变频驱动.pptx

第一章第一章 变频驱动概述概述交流电动机的变频调速技术概述交流电动机的变频调速技术概述什么是交流电动机的变频调速技术用半导体电力电子器件构成的变频器，把工频的交流电变成频率可调的交流电，供给交流电动机，用以改变交流电动机的运转速度的技术，称为交流电动机的变频调速技术。变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）：序号优点1平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度3无级调速，调速精度大大提高4电机正反向无需通过接触器切换5非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制交流电动机调速系统的特点交流电动机调速系统的特点交流调速系统的特点由交流电动机和交流调速装置两部分共同决定。性能优异的交流电动机调速系统是在直流电动机调速系统之后出现的，目前在绝大部分场合已取代了直流电动机调速系统。交流调速系统与直流调速系统相比较，主要具有如下特点：（1）交流电动机具有更大的单机容量。（2）交流电动机的运行转速高且耐高压。（3）交流电动机的体积、重量、价格均小于同容量的直流电动机。直流电动机的主要劣势在其机械换向部分，相比而言，交流电动机构造简单、坚固耐用、经济可靠、转动惯量小。（4）交流电动机特别是鼠笼型异步电动机的环境适应性广。在恶劣环境直流电动机几乎无法使用。（5）调速装置方面，计算机技术、电力电子器件技术的发展，新控制算法的应用，使交流电动机调速装置反应速度快、精度高且可靠性高。达到与直流电动机调速系统同样的性能指标。交流电动机的变频调速技术的主要发展过程直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。电机控制算法功率半导体技术V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSP IGBT大容量化更高速率和容量大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP专用芯片00年代超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化 更大容量 更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用交流电动机调速系统的目前水平交流电动机调速系统的目前水平 （1）从中小容量等级发展到大容量、特大容量等级，填补了直流调速系统留下的特大容量电机调速空白。（2）交流调速系统已具备高的可靠性和长期连续运行能力，能满足实际工况对可靠性要求高、长期不停机检修等特殊要求。（3）控制装置设计可以达到和直流调速控制同样良好的控制性能，交流电动机设计可以满足各种工业现场，实现了交流电动机调速系统的高性能、高精度转速控制。（4）交流电动机调速系统已从原来作为直流电动机调速系统的补充手段，发展到已在大部分场合取而代之的应用状态。交流电动机调速系统的技术发展趋势交流电动机调速系统的技术发展趋势 (1）新型开关元件和储能元件的研制。（2）最新控制思想、控制算法、控制技术不断应用于交流调速产品。（3）控制装置设计可靠性越来越高性能，不断解决瞬时停电后的装置安全及恢复正常问题。（4）高运算速度、高控制性能的微型计算机产品在现代交流调速装置中不断应用，充分显示了现代控制手段的优越性。（5）进行大容量、特大容量等级的新型交流调速动机技术研究。同时也在进行结构精巧的高效能、高精度交流控制电机技术研究。交流电动机调速系统的技术应用（交流电动机调速系统的技术应用（1）（1）风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进行变频、串级调速，可以节能。（2）对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。（3）纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级变速，提高产品的质量和效率。（4）钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。（5）有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。（6）油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。交流电动机调速系统的技术应用（交流电动机调速系统的技术应用（2）(7)变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。(8)变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用，提高调速性能和产品质量。(9)变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。(10)机械行业。是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。交流电动机的变频器种类交流电动机的变频器种类1 按变换环节分类按变换环节分为两类：交-直-交变频器，交-交变频器；按变频的原理分为直接变频和间接变频；直接变频为交-交变频。交-交变频器把频率固定的交流电直接变换成概率连续可调的交流电。优点是没有中间环节，变换效率高；缺点是连续可调的的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，故它主要用于低速大容量的拖动系统中。交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF晶闸管相控单相交-交变频器由两个三相晶闸管相控整流桥反向并联构成，各工作半个周期，称为正、反两组。需要12个管子！正、反两组晶闸管相控整流单元按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0，u0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ，u0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果同组的控制角相同，则输出平均电压是方波。已能实现变压变频，但谐波含量比较大，要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。控制方法：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0=0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到/2（u0 再变为0）。晶闸管相控三相交交变频器三相交交变频电路由3个单相交交变频电路组成。共需要36个晶闸管，电路结构复杂。晶闸管交-交变压变频器的优点、不足及应用场合（1）优点：可以做到高压、大容量缺点：器件多，设备复杂输入功率因数较低，谐波电流含量大，须配置谐波滤波和无功补偿设备其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2频谱复杂，既有高频，又有低频，且随负载的变化而变化，滤波很麻烦。一般用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。应用场合：晶闸管交-交变压变频器的优点、不足及应用场合（2）矩阵式交交变频器由全控制器件构成的PWM交交变换器输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行。这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。2 交交-直直-交变频（交变频（1）间接变频为交-直-交变频，将交流经整流器后变为直流，然后再经逆变器调制为频率可调的交流电。变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC 50Hz整流整流202 交交-直直-交变频（交变频（2）根据整流器的不同，可分为可控整流器和不可控整流器。2 交交-直直-交变频（交变频（3）PWM变压变频器的优点：1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。由于由于PWMPWM变压变频器具有以上的优点，所以目前商业化应用的变频器绝变压变频器具有以上的优点，所以目前商业化应用的变频器绝大多数是这一类变频器。大多数是这一类变频器。2 交交-直直-交变频（交变频（4）不足：由于是不控整流，(1)输入特性差，输入电流的谐波含量大，功率因数低；（2）功率不能双向流动，直流侧能量无法回馈。2 交交-直直-交变频（交变频（5）改进PWM整流器+PWM逆变器构成Back-to-Back PWM 变换器。PWM整流器是个好装置，近年来应用非常广泛，不仅在高性能调速领域，在可再生能源发电、电力有源滤波（APF）、无功补偿等领域。2 交交-直直-交变频（交变频（6）受全控器件容量的限制，特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC 50Hz调频调频调压调压2 按电压的调制方式分类按电压的调制方式分类(1)PAM(Pulse Amplitude Modulation，PAM)，脉幅调制。通过调节输出脉冲的幅值来调节输出电压的方式。在调节过程中，逆变器负责调频，相控整流器或直流斩波器负责调压。目前，在中小容量变频器中很少采用。(2)PWM(Pulse Width Modulation,PWM),脉宽调制。通过改变输出脉冲的宽度和占宽比来调节输出电压的一种方式。在调节过程中，逆变器负责调频和调压。目前普遍应用的是宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制方式，即SPWM方式。中小容量的通用变频器几乎全采用此类型的变频器。3 按滤波方式分类按滤波方式分类(1)电压型变频器特点特点:(1)中间直流环节采用大电容；在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，直流电压Ud趋于平稳，电动机的端电压为方波或阶梯波。(2)三相桥式逆变电路可看作由三个单相半桥式逆变电路组成。(3)三相桥式逆变电路的基本工作方式是180导电型，即在一个交流周期内，每个桥臂的导通角均为180，同一相的上、下两个桥臂交替导通，而三个相的导通起始角相差120。桥臂的每次换流都是在同一相的上、下桥臂之间进行，因此称为纵向换流。(4)一些负载输出的计算公式：负载相电压有效值：负载相电压有效值：负载线电压有效值：负载线电压有效值：负载线电压基波峰值：负载线电压基波峰值：负载线电压基波有效值：负载线电压基波有效值：(2)电流型变频器电流型变频器特点：(1)中间直流环节采用大电感；相当于一个恒流源，在逆变过程中，直流回路呈现高阻抗且电流基本恒定。(2)电流中开关元件的作用仅是改变直流电流的流通路径，使交流侧的电流输出波形为方波或阶梯波，由于直流侧相当于一个电流源，故输出波形与负载阻抗角无关，但输出电压波形因负载阻抗情况不同而不同，对电动机负载接近于正弦波。(3)在电流型逆变电路的交流侧一般还需接入电容，为负载的等效电感或等效电容所储存的能量提供缓冲。(4)由于直流电流源的电流是不会反向流动的，故开关元件上不需反向并联续流二极管，但在许多IGBT和MOSFET元件内部并有反向连接的二极管，因此需将二极管正向串联在开关元件上，以限制电流的方向，保护开关元件。(5)基本上采用120导电性，电流在任一瞬间只有两个桥臂处于导通状态，其中一个上桥臂，另一个下桥臂。桥臂的每次换流都是在不同相的两个上桥臂或者两个下桥臂之间进行，因此也成为横向换流。(6)串入的电感量较大，使得直流电源具有恒流源性质，使得电感体积和重量均比较大。在电流源型逆变器中，一般采用具有反向阻断能力的对称型集成门极换向晶闸管（GCT），即SGCT。若整流电路也采用SGCT做电流PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输入功率因数，并且可省去输入隔离变压器。但PWM整流会导致变频器效率有一定程度下降。这种CSI型变频器(即电流源型变频器或电流源逆变器)，输入侧采用可控硅进行整流，采用电感储能，逆变侧用SGCT（或IGCT）作为开关元件，为传统的两电平结构。由于器件的耐压水平有限，必须采用多个器件串联。器件串联是一种非常复杂的工程应用技术，理论上说可靠性很低，但有的公司可以做到产品化的地步。由于输出侧只有两个电平，电机承受的dv/dt较大，必须采用输出滤波器。常见的电流源型高压变频器有美国Rockwell公司(A-B)Bulletin1557型电流型(采用GTO直接串联共18只)和Power FlexTM 7000系列电流型(采用6.5kV,6只SGCT器件)变频器；美国ROSS-HILL(罗斯希尔)公司VFD型电流型高压变频器；意大利ANSALDO(安萨尔多)公司SHCOVERT(H)高压电流源变频器；国产电流源高压变频调速器未见成熟的工业产品。30梯形波脉梯形波脉宽调制制为CSI设计的脉宽调制模式通常应注意两个条件：直流电流应保持连续；逆变器PWM 电流应该是确定的。这两个条件可以转化为脉宽调制的开关约束条件：在任何时刻（除了换相期间），只有两个功率开关器件导通，一个在上半桥，而另一个在下半桥。当只有一个开关器件导通时，就失去了电流的连续性，直流电感上会产生极高的电压从而造成开关器件的损坏。如果超过两个开关器件同时导通，PWM电流将不再符合开关方式所定义的波形。3132tuuuuOOOOOtttOttVT4导通UVWiViWiUudMVT1导通VT3导通VT6导通VT5导通VT2导通uVT1BQ转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。无换相器电动机电路工作波形图图5 518 18 无换相器电动机的基本电路无换相器电动机的基本电路33分析分析从从VTVT1 1向向VTVT3 3换流流的的过程程:假假设换流前流前VTVT1 1和和VTVT2 2通，通，C C1313电压U UC0C0左正右左正右负。如右。如右图。换流流阶段分段分为恒流放恒流放电和和二极管二极管换流流两个两个阶段。段。t t1 1时刻触刻触发VTVT3 3导通通，VTVT1 1被施被施以反以反压而而关断关断。Id从从VT1换到到VT3，C13通通过VD1、U相相负载、W相相负载、VD2、VT2、直流、直流电源和源和VT3放放电，放，放电电流恒流恒为Id，故称，故称恒流放恒流放电阶段段。如如图b。uC13下降到零之前，下降到零之前，VT1承受反承受反压，反，反压时间大于大于tq就能保就能保证关关断。断。a)b）+-UVW+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id34-+UVW-+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13iViViU=Id-iV换流过程各阶段的电流路径c)d）t t2 2时刻刻u uC13C13降降到到零零，之之后后C C1313反反向向充充电。忽忽略略负载电阻阻压降降，则二二极极管管VDVD3 3导通通，电流流为i iV V，VDVD1 1电流流为i iU U=I Id d-i iV V，VDVD1 1和和VDVD3 3同同时通通，进入入二二极极管管换流流阶段段。随随着着C13电压增增高高，充充电电流流渐小小，iV渐大大，t3时刻刻iU减减到到零零，iV=Id，VD1承承受受反反压而而关断，二极管关断，二极管换流流阶段段结束束。t3以后，以后，VT2、VT3稳定定导通通阶段段。电流型和电压型变频器性能比较电流型和电压型变频器性能比较两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1 1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。(2)(2)能量的回馈能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。M3+-UdIdLdCSI 电动Te 逆变UCRPa）电动运行:当电动运行时，UCR的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCRPb）逆变运行:如果降低变压变频器的输出频率 1，或从机械上抬高电机转速 ，使 1 90，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。（3）动态响应）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输出波形）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。（5 5）应用场合）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合；采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。国内外高国内外高压变频器器41生产厂家技术方案结构型式功率器件代表产品SIEMENSVSI三电平高压IGBTSIMOVERT MVABBVSI三电平高压IGCTACS1000ROBICONVSI单元串联多电平低压IGBTPERFECTHARMONYROCKWELL（AB）CSI器件串联高压SGCT、GTOPower Flex TM7000ALSTOMVSI四电平高压IGBTALSPA VDM6000生产厂家技术方案结构型式功率器件代表产品北京利德华福VSI单元串联多电平低压IGBTHARSVERT-A山东新风光VSI单元串联多电平低压IGBTJD-BP37-F成都佳灵VSI器件串联低压IGBTJP6C-JCS4 按输入电源的相数分类按输入电源的相数分类(1)三进三出变频器输入输出侧都是三相交流电，绝大多数变频器属于此类；(2)单进三出变频器输入侧为单相，输出侧是三相交流电，家用电器里的变频器都属于此类，通常容量较小。(5)按控制方式分类按控制方式分类(1)V/f控制(即VVVF变频器控制)V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电流简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。V/f控制只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通恒定，例:对于380V 50Hz电机，当运行频率为40HZ时，要保持V/F 恒定，则 40HZ时电机的供电电压:380（40/50)304V；低频时，由于输出电压较小，定子阻抗压降会导致磁通下降，可能造成最大输出转矩减少，因此需将输出电压适当提高。(2)转差频率控制变频器为提高调速精度，采用转差频率控制方式。根据速度传感器的检测，可以求出转差频率f，再把它与速度设定值f相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值f1，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。可达到较好的静态性能，加减速特性和限制过流能力较V/f控制方式有所提高，但这种方法是基于稳态模型的，速度反馈精度不高，且速度反馈装置安装麻烦，仍得不到理想的动态性能。(3)矢量控制控制变频调速技术采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。(4)直接转矩控制变频技术前面介绍的几种方法的思路都是通过控制另外一个量来间接地控制电磁转矩。也就是说，可以直接控制的是电机的端电压，而我们想控制的是电机的电磁转矩，因为我们没有建立起它们之间的直接的关系，所以只能是找到一个中间量，这个中间量与电磁转矩有关系，而又与电机端电压有关系。如果能找到电磁转矩与电机端电压直接的关系，那是不是就不用这么麻烦了？这就是转矩直接控制的出发点。1985年，德国鲁尔大学 Depenbrock教授提出。其基本思想是：根据定子磁链的运动方向，将六个有效电压空间矢量与电磁转矩的增减联系起来。直接动态控制电磁转矩和定子磁链。加快系统的动态响应。特点：转矩响应快，转矩不如矢量控制平稳，但对参数要求低，适应性强。直接在定子坐标下分析交流电动机的数学模型，不需将交流电动机转化为直流电动机，省去了矢量旋转变换中许多复杂计算，计算量也少。6 按用途分类按用途分类(1)通用变频器指能与普通的鼠笼异步电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载，并具有可供旋转功能的变频器。(2)高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要求较高的系统，大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是指变频器厂家指定的专用电动机。(3)高频变频器在超精密加工和高性能机械中，采用高速电动机，为满足这些高速电动机的驱动要求，出现了采用PAM控制方式的高频变频器，输出频率可达3kHz。7 按变频器的供电电压的高低分类按变频器的供电电压的高低分类(1)低压变频器指输入电源电压为110V1kV的中小容量的变频器；(2)高压变频器指输入电源电压为1kV以上的变频器，多用于大型轧机、大容量水泵、风机和压缩机等。