变频器基础与应用第三章.ppt
第三章 变频器结构与功能,变频器结构 变频器主电路 变频器控制电路 变频器主要功能和参数,本章要点,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,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,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,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,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?,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?,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,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.,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.,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,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,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,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.,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,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。,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）.,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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。,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。,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,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,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,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,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,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,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,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,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,3.3 变频器的控制电路,5.外部接口电路,3.3 变频器的控制电路,5.外部接口电路,3.3 变频器的控制电路,5.外部接口电路,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,3.3 变频器的控制电路,6.数字操作显示盒（参数设定1）,3.3 变频器的控制电路,6.数字操作显示盒（参数设定2）,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,3.3 变频器的控制电路,通用变频器内部结构图,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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。,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。,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： 对制动电路的晶体管异常或电阻过热保护和报警,3.与保护有关的功能,3.4 变频器的主要功能与参数,停止时直流制动： 在不使用机械制动时，使电机能制动；变频器在电机制动时，输出直流电保持电机制动。 无制动电阻时快速停止： 不使用机械制动与制动电阻支路，使电机比自由停止稍快停止，一般自其最高转速开始给电机供直流电进入直流制动，减速速度低于5%，制动力矩在额定力矩50-70%左右。,4.与运行方式有关的功能,3.4 变频器的主要功能与参数,运行前直流制动：对水泵、风机开始运行前可能方向不确定。在调速控制前先对其制动 自寻速跟踪功能：对具有大惯性的拖动系统中，电机由于故障停机进入自由状态时，可自寻电机的实际转速，在重新起动时，无需等电机停止后再起动。 瞬时停电再起动：在瞬时停电时，根据工作条件自动再起动。经常与自寻速功能一起使用，提高效率。 一般停电2s以内可使用该功能。,4.与运行方式有关的功能,3.4 变频器的主要功能与参数,电网电源与变频器电源切换运行：在电机较长时间工作在工频时，脱开变频器运行，避免变频器自身能量损耗。 需要将电网直接驱动切换到变频器时，要结合自寻速功能。 节能运行：适用于冲压机械或精密机床，原理是在处于加速阶段变频器输出最大功率，而恒速运行时降至设定值。 多V/f运行：用一台变频器驱动多台电机，或者是驱动多极电机时，需要多种V/f特性。,4.与运行方式有关的功能,3.4 变频器的主要功能与参数,显示负载速度 按照一定的折算关系，显示电机的转速、负载转速、线速度、流量等。 脉冲监测功能 与脉冲计数器配合，准确显示变频器输出频率，并按一定倍率显示。 频率/电流计刻度校正 通过调节电流和频率模拟输出增益，进行刻度校正（注：输出信号为标准电压或电流信号）。 数字操作盒功能 监测变频器内部状态、输入输出接口状态、故障状态等。,5.与状态监测有关的功能,3.4 变频器的主要功能与参数,载频频率设定：避开共振频率，降噪 高载频运行：高载频，降噪和降金属音 平滑运行：提高载波频率，使电机转矩波动减小、平滑运行 全封闭运行：恶劣环境下使用 高转差率制动功能：用软件的方法，使系统动能产生的电能直接在电机内消耗掉。 现场总线与网络控制功能：参数上传、下载、复位、监测、诊断等远程功能 停止状态自整定功能：电机参数自动辨识、自动调节,5.其他功能,
