变频器的原理与应用 希望森兰科技股份有限公司
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变频器的原理与组成 (一)概述: 1定义:转换电能并能改变频率的电能转换装置。 2交流调速技术发展的概况与趋势: 交流电机:结构简单,价低,动态响应好、维护方便,但调速困难。 直流传动的薄弱环节:换向器的存在;单机容量受限12000kW-14000kW、 最高电压1000多伏、最高转速3000r/min。 交流调速飞速技术发展的原因: 电力电子器件制造技术;电力电子电路的变换技术;PWM技术,矢量控制 技术,直接转矩控制技术;微机和大规模集成电路基础的数字控制技术
一.变频器的原理与组成 (一)概述: 1.定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置。 2.交流调速技术发展的概况与趋势： 交流电机：结构简单，价低，动态响应好、维护方便，但调速困难。 直流传动的薄弱环节：换向器的存在；单机容量受限12000kW~14000kW、 最高电压1000多伏、最高转速3000r/min。 交流调速飞速技术发展的原因： 电力电子器件制造技术；电力电子电路的变换技术；PWM技术，矢量控制 技术，直接转矩控制技术；微机和大规模集成电路基础的数字控制技术
(二)发展趋势与动向 IGBT的应用:载波频率可达16KHz抑制噪声和机械共震,电机电流在低 速时波形接近正弦减少转矩脉动电压驱动简化了电路;网侧变流器的PWM 控制;矢量控制变频器技术的通用化无速度传感器矢量控制系统代表另一新 技术动向 无速度传感器矢量控制的速度观测模型建模方法大体上有:动态速度估 计器;模型参考自适应方法;基于PT调节器法;自适应转速观测器法;转子 齿谐波法;滑模观测法等 感应电机是一多变量,强耦合及时变参数系统围绕它有若干研究课题 电机参数模型的离散化;电机参数的自测定电机定子电流的控制电机参 数的辩识电机状态估计;系统稳定性分析
(二)发展趋势与动向: IGBT的应用:载波频率可达16KHz,抑制噪声和机械共震,电机电流在低 速时波形接近正弦,减少转矩脉动;电压驱动,简化了电路;网侧变流器的PWM 控制;矢量控制变频器技术的通用化,无速度传感器矢量控制系统代表另一新 技术动向. 无速度传感器矢量控制的速度观测模型,建模方法大体上有: 动态速度估 计器；模型参考自适应方法；基于PI调节器法;自适应转速观测器法；转子 齿谐波法；滑模观测法等. 感应电机是一多变量,强耦合及时变参数系统,围绕它有若干研究课题: 电机参数模型的离散化;电机参数的自测定;电机定子电流的控制;电机参 数的辩识;电机状态估计;系统稳定性分析
主控一体化日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上 的 DIPIPM(即双列直插式封装)的研制已经完成并推向市场。一种使逆变 功率和控制电路达到一体化,智能化和高性能化的HVIC(高耐压IC)SOC ( System on Chip)的概念已被用户接受,首先满足了家电市场低成本、小 型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望,随着功率做大,此产品 在市场上极具竞争力。 2、小型化用日本富士(FUJI)电机的三添胜先生的话说,变频器的小 型化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技 术和系统设计的大规模集成化,功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成 为小型化的重要原因。ABB公司将小型变频器定型为C0mp-ACTM他向全 球发布的全新概念是,小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件 样使用简单,安装方便,安全可靠。 3、低电磁噪音化今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合 EMC
l､ 主控一体化 日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上 的DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变 功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC （System on Chip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小 型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品 在市场上极具竞争力。 2､ 小型化 用日本富士（FUJI）电机的三添胜先生的话说，变频器的小 型化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技 术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成 为小型化的重要原因。ABB公司将小型变频器定型为Comp－ACTM他向全 球发布的全新概念是，小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件一 样使用简单，安装方便，安全可靠。 3､ 低电磁噪音化 今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合 EMC
国际标准,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正 ( Active power factor Correction.APFC)电路,改善输入电流波形降低 电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将 推崇半诸振方式,这种开关控制方式在30-50M时的噪声可降低15-20dB。 4、专用化通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。其目的是更好 发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载的ARB ACC系列,用于交流电梯的 Siemens mico340系列和 FUJI FRN500G1D 系列,其他还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引 等专用系列。 5、系统化作为发展趋势,通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多 功能向集中型发展。最近,日本安川由机提出了以变频器,伺服装置,控制 器及通讯装置为中心的”D&M&C”概念,并制定了相应的标准。目的是为 用户提供最佳的系统。因此可以预见在今后.变频器的高速响应器件和高性 能控制将是基本条件
国际标准,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正 （Active Power Factor Correction． APFC）电路，改善输入电流波形降低 电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将 推崇半谐振方式，这种开关控制方式在30－50M时的噪声可降低15－20dB。 4､ 专用化 通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。其目的是更好 发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载的 ARB ACC系列，用于交流电梯的 Siemens MICO340系列和FUJI FRN5000G11UD 系列，其他还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引 等专用系列。 5､ 系统化 作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多 功能向集中型发展。最近，日本安川由机提出了以变频器，伺服装置，控制 器及通讯装置为中心的”D&M&C”概念，并制定了相应的标准。目的是为 用户提供最佳的系统。因此可以预见在今后．变频器的高速响应器件和高性 能控制将是基本条件
若希望把转矩误差控制在3%以内,需要对磁通变化作修正(补偿励磁电抗 引起的饱和及定子铁损的变化)若希望把转矩误差控制在1%以内需要对定 子和转子的铁损进行补偿 矩阵式变频器、直接驱动技术(高精度:电机和负载间刚性耦合,高 速和高加速度、高动态响应、高机械刚度和可靠性、低噪声和零保养,部件 减少可降低噪声,磨损部件只有旋转或直线轴承,做到永久性润滑和无序维 修的一次性装配,可实现零保养。 (三)交流电机的调速方法 调压调速,电磁调速绕线式电机转子串电阻调速,串级调速变极调速变频 调速等 (四)变频器的构成: 主回路(整流器、中间直流环节、逆变器) 控制回路 保护回路
若希望把转矩误差控制在3%以内,需要对磁通变化作修正(补偿励磁电抗 引起的饱和及定子铁损的变化);若希望把转矩误差控制在1%以内,需要对定 子和转子的铁损进行补偿. 矩阵式变频器、直接驱动技术（高精度：电机和负载间刚性耦合，高 速和高加速度、高动态响应、高机械刚度和可靠性、低噪声和零保养，部件 减少可降低噪声，磨损部件只有旋转或直线轴承，做到永久性润滑和无序维 修的一次性装配，可实现零保养。 (三)交流电机的调速方法: 调压调速,电磁调速,绕线式电机转子串电阻调速,串级调速,变极调速,变频 调速等 (四)变频器的构成: 主回路（整流器、中间直流环节、逆变器） 控制回路 保护回路
(五)变频器的分类: 1按直流电源性质分:电流型 (1)电流型Id趋于平稳;四象限运行 (2)电压型Ed趋于平稳;不选择负载的通用性 (3)电流源供电时交流电机工作特性
(五)变频器的分类: 1.按直流电源性质分: 电流型 (1)电流型 Id趋于平稳;四象限运行 (2)电压型 Ed趋于平稳;不选择负载的通用性 (3)电流源供电时交流电机工作特性:
a,电机起动转矩小b能够稳定运行范围窄在大部分的转速 范围内是电机运行不稳定区 原因:恒流源供电时,定子磁势是恒定的空载时全部定子磁势 用于励磁,气隙中产生很强的磁场铁心高度饱和负载增加时,转 子减速而转差率增大转子电流增加由于转子电流的去磁作用, 气隙合成磁场减小,磁场变弱先退出饱和磁场变化缓慢而未随 转子电流的增加磁场很快变弱,导致端电压急剧下降,单位转子电 流产生的转矩减小导致转子电流进一步增大形成恶性循环使 转矩很快下降到较小数值 实际上,电流源不是真正的恒流源等效为电压源驱动下的恒 流源 2按输出电压的调节方式分类: (1)PAM方式
a,电机起动转矩小;b.能够稳定运行范围窄,在大部分的转速 范围内是电机运行不稳定区. 原因:恒流源供电时,定子磁势是恒定的.空载时,全部定子磁势 用于励磁,气隙中产生很强的磁场,铁心高度饱和.负载增加时,转 子减速而转差率增大,转子电流增加.由于转子电流的去磁作用, 气隙合成磁场减小,磁场变弱,先退出饱和,磁场变化缓慢,而未随 转子电流的增加磁场很快变弱,导致端电压急剧下降,单位转子电 流产生的转矩减小,导致转子电流进一步增大,形成恶性循环,使 转矩很快下降到较小数值. 实际上,电流源不是真正的恒流源,等效为电压源驱动下的恒 流源. 2.按输出电压的调节方式分类: (1)PAM方式
由戴维南定理,开路电势和 等效内阻: E=LX XI X2 g 由此求出I2 Xm =|R2S R S)+(X+X2) 图6异步电机在恒流源供电时的 等值电路 电磁转矩 P R T 3I 2 S 3n k X R 2mf1[(2)2+(Xm+X2)
R1 X1 X2 R2/S xm I I I I 1 1 2 m 图6 异步电机在恒流源供电时的 等值电路 由戴维南定理，开路电势和 等效内阻： th 1Xm E I Xg Xm X2 2 m 2 2 2 1 m 2 ) (X X ) S R ( I X I 由此求出I2 : 电磁转矩： ) (X X ) ] S R 2 f [( 3n I X S R 3I n p P n T 2 m 2 2 2 1 2 m 2 p 1 2 2 2 1 p m 1 p 1 m （1）
由(1)式画出其转矩转速 特性如图7。并求出最大转矩和 电压源供电转矩转速特性 临界转差率 ni2x p m max 4f, (xm+x2) 电流源供电转矩转-速特性 R X+X 电压源供电的情况下,最大图7电流源供电机转矩转速特性 转矩出现在Sn=R2/(X1+X2)的 地方。由于xn>x,所以在恒流源供电时,最大转矩出现在转差率 小得多的地方。电机转矩-转速特性成尖峰状,起动转矩很小,稳定 运行的范围很窄
n T 电压源供电转矩转-速特性 电流源供电转矩转-速特性 图7-电流源供电机转矩-转速特性 由（1）式画出其转矩-转速 特性如图7。并求出最大转矩和 临界转差率： 4 f (x x ) n I X T 1 m 2 2 m 2 p 1 max m 2 2 mxa X X R S 电压源供电的情况下，最大 转矩出现在 的 地方。 S R (X X ) mxa 2 1 2 由于Xm X1，所以在恒流源供电时，最大转矩出现在转差率 小得多的地方。电机转矩-转速特性成尖峰状，起动转矩很小，稳定 运行的范围很窄