1、LTTL13142008-09-01一一變頻器的發展和主要相關技術變頻器的發展和主要相關技術二二變頻器的主要構成及其工作原理變頻器的主要構成及其工作原理三三變頻器各種功能和應用變頻器各種功能和應用1.電氣傳動系統概述電氣傳動系統概述 以交流（直流）電動機為動力拖動各種生產機械的系統我們稱之為交流（直流）電氣傳動系統，也稱交流（直流）電氣拖動系統。 大致構成大致構成 中間傳動機構交流電源輸入終端機械交流電機直流調速裝置直流輸出皮帶輪、齒輪箱等直流電機交流調速裝置交流輸出執行機構變頻器2.變頻器的工作原理變頻器的工作原理 我們知道，交流電動機的異步轉速表達式位： n60 f(1s)/p (1) 其

2、中 n異步電動機的轉速； f異步電動機的頻率； s電動機轉差率； p電動機極對數。 由公式(1)可知，電動機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數有關系，因而交流電動機的直接調速方式主要有變極調速(調整P)、轉子串電阻調速或串級調速或內反饋電機(調整s)和變頻調速(調整f)等。 而我們現在運用最廣泛的就是變頻調速，由轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在050Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。 交流電動機的同步轉速表達式位： n60 f/p 故也可以用變頻調

3、速。 3.變頻器的發展史變頻器的發展史4.變頻器相關技術（即發展基礎）變頻器相關技術（即發展基礎）a.電力電子技術電力電子技術 半導體功率器件從GTO（門極可關斷晶體管）、GTR（大功率晶體管）、BJT（雙及型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管）到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關高頻化的PWM 技術成為可能。b.微處理器技術微處理器技術 隨著微電子技術的發展，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數字化控制系統取代以前的模擬器件控制系統成為可能。目前適于交流傳動系統的微處理器有單片機、數字信號處理器(Digital Signal Process

4、or, DSP )、專用集成電路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC)等?，F在又出現了多個CPU協同工作：管理，核心，鍵盤，上位機等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅動信號的產生以及系統的監控、保護功能都可以通過微處理器實現，為交流傳動系統的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成全數字化控制系統達到了較高的性能價格比。c.控制理論的不斷進步控制理論的不斷進步 應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術及現代控制理論。d.網絡技術網絡技術局域網，互聯網，遠程監控；Profibus BUS , Interbus

5、-S,Device NET, I/O Interface5.變頻器控制方式的發展變頻器控制方式的發展V/F控制空間矢量調制矢量變換控制變結構控制直接轉矩控制人工智能控制l變頻技術在以下幾個方面得到發展：1、網絡智能化2、專門化和一體化3、環保無公害4、適應新能源a.V/F控制及控制及U/f=C的的 其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，

6、且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。 b.電壓空間矢量電壓空間矢量(SVPWM)控制方式控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改

7、善。 c.矢量控制矢量控制 1）基本思想）基本思想 (1) 對直流電動機的分析 在變頻調速技術成熟之前，直流電動機的調速特性被公認為是最好的。究其原因，是因為它具有兩個十分重要的特點: (a) 磁場特點 它的主磁場和電樞磁場在空 間是互相垂直的，如圖(a)所示; (b) 電路特點 它的勵磁電路和電樞電路是互相獨立的，如圖(b)所示。 在調節轉速時，只調節其中一個電路的參數。2）變頻器的矢量控制模式）變頻器的矢量控制模式 仿照直流電動機的控制特點，對于調節頻率的給定信號，分解成和直流電動機具有相同特點的磁場電流信號i*M和轉矩電流信號i*T，并且假想地看作是兩個旋轉著的直流磁場的信號。當給定信號

8、改變時，也和直流電動機一樣，只改變其中一個信號，從而使異步電動機的調速控制具有和直流電動機類似的特點。 對于控制電路分解出的控制信號i*M和i*T，根據電動機的參數進行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號i*A、i*B和i*C，對三相逆變橋進行控制，如圖所示。從而得到與直流電動機類似的硬機械特性, 提高了低頻時的帶負載能力。 c.矢量控制矢量控制3）矢量控制的主要優點）矢量控制的主要優點a)低頻轉矩大：即使運行在1Hz(或0.5Hz)時, 也能產生足夠大的轉矩,且不會產生在V/F控制方式中容易遇到的磁路飽和現象。 b)機械特性好：在整個頻率調節范圍內，都具有較硬的機械特性，所有機械特性基

9、本上都是平行的。c)動態響應好：尤其是有轉速反饋的矢量控制方式，其動態響應時間一般都能小于100ms。d)能進行四象限運行。c.矢量控制矢量控制1.變頻器的分類變頻器的分類 按變頻的原理，變頻器分為交交變頻器和交直交變頻器。1. 變頻器的分類變頻器的分類 交一交變頻器交一交變頻器 它是將頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續可調的交流電源其主要優點是沒有中間環節，變換效率高。但其連續可調的頻率范圍較窄，一般在額定頻率的12以下，故主要用于容量較大的低速拖動系統中。 交一直一交變頻器交一直一交變頻器 先將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續可調的三相交流電。由于把

10、直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調節范圍，以及變頻后電動機特性的改善等方面，都具有明顯的優勢，目前使用最多的變頻器均屬于交一直交變頻器。 1. 變頻器的分類變頻器的分類 根據直流環節的儲能方式來分，交一直一交變頻器又可分成電壓型和電流型兩種。(1)電壓型： 整流后若是靠電容來濾波稱為電壓型，現在使用的變頻器大部分為電壓型。電壓源型逆變器的中間直流環節由于采用電容儲能，因此直流環節電壓值不受負載影響，其主要運行特點如下： 逆變器采用PWM技術，既變壓又變頻；由于直流電壓源的箝位作用，交流側電壓波形為矩形波，與負載阻抗角無關，而交流側電流波形和相位因負載阻抗角的不同而異，其波形接近正弦波。

11、系統響應速度快； 可多臺逆變器共用一套直流電源并聯運行； 同一相的上下橋臂有直通短路的可能，這時電流的變化率和峰值都很大，需要在極短的時間內進行保護，所以保護困難； 由于整流部分采用不控整流，因此不能實現能量回饋制動。如果電動機需要向交流電源反饋能量，因直流測電壓方向不能改變，所以只能靠改變直流電流的方向來實現，這就需要給交直變換的整流橋再反并聯一套逆變橋。(2)電流型： 整流后若是靠電感來濾波稱為電流型，它的中間直流環節采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖。電流源型變換器大多用于大功率的風機水泵調速控制系統，采用可控整流調壓、逆變器變頻方式運行。2.交一直一交電壓型變頻器的主回路構

12、成交一直一交電壓型變頻器的主回路構成（以下都簡稱為變頻器） ： 電源輸入整流橋啟動電阻（直流電感）母線電容制動單元（制動電阻）逆變橋電源輸出。整流橋啟動電阻輸入交流電源母線電容逆變橋交流輸出制動單元直流電感制動電阻2. 交一直一交電壓型變頻器的主回路構成交一直一交電壓型變頻器的主回路構成（以下都簡稱為變頻器）主要器件整流橋：整流橋：西門康 SEMKRON (SKKD162/16 100A/SKD) 、三社 SanRex （DFA ）、IXYS（VU）、 IRF International Rectifier（ 160MT KB）、德國 Powersem（psd35）等逆變器：逆變器： IGBT

13、：西門子優派克EUPEC （FS、BSM）、Fuji（2MB ） 等 IPM：三菱（PM）等 PIM一體模塊：一體模塊：西門子優派克 EUPEC （FS、FP、BSM）、泰科 TYCO（V23990-P89）等單管單管IGBT：APT（Advanced Power Technology）APT60GF120JRD電解電容：電解電容：400V，560V，5600UF以下（包括）CPU： TMS320F2406A/7A，TMS320F2813等光耦：光耦： 東芝的TLP3120，7840， HP的HCPL-4504等緩沖電阻：緩沖電阻：單管單管IGBT、風扇、接觸器、散熱器、霍爾、溫度傳感器等、風

14、扇、接觸器、散熱器、霍爾、溫度傳感器等3.變頻器的控制回路構成：變頻器的控制回路構成： 電源板（防雷電路、開關電源電路、模塊驅動和保護電路、信號采集電路等）控制板（客戶命令采集、各種信號處理并進行整機控制等）接口板鍵盤板。變頻器主回路驅動板控制板鍵盤接口板硬件軟件硬件軟件軟件軟件軟件軟件參數檢測控制算法故障處理控制功能通訊按鍵處理自檢LCD 顯示故障處理鍵盤通訊接口通訊LED 顯示4.變頻器各電路的工作原理和作用（一）主回路變頻器各電路的工作原理和作用（一）主回路u整流電路：整流電路：大都是由大功率二極管構成的全波整流電路，主要是將單相或三 相交流轉化為直流；它們將380V的交流電整流成直流，

15、平均直流電壓可用下式表示：UD =1.35 UL=1.35380513V。u中間電路：中間電路：主要包括緩沖電路、濾波電路、制動電路組成。濾波電路主要是由無感電容和電解電容、均壓電阻等，大功率變頻器我們常常要求客戶加直流電抗器，這些都是為了消除直流中的高次諧波、提高功率因素；緩沖電路作用緩解在上電瞬間對電解電容的沖擊；制動電路的作用是在電機減速或停機時將電機反饋回來的電能消耗掉，從而起到快速減速、保護電機和變頻器的作用。u逆變電路：逆變電路：由六個IGBT和它反向并聯的六個續流二極管組成的三相全橋逆變電路組成。這六個續流二極管的功能有以下三點：a,由于電動機是一種感性負載，工作時其無功電流返回

16、直流電源需要它們提供通路；b,降速時電動機處于再生制動狀態， 它們為再生電流提供返回直流的通路；c,逆變時它們快速高頻率地交替切換，同一橋臂的兩管交替地工作在導通和截止狀態，在切換的過程中，也需要給線路的分布電感提供釋放能量的通路。4.變頻器各電路的工作原理和作用（二）控制回路變頻器各電路的工作原理和作用（二）控制回路u開關電源電路開關電源電路：這部分相對我們公司的電源產品來說就很簡單了，它的特點是輸出通路多。（2844）u模塊驅動電路：模塊驅動電路：主要是信號封鎖、隔離、放大和電壓轉換以及強弱電隔離。（3120、4504）u信號檢測電路信號檢測電路: : 輸入缺相信號、母線電壓信號（CVD）

17、、三相輸出電流信號、殘壓信號、模塊溫度信號、接觸器狀態信號、模塊狀態信號等的采集和放大處理。u控制電路：控制電路：根據檢測來的信號判斷工作狀態，執行客戶外部指令，按照設定的控制方式發出SPWM形波。u接口電路：接口電路：主要是用來實現多功能和通訊功能，并可為客戶提供電源，是為了方便客戶的現場運用。u顯示電路：顯示電路：分為LED和LCD兩種。5.驅動板電路框圖和對應實物驅動板電路框圖和對應實物 下面是一個品牌變頻器驅動板架構5.驅動板電路框圖和對應實物驅動板電路框圖和對應實物 下面以某品牌變頻器功率板為例5.逆變電路原理的討論逆變電路原理的討論 三相正弦脈沖寬度調制波形三相正弦脈沖寬度調制波形

18、剛才我們提到了現代變頻器采用了SPWM（正弦脈沖寬度調制） 5.逆變電路原理的討論逆變電路原理的討論 SPWM的開關點 SPWM的脈沖序列的產生是由基準正弦波和三角載波信號的交點所決定的，且每一個交點都是逆變器同一橋臂上兩只逆變管的開、關交替點因此將這個交點稱作SPWM的開關點，我們必須將所有的交點的時間坐標汁算出來，才能有序地向逆變器發出通斷的指令。 調節頻率時基準正弦波的頻率和幅值都要改變，載波信號(三角波)與基準正弦波的交點也將發生變化。所以每次調節頻率后，開關點的坐標都需要重新計算，計算量之大是人工難以完成的。只有通過計算機這個工具才能在最短的時間內將開關點的坐標計算出來，從而控制各逆

19、變管實時通斷來完成變頻、變壓的任務。強調二點（1）逆變器輸出頻率與正弦調制波頻率相同；當逆變器輸出端需要變頻時，只要改變調制波的頻率；2）三角波與正弦波的交點即確定了逆變器輸出脈沖的寬度和相位。通常采用恒幅三角波，而改變調制波幅值的方法，以得到不同的寬度，從而得到不同的逆變器輸出電壓。1.變頻器各種功能變頻器各種功能a.軟啟動功能軟啟動功能 加減速過程中，變頻器的輸出頻率隨時間上升的關系曲線，稱為加速方式。變頻器設置的加速方式有:線性方式：線性方式：變頻器的輸出頻率隨時間成正比地上升，如圖(a)所示。大多數負載都可以選用線性方式。S形方式形方式 ：在加速的起始和終了階段，頻率的上升較緩，加速過

20、程呈S形，如圖所示。例如，電梯在開始起動以及轉入等速運行時，從考慮乘客的舒適度出發，應減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。半半S形方式：形方式：用用戶設定的拐角點確定曲線來控制，加減速方式。 1.變頻器各種功能變頻器各種功能b.起動頻率與暫停加速功能起動頻率與暫停加速功能 （1）設置起動頻率的方式 主要有兩種方式: 稍有給定信號(X=0+)，變頻器的輸出頻率即為起動頻率fS，如圖(a)所示; 設置一個死區XS%，在給定信號XXS%的范圍內，變頻器的輸出頻率為0Hz;當給定信號X=XS%時，變頻器直接輸出與XS%對應的頻率，如圖(b)所示。1.變頻器各種功能變頻器各種功能b.起動頻率與暫停加

21、速功能起動頻率與暫停加速功能（2）電動機起動后，先在較低頻率fDR下運行一個短時間，然后再繼續加速的功能。對于慣性較大的負載，起動后先在較低頻率下持續一個短時間tDR，然后再加速；設置暫停加速的方式主要有兩種: 變頻器輸出頻率從0Hz開始上升至暫停頻率fDR，停留tDR后再加速，如圖(a)所示; 變頻器直接輸出起動頻率fS后暫停加速，停留tDR后再加速，如圖(b)所示。1.變頻器各種功能變頻器各種功能c.電動機各種停機功能電動機各種停機功能電動機的停機方式 : 在變頻調速系統中，電動機可以設定的停機方式有: (a) 減速停機 即按預置的減速時間和減速方式停機，如上述，在減速過程中，電動機處于再

22、生制動狀態。 (b) 自由制動 變頻器通過停止輸出來停機, 這時, 電動機的電源被切斷, 拖動系統處于自由制動狀態。由于停機時間的長短由拖動系統的慣性決定, 故也稱為慣性停機。 (c) 減速加直流制動 首先按預置的減速時間減速，然后轉為直流制動，直至停機，如圖所示。 (d) 在低頻狀態下短暫運行后停機, 當頻率下降到接近于0時, 先在低速下運行一個短時間, 然后再將頻率下降為0Hz 。 PID調節的全稱是比例、積分、微分調節，是閉環控制中一種重要的調節手段，目的是使被控物理量迅速而準確地無限接近于控制目標。 PID反饋控制只要是通過溫度、壓力傳感器等，反饋模擬量給變頻器（可以是010V電壓信號

23、，也可以是420mA的電流信號），通過變頻器相應的處理輸出適合的頻率。當變頻器有兩個或多個模擬量給定信號同時從不同的端子輸入時，其中必有一個為主給定信號，其他為輔助給定信號。 1.變頻器各種功能變頻器各種功能d.PID反饋控制功能反饋控制功能 任何機械在運轉過程中，都或多或少會產生振動。每臺機器又都有一個固有振蕩頻率，它取決于機械的結構。如果生產機械運行在某一轉速下時，所引起的振動頻率和機械的固有振蕩頻率相吻合的話，則機械的振動將因發生諧振而變得十分強烈(也稱為機械共振)，并可能導致機械損壞的嚴重后果。1.變頻器各種功能變頻器各種功能e.回避頻率（跳躍頻率）功能回避頻率（跳躍頻率）功能g.其他

24、基本功能其他基本功能V/F控制功能，矢量控制功能，頻率上下限功能，多段速功能，異常停機功能，加速和減速時電壓、電流過高暫停加減速功能等。1.變頻器各種功能變頻器各種功能f.程序控制頻率功能程序控制頻率功能 各種變頻器都具有按時間控制的程序控制功能，在一個運行周期中，可以劃分為若干個程序步。各程序步的工作頻率、運行時間以及加、減速的快慢都由用戶根據生產工藝的需要來進行預置。 (1) 程序步的劃分 程序步是按運行頻率的不同而劃分的，如圖所示。一個周期內各程序步需要預置的內容如下: 程序步1:工作頻率為f1，運行 時間為t1(包括加速過程所需的 時間)，加速時間為tA1; 程序步2:工作頻率上升為f

25、2，運行時間為t2(包括加速過程 所需的時間)，加速時間為tA2; l 程序步3:工作頻率下降并反轉至f3，運行時間為t3(包括正轉減速和反轉加速過程所需時間)，減速時間和加速時間分別為tD3和tA3; 程序步4:工作頻率下降為f4(反轉)，運行時間為t4(包括減速過程所需時間)，減速時間為tD4。2. 變頻器的作用變頻器的作用(一)變頻調速的節能 （能量回饋）(二)變頻調速在電動機運行方面的優勢 變頻調速很容易實現電動機的正、反轉。只需要改變變頻器內部逆變管的開關順序可實現輸出換相也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。 變頻調速系統起動大都是從低速區開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設定，故加、減速過程比較平緩、起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。 變頻調速系統制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載