变频器的基本知识

1、1 变频器的基本知识 2 目 录第一章、通用变频器发展史 第一节 通用变频器发展历史及特点 第二节 新型变频器发展趋势第二章、通用变频器结构与原理 第一节 通用变频器的类别结构 第二节 通用变频器的工作原理 附录：常见的国内外品牌变频器3第一章、 变频器发展历史及特点 第一节 通用变频器发展历史及特点 随着微机技术、电力电子技术和调速控制理论的不断发展，变频器作为一种智能调速“电源”也在不断地更新。从变频器问世以来，通用变频器主要经历以下几个发展阶段： 80年代初期的模拟式、80年代中期的数字式、90年代初期的智能式、90年代中期的多功能型及现在的集中型通用变频器。通用变频器发展主要有以下特点

2、： 、 功率器件不断更新换代功率器件不断更新换代 变频器的发展受其电力半导体器件的限制，常用晶体管主要有:双极晶体管BJT、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、巨型晶体管GTO，见下表（1） 80年代初主要使用巨型晶体管GTO、大功率晶体管GTR，由于GTR的工作频率一般在2KHZ以下，载波频率和最小脉宽都受到限制，难以得到较为理想的正弦脉宽调制波形，并使异步电机在变频调速时产生噪声。4 随着IGBT（绝缘栅双极晶体管）的出现，其工作频率可在1020KHz之间，与GTR相比不仅工作频率提高一个数量级且在电流、电压指标（电流浪涌耐量、电压阻断峰值、门极驱动功耗等各项指标）均已超

3、过GTR，因而在新一代的中小功率变频器中IGBT已基本上代替了GTR。采用IGBT的低压变频器的最大容量在380V级可达540KVA，而600V级的可达700KVA，可驱动485KW电动机进行调速，最高频率可达400600Hz，能对中频电机进行调频控制。 90年代末又出现适合中压（1KV-10KV）开关电路的IGCT（集成门极换流晶体管）、以及现在使用的功率智能模块IPM：是以IGBT为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路，IPM的保护功能有过流、短路、过压、和过热等，还可以实现再生制动，由于IPM组成的变频器只需对桥臂上各个IGBT提供隔离的PWM信号即可，使变频器的体积逐渐趋向小型化，随着

4、电力电子功率器件的发展变频调速技术不断成熟。5名称代号符号控制方式最大电压电流及频率双极型晶体管BJTGTRB C E 电 流 控电 流 控制制Um：450-1400VIm：300-800AFm：10K-50k门极关断门极关断晶闸管晶闸管绝缘栅双绝缘栅双极晶体管极晶体管GTO电 流 控电 流 控制制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1K-10kIGBT电 压 控电 压 控制制Um：1800-3300VIm：800-1200AFm：20K-50k IGCT G GC CE E集成门换集成门换流晶体管流晶体管电压控电压控制制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：

5、1K-10k表表(1):(1):常用电力半导体器件常用电力半导体器件GKA62 2、应用范围不断扩大、应用范围不断扩大 在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造纸、食品、装卸搬运等行业都有着广泛应用，随着各种专用变频器的出现，使变频器的应用领域进一步扩大，可以说有电机的地方就会有变频器。3、 控制理论不断成熟控制理论不断成熟 早期通用变频器主要采用恒压频比（V/F） PWM控制方式，随着矢量控制技术、直接转矩控制技术的出现使得电动机变频后的机械特性可以和直流电机相媲美。 变频调速控制技术不断成熟、功率电子器件不断发展，变频器应用日益广泛，在电气传动、节能领域起着重要的作用。 第二节第二节 新型

6、通用变频器发展趋势新型通用变频器发展趋势1 1、低电磁噪音、静音化、低电磁噪音、静音化 新型通用变频器除了采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化外，还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC，而在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。如三菱公司的柔性PWM控制技术，实现了更低噪音运行。 72 2、专用化专用化 新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型

7、、 交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。 3 3、系统化、系统化 通用变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化”（TIA）平台概念，可以使变频器、伺服装置、控制器及通讯装置等集成配置，甚至自动化和驱动系统、通讯和数据管理系统都可以像驱动装置通常嵌入“全集成自动化”系统那样进行，目的是为用户提供最佳的系统功能。 4 4、网络化、网络化新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机

8、向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP、 Interbus-S 、 Device Net 、 Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通讯。如西门子、VACON、富士、日立、三菱、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。85 5、操作傻瓜化操作傻瓜化 新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。如西门子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一种称为“易

9、于使用”的成功概念，使得在连接技术、安装和调试方面的操作变得非常简单。6 6、参数趋势图形参数趋势图形 新型通用变频器的参数趋势图可适时地显示各信号的现时运行状态，用户在调试过程中，可随时监控和记录运行参数。如西门子公司的新一代MICROMASTER420/440的高级操作板AOP，变频器的参数可上装或下装，通过现场总线的USS连接调试和控制多达31台变频器驱动装置。AOP可以存储10组数据。存储在AOP中的各组数据可以直接装入其它的MICROMASTER420/440，或者通过USS装入7 7、内置式应用软件、内置式应用软件 新型通用变频器可以内置多种应用软件，有的品牌可提供多达130余种的

10、应用软件，以满足现场过程控制的需要，如PID控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通讯软件等。变频器功能设置软件可以在WINDOWS95/98环境下设置变频器的功能及数据通讯。 8 8、参数自调整、参数自调整 用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置，通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态（矢量型变频器可对电机参数进行自整定）。9 9、功能设置软件化、功能设置软件化 通用变频器的功能可以在WINDOWS95/98环境下设置并下装，并可以进行数据通讯。9第二章、通用变频器结构与原理通用变频器结构与原理一、通用变频器的类型一、通用变频器的类型 从结构上可分为：

11、1、交交变频器 2、交直交变频器 从变频电源的性质分（见图3） 1、电流源型、电流源型：中间直流滤波环节采用大电感滤波，电源内阻抗为 零的恒压源，输出电流波形为矩形波。 2 2、电压源型、电压源型：中间直流滤波环节采用大电容滤波，电源内阻抗为 无穷大的恒流源，输出电压波形为矩形波。 两者性能差别：两者性能差别：无功能量的缓冲回馈制动调速时的动态响应适用范围10不可控整流器PWM逆变器RSTUVWCF（A）电压源型不可控整流器PWM逆变器RSTUVW（B）电流源型图图2-1：电压源型和电流型交：电压源型和电流型交-直直-交型变频交型变频器器LFIB11图图2-2、通用变频器主回路图、通用变频器主

12、回路图VD1 VD3 VD5VD4 VD6 VD2RSTRBVBC1C2V1V3V5V4V6V2D1D3D5D4D6D2RSUVWPNKSRC1、2IB整流电路整流电路逆变电路逆变电路滤波电路滤波电路制动电路制动电路12（一）、变频器的主回路（一）、变频器的主回路 电压型变频器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组，交-直-交型变频器结构见图21 1、整流电路：、整流电路： VD1VD6组成三相不可控整流桥，220V系列采用单相全波整流桥电路；380V系列采用桥式全波整流电路。若电源线电压为UL，三相全桥整流后平均直流电压UD=1.35UL，直流母线电压为535V2、中间滤波电路

13、：中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容CF除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰给电机感性负载提供必要的无功功率，由于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。3 3、限流电路：、限流电路：由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在上电瞬间滤波电容CF的充电电流很大，过大的电流会损坏整流桥二极管，为保护整流桥上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流，当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。134、逆变电路：、逆变电路： 逆变管V1V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电，是

14、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5 5、续流二极管续流二极管D1D6：其主要作用为：（1）电机绕组为感性具有无功分量，VD1VD7为无功电流返回到直流电源提供通道（2）当电机处于制动状态时，再生电流通过VD1VD7返回直流电路。（3）V1V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1D6提供通路。* *6 6、缓冲电路、缓冲电路 由于逆变管V1V6每次由导通切换到截止状态的瞬间，C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD，这过高的电压增长率可能会损坏逆变管，吸收

15、电容的作用便是降低V1V6关断时的电压增长率。146 6、制动电阻、制动电阻RB和制动单元和制动单元VB（1）工作原理： 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。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的放电电流IB（2） 制动单元、制动电阻的选择 各种变频器手册上都提供该公司变频器配套的外接制动单元和制动电阻

16、，也可用下列方法选配： RB2US/IN； PB（0.30.5）US2/RB ； 其中US： 整流后的直流电压；IN 为变频器的额定电流，选择系数当电机容量小时选小值否则选取大值。15 （二）变频器的控制回路（二）变频器的控制回路 变频器控制部分一般有：CPU单元、显示单元、电流检测电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源等（见图2）。1 1、CPUCPU单元：单元： 采用16位单片机或DSP，变频器专用单片机如：INTEL 87C196MH，速度为几十ns级。矢量控制型采用双CPU。 2 2、开关电源单元：、开关电源单元： 变频器控制电源为开关电源：有24V，15V，+5V等输

17、出，其输入在主电路直流母线侧取得。 3 3、电流检测单元：、电流检测单元：采用HALL元件检测变频器输出侧电流。对于加速、减速、运行中过流、变频过载及电机过载的检测是：由CPU通过检测输入的脉冲频谱来区分的。 4 4、显示单元：、显示单元：其功能为人机界面、参数设定、状态/故障显示、远距离操作等 、控制端子：控制端子：模拟输入、输出端子；开关量输入输出端子；故障输出端子； 16 显示面板 CPU输入信号输出信号电流检测电路开关电源电路 PWM波形驱动电路主电路电电 机机电压检测电电 源源图图2-3:变频器控制回路图变频器控制回路图17 6、驱动单元电路：、驱动单元电路：产生的PWM波经专用驱动

18、芯片、驱动放大电路后IGBT。常用的单路波形驱动芯片有：Motorola的MC33153，日本英达HR065，富士J316（convo变频器用），及光耦TLP521等；常用的六路波形驱动芯片有：IR公司的IR2130，IR3320等。 IGBT驱动电路特点及要求：驱动电路特点及要求：动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供陡峭前后沿驱动脉冲。 能向IGBT提供适当的正向栅压。IGBT导通后VCE与栅极电压有关， VGE越高则VCE越低。一般为20V左右。 在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存贮电荷，能向IGBT提供足够的反向栅压。幅值一般为5V15V。 有足够的输入输出隔离能力。具有有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。 具有故障封锁输出功能。18 通用变频器的基本控制方式（通用变频器的基本控制方式（V/F控制）控制） 由n=60f/P（1-S）（P为极对数）可知通过改变频率f可改变电机速度，由三相异步电机定子相电动势有效值：E=4.44kfn，知：当f大于电机额定频率fN时，气隙磁通将会小于额定磁通量N ，结果使电机的铁心没有得到充分利用而造成浪费；当f小于电机额定频率fN时，气隙磁通将会大于额定磁通量N，电机铁心饱和，导致过大的励磁电流严重时会因绕组过热而损坏电机，因而要实现变频调速，最好在变频时保持每极磁通量不变。 基频以下（恒转矩调速）基频以下（恒转矩调速）