变频器基础与应用第三章.ppt
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1、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
2、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
3、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(
4、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
5、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MOSF
6、ET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
7、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
8、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
9、,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
10、: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
11、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
12、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
13、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
14、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.
15、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
16、。 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
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- 变频器 基础 应用 第三
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