

2)明確測量內容 對圖9所示六單元IGBT模塊,應測量其「+」「-」兩引腳間是否短路、各IGBT的續流二極體是否有擊穿現象六隻IGBT的觸發導通及關斷功能是否正常。

3)用萬用表RX10k擋進行測量 測量步驟如下:

①用十個手指同時觸及BU和U、BV和V、BW和W有BX、BY、BZ和「-」,以釋放柵極上感應存儲的電荷,避免對後續測量結果產生影響。用黑表筆接觸模塊的「+」,紅表筆接觸「-」,這時錶針應指在接近無窮大的位置;交換錶針再測量,錶針應指在10KΩ附近。表明「+」「-」兩引腳間無擊穿短路現象。②用①的方法釋放柵極上感應存儲折電荷後,測量U、V、W三引腳間的正反向電阻。測量時兩兩相測,交換紅黑表筆後再兩兩相測,共測量六次。六次測量中萬用表錶針均應指在接近無窮大的位置。表明六隻IGBT續流二極體無擊穿現象。

③分別測量六隻IGBT的觸發導通關斷特性,以柵極為BW的一隻IGBT的測量為例。萬用表黑表筆接觸「+」即被測IGBT的集電極(C)、紅表筆接觸W即被測IGBT的發射極(E)用手指同時觸及一下BW即被測IGBT的柵極(G)和集電極(C),這時IGBT被觸發導通,萬用表的指針擺向阻值較小的方向,手指離開後錶針緩慢向阻值變大方向擺動;然後再用手指同時觸及一下柵極(G)和發射極(E),這時IIGBT被阻斷,萬表表的指針應指在接近無窮大的位置。這說明被測IGBT管的觸發導通及關斷功能正常。

用上述同樣的方法測量其餘的IGBT管。

能夠通過上述全部測量即可判斷此IGBT模塊是好的,否則可能已損壞。以上方法也可以用於檢測功率場效應電晶體(MOSFET)的好壞。

4)注意事項

①多數指針式萬用表皆可用於檢測IGBT,但判斷IGBT 好壞時,一定要將萬用表的轉換開關置於電阻RX10K擋位上,因該擋位使用的電池電壓較高,其他各擋位的電池電壓大低,檢測時可能無法使IGBT觸發導通。

②由於IGBT的輸入級為場效應器件,其輸入電阻很大且極易感應電荷,測量中應注意及時釋放柵極上的感應存儲的電荷,以免造成誤判。

關於GTR模塊的測試方法可參照上述方法和一般三極體好壞的測量方法進行。測量呂要注意對模塊中的所有GTR和續流二極體均應一一測量,防止因漏測造成誤判。

五、變頻器的工作原理和功能

1、變頻器的工作原理

(1)三相交流異步電動機轉速方程式:

式中 f――電動機電源的頻率(Hz)

P――電動機定子繞組的磁極對數

s――轉差率

可見,在定子磁極對數P不變、轉差率s變化不大的情況下,可以認為調節電動機定子電源頻率f時,電動機的轉速n也大致隨頻率f成正比變化。若均勻調節電動機電源頻率f,則可以平滑的改變電動機的轉速。

逆變的基本工作原理:將直流電變換為交流電的過程稱為逆變,完成逆變的功能的裝置叫逆變器,它是變頻器的重要組成部分。電壓型逆變器的動作原理可用右圖所示的機械開關的動作來說明。

當開關S1、S2、與S3、S4輪流閉合和打開時,在負載上即可得到波形圖的交流電壓,完成直流到交流的逆變過程。用具有相同功能的電力半導體器件取代機械開關,即得到單相逆變電路,電路結構和輸出電壓波形如圖所示,改變逆變器開關元件的導通與截止時間,就可改變輸出電壓的頻率,即完成變頻。

生產中常用的變頻器採用三相逆變電路,按照一定的規律來控制6個逆變器開關元件的導通和截止,就可把直流電逆變成三相交流電。在與變頻器輸出相連接的三相交流電動機定子繞組上得到三相交流電

(2)U/f控制原理:

U/f控制是在改變變頻器輸出頻率的同時改變輸出電壓的幅值,以維持電動機磁通基本恆定,從而在較寬的調速範圍內,使電動機的效率、功率因數不下降。U/f控制是目前通用變頻器中基本控制方式。

三相交流異步電動機在工作過程中,鐵心磁通接近飽和狀態,使得鐵心材料得到利用。在變頻調速的過程中,當電動機電源的頻率變化時,電動機的阻抗隨之變化,從而引起勵磁電流的變化,使電動機出現勵磁不足或勵磁過強的情況。

在勵磁不足時,電動機的輸出轉矩將降低,而勵磁過強時,又會使鐵心中的磁通處於處於飽和狀態,使電動機中流過很大的勵磁電流,增加電動機的鐵耗,降低其效率和功率因數,並易使電動機溫升過高。因此在改變頻率進行調速時,必須採取措施保持磁通恆定並為額定值。

由異步電動機定子繞組感應電動勢的有效值近似等於定子繞組外加電壓U1

顯然,要使電動機的磁通在整個調速過程中保持不變,只要在改變電源頻率f1的同時改變電動機的感應電動勢E,使其滿足E/f為常數即可。但在電動機的實際調速控制過程中,電動機感應電動勢的檢測和控制較困難,考慮到正常運行時電動機的電源電壓與感應電動勢近似相等,只要控制電源U和頻率f,使U/f等於常數,即可使電動機的磁通基本保持不變,採用這種控制方式的變頻器稱為U/f控制變頻器

由於電動機實際電路中定子阻抗上存在壓降,尤其是當電動機低速運行時,感應電動勢較低,定子阻抗上的壓降不能忽略,採用U/f控制的調速系統中工作頻率較低時,電動機的輸出轉矩將下降。為了改善低頻時轉矩特性,可採用補償電源電壓的方法,即低頻時適當提升電壓U來補償電子阻抗上的壓降,以保證電動機在低速區域運行時仍能得到極大的輸出轉矩,這種補償功能稱為變頻器的轉矩提升功能。

綜上所述,對電動機供電的變頻器一般要求兼有調壓和調頻功能,通常將這種變頻器稱為變頻變壓(VVVF)型變頻器。

PWM輸出電壓的波形是非正弦波,用於驅動三相異步電動機運行時性能較差。如果使整個半周內脈衝寬度按正弦規律變化,即使脈衝寬度先逐步增大,然後再逐漸減小,則輸出電壓也會按正弦規律變化。這就是目前工程實際中應用最多的正弦PWM法,簡稱SPWM。

其波形產生的方法是:在變頻器的控制電路中,由調製波信號發生器提供的一組三相對稱正弦波調製信號作為變頻器輸出的基波,與三角波振蕩器提供的三角波載波信號相疊加,如圖。

通過其交點時刻控制主電路半導體開關器件V1~V6的通斷,從而得到一組等幅而不等寬且兩側窄、中間寬的脈衝電壓波形,其大小和頻率通過調節正弦波調製信號的幅值和頻率而改變,即按正弦規律變化,如圖所示。

在每半個周期內輸出若干個寬度不同的矩形脈衝波,每一矩形波的面積近似對應正弦波各相應局部波形下的面積,則輸出電壓可近似認為與正弦波等效。

(4)三相異步電動機變頻器調速後的機械特性

1)在基頻fin以下調速 在基頻fin(一般為電動機的額定頻率)以下調速時,採用的是U/f恆定控制方式。此時,電動機的機械特性基本上是平行下移的,如圖所示。在頻率較低時最大轉矩將減小(此時定子阻抗上的壓降不能忽略,電動機主磁通有較大削弱),採用轉矩提升後的特性曲線如圖中的虛線所示。由於採用U/f恆定控制時電動機主磁通基本恆定,所以在基頻以下調速屬於恆轉矩調速

把基頻以上調速和基頻以下調速兩種情況結合起來,可得如圖所示的異步電動機變頻調速控制特性

2、變頻器的功能:

隨著變頻器調速技術的發展,變頻器尤其是高性能通用變頻器的功能越來越豐富,下面按用途對通用變頻器的主要功能進行簡要介紹。

系統所具有的功能。

1)全範圍轉矩自動增強功能 由於電動機繞組中阻抗的作用,採用U/f控制的變頻器在電動機的低速運行區域會出現轉矩不足的情況。為提高系統的性能,具有全範圍轉矩自動增強功能的變頻器在電動機的加速、減速和正常運行的所有區域中可以根據負載情況自動調節U/f值,對電動機的輸出轉矩進行補償。

2)防失速功能 變頻器的防失速功能包括加速過程的防失速功能、恆速運行過程的防失速功能和減速過程的防失速功能三種。

加速過程和恆速運行過程中的防失速功能的基本作用是:當電動機由於加速過快或負載過大等原因出現過電流現象時,變頻器將自動降低輸出頻率,以避免出現變頻器因過電流保護電路動作而停止工作。

對於電壓型變頻器,在電動機的減速過程中回饋能量將使變頻器的直流中間電路的電壓上升,可能會出現過電壓保護電路動作而使變頻器停止工作的情況。減速過程的防失速功能的基本作用是:在過電壓保護電路動作之前暫停降低變頻器的輸出頻率或減小輸出頻率的降低速率,達到防止失速的目的。

3)過轉矩限定運行功能 這種功能的作用是對機械設備進行保護並保證運行的連續性。利用該功能可以對電動機的輸出轉矩極限值進行設定,當電動機的輸出轉矩達到該設定值時,變頻器停止工作並發出報警信號。

4)運行狀態檢測顯示功能 該功能主要用於檢測變頻器的工作狀態並及時顯示。

5)自動節能運行功能 該功能的作用是使變頻器能自動選擇工作參數,使電動機在滿足負載轉矩要求的情況下以最小電流運行。

6)自動電壓調整功能 當電源電壓下降時,使用自動電壓調整功能可以維護電動機的高啟動轉矩。

7)通過外部信號對變頻器進行啟停控制的功能 變頻器通常都具有通過外部信號控制變頻器啟停的功能

2)頻率設定功能

1)給定頻率的設定方法 與給定信號對應的變頻器的工作頻率稱為給定頻率,通用變頻器給定頻率的設定通常採用三種方法,見表4

設定方法

說明

面板給定

利用操作面板上的數字增加鍵和數字減小鍵進行頻率的數字量給定或調整

預置給定

通過程序預置的方法預置給定頻率。啟動時,按運行鍵,變頻器即自行升速到預置的給定頻率為止。

外接給定

從控制接線端上,引入外部的電壓信號或電流信號進行頻率給定,這種方法常用於遠程控制的情況。所有的變頻器都為用戶提供了可以外接給定控制信號的輸入端。

2)基本頻率fb和最高頻率fmax 電動機的額定頻率稱為變頻器的基本頻率。當頻率給定信號為最大時,變頻器的給定頻率稱為最高頻率。

3)上限頻率fH和下限頻率fL 上限頻率與下限頻率是調速系統所要求變頻器的工作範圍,根據調速系統的工作需要進行設定。設與fH、fL對應的給定信號分別是XHXL,則上限頻率的定義是:當X>XH時fX=fH;下限頻率的定義是:當X<XL時,fX=fL。如圖所示。

4)載波頻率 採用PWM技術的變頻器的輸出電壓是一系列脈衝,輸出脈衝的頻率稱為變頻器的載波頻率。在電動機的電流中,具有較強的載波頻率的諧波分量,它將引起電動機鐵心振動而發出噪聲,或對同一控制櫃內的其他設備造成幹擾。為降低噪聲或幹擾,用戶可在一定範圍內調整載波頻率,但改變載波頻率往往會影響變頻器的特性。

5)點動頻率 生產機械在調試的過程中,以及每次新的加工過程開始前,常需要點動控制。變頻器可根據生產機械的特點和要求,預先一次性地設定一個點動頻率,每次點動時都在該頻率下運行,而不必變動已經設定好的給定頻率。(未完,待續)

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  • 淺談永磁變頻空壓機的原理及特點
    下面來說下永磁變頻空壓機的原理及特點永磁變頻空壓機的原理是依賴於永磁同步電機稀土,永磁變頻空壓機的工作原理與電勵磁同步電機相同,前者是以永磁體替代勵磁繞組進行勵磁。當永磁電機的三相定子繞組(各相差120°電角度)通入頻率為f的三相交流電後,將產生一個以同步轉速推移的旋轉磁場。
  • 變頻技術的發展及其應用
    1 變頻調速技術的發展上世紀50 年代末,由於晶閘管(SCR)的研究成功,電力電子器件開始運用於工業生產,可控整流直流調速便成了調速系統中的主力軍。但由於直流電機結構複雜,造價比交流電機高,直流電動機在運行中,炭刷接觸產生炭粉而易引起環火,須經常維護,而且直流調速系統線路複雜,維修十分不便。因而便促進了世界各國對交流調速技術的開發和研製。
  • 高效節能電機與變頻節能電機工作原理和區別
    高效節能電機與變頻節能電機工作原理; 5.加驅動器可實現軟起、軟停、無級調速,節電效果進一步提高。
  • 變頻調速電機哪家便宜
    變頻調速電機哪家便宜額外頻率:50HZ 絕緣等級:F級同步轉速:1500r/min 環境條件:海拔1km,環境溫度40℃。;需求派服務人員時,500公裡以內,24小時抵達現場,500—1000公裡內,48小時抵達現場,1000公裡以上,56小時抵達現場(除不行反抗要素外)山西泰富西瑪電機TYE4-180M-6低壓超高效三相永磁同步電機(永磁電機、超高效電機、節能電機),滄州泰富西瑪電機TYE4-355L-4通用型超超高效三相永磁同步電動機(一級能效規範),大同西瑪電機TYE4-180L-4具有規劃新穎、結構緊湊
  • 變頻器怎樣調速?
    變頻調速是三相異步電動機最常用的一種調速方式,主要是運用了變頻調速要比變極對數調速和變轉差率調速都有較高的調速範圍,同時變頻調速在調速的精度方面也很高。下面我與朋友們一起討論一下如何對變頻器進行調速。變頻調速的基本原理變頻調速的基本理論依據是根據n=60f/p,在這個公式中我們只要改變電源的頻率,電動機定子的旋轉磁場轉速就會改變,從而使電動機定子的轉速也跟著變化。這樣就達到了調速的目的。所以我們可以把變頻器看作是一個改變電動機電源頻率的設備。
  • 變頻器原理及應用
    《變頻器原理及應用》從變頻器使用者的角度出發,從理論到實踐,由淺入深地闡述了變頻調速的基礎知識、常用電力電子器件介紹和選用、變頻器的基本組成原理、電動機變頻調速機械特性、變頻器的控制方式、變頻調速系統主要電器的選用;重點闡述了變頻器的操作、運行、安裝、調試、維護及抗幹擾,變頻器在風機、水泵、中央空調、空氣壓縮機、提升機等方面的應用實例等。
  • 變頻電機與普通電機的區別及其工作原理
    普通的異步電動機都是按照恆頻恆壓設計,不可能完全適應變頻調速的要求。由於使用了變頻器,當我們普通的電動機不能適用時,變頻電機就能很好地解決這個問題。一。變頻電機的好處:變頻電機採取「特殊變頻感應電動機堌變頻器」交流調速模式,使得機械自動化程度和生產效率大幅提升設備小型化、舒適度提升,目前正在替代傳統的機械調速和直流調速方案。