交直交变频器
2008/7/28 13:45:00
一 变频器开发基础
三相交流异步电动机发明于1881年，一经问世，便以起结构简单，坚固，价格低廉二迅速的在电力拖动领域成为拖动系统中＂骄子＂。但正式由于其结构，在调速性能上使其失去欢颜。从异步电动机的转速公式 n=60f/p(1-s) ，可知。除变频{f}调速以外，异步电机调速基本途径有：1改变极对数{p}。2改变转差率{s}。显然其调速缺点为调速范围低，工作效率下降，负载能力不一致，消耗电能多，机械特性较软，控制电路较复杂。科技的进步，社会的发展，要求生产机械对电动机进行无级调速满足工艺要求是多么的迫切。
随着20世纪60年代功率晶闸管{SCR}，70年代功率晶体管{GTR},可关断晶闸管{GTO}，80年代绝缘栅双极晶体管{IGBT}的相继开发，把变频器由希望，推广，发展到今天的普及阶段。
二 变频器基本结构
目前应用的最广泛的是交直交变频器，其基本结构如图所示：
其工作过程是先将三相{或单相}不可调工频电源经过整流桥整流成直流电，再经过逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的交流电，以实现无级调速。
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逆变器的原理框图
三 功率部分
交直交变频器的主电路如图所示，变频器调速过程中出现的许多现象都应通过主电路来进行分析,因此，熟悉主电路的结构，透彻了解各部分的原理，具有十分重要的意义。
1 交-直变换电路
⑴ 图Ｉ（VD1-VD6）为交直变换全波整流电路，在中小容量变频器中，整流器件采用不可控整流二极管或二极管模块。(2)图中（CF1 CF2）为滤波电容器，由于交流电被整流出的直流电中会有交流含量，为了获取平稳的直流电而设置滤波电容。（3）因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1 和CF2的电容量常不能完全相等，这将导致各自压降不相等。为了使其压降相等，在CF1 CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。（4）（RH HL）为电源指示电路，除此之外HL也具有提示保护的作用，当变频器切断电源后，
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交-直变换 能耗电路 直-交变换
由于CF的容量较大，导致CF的电压高，如不放完电，对人身安全会构成威胁。（5）（RL SL）为限流电路。当变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥到滤波电容，使整流桥可能因此受到损坏，限流电阻RL就是为了削弱 该冲击电流而串联在整流桥和滤波电容之间。限流电阻常接在电路中会影响到直流电压U，也增大了电路的损耗，所以当U增大到一定程度时，令短路开关SL接通切除RL。
2 能耗电路（RB VB）为能耗电路。电动机的降速和停机通过逐渐减少频率来实现，但由于机械惯性的原因，导致电机处于再生制动状态，它将引起直流U升高，过高的直流电压将使变频器件受到损害，因此当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路将再生的电能消耗掉，所以制动单元中VB RB起到和消耗电能的作用。
3 直-交变换电路
（1）三相逆变桥工作原理，以单相逆变为例，如图：
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单相逆变原理图
a：前半周期，令V1 V4导通，V2 V3截止，则负载ZL上所得电压为a＂-＂b＂+＂
b：后半周期，令V1 V4截止，V2 V3导通，则负载ZL上所得电压为a＂+＂b＂-＂
上述两种状态不断交替进行，则负载ZL上所得到的便是交流电压了。这就是直流电变为交流电的逆变过程，三相逆变桥的工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相之间互隔T/3就行了,如图：
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三相逆变原理图
(2)续流电路（VD7-VD12）其作用为电动机绕阻的无功电流返回提供通路。当频率下降时，为电动机的再生电能返回直流电路提供通路。
四 变频变压调制办法
1﹑电动机的能量传递是靠磁通的，而当工频运行时，磁通的实际变化是不大的，而当频率下降时，会导致电机磁路饱和，这里就不将进行公式推到了。最终磁路饱和会导致励磁电流的严重畸变，峰值也越大。所以，在进行变频调速时有一个十分重要的要求，就是磁通φ必须保持不变，而公式E=4.44kfNψ可知，保持φ=const，则需保持E/f=const,但反电动势E是绕组自身产生的，无法从外部控制，通常认为E大小与电源电压是近似相等的，而可用U/f=const代替。
2﹑变频变压（VVVF）脉宽调制。
脉宽调制方法常有脉幅调制（PAM），脉宽调制（PWM）,正弦脉宽调制（SPWM）。由于SPWM有显著优点，即通入电机电流十分逼近于正弦波，所以这里只对SPWM做以介绍。
脉冲系列中各脉冲的上升与下降是由正弦波和三角波的交点来决定的，为便以说明，以单极性调制为例。如图：
A：正弦波的频率随给定频率而变，三角波的频率原则也跟着一起变化。
B：正弦波的振幅比值U/F和给定频率F同时变化，三角波振幅不变，所得到的脉宽调制波如上图所示。只有在微机技术高度发达的条件下，才有可能在极短的时间内实时地计算出正弦波与三角波的交点，
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单极性SPWM
并使逆变管按各交点所规定的时刻有序的导通截止。这里三角波决定了脉冲的频率，称为载波。正弦波决定了脉冲的占空比，称为调制波。
五 控制部分
如果说功率部分为电机提供动力相当于人的力量，则控制部分相当于人的大脑，支配着力量。各厂家变频器的控制部分设置大体相同，以西门子（SIEMENS）公司装置为例，装置在功能控制板上有下列控制部分端子。
(1) 用于pc或op1串型接口（RS485）。
(2) 一个串型接口（用于网络通信USS总线）。
(3) 用于一个电机温度传感器和连接一个HTL单极脉冲编码器的控制端子排。
(4) 两个具有开关量和模拟量输入输出的控制端子排，如图:
A：X101 X102为开关量和模拟量输入输出端子排，通过变频器控制
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接线简图
字设置成不同的功能，如速度给定，变频器启动条件，使能，斜波，变频器运行，故障和电流电压等故障显示。
B：X103是为变频器提供电机运行反馈信息端子排，其中包括转速反馈部分和温度反馈部分，转速反馈目的是为变频器闭环控制提供条件，以达到高精度转速控制。温度反馈目的是保护电机。
C：PMU控制板，变频器的所有功能都将通过PMU板进行设置，其功能主要包括变频器参数设定，电流电压等数值显示，故障显示等。
（5）变频器整套装置通过参数设置，实现装置功能，满足客户工艺要求，每个参数通过其参数名和它的参数号表明其含义。例如:
中间回路电压r006=541
参数名：中间回路电压
参数号：r006
参数值：541
（6）变频器运行简单设置示例
p060=3 简单应用的参数设置
p071=? 输入装置进线电压（v）
p095=? 输入电机类型 10为异步/同步（国际标准）
p100=? 输入开/闭环控制 1 v/f 开环控制
p101=? 输入电机额定电压 （v）
p102=? 输入电机额定电流 (A)
p104=? 输入电机额定功率 (KW)
p107=? 输入电机额定频率 (HZ)
p108=? 输入电机额定转速 (n)
p109=? 输入电机极对数 (p)
p382=? 确定电机冷却方式 0 (自冷方式)
p368=? 选择设定和命令源 1 ( 端子排上模拟/数字量输入)
p370=1 启动简单应用的参数设置
p060 返回用户菜单
六 变频器的应用实例
异步电动机在额定频率和额定电压下直接启动时，由于转子绕足以同步转速切割旋转磁场，转子电动势和电流都很大，故其启动电流可达到额定电流的4-7倍。这将对电源形成冲击，引起电网电压的波动。此外，由于启动过程过于快捷，常常对机械负载形成冲击，缩短机械传动部分的使用寿命。
使用了变频器后，由于其输出频率可以从很低频率开始，频率上升的快慢可以任意设定，从而可以有效的将启动电流限制在一定的范围内，机械冲击等问题也可完全解决，这种启动特性是十分优越的。
以首钢中厚板厂加热炉鼓风机变频器应用为例说明变频器的部分功能应用和启动过程：
1 依据变频器参数设置将电机铭牌数据输入及完成基本参数设置。
2 通过变频其功能预置端子功能，其中包括启动，停止，加速，减速等。
3 升速时间：定义为变频器的工作频率从0HZ上升至最高电机允许频率所需的时间。各种变频器都为用户提供了可在一定范围内任意设定升速时间的功能。所规定的设定范围各不相同，最短者为0-120s，最长的可达0-160s。设定升速的基本原则为从减小电动机的启动电流的角度来说，升速时间应设定的长一些，但升速过程属于过渡过程，并非工作所需，<
三相交流异步电动机发明于1881年，一经问世，便以起结构简单，坚固，价格低廉二迅速的在电力拖动领域成为拖动系统中＂骄子＂。但正式由于其结构，在调速性能上使其失去欢颜。从异步电动机的转速公式 n=60f/p(1-s) ，可知。除变频{f}调速以外，异步电机调速基本途径有：1改变极对数{p}。2改变转差率{s}。显然其调速缺点为调速范围低，工作效率下降，负载能力不一致，消耗电能多，机械特性较软，控制电路较复杂。科技的进步，社会的发展，要求生产机械对电动机进行无级调速满足工艺要求是多么的迫切。
随着20世纪60年代功率晶闸管{SCR}，70年代功率晶体管{GTR},可关断晶闸管{GTO}，80年代绝缘栅双极晶体管{IGBT}的相继开发，把变频器由希望，推广，发展到今天的普及阶段。
二 变频器基本结构
目前应用的最广泛的是交直交变频器，其基本结构如图所示：
其工作过程是先将三相{或单相}不可调工频电源经过整流桥整流成直流电，再经过逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的交流电，以实现无级调速。
逆变器的原理框图
三 功率部分
交直交变频器的主电路如图所示，变频器调速过程中出现的许多现象都应通过主电路来进行分析,因此，熟悉主电路的结构，透彻了解各部分的原理，具有十分重要的意义。
1 交-直变换电路
⑴ 图Ｉ（VD1-VD6）为交直变换全波整流电路，在中小容量变频器中，整流器件采用不可控整流二极管或二极管模块。(2)图中（CF1 CF2）为滤波电容器，由于交流电被整流出的直流电中会有交流含量，为了获取平稳的直流电而设置滤波电容。（3）因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1 和CF2的电容量常不能完全相等，这将导致各自压降不相等。为了使其压降相等，在CF1 CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。（4）（RH HL）为电源指示电路，除此之外HL也具有提示保护的作用，当变频器切断电源后，
交-直变换 能耗电路 直-交变换
由于CF的容量较大，导致CF的电压高，如不放完电，对人身安全会构成威胁。（5）（RL SL）为限流电路。当变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥到滤波电容，使整流桥可能因此受到损坏，限流电阻RL就是为了削弱 该冲击电流而串联在整流桥和滤波电容之间。限流电阻常接在电路中会影响到直流电压U，也增大了电路的损耗，所以当U增大到一定程度时，令短路开关SL接通切除RL。
2 能耗电路（RB VB）为能耗电路。电动机的降速和停机通过逐渐减少频率来实现，但由于机械惯性的原因，导致电机处于再生制动状态，它将引起直流U升高，过高的直流电压将使变频器件受到损害，因此当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路将再生的电能消耗掉，所以制动单元中VB RB起到和消耗电能的作用。
3 直-交变换电路
（1）三相逆变桥工作原理，以单相逆变为例，如图：
单相逆变原理图
a：前半周期，令V1 V4导通，V2 V3截止，则负载ZL上所得电压为a＂-＂b＂+＂
b：后半周期，令V1 V4截止，V2 V3导通，则负载ZL上所得电压为a＂+＂b＂-＂
上述两种状态不断交替进行，则负载ZL上所得到的便是交流电压了。这就是直流电变为交流电的逆变过程，三相逆变桥的工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相之间互隔T/3就行了,如图：
三相逆变原理图
(2)续流电路（VD7-VD12）其作用为电动机绕阻的无功电流返回提供通路。当频率下降时，为电动机的再生电能返回直流电路提供通路。
四 变频变压调制办法
1﹑电动机的能量传递是靠磁通的，而当工频运行时，磁通的实际变化是不大的，而当频率下降时，会导致电机磁路饱和，这里就不将进行公式推到了。最终磁路饱和会导致励磁电流的严重畸变，峰值也越大。所以，在进行变频调速时有一个十分重要的要求，就是磁通φ必须保持不变，而公式E=4.44kfNψ可知，保持φ=const，则需保持E/f=const,但反电动势E是绕组自身产生的，无法从外部控制，通常认为E大小与电源电压是近似相等的，而可用U/f=const代替。
2﹑变频变压（VVVF）脉宽调制。
脉宽调制方法常有脉幅调制（PAM），脉宽调制（PWM）,正弦脉宽调制（SPWM）。由于SPWM有显著优点，即通入电机电流十分逼近于正弦波，所以这里只对SPWM做以介绍。
脉冲系列中各脉冲的上升与下降是由正弦波和三角波的交点来决定的，为便以说明，以单极性调制为例。如图：
A：正弦波的频率随给定频率而变，三角波的频率原则也跟着一起变化。
B：正弦波的振幅比值U/F和给定频率F同时变化，三角波振幅不变，所得到的脉宽调制波如上图所示。只有在微机技术高度发达的条件下，才有可能在极短的时间内实时地计算出正弦波与三角波的交点，
单极性SPWM
并使逆变管按各交点所规定的时刻有序的导通截止。这里三角波决定了脉冲的频率，称为载波。正弦波决定了脉冲的占空比，称为调制波。
五 控制部分
如果说功率部分为电机提供动力相当于人的力量，则控制部分相当于人的大脑，支配着力量。各厂家变频器的控制部分设置大体相同，以西门子（SIEMENS）公司装置为例，装置在功能控制板上有下列控制部分端子。
(1) 用于pc或op1串型接口（RS485）。
(2) 一个串型接口（用于网络通信USS总线）。
(3) 用于一个电机温度传感器和连接一个HTL单极脉冲编码器的控制端子排。
(4) 两个具有开关量和模拟量输入输出的控制端子排，如图:
A：X101 X102为开关量和模拟量输入输出端子排，通过变频器控制
接线简图
字设置成不同的功能，如速度给定，变频器启动条件，使能，斜波，变频器运行，故障和电流电压等故障显示。
B：X103是为变频器提供电机运行反馈信息端子排，其中包括转速反馈部分和温度反馈部分，转速反馈目的是为变频器闭环控制提供条件，以达到高精度转速控制。温度反馈目的是保护电机。
C：PMU控制板，变频器的所有功能都将通过PMU板进行设置，其功能主要包括变频器参数设定，电流电压等数值显示，故障显示等。
（5）变频器整套装置通过参数设置，实现装置功能，满足客户工艺要求，每个参数通过其参数名和它的参数号表明其含义。例如:
中间回路电压r006=541
参数名：中间回路电压
参数号：r006
参数值：541
（6）变频器运行简单设置示例
p060=3 简单应用的参数设置
p071=? 输入装置进线电压（v）
p095=? 输入电机类型 10为异步/同步（国际标准）
p100=? 输入开/闭环控制 1 v/f 开环控制
p101=? 输入电机额定电压 （v）
p102=? 输入电机额定电流 (A)
p104=? 输入电机额定功率 (KW)
p107=? 输入电机额定频率 (HZ)
p108=? 输入电机额定转速 (n)
p109=? 输入电机极对数 (p)
p382=? 确定电机冷却方式 0 (自冷方式)
p368=? 选择设定和命令源 1 ( 端子排上模拟/数字量输入)
p370=1 启动简单应用的参数设置
p060 返回用户菜单
六 变频器的应用实例
异步电动机在额定频率和额定电压下直接启动时，由于转子绕足以同步转速切割旋转磁场，转子电动势和电流都很大，故其启动电流可达到额定电流的4-7倍。这将对电源形成冲击，引起电网电压的波动。此外，由于启动过程过于快捷，常常对机械负载形成冲击，缩短机械传动部分的使用寿命。
使用了变频器后，由于其输出频率可以从很低频率开始，频率上升的快慢可以任意设定，从而可以有效的将启动电流限制在一定的范围内，机械冲击等问题也可完全解决，这种启动特性是十分优越的。
以首钢中厚板厂加热炉鼓风机变频器应用为例说明变频器的部分功能应用和启动过程：
1 依据变频器参数设置将电机铭牌数据输入及完成基本参数设置。
2 通过变频其功能预置端子功能，其中包括启动，停止，加速，减速等。
3 升速时间：定义为变频器的工作频率从0HZ上升至最高电机允许频率所需的时间。各种变频器都为用户提供了可在一定范围内任意设定升速时间的功能。所规定的设定范围各不相同，最短者为0-120s，最长的可达0-160s。设定升速的基本原则为从减小电动机的启动电流的角度来说，升速时间应设定的长一些，但升速过程属于过渡过程，并非工作所需，<
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