1、主讲：王振宇涟钢培训中心变频器的应用与维护变频器的应用与维护 【基础篇】1.电气传动系统概述电气传动系统概述 以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。大致构成大致构成 中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器变频器基础知识简要工作原理整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流交流低压交直交通用变频器系统框图交流低压交直交通用变频器系统框图直流直流交流整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波逆变器
2、：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦整流部分整流部分变频器是：变频器是：将商用交流电源通过整流回路变换成直流，将商用交流电源通过整流回路变换成直流，将变换后的直流经过逆变回路变换将变换后的直流经过逆变回路变换成成电压、电压、频率可调节的交流电频率可调节的交流电，利用交流利用交流三相异步三相异步电动机的转速与频率成正比的特点电动机的转速与频率成正比的特点，通过改变电源通过改变电源的的频率频率和幅度和幅度以达到改变以达到改变 电机转速的目的。电机转速的目的。变频器的基本构成变频器的基本构成商用电源商用电源逆变部分逆变部分平平波波电电容容整流整流逆变逆变直流
3、电压直流电压电源电压电源电压输出电压输出电压 变频器的电压波形变化变频器的电压波形变化输出电压的平均值是正弦波马达马达正弦波（正弦波（脉宽调制脉宽调制）控制控制方式方式 马达电源驱动回路保护回路控制回路防冲击防冲击回路回路（逆变回路）（逆变回路）DC/DCDC/DC电电源源变换变换回路回路u 变频器基本构成图变频器基本构成图MDBMDB（整流回路）（整流回路）MDBMDB（整流回路）（整流回路）平波电容平波电容制动回路制动回路操作面板变频器的控制对象变频器的控制对象三相异步电动机三相异步电动机【三相异步电动机三相异步电动机】三相异步电动机主要由三相异步电动机主要由定子、转子、转轴定子、转子、转
4、轴组成，当组成，当在定子绕组上加上三相交流电压时，将会产生一个旋转在定子绕组上加上三相交流电压时，将会产生一个旋转磁场，该旋转磁场的速度由加在定子绕组上的三相交流磁场，该旋转磁场的速度由加在定子绕组上的三相交流电压的频率所决定。位于该磁场中的转子绕组，将切割电压的频率所决定。位于该磁场中的转子绕组，将切割旋转磁场的磁力线，根据电磁感应原理，在转子绕组中旋转磁场的磁力线，根据电磁感应原理，在转子绕组中将产生感应电动势和感应电流，感应电流与旋转磁场的将产生感应电动势和感应电流，感应电流与旋转磁场的磁通互相作用而产生电磁力，即转矩。转子及转轴将沿磁通互相作用而产生电磁力，即转矩。转子及转轴将沿着与旋
5、转磁场相同的方向旋转。任意改变三相定子绕组着与旋转磁场相同的方向旋转。任意改变三相定子绕组的两个电压相位，即可使磁场旋转的方向发生改变，电的两个电压相位，即可使磁场旋转的方向发生改变，电动机的转向也将随之变化，即可逆控制。动机的转向也将随之变化，即可逆控制。旋转磁场的转速称为同步转速，同步转速是根据电动旋转磁场的转速称为同步转速，同步转速是根据电动机的极数和电源频率来决定的。由于需要有转矩输出，机的极数和电源频率来决定的。由于需要有转矩输出，电动机的实际转速总是落后于同步转速，它们之间的差电动机的实际转速总是落后于同步转速，它们之间的差值称为转差率。值称为转差率。可变速运转的原理可变速运转的原
6、理0速度速度 N转矩转矩 T额定转矩额定转矩启动转矩启动转矩同同步转速步转速 0（s=0）实际转速实际转速（s=1）最大转矩最大转矩动作领域动作领域电动机区电动机区（正（正力矩力矩）发电机区发电机区（负力矩负力矩）异步电动机的速度异步电动机的速度转矩特性转矩特性 1转差率转差率 0 0 0：同步转速同步转速：实际转速实际转速【例例：、】同步转速 0 0（）（r/min）转差率的速度（）（r/min）转差转差 （）/min ：马达的转速马达的转速（r/min）：频率频率（Hz）：马达的极数马达的极数（P）：马达的转差率马达的转差率为什么使用变频器会节省能源为什么使用变频器会节省能源？风机、泵等需
7、要控制流量（风量）的场合，采用变频器控 制或挡板控制，其消耗的电力和流量（风量）的关系如右 图。流量（风量）小的场合，变频器的节电的效果特别明显。50%100%50%100%80%10%00节能效果节能效果61917622变频器控制变频器控制挡板控制挡板控制所需电力（）风量流量（）变频器和挡板控制节能效果实例变频器和挡板控制节能效果实例例：宾馆等场所中央空调系统的运行流量：小时、：小时。合計小时年、马达：台采用挡板控制采用挡板控制的场合所需的电力（15kW91%2000小时）（15kW76%2000小时）50,100kWh風量風量使用变频器使用变频器来控制马达转速时，所消耗的电力（15kW61
8、%2000小时）（15kW22%2000小时）24,900kWh風量風量一年间所节省的能源节省的能源50,100kWh24,900kWh25,200kWh/年年 例例1.1.水泵节能恒压供水水泵节能恒压供水图图 供水系统示意图供水系统示意图压力变送器压力变送器生生 活活 小小 区区操操 作作 室室420mA回回 转转 窑窑出料口出料口 R S TU V W进进 料料 口口减速箱减速箱F UIt例例2.2.球团回转窑主驱动变频调速示意图球团回转窑主驱动变频调速示意图UF1 UF2 UF3 UF4UFUF5 UF6P L C计算机计算机四台拉矫机变频器四台拉矫机变频器结结 晶晶 器器 变变 频频
9、器器连连 铸铸 钢钢 锭锭切断机切断机喷喷 水水 系系 统统冷却水冷却水钢水钢水浇铸钢包浇铸钢包钢钢 锭锭 连连 铸铸 示示 意意 图图结晶器结晶器输送辊道变频器输送辊道变频器液液 压压 系系 统统例例3 3：例4.双泵双变频器双泵双变频器 PID PID 调节调节U V W R S TP I D 调节器 R S TU V WRP微调V+V-VI2GNDIIGNDII+-4 20mA电动机电动机压力传感器水 泵水 泵U FU F例5：中央空调冷却水循环系统工艺图水 泵电动机制 冷 机 组冷 却 塔温度变送器冷却风扇U V WR S TGNDIIV+VI1RP4 20mAQQQU F变频技术的基
10、本类型变频技术的基本类型1整流技术整流技术:通过晶体二极管组成的不可控或者晶闸管组成的可控整流器，将工频交流电变换成频率为零的直流电，称为整流技术。2直流斩波技术直流斩波技术:通过改变电力半导体器件的通断时间，也就是脉冲频率（定宽变频），或者改变脉冲的宽度（定频调宽）达到调节直流平均电压的目的。3逆变技术逆变技术:在变频技术中，逆变器是利用半导体器件的开关特性，将直流电变换成不同频率的交流电。4交交-交变频技术交变频技术:通过控制电力半导体器件的导通与关断时间，将工频交流电变换成频率连续可调的交流电。5交交-直直-交变频技术交变频技术:先将交流电经过整流器变换成直流电，再将直流电逆变成频率可调
11、的交流电。逆变逆变DCACAC50Hz整流整流Id-Id+-+2、具体电路结构、具体电路结构 三相桥式整流器组成的三相三相桥式整流器组成的三相-三相交三相交-交变频电路，采用交变频电路，采用公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 变频器按主电路工作方式分哪几种？1.电压型变频器电压型变频器在电压型变频器中，整流电路产生逆变所需的直流电压，通过中间直流环节在电压型变频器中，整流电路产生逆变所需的直流电压，通过中间直流环节的电容进行滤波后输出。由于采用大电容滤波，故输出电压波形比较平直，的电容进行滤波后输出。由于采用大电容滤波，故输出电压波形比较平直，在理想情况下可看成一在理想情况下可看成一 个
12、内阻为零的电压源。输出电压是矩形波或阶梯波。个内阻为零的电压源。输出电压是矩形波或阶梯波。电压型变频器的主电路结构如图电压型变频器的主电路结构如图1-10(a)所示。电压型变频器多用于不要求正所示。电压型变频器多用于不要求正反转或快速加减速的通用型变频器中反转或快速加减速的通用型变频器中2.电流型变频器电流型变频器当交当交-直直-交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波。这类变频器称内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电
13、流是矩形波。这类变频器称为电流型变频器，如图为电流型变频器，如图1-10(b)所示。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过所示。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式来实现的。电流型变频器的最大优点是可以进行四象检测电压后对电流进行控制的方式来实现的。电流型变频器的最大优点是可以进行四象限运行，将能量回馈给电源，且在出现负载短路等情况时容易处理，故该方式适用于频限运行，将能量回馈给电源，且在出现负载短路等情况时容易处理，故该方式适用于频繁可逆运转的变频器和大容量变频器。繁可逆运转的变频器和大容量变频器。交交-直直-交变频电路交变频电路（一）交（一）交-
14、直直-交电压源型、电流源型变频器及其比较交电压源型、电流源型变频器及其比较根据交根据交-直直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可将其分为感性元件，可将其分为电压源型变频器电压源型变频器和和电流源型变频器电流源型变频器。1、电压源型变频器、电压源型变频器采用大电容滤波，输采用大电容滤波，输出直流电压恒定，类出直流电压恒定，类似于恒压源。这类变似于恒压源。这类变频器叫电压源型变频频器叫电压源型变频器，见图（器，见图（a）所示。）所示。逆变器dCdU+-（a）逆变器dUdIdL+-(b)电压源型电压源型变频器变频器 2、电流源型变频器
15、、电流源型变频器 采用大电感滤波，输出直流电流恒定，类似于恒流源。采用大电感滤波，输出直流电流恒定，类似于恒流源。这类变频装置叫电流源型变频器，见图（这类变频装置叫电流源型变频器，见图（b）所示。）所示。逆变器dCdU+-（a）逆变器dUdIdL+-(b)电流源型电流源型变频器变频器按变频器调压方法 按变频器调压方法按变频器调压方法 PAM变频器是一种通过改变电压源变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流或电流源源Id的幅值进行输出控制的。的幅值进行输出控制的。PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个周期产生个 脉冲波个脉冲，其等值电压为正脉冲波个脉冲
16、，其等值电压为正弦波，波形较平滑。弦波，波形较平滑。按工作原理分类：按工作原理分类：U/f控制变频器（控制变频器（VVVF控制）、控制）、SF控制变控制变频器（转差频率控制）、频器（转差频率控制）、VC控制变频器控制变频器（Vectory Control 矢量控制矢量控制)VVVF U/f控制变频器控制变频器 改变电压、改变频率改变电压、改变频率 CVCF 恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源，无论恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源，无论 是用于家庭还是用于工厂，是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为其电压和频率均为 400V/50Hz 把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变
17、的交把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作流电的装置称作“变频器变频器”。为为 了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电换为直流电(DC)用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。率。矢量控制 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流系下的定子电流IaIb、Ic、通过三相二相变换，等效、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流成两相静止坐标系下的交流电流Ia
18、1Ib1，再通过按转子，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；相当于直流电动机的励磁电流；It1相当相当于与转矩成正比的电枢电流于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场
19、两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。以达到理想分析的结果。二二 变频器的分类变频器的分类变频器交交变频器交直交变频器按相数分单相三相按环流情况分有环流无环流按输出方式分正弦波方波按储能方式分电压型电流型按调压方式分脉幅调制脉宽调制变频器专用变频器通用变频器按容量分按应用分中小容量通用变频器大容量变频器节能型变频器通用型变频器
