变频器基础与应用第三章

变频器基础与应用第三章第一页，共七十页，2022年，8月28日3.1变频器结构变频器的主电路工作方式\器件各不相同\控制方式不同—有很多类别不同的变频器的基本结构类似:包括主电路和控制电路第二页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路整流电路直流中间电路逆变电路制动电路主电路常见的形式本节要点第三页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器主电路整流电路—将交流电转变为直流电;相当于直流电流源或直流电压源.整流电路有很多形式,这里介绍变频器中常见的电路形式.1.整流电路1)二极管整流电路直流输出电压取决于交流电源的电压,输出电压不能调整第四页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路1.整流电路2)晶闸管整流电路三相交流电压经过晶闸管移相控制调节直流输出电压.(a)图电流不可逆,称为单向型晶闸管整流电路;能工作于1,4象限(注意第4象限的情况,属有源逆变,需要外部条件,变频器需要作保护!)(b)图允许电流反向,称可逆型晶闸管整流电路;能工作于1,2,3,4象限(3,4象限与上图类似);主要用于电流型逆变器第五页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路1.整流电路3)带斩波器的整流电路主要用于PAM电压型变频器变流桥实现交流变直流斩波电路实现直流输出电压的连续调节原理分析?第六页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路1.整流电路4)晶闸管和IGBT整流电路图为电压型晶体管整流电路,将晶体管换成IGBT也可以电路一般工作于PWM方式电路优点:使电源输出电流接近正弦波(几乎没有谐波)可以使功率因数接近1抑制直流电压波动;将直流能量回馈电网原理分析?第七页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路2.直流中间电路中间电路主要对直流输出的纹波进行平滑和抑制电压型逆变电路采用电解电容串并联,电流型逆变电路采用大容量电感针对整流电路在启动时会有大的充电电流(浪涌电流),采用三种方式抑制,如图分别为:交流电抗器\直流电抗器\电阻+开关第八页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路逆变电路的作用:将直流电能交流电能按照直流电源的类型分为电压型和电流型两类逆变电路根据器件不同\工作方式不同有很多种形式3.逆变电路1)晶体管,GTO晶闸管方式(电压型PAM)直流电压经斩波之后再逆变;逆变器的输出频率可调;每个周期在直流侧会产生6个电流峰值,电流波形差.第九页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路3.逆变电路2)晶体管,GTO晶闸管方式(电压型PWM)电路结构与PAM完全相同;逆变电路通过调制的方法实现调压调频;直流侧电流的波形,输出电压与电流波较PAM大为改善.第十页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路3.逆变电路3)晶闸管方式(电压型)晶闸管由于耐高电压和大电流,在大功率变频器中使用;晶闸管不能自关断,需要提供换流方式(强迫换流);电压型晶闸管逆变电路的结构比较复杂第十一页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路3.逆变电路4)晶闸管方式(电流型)晶闸管由于耐高电压和大电流,在大功率变频器中使用;晶闸管不能自关断,需要提供换流方式(强迫换流);电流型晶闸管逆变电路与电压型不同第十二页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路3.逆变电路5)共用直流电源与多重结合型电路共用直流电源逆变电路一个直流电源供多个逆变器使用;降低系统成本,提高系统运行效率;多重化逆变电路,将单个器件承受大容量的负担分散;易于设计大容量变频器;减小低次谐波;(二重,波形见教材)四重已有应用,但更多的复杂性增大,还没有应用第十三页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路3.逆变电路逆变电路的特点(应该了解的一些结论)中小型变频器中一般采用PWM控制方式,采用的器件主要是晶体管\IGBT\电力MOSFET全控型器件;在中大型功率中,采用PWM控制的GTO电路逐步成为主流;在高频变频器中一般采用PAM控制方式;需要高速与高精度控制的场合,一般采用晶体管逆变电路或晶闸管电流型逆变电路的矢量控制.第十四页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路4.制动电路变频器—异步电机系统,当需要减速时,降低电源频率;电机转速由于惯性下降较慢,高于同步转速,电机工作于发电状态;对电流型变频器,由于电源端电压极性的变化,能量往直流端、电源端反馈;--不需要制动电路对电压型,电流通过续流二极管返回直流端,使电容电压升高—需要制动电路放电,否则就会毁坏器件;小型变频器采用电阻和开关器件放电;中型和大型变频器,一般采用可逆电路,将电能回收到电网.制动电路的作用第十五页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路4.制动电路制动电路的工作原理直流电压Ed上升使晶体管导通直流电压Ed下降使晶体管截止注：制动电阻的大小影响放电的速度和放电电流的大小。第十六页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路5.主电路常见形式主电路的形式虽然理论上可以用分电路组合，但考虑到实用性和可靠性，一般采用以下5种形式1)PWM晶体管变频器;2)PWM型GTO晶闸管变频器;3)电压型PAM晶闸管变频器;4)电流型晶闸管变频器；5)PAM晶体管变频器（斩波）.第十七页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路5.主电路常见形式1)PWM晶体管变频器特点:输出电压接近正弦波\高效\低频稳定工作;无需辅助换流电路,体积小;结构简单,功率因数高；应用：中小型通用变频器第十八页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路5.主电路常见形式2)PWM型GTO晶闸管变频器特点:高耐压、大电流；适用于高压（400-3300）大容量（1000-10000KVA）变频器无需辅助换流电路,装置体积小;开关速度比晶闸管快，通过PWM减小谐波，提高功率因数应用：风机、泵、抄纸机、薄膜加工机第十九页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路5.主电路常见形式3)电压型PAM晶闸管变频器特点:中大型功率变频器中应用，主要开关器件为晶闸管；利用晶闸管串并联和多重化技术提高电压电流耐量，同时改善输出波形;换流能力与负载无关，能为多台设备供电；应用：鼓风机、电风扇、水泵供电中广泛应用第二十页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路5.主电路常见形式4)电流型晶闸管变频器特点:通过直流中间电路得到稳定的交流电流，不易出现熔丝烧坏或晶闸管损坏的问题无需制动电路采用晶闸管为主要开关器件，电压与电流耐量高。通多PWM和多重化，实现电机低频平滑运行。易于实现矢量型控制应用：冶金，起重、传送带等第二十一页，共七十页，2022年，8月28日3.2变频器的主电路5.主电路常见形式5)PAM晶体管变频器（斩波）特点:主要应用于高频变频器电压控制与频率控制分离控制电路相对复杂最高输出频率可达3KHz,电机转速可达180000rpm低速运行时转速波动大应用：打孔机、高速机床、真空泵第二十二页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路主控制电路驱动电路检测电路保护电路外部接口电路数字操作显示盒本节要点第二十三页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路主控制电路构成与功能:小型计算机系统:包含处理器、程序存贮器、RAM、ASIC功能：收集外部的输入信息，按照变频调速的算法进行处理，并输出对应的控制信号、显示信号。1.主控制电路第二十四页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路1)输入信号处理变频器的输入信号：频率给定、运行、停止、正转、反转有些变频器还有外部联锁、多级转速指令等频率给定有多种方式电位器给定4-20mA电流给定0-10V电压给定数字指令：按键、网络、RS232、485非数字给定的情况需要经过AD转换，传给CPU。顺控逻辑信号—运行、停止、正反转、多级转速指令，通过光耦后传给CPU。1.主控制电路第二十五页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路2)加减速速率调节功能变频器的频率给定一般是阶跃信号，变频器直接按这种给定信号变频，会引起大电流、机械冲击，对系统长期稳定运行不利。变频器需要自动将阶跃指令转换成较低速率变化的功能：1.主控制电路加速时间减速时间；s形加减速时间常数第二十六页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路3)运算处理与PWM波形演算1.主控制电路运算处理：全部运算程序固化在PROM中，通过调用对应的程序和外部设定的参数进行V/f运算和转差转算，按照加减速指令，计算对应的输出电压与频率；运算处理部分还对各种需要保护功能的信号作运算，输出对应的保护信号或控制信号。PWM波形演算实现发生PWM波形的功能。目前采用专用编程芯片（GAL、PAL），或者是由CPU实时计算的方法（主流）。

随微电子技术、信息处理技术的快速发展，一些高性能的CPU、用户专用芯片得到应用，软件的方法实现硬件功能、使变频器功能更可靠、体积更紧凑，功耗更低。在矢量控制中，有的采用了双CPU结构。第二十七页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路2.主电路的驱动电路驱动电路主要对逆变电路的开关器件作开关控制，有些场合需要对整流或者直流环节的开关器件进行控制。根据器件不同，可以分为门极驱动电路或基极驱动电路；特点：1）晶体管、IGBT、MOSFET，为了可靠关断，施加反向电压或电流2）晶闸管不能自关断，无需关断控制，驱动电路简单3）GTO关断需要门极反向电流，开通需要门极正向电流，而且要求的电流较大，电路复杂。第二十八页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路2.主电路的驱动电路典型驱动电路第二十九页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路2.主电路的驱动电路典型驱动电路第三十页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路功能:检测电机的运行状态信号：转速、电流、电压、频率等信号，变频器的中间信号：直流电压、直流电流，散热片温升等，转换为数字信号传给CPU，由CPU计算对应的输出控制信号或保护信号主要技术：1）直流电压和电流—主要采用霍尔元件测量，快速、线性度好，精度高；2）转速检测—测速发电机，或者是光码盘（或磁码盘）。前者需要信号处理，后者简单作信号整形后就可以作为数字信号使用；3）温度检测—热敏电阻作连续温度检测，用于电机转子与变频器自身重要温度监控点的检测，需要信号处理并作AD转换。双金属片用于散热片温升检测，逻辑信号。3.信号检测电路第三十一页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路保护电路的功能:对变频器和系统的状态出现异常时进行必要的处理，包括停止输出、报警等。保护功能分为三种类型：对变频器自身保护（变频器设计中已经考虑）、对驱动电机的保护（由用户按负载和外部环境情况设定）对系统的保护（由用户按负载和外部环境情况设定）。4.保护电路第三十二页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路变频器对自身的保护：1）瞬间过流保护：电机起动、过载时，外部短路、接地时出现瞬间过大的电流。变频器关断主电路停止输出。一般设定为变频器的额定电流的2倍。2）对地短路保护：为防止变频器出现单相接地，引起变频器损坏、危及人身安全、火灾等。当接地电流达到额定电流一半时起作用。一般根据电流的不平衡来判断，需要漏电保护器或空气开关。4.保护电路第三十三页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路3）过电压保护：主要是监控和保护直流侧电路的电压。当电机减速或者是馈能时，引起直流电路电压过高的情况，会引起器件损坏。过电压之后一般停止变频器输出；在设定过电压的值方面各种产品不一。一般200V级的变频器定为400V，400V级的定在800V。注：对于交流电源过高的电压，本电路无法起到保护作用。4.保护电路第三十四页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路4）欠电压保护：当供电电源的电压过低，导致直流侧电压偏低，变频器的输出电压不足，使电机过度发热。在这种情况下变频器将停止输出在突然停电时，欠电压保护也会动作，停止变频器输出。新型变频器提供了自动复位功能。5）变频器过载保护：变频器输出电流超过150%额定电流，且持续一定时间时，变频器过载保护动作。6）散热片过热保护：防止散热不畅、风扇故障、过滤孔阻塞7）开关器件熔丝保护：防止开关器件过流损坏8）控制电路异常保护：控制电路自检、状态、通信出错等及时停止输出4.保护电路第三十五页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路外部接口电路的功能:按照用户的需求扩展变频器的功能，根据系统不同，对变频器进行操作；与外部电路一起构成高性能的自动控制系统。主要电路功能类型顺序控制指令输入电路频率指令输入电路监测信号输出电路数字信号输入输出电路5.外部接口电路第三十六页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路外部接点接口具体功能:多功能输入端子和多功能输出接点——通过变频器内部参数设定编程，具体指定这些端子的功能多功能模拟输入输出信号接点——外部设定的频率指令、频率偏置值、频率指令增益、直流制动电流指令、过载转矩指令。输出点包括输出电流检测、输出频率检测值。用于与控制系统接口数字输入输出接口——用于数控机床、自控系统中与PLC接口，使变频器能按照机床或者PLC的要求起动、制动、正转、反转、加减速等。数字输出，主要输出变频器的实际频率的脉冲计数信号。计算机接口——与上位机计算机、PLC通信，使变频器按上位机或PLC的指令运行。接口的形式非常多，如RS232，485，工控制网络等。很多公司推出可自由选择功能的接口电路卡——5.外部接口电路第三十七页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路5.外部接口电路第三十八页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路5.外部接口电路第三十九页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路5.外部接口电路第四十页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路数字操作显示盒功能:数字操作盒，也是人机接口用于设定、操作和显示变频器的运行参数、状态。具体功能：1）运行操作起动、停止、正转、反转等操作，设定输出频率；这些操作既能在外部接口电路上实现，也可以通过操作盒实现。2）设定变频器的内部参数——最重要的功能

参数类型：a）与环境和功能选择有关的参数（s形加减速？转矩检测、防失速？）b）与变频器工作方式有关的参数（V/f,载波频率等）6.数字操作显示盒第四十一页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路6.数字操作显示盒（参数设定1）第四十二页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路6.数字操作显示盒（参数设定2）第四十三页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路数字操作显示盒功能:3）监测运行状态当前变频器指令频率、电压；实际输出频率、电压；当前变频器的工作状态、功率、功率因数等4）记录和显示故障内容一般用故障码显示，需要通过手册查找对应的故障及其解决方法。

6.数字操作显示盒第四十四页，共七十页，2022年，8月28日3.3变频器的控制电路通用变频器内部结构图第四十五页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数变频器的系统功能频率设定功能与保护有关的功能与运行方式有关的功能与状态监测有关的功能其他功能本节要点第四十六页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数全区域自动转矩补偿功能防失速功能过转矩限定运行无传感器简易速度控制功能带励磁释放型制动器电动机的运行减小机械振动降低冲击的功能运行状态检测显示出现异常再起动/3线控制功能/外部信号起停功能1.变频器的系统功能第四十七页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数1）全区域自动转矩补偿功能作用：保持电机在全速范围内转矩稳定V/f调节的理论上：保持E/f为常数实际中用V代替E，在低速及大负载时，V和E相差较大，导致电磁转矩不足；适当提高V，补偿这种转矩变化—一般称为转矩补偿或转矩增强功能全区域自动转矩补偿：变频器在电动机加速、减速和定常速度运行时，自动根据负载变化调节V/f值的功能。有些变频器提供了V/f曲线的设定功能。1.变频器的系统功能第四十八页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数2）防失速功能（防止电机转差率过高）作用：具有防失速功能设置的变频器，减少因保护电路频繁动作引起的问题。分为加速过程、常速过程和减速过程防失速方法：加速和常速过程出现负载过大时，为了减小电机的负载电流，变频器自动降低变频器的输出频率，以避免变频器因电机电流过大出现保护电路动作的情况减速过程防失速功能：在减速过程中，在保护电路动作之前，暂停降低变频器输出频率或减缓降频速率。1.变频器的系统功能第四十九页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数3）过转矩限定运行作用：保护机械设备方法：对电机输出转矩的极限值进行限定，达到该值时变频器停止工作，并发出报警信号4）无传感器简易速度控制功能作用：提高电机的速度控制精度方法：通过检测电机的电流估算负载转矩，进行必要的转差补偿。速度的变动率降为1/3-1/5需要电机的空载电流、额定转差率等信息，对电机分别指定。1.变频器的系统功能第五十页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数5）带励磁释放型制动器电动机的运行作用：对带励磁释放型制动器电机的专门设置功能，主要用于起重机、自动仓库等场合，在低频区，确保励磁释放制动器有足够高的电压工作，但又要保证电机不会长时间过载运行。方法：设定V形V/f曲线，且防止在低频区长时间连续运行。1.变频器的系统功能第五十一页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数6）减小机械振动降低冲击的功能作用：防止机床、传送带、起动机出现大幅度振动或者机械冲击。方法：对V/f曲线、s加减速、跳越频率、载频等多种参数的合理设定。1.变频器的系统功能第五十二页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数7)运行状态检测显示:作用:检测变频器的工作状态,根据工作状态设定机械互锁,或者使机械操作者及时了解变频器的工作状态.1.变频器的系统功能第五十三页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数8)出现异常再起动9)3线控制功能/外部信号起停功能出现异常再起动是在变频器自检出现异常,或者外围信号异常,变频器将自动停止工作,待故障现象消失后自动复位和起动.人工设定10以内的再起动次数.安全起见,谨慎使用!3线控制功能,构成简单的顺控电路1.变频器的系统功能第五十四页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数外部信号起停功能作用:通过变频器的外部电路,强制变频器停止工作方法:a)外部基极遮断信号接点:通过外部基极遮断信号接点的外部信号,强行关断变频器逆变电路的基极(门极)信号,使变频器输出为0,电机自由停转.b)外部异常停止信号接点,当被拖动的机械设备出现异常时,传送停止信号给变频器,由变频器完成减速和制动过程.1.变频器的系统功能第五十五页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数1)多级转速设定功能使电机以预定的速度按一定的程序运转每级速度都以参数的形式设定,存贮在变频器内便于与PLC连接组成控制系统,还可以用极限开关实现简易的位置控制比采用模拟信号作为速度(频率指令)相比,不受干扰噪声的影响,且设定值精确.2.频率设定功能第五十六页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数2)输出频率上下限功能设定频率的上下限,使电机的转速控制在一定范围,以保护机械设备在设定时,结合设定频率上下限\相对于输入信号的偏置\信号增益2.频率设定功能第五十七页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数3)特定频率设定禁止功能(频率跳跃\回避频率)防止电力拖动系统在某些频率时发生机械共振,无法正常生产.—用实验的方法确认2.频率设定功能第五十八页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数4)指令丢失时自动运行功能用于端子输入的模拟频率指令信号急剧减少时的情况.变频器按原有频率的80%输出,维护系统正常运转.5)频率指令特性反转为了和检测仪器或输入信号配合,可以设定频率特性反转(反相)2.频率设定功能第五十九页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数6)禁止加减速功能通过外部信号,使变频器在加速或减速过程中保持频率暂时不变.提高变频器的可操作性.(想想,这个功能在生产中有什么作用?)2.频率设定功能第六十页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数7)加减速时间切换/s形加减速时间加减速时间切换:针对不同电机,或同一电机不同工况,利用外部信号切换为不同的设定值.s形加减速时间:减小变频器拖动的机电系统机械冲击2.频率设定功能第六十一页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数变频器的安全运行与所拖动的系统环境关系密切。保护主要有对变频器的保护、对电机的保护和对整个系统的保护有些保护通过变频器的硬件和软件，结合信号检测与设定参数实现有些保护需要与外部电路配合本部分主要考虑对电机和整个系统的保护参数设定问题3.与保护有关的功能第六十二页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数1）电动机的保护a)电动机的过载保护3.与保护有关的功能变频器通过温度模拟得到电子热继电器功能为电机提供过载保护当变频器的输出电流超过设定保护值持续一定时间时，电子热继电器工作，使变频器停止输出当拖动的是普通电机时，在低速状态下散热效果变差，需要对其保护设基准作下调补偿。对专用变频电机，可以不用考虑低速补偿；在设定时要根据电机的特性作出设定在一拖多时，应接入热敏继电器。第六十三页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数1）电动机的保护b)电动机失速保护3.与保护有关的功能通过速度传感器（测速电机、光码盘）实测电机的转速。与预期转速相差较远时（转差过大—失速），对电机采取保护c)光码盘断线保护转差与矢量控制中，出现检测光码盘输出信号异常时，及时采取保护措施。第六十四页，共七十页，2022年，8月28日3.4变频器的主要功能与参数2）系统的保护a)过转矩检测功能：

当变频器输出电流超过预设过转矩检测值时，变频器停止工作、报警；b)外部报警输入功能：周边设备故障检测信号通过变频器的外部接口接入，使变频器停止工作；c)变频器过热预报：变频器周围的温度接近危险温度时报警，（热敏开关）d)制动电路异常保护：对制动电