变频驱动与控制技术介绍_图文

1、变频驱动技术绪论以交流(直流电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流(直流调速系统,也称交流(直流电气拖动系统。变频调速技术是交流电气传动系统的一种。目的根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩。意义序号意义有代表意义的行业或设备1节能风机、水泵、注塑机2提高产品质量机床、印刷、包装等生产线3改善工作环境电梯、中央空调注:并不是所有的设备使用调速装置后都可以节能调速系统构成中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器交、直流调速系统的特点直流调速系统特点:控制对象:直

2、流电动机控制原理简单,一种调速方式性能优良,对硬件要求不高电机有换向电刷(换向火化电机设计功率受限电机易损坏,不适应恶劣现场需定期维护交流调速系统特点:控制对象:交流电动机控制原理复杂,有多种调速方式性能较差,对硬件要求较高电机无电刷,无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏,适应恶劣现场基本免维护 国内调速技术现状(1晶闸管交流器和开关断器件(DJT、IGBT、VDMOS斩波器供电的直流调速设备。随着交流调速的发展,该设备在缩减,但由于我国旧设备改造任务多,以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多,所以在短期内有一定市场。国产设备能满足需要,部分出口。自行开发的控制器多为模拟控

3、制,近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。(2IGBT等逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大,总容量占的比例不大,但台数多,增长快,应用范围从单机扩展到全生产线,从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产,其中合资企业占很大比重。(3负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄水能电站的机组起动,大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造,目前容量最大做到12MW。功率装置国内配套,自行开发的控制装置只有模拟式的,数字装置需进口,自己开发应用软件。(4交-交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在

4、轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求,台数不多,功率大。主要靠进口,国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到70008000kW。功率部分国产,数字控制装置进口,包括开发应用软件。1、变频器变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置。我们常见的驱动器可以包括:交流驱动器(驱动交流电机:如异步电机、同步电机、步进电机、伺服电机等,、直流驱动器(驱动直流电机两个部分。变频器是VVVF(变压变频的简易说法,国外的资料一般都叫交流驱动器(AC driver (inverter,很明显变频器其实是交流驱动器的一种。2、变频调速的优势(与

5、其它交流电机调速方式对比序号优点1平滑软启动,降低启动冲击电流,减少变压器占有量,确保电机安全2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度3无级调速,调速精度大大提高4电机正反向无需通过接触器切换5非常方便接入通讯网络控制,实现生产自动化控制电机控制算法电力电子器件V/F控制SCR GTR矢量控制IGBT微机控制技术单片机DSPIGBT大容量化更高速率和容量如:矩阵式变频器大功率传动使用变频器,体积大,价格高未来发展方向完美无谐波PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP专用芯片00年代超静音变频器开始流行

6、解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用,取代直流算法优化更大容量更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小,开始在中小功率电机上使用1实现变频器的人工智能化;2开发清洁电能的变频器;3实现软开关化;4实现变频器硬件的集成化;5实现变频器的通信网络化和技术规格标准化。1.按变换环节分类按变换环节来分可以分为交-交直接变频器和交-直-交 间接变频器。优点:没有中间环节,变换效率高。缺点:总设备投资大,交-交变频器的最大输出频率为30HZ ,其应用受到限制。1交-交直接变频器2交-直-交变频器:整流部分储能环节逆变部分M 交流直流直流交流控制系统交-直-交变频器主要有3种结构

7、形式调压和调频分别在两个环节上,由控制电路进行协调,但电网侧的功率因数低,输出谐波大。整流环节采用不可控整流,增设斩波器进行调压,再用逆变器变频,克服了功率因数低的缺点,输出谐波仍大。调压和调频都在逆变器上进行,输出电压是一系列脉冲,调节脉冲宽度就可以调节输出电压值,是最好的一种调压调频方法。2.按直流电路的滤波方式分类交-直-交变频器中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感,据此,变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。输出交流电压是矩形波或阶梯波,电流波形接近于正弦波中间环节是大电容器滤波,使直流侧电压UD恒定,变频器的输出电压随之恒定,相当于理想的电压源,称为交-直-交电压型变频器。

8、电流型变频器输出交流电流是矩形波或阶梯波,电压波形接近于正弦波中间环节是电感很大的电抗器滤波,电源阻抗很大,直流环节中的电流I D 可近似于恒定,逆变器输出电流随之恒定,相当于理想的电流源,称为交-直-交电流型变频器。3按控制方式分类电压频率比控制变频器电压频率比控制是为了得到理想的转矩速度特性,基于在改变电源频率进行调速的同时,又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的,通用型变频器基本上都采用这种控制方式。转差频率控制变频器转差频率控制方式是对电压频率比控制的一种改进,这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速,构成速度闭环,速度调节器的输出为转差频率,而变频器的输出频率则由电

9、动机的实际转速与所需转差频率之和决定。矢量控制变频器矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式,是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位,以便对电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制,进而达到控制电动机转矩的目的。无速度传感器的矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制,然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽,启动转矩大,工作可靠,操作方便,但计算比较复杂,一般需要专门的处理器来进行计算。直接转矩控制变频器直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。它是利用空间电压矢量PWM(SV

10、PWM通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。直接转矩控制还可用于普通的PWM控制,实行开环或闭环控制。4按功能分类恒转矩变频器恒转矩变频器控制的对象具有恒转矩特性,在转速精度及动态性能等方面要求一般不高,当用变频器实现恒转矩调速时,必须加大电动机和变频器的容量,以提高低速转矩。恒转矩变频器主要应用于挤压机、搅拌机、传送带、提升机等。平方转矩变频器平方转矩变频器控制的对象,在过载能力方面要求较低,由于负载转矩与转速的平方成正比,所以低速运行时负载较轻,并有节能的效果。平方转矩变频器主要应用于风机、泵类。5按用途分类通用变频器通用变频器是指能与普通的笼型异步电动机配套使用,能适应

11、各种不同性质的负载,并具有多种可供选择功能的变频器。高性能专用变频器高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要求较高的系统,与通用变频器相比,高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式,驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机。高频变频器在超精密加工和高性能机械中,常常要用到高速电动机,为了满足这些高速电动机的驱动要求,出现了采用PAM控制方式的高频变频器,其输出频率可达到3 kHz。6.按输出电压调制方式分类按输出电压的调制方式分为脉幅调制(PAM方式和脉宽调制(PWM方式。(1脉幅调制可控整流器调压,逆变器调频,调压和调频分别在两个不同的环节上进行,控制复杂,较少采用。(2脉宽调节脉宽调节(P

12、ulse Width Modulation,PWM方式指变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。调节过程中,逆变器负责调频调压。 1交流异步电动机变频调速原理由异步电动机的转速公式:116011f n n (s (s p=-=-可知,异步电动机有下列三种基本调速方法:(1改变定子极对数调速。p (2改变电源频率调速。1f (3改变转差率调速。s调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速,系统简单,最多4段速调压调速无级调速,调速范围窄电机最大出力能力下降,效率低系统简单,性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速,调速范围宽电机最大出力能

13、力不变,效率高系统复杂,性能好可以和直流调速系统相媲美早晚发展时间交流调速方式在变频器出现前同步电机无法实现调速功能,因此只能在定速传动领域使用三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳,但其结构坚固、经久耐用且价格低廉还是在一些性能较低的传动现场使用2变频调速的条件三相异步电动机定子绕组的反电动势E 1的表达式为:E 1=4.441N 1K N1m =U 1+U式中:E 1定子绕组的感应电动势有效值N 1 定子每相绕组的匝数K N1定子绕组的绕组系数,K N1<11 定子绕组感应电动势的频率,即电源的频率m 主磁通可见:E 11m将U 忽略,则E 1U 11m定子电压漏阻抗压降当U1 E1=co

14、nst时,由E1U11m知,1m电动机磁路过饱和,导致过大的励磁电流,电动机因绕组过热而损坏。当U1 E1=const时,由E1U11m知,1 m,铁芯利用不充分,同样的转子电流下,电磁转矩T ,电动机的负载能力下降,电动机的容量得不到充分利用。因此,为维持电动机的输出转矩不变,必须使主磁通m=const,即U11= constE 11=结论:变频调速的条件是主磁通m保持不变3基频以下恒磁通(恒转矩变频调速m U11= constE 11=为保持主磁通不变,必须在变频的同时变压,使得压频比为一常数。因为变频的同时还要改变电压,所以称为V/F 控制,也称为VVVF。一般频率是从额定频率f1N向下

15、调,所以需要同时降低电源电压。4基频以上恒功率(恒电压变频调速当f1>f1N时,U1=const,f m(属于弱磁调速电磁转矩TP不变,属于恒功率调速。额定频率以上调频时,理想空载转速增大,最大转矩大幅减小。最大转矩点对应的转差 n几乎不变,但由于最大转矩减小很多,所以机械特性斜度加大,特性变软。2.PWM控制技术PWM (Pulse Width Modulation 脉宽调制型,就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲列,用这些脉冲列代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波状,由此所获得的输出

16、平滑且低次谐波较少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可以改变输出频率。SPWM(Sinusoidal PWM正弦波脉宽调制型,SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。SPWM控制技术的思想来源于通信领域,现已广泛应用于变频技术领域。面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。原理内容:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析,则其低频段非常

17、接近,仅在高频段略有差异。 用PWM波代替正弦半波将一个正弦半波分成N等份,每一份可看作是一个脉冲,很显然这些脉冲宽度相等,都等于/N,但幅值不等,脉冲顶部为曲线,各脉冲幅值按正弦规律变化。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量相等,这就是PWM波形。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM(Sinusoidal PWM波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种,由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波

18、。基于等效面积原理,PWM波形还可以等效成其他所需要的波形,如等效所需要的非正弦交流波形等。计算法根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数,将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来,按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形,这种方法称之为计算法。计算法是很繁琐的,当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要变化。调制法把希望输出的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波,其中等腰三角波应用最多。单相桥式PWM 逆变电路(调制法电路工作过程工作时V 1和V 2通

19、断互补,V 3和V 4通断也互补,比如在u o 正半周,V 1导通,V 2关断,V 3和V 4交替通断。负载电流比电压滞后,在电压正半周,电流有一段区间为正,一段区间为负。在负载电流为正的区间,V 1和V 4导通时,u o =U d 。V 4关断时,负载电流通过V 1和VD 3续流,u o =0。在负载电流为负的区间,仍为V 1和V 4导通时,因i o 为负,故i o 实际上从VD 1和VD 4流过,仍有u o =U d 。V 4关断,V 3开通后,i o 从V 3和VD 1续流,u o =0。u o 总可以得到U d 和零两种电平。在u o 的负半周,让V 2保持通态,V 1保持断态,V 3

20、和V 4交替通断,负载电压u o 可以得到-U d 和零两种电平。u r u c uOw t Ow t u o u of u o U d-U d交流电交流电频率和电压可调的交流电变频器的基本构成变频器结构外壳:防尘、隔离。散热片:大功率器件的散热。散热风扇:变频器的通风散热。控制主板:变频器的控制中心,控制触发脉冲产生。主电路模块:交-直-交变换。电源、隔离、驱动电路板:提供主板及其它电路板的直流电源、隔离变频器外部控制信号、放大主板产生的脉冲的功率。显示屏:编程、运行、报警、维护显示。操作键盘:编程录入、运行控制。外端子:连接外部输入信号、连接负载、报警、监测等装置。交直交变频器主电路整流电

21、路限流电阻滤波均压电源指示制动电阻制动开关管逆变电路续流管整流电路VD1VD6组成三相不可控整流桥,将交流电变成513V的直流电,整流桥集成电路模块如图。 滤波电路:滤波电容器C有两个功能:一是滤平全波整流后的电压F纹波;二是当负载变化时,使直流电压保持平稳。 电源指示HL:HL除了表示电源是否接通以外,还有一个十分重要的功能,即在变频器切断电源后,表示滤波电容器C上的电F荷是否已经释放完毕。能耗电路电机在工作频率下降中,异步电机的转子转速将可能超过此时的同步转速(n=60f/P而处于再生制动(发电状态,拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线(滤波电容两端电压UD 不断上升(即所说的泵升电

22、压,这样变频器将会产生过压保护,甚至可能损坏变频器,因而需将反馈能量消耗掉,制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管VTB 与驱动电路构成,其功能是用来控制流经RB 的放电电流IB电动和制动运行 单管IGBTIGBT 单管:IGBT ,封装较模块小,电流通常在100A 以下逆变电路逆变管VT1VT6组成逆变桥将直流电逆变成频率、电压都可调的交流电,是变频器的核心部分。常用逆变模块有:GTR 、BJT 、GTO 、IGBT 、IGCT 等,一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元。IGBT模块:就是将多个IGBT集成封装在一起。目前市场上15kW以上变频器使用的是150A/200A

23、/300A/400A/450A的两单元IGBT模块或100A/150A的三相逆变IGBT 模块。全桥IGBT 单桥IGBT集成整流桥+制动单元(PFC+三相逆变(IGBT桥 15kW以下小功率变频器多采用25A/50A/75A的PIM模块。PIM结构包括三相全波整流和67个IGBT单元,即变频器的主回路全部封装在一个模块内,在中小功率变频器上(15kW以下均使用PIM 模块以降低成本。功率集成模块PIM智能功率模块IPM智能IPM模块将IGBT、驱动电路、保护电路集成化成功率器件,用电流传感功能芯片,对过流和短路进行保护。IPM有四种电路形式:单管封装(H,双管封装(D,六合一封装(C,七合一封装(R。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低,可使散热器减小,因而整机尺寸亦可减小,又有自保护能力,国内外55KW以下的变频器多数采用IPM模块。IPM有:短路保护(SC,过流保护(OC,欠压保护(UV,过热保护(OT,过压保护(OV等。IGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护 变频器的结构 变频器电路组成控制电路控制电路作用是为主电路提供所需的驱动信号,此外,还包括对电流、电压、电动机转速进行检测的