变频器的原理与结构.ppt

变频器变频器的原理与结构的原理与结构施耐德电气（中国）投资有限公施耐德电气（中国）投资有限公司武汉分公司司武汉分公司产品应用工程师产品应用工程师周周 耿耿www.schneider-2008/09SSD Marketing2变频器的原理变频器的原理异步电动机的转速异步电动机的转速n异步电动机的转速按照下列公式计算：n式中：n1为气隙旋转磁场的转速，称为同步速，单位：转每分。n其中：of为电机供电电源频率，工频频率为50Hz或60Hzop为气隙旋转磁场的极数,由电机的结构决定，为2，4，6，8，n对50Hz工频，2级，4级，6级，8级电机的同步转速分别为：3000，1500，1000，750转每分n同步转速实际上也是异步电机理想空载的情况下的转速，这时，转子的转速与定子所产生的旋转磁场转速相同，相对静止，称为同步。SSD Marketing3滑差率滑差率n式中的s为转子相对于气隙旋转磁场的转速差与同步速之比，称为同步速。n通常情况下，滑差率很小，在8以内，所以普通异步电动机的额定转速总是接近于同步转速，如2910转每分，1430转每分，975转每分，742转每分等等。SSD Marketing4滑差调速滑差调速n通过改变电机滑差的方法调节转速称为滑差调速。n滑差调速的实现是非常困难的。n对最常见的鼠笼式异步电动机，除了改变供电电压外，无法实现滑差调速。n对于绕线转子电机，其转子回路中可以另外串入电阻，通过改变转子的阻值，可以改变异步电机的机械特性曲线，具体讲就是改变产生最大转矩的转速，从而可以对应于负载转矩的转速，即工作点。SSD Marketing5绕线转子电机的滑差调速绕线转子电机的滑差调速n这是一种传统的调速方法，同时提供良好的起动性能。n优点：o起动电流小，通常为额定电流的3倍以下o起动转矩和过载力矩较大，通常可达到额定转矩的2倍以上o如果串联的电阻可以连续调节，可以获得无级调速o可以允许第二象限运行n缺点：o仅仅适用于绕线转子电机o电机结构复杂，造价高o起动和调速装置复杂，笨重，体积大o滑环，炭刷，接触器，电阻等，可靠性低，维护量大o效率低，很多能量消耗在串联的电阻上o调速精度低，分辨率低n趋势：逐渐淘汰SSD Marketing6变极调速变极调速n电机具有多套绕组或一套绕组构成不同的接法，形成不同的极（对）数。n对应于不同的极数，同步速不同转速就不同，最终的转速就不同。n优点：o适用于只要求两种转速的场合。o不需要外加调速装置，只需接触器切换不同的绕组接法。n缺陷：o只能实现有限的有级调速。o调速精度低，反应慢。o绕组接法复杂，可靠性差。o电机效率和功率因数低。o电机成本高。o不能频繁切换。SSD Marketing7变频调速变频调速n最好的方法就是变频调速，也就是改变电源频率，使得同步转速成比例变化，负载转速就可以与电源频率成正比地变化。这种装置称为变频器n变频调速的优点：o效率高，功率因数高。o数字智能化，易于控制和调节。o固态硬件，可靠性高。o可用于快速频繁起停，正反转等。o动态和静态精度高。o容易集成到系统中。o起动和运行电流小。o适用于廉价可靠的鼠笼式异步电动机。n变频调速目前已经成为异步电机调速的主流，现在已经可以控制同步电机等的调速。SSD Marketing8异步电机的转矩特性异步电机的转矩特性n蓝色为转矩特性，n红色为负载特性，n(nN,TN)为额定工作点nTm为可能产生的最大转矩nTst为起动转矩SSD Marketing9负载类型负载类型n变频器的选型和应用,首先要考虑的就是负载的类型n负载可以分为三大类o恒转矩负载例如输送带,提升,钻床,挤出机o变转矩负载例如离心风机,离心泵o恒功率负载例如磨床,高速车床,绕线筒等n根据不同的负载类型,以及其它功能和性能的要求,选择对应系列的变频器SSD Marketing10恒转矩负载恒转矩负载n在整个运行的速度范围内,需要相同大小的负载n当转速变化时,负载转矩基本保持不变n所需功率与转速成正比n通常转速限制在基本频率以内SSD Marketing11变转矩负载变转矩负载n负载转矩是转速的函数:在低速下需要较小的转矩,而在高速下需要较大的转矩n只有两类典型的负载:离心泵和离心风机n额定转速以下o设备产生的流量与泵或风机的转速成正比o设备产生的压力与泵或风机转速的平方成正比o设备消耗的功率与泵或风机转速的立方成正比SSD Marketing12恒功率负载恒功率负载n通常恒功率段是指在电机的基本频率之上n对于一个恒功率负载,实际上负载转矩是负载物理尺寸的函数n在转速较低时需要的转矩较高,在转速较高时,需要的转矩较低.n负载转矩与转速成反比,其乘积,亦即功率为恒定值,称为恒功率负载SSD Marketing13机械知识机械知识四象限水平运动四象限水平运动SSD Marketing14变频器和软起动器的区别变频器和软起动器的区别n软起动器o软起动器是一种智能化的降压起动器,在起动电机时可以有效地控制和限制起动电流,同时可减少对电机及其驱动的设备的机械应力.o软起动可以将机械从零速平滑地加速到额定转速,也可以控制平滑地减速到零速o在只需要软起动和软停止而不需要调速的场合可以使用软起动器o软起动器为了降低起动电流,必须实施降压起动,同时降低了起动转矩n变频器o变频器可以实现软起动和软停止o也可以根据负载的变化和系统的要求调节速度和改变输出转矩o电机起动后可以不以工频转速运行o变频器在起动电机的同时不必降低起动转矩n结论o从功能上,变频器可以取代软起动器,但软起动器不能取代变频器o从成本上,变频器高于软起动器,但其优势自不待言.SSD Marketing15启动电流启动电流n电动机通上工频电源，旋转磁场即以额定同步转速旋转，而电机的转子尚处于静止状态，转子绕组与旋转磁场的相对速度很高，故感应电动势及感应电流都很大，即电子电流可达额定电流的4-7倍。n当使用变频器启动时，启动瞬间变频器的输出频率很低，旋转磁场的转速很低，转子的转速也较低，故启动电流很小。一般使用变频器，启动电流不会大于额定电流的1.5倍。SSD Marketing16当使用软启时，同步转速不变，临界转速不变，临界转距随电压的减小而减小。SSD Marketing17变频器容量的选择变频器容量的选择n一般来说，变频器的额定电流要大于电机的额定电流。n1、同功率电机的额定电流因磁极数而异，磁极数越大，额定电流越大。一般的变频器的额定电流是参照4极电机的。n2、变频器的额定电流因开关频率而异。开关频率越大，额定电流越小。一般的变频器以4KHz定义额定电流的。SSD Marketing18变频器的结构变频器的结构n通常变频器的结构为交直交，也就是将单相或三相交流电压整流成为直流电压（ACDC)，然后再将直流“逆变”成为所需频率的三相交流电压（DCAC)。n变频器最主要的部分是逆变部分，而且有生产厂家单独生产逆变部分，所以有时又将变频器称为逆变器。n由于电机和变频器原理的原因，在额定电压以下，在改变输出频率的同时，也要改变输出电压的有效值，这种形式称为可变电压，可变频率，故又将变频器称为VVVF.SSD Marketing19变频器的叫法变频器的叫法nDrive，Convertor 通用nVSD-Variable Speed Drive 施耐德专用nAC Drive-Alternating Current Drive 欧洲通用nVFDVariable Frequency Drive 北美nVVVFVariable Voltage Variable Frequency Drive 通用nInverter 日本，台湾SSD Marketing20变频器常用术语变频器常用术语n变流器 convertersn整流 rectifying-rectificationn整流器 rectifiern逆变 inverting-inversionn逆变器 inverter n转矩脉动 torque pulsationn脉宽调制(PWM)pulse width modulation n谐波 harmonicn矢量控制 (VC)vector control n直接转矩控制(DTC)direct torque control n四 象 限 运 行 Four quadrant operationn动态制动 dynamic brakingn再生(制动)regeneration n直流制动 d.c brakingn漏电流 leak current n滤波器 filtern电抗器 reactor n电位器 potentiometern编码器 encoder,PG(pulse generator)n定子 stator n转子 rotor SSD Marketing21变频器的主回路变频器的主回路n进线端子nEMC滤波器n整流桥n储能电容n预充电回路n制动晶体管n制动电阻及其保护n逆变桥n电流互感器n出线端子SSD Marketing22变频器的主回路变频器的主回路 进线进线n变频器的进线电源可以是三相380-500V，或三相200240V，也可以是单相200240V；也可以是690V。n电源电压在690V以下称为低压变频器，1000V以上称为中压或高压变频器。n进线电源的相序不影响电机的转向。SSD Marketing23变频器的主回路变频器的主回路 EMC滤波器滤波器n施耐德变频器普遍标配进线EMC滤波器，用来抑制变频器对周围设备的射频干扰。n在变频器通电时，EMC滤波器通过接地电容产生对地电流，尤其是上电瞬间会产生较大的漏电流。n变频器一般应用于工业场合，用接地的方式进行安全保护。n应用于民用配电场合时，有时无安全接地，而采用漏电开关(RCD)，有时会因此发生RCD误脱扣，这是正常的。解决的办法是将图中的接地断开。SSD Marketing24变频器的主回路变频器的主回路 整流桥整流桥n大多数变频器采取三相全波整流，整流器件为功率二极管。ATV71为三相半波整流。n三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的1.35倍，例如电网电压为400V，则这时直流母线电压为540V左右。但随着负载的波动，直流母线电压也会波动。n单整流桥获得的电压波形每个周波有六个波头，称为六波头整流或六脉冲整流，这时的进线电流存在6m+1/6m-1次谐波，如5，7，11，13，。SSD Marketing25变频器的主回路变频器的主回路 12脉冲整流脉冲整流n为了抑制电流谐波，可以采用两套整流桥，分别连接到一个三绕组特殊变压器的输出的两个绕组，该变压器的两个绕组的输出电压有效值相等，相位互差30度。n两套整流桥串联，电压相加。n这时的电压波形每个周期有12个波头，电流的谐波含量不包含5次，7次，17次，19次。n变频器和配电回路的成本大大增加，用于大功率应用和特殊场合。SSD Marketing26变频器的主回路变频器的主回路 预充电电阻和预充电接触器预充电电阻和预充电接触器nU的电压，对储能电容快速充电。n为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻。在变频器上电时，整流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后（如直流母线电压上升到额定电压的70%）以上后，需要用接触器将该电阻旁路掉。在整个运行过程中，该电阻不起作用。n该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器。n如果电网电压不稳定导致瞬间大幅度跌落，会引起预充电回路频繁动作，导致其损坏。SSD Marketing27变频器的主回路变频器的主回路 半可控整流桥半可控整流桥n将上述整流桥中的三个桥臂改成可控硅，如晶闸管或IGBT，则整流桥的输出电压就是可调的。n在变频器上电期间，控制晶闸管的导通角，半可控整流桥的输出电压逐渐升高，最后达到全波整流获得的峰值,这样一来在变频器中就不需要预充电电阻和预充电接触器.SSD Marketing28变频器的主回路变频器的主回路 全控整流桥全控整流桥n如果上述整流桥的6个桥臂都是可控硅,加上控制回路,甚至可以做成可以四象限运行,既可以从电网吸收能量供给负载,也可以将负载制动的能量反馈回电网,实现再生制动.当然这样变频器的成本会大大升高,所以这种方式仅仅适用于大功率传动.n实现能量再生制动的另一种方法是将一个系统中的所有变频器的直流母线并联,或者采用统一的整流电源和统一的能量再生制动单元,称为网络制动单元.SSD Marketing29变频器的主回路变频器的主回路 储能电容储能电容n变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证。n该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联。n当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低；处于发电（制动）过程中，瞬间会升高直流母线电压，若太高变频器则停止输出。n有些应用中，为了提高变频器的动态能力，或者在断电瞬间保持变频器斜坡停车，需要外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。SSD Marketing30直流电抗器直流电抗器n直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈,因其通过的电流为直流电流,故亦成为直流扼流圈.n直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波,从而减少对电网的污染.n通常采用适当大小的直流电抗器,即可使变频器的谐波污染减少到符合标准,这是一种低成本的方案.n如果要将谐波抑制到更低,需要大配合无源滤波器.n直流电抗器对进线浪涌电压没有抑制作用.SSD Marketing31交流电抗器交流电抗器n交流电抗器安装在变频器的进线侧,也称为进线电抗器.n交流电抗器与直流电抗器作用大致相同,但交流电抗器对进线浪涌电压有抑制作用.n在对电流谐波产生相同的抑制作用时,交流电抗器产生的线路压降比直流电抗器略大,从而会产生略大的输出转矩损失.n在下列情况下推荐使用交流电抗器:o多台变频器并联使用o线路电源有来自其他负荷的明显扰动o变频器由阻抗非常低的线路供电SSD Marketing32制动单元和制动电阻制动单元和制动电阻n制动单元是一个或一组晶体管,与制动电阻串联之后,接在直流母线上.n当直流母线电压超过某规定电压时,制动晶体管导通,直流母线电容和电机向制动电阻释放能量.使直流母线电压降低,降低到另一规定电压后,制动晶体管截止.所以制动电阻的作用是能耗制动.n图中Tfr为制动晶体管,PA-PB连接制动电阻,PA-PB之间的二极管为保护用续流二极管.n当变频器驱动负载需要克服惯性快速减速或停车时,或位能性负载持续下降时,需要进行能耗制动.SSD Marketing33变频器的主回路变频器的主回路 逆变桥逆变桥n逆变桥是变频器的核心部分,其作用是将直流电压通过6个桥臂可控硅的反复轮流通断形成所需要的幅值和频率变化的三相交流输出电压.n逆变桥的桥臂的可控硅的类型主要是IGBT绝缘珊双极型晶体管.n通过逆变桥,直流电压被斩波成为高频率的脉冲电压,由于它是由逆变管反复开关形成,所以其频率称为开关频率.