变频器的工作原理及功能初步简介.ppt

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1、变频器的定义,变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。,变频器的基本组成,变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容：存储转换后的电能。逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。,变频器的分类,按变换的环节分类：(1)交-直-交变频器，则是先把工频交流通

2、过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。(2)可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。,按直流电源性质分类：(1)电压型变频器电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。(2)电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器(电流型)。电流型变频器的特点

3、(优点)是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。,按主电路工作方法分类：电压型变频器、电流型变频器按照工作原理分类：可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等按照开关方式分类：可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器 按照用途分类：可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。,按变频器调压方法：、PAM变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。、PWM变频器方式是在变频器

4、输出波形的一个周期产生个 脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。按工作原理分：、U/f控制变频器(VVVF控制)、SF控制变频器(转差频率控制)、VC控制变频器(Vectory Control 矢量控制)。,按国际区域分类：、国产变频器：浙江三科、欧瑞传动、森兰、英威腾、蓝海华腾、迈凯诺、伟创、美资易泰帝;、欧美变频器：ABB、西门子、日本变频器富士三菱、韩国变频器、台湾变频器台达、香港变频器。按电压等级分类：、高压变频器：3KV、6KV、10KV、中压变频器：660V、1140V、低压变频器：220V、380V按电压性质分类：、交流变频器：AC-DC-AC(交-直-交)、AC-AC(

5、交-交)、直流变频器：DC-AC(直-交),变频器的工作原理,主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。,从上式可知，只要平滑地调节异步电机定子的供电频率f1，同步转速np随之改变，就可以平滑地调节转速n，从而实现异步电机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。,西门子MicroMas

6、ter 系列,MicroMaster440【详细说 明】MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BiCo（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。主要特征：200V-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW；380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-250kW；矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；高过载能力，内置制动单元；三组参数切换功能。控制功能：线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电

7、流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；标准参数结构，标准调试软件；数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；独立I/O端子板，方便维护；采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；内置PID控制器，参数自整定；集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；可实现主/从控制及力矩控制方式；在电源消失或故障时具有自动再起动功能；灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；有直流制动和复合制动方式提高制动性能。保护功能：过

8、载能力为200额定负载电流，持续时间3秒和150额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器、电机过热保护；接地故障保护，短路保护；闭锁电机保护，防止失速保护；采用PIN编号实现参数连锁。,MicroMaster430【详细说明】MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。主要特征：380V-480V10%，三相，交流，7.5kW-250kW；风

9、机和泵类变转矩负载专用；牢固的EMC（电磁兼容性）设计；控制信号的快速响应；控制功能：线性v/f控制，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（FCC），多点 v/f控制；内置PID控制器；快速电流限制，防止运行中不应有的跳闸；数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块；灵活的斜坡函数发生器，可选平滑功能；三组参数切换功能：电机数据切换，命令数据切换；风机和泵类专用功能：多泵切换旁路功能手动/自动切换断带及缺水检测节能方式保护

10、功能：过载能力为140额定负载电流，持续时间3秒和110额定负载电流，持续时间60秒;过电压、欠电压保护；变频器过温保护；接地故障保护，短路保护；I 2 t电动机过热保护；PTC/KTY电机保护。,MicroMaster420【详细说明】MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。它友好的用户界面，让你的安装、操作和控制象玩游戏一样灵活方便。全新的IGBT技术、强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。主要特征：200V-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-11kW；模块

11、化结构设计，具有最多的灵活性；标准参数访问结构，操作方便。控制功能：线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制；磁通电流控制（FCC），可以改善动态响应特性；最新的IGBT技术，数字微处理器控制；数字量输入3个，模拟量输入1个，模拟量输出1个，继电器输出1个；集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块/Device-Net模板；具有7个固定频率，4个跳转频率，可编程；捕捉再起动功能；在电源消失或故障时具有自动再起动功能；灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；有直流制动和复合制动方式提高制动性能；采用Bi

12、Co技术，实现I/O端口自由连接。保护功能：过载能力为150额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器过温保护；接地故障保护，短路保护；I 2 t电动机过热保护；采用PTC通过数字端接入的电机过热保护；采用PIN编号实现参数连锁；闭锁电机保护，防止失速保护。,变频器BOP操作面板,Basic operation panel 基本操作面板,简称 BOP,显示区域,反转键,增加键,功能键,减少键,停止键,启动键,确认键,点动键,使用BOP修改参数,下面将参数P1000的第0组参数，即设置P10000=1的过程为例，介绍一下通过操作BOP面板修改一个参数的流程。,u/f控制,u/f控制

13、：u/f控制变频器的方法是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，通过使（电压和频率的比）保持一定或按一定的规律变化，而得到所需要的转矩特性。采用u/f控制的变频器结构简单，成本低，多用于要求精度不是太高的通用变频器。,u/f控制的原理,采用U/f控制以后异步电机的机械特性曲线是什么样的？,不同电压/频率协调控制方式时的机械特性,不同电压/频率协调控制方式时的机械特性恒Us/1控制容易实现，机械特性基本上为平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力时须对定子压降实行补偿。恒Es/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到气隙磁通恒定，从而改善了低速性能。但机

14、械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，机械特性曲线最硬，电磁转矩和转差率成正比。,U/f电压补偿的原理是什么？,所谓的U/f电压补偿，其实就是伏/赫限制，是为了避免发电机或与发电机相连的变压器过激磁而设计的一个限制功能。通常U/f=常数，即电压标幺值与频率标幺值的比值在限制区段为一常数，多数调节器比值为1.1，限制区段为40-47Hz。多数励磁调节器设计有低频保护功能，当发电机频率低于下限频率，励磁调节器会发出命令逆变灭磁，即低频保护。,IGBT简介,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，

15、绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。,IGCT简介,IGCT集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种中压变频器开发的用于巨

16、型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件(集成门极换流晶闸管=门极换流晶闸管+门极单元)。1997年由ABB公司提出。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且成本低，成品率高，有很好的应用前景。已用于电力系统电网装置（

17、100MVA）和的中功率工业驱动装置（5MW）IGCT在中压变频器领域内成功的应用了11年的时间（到09年为止），由于IGCT的高速开关能力无需缓冲电路，因而所需的功率元件数目更少，运行的可靠性大大增高。IGCT集IGBT（绝缘门极双极性晶体管）的高速开关特性和GTO（门极关断晶闸管）的高阻断电压和低导通损耗特性于一体，一般触发信号通过光纤传输到IGCT单元。在ACS6000的有缘整流单元的相模块里，每相模块由IGCT和续流二极管、钳位电容、阻尼电阻组成，由独立的门极供电单元GUSP为其提供能源。,BJT简介,BJT指的就是双极型二极管，它是一个“两结三端”电流控制器件。从所用半导体材料上看，

18、有硅（Si）和锗（Ge管之分）；从原理结构上看，可分为NPN和PNP两种类型。BJT的基本功能有两个：电流放大作用和流控开关作用。,GTR简介,电力晶体管是一种双极型大功率高反压晶体管，由于其功率非常大，所以，它又被称作为巨型晶体管，简称GTR。GTR是由三层半导体材料两个PN结组成的，三层半导体材料的结构形式可以是PNP，也可以是NPN。大多数双极型功率晶体管是在重掺质的N+硅衬底上，用外延生长法在N+上生长一层N漂移层，然后在漂移层上扩散P基区，接着扩散N+发射区，因之称为三重扩散。基极与发射极在一个平面上做成叉指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。GTR分为NPN型和PNP型两类，又

19、有单管GTR、达林顿式GTR（复合管）和GTR模块几种形式。单管GTR饱和压降VCES低，开关速度稍快，但是电流增益小，电流容量小，驱动功率大，用于较小容量的逆变电路。达林顿式GTR电流增益值大，电流容量大，驱动功耗小，但饱和压降VCES较高，关断速度较慢。和单管GTR一样，达林顿式非模块化的GTR在现代逆变电路中早已不太常用。应用比较广泛的还是GTR模块。它是将两只或4只、6只、甚至7只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内，分别组成单桥臂、单相桥、三相桥和带泄放管的三相桥形式，外壳绝缘，便于设计和安装。在逆变电路中，GTR都工作在共发射极状态，其输出特性曲线是指集电极电流IC和电

20、压VCE以及基极电流IB之间的关系。,GTR特性及应用,GTR的特性曲线分5个区。I区为截止区，IB=0，IC很小，为CE漏电流。II区为线性放大区，当IB增加时，IC也跟随IB线性增加。随着VCE继续降低，IC已没有增长能力，这就进入了深度饱和区，即第IV区。这时的VCE称为GTR的饱和压降，用VCES表示，它比GTO和VMOSFET要低。V区为击穿区。当VCE增加到一定值时，即使IB不增加，IC也会增加，这时的VCE就是GTR的一次击穿电压。如果VCE继续增加，IC也增加，由于GTR具有负阻特性，当结温上升时，IC更大。由于整个管芯的导电不可能绝对均匀，大的IC会产生集中热点，从而发生雪崩

21、击穿，IC骤增。这时候，即使降低VCE也无济于事，高速增长的热量无法散出，在很短时间内（几微秒甚至几纳秒）便使GTR被永远地烧坏。这就是GTR的二次击穿现象，它是GTR最致命的弱点，也是限制GTR发展和进一步推广应用的最重要的原因之一。电力晶体管GTR大多作功率开关使用，所以，要求它要有足够的容量（高电压、大电流）、适当的增益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。但由于电力晶体管的功率损耗大、工作电流大，因此它存在着诸如基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等特点和问题。基区大注入效应是指基区中的少数载流子浓度达到或超过掺杂浓度时，器件的注入效率降低，少数载流子扩散系数变大，体内少数载

22、流子寿命下降，以致严重影响GTR的电流增益的现象。基区扩展效应是指在大电流条件下有效基区变宽的效应。器件在小电流状态工作时的集电结宽度主要由基区掺杂浓度决定，因此其增益值是固定的；但在大电流条件下，由于基区中少数载流子大量增加造成集电结宽度收缩，因而，使有效基区变宽。基区的扩展导致注入效率降低，增益下降、特征频率减小。发射极电流集边效应也称为基极电阻自偏压效应，是由于在大多数情况下电流条件下，基区的横向压降使得发射极电流分配不均匀所造成的。在这种情况下，电流的分布较多地集中在靠近基极的发射极周边上，引起电流的局部集中，进而导致局部过热。所以，为了削弱上述三种物理效应的影响，必须在结构上采取适当

23、的措施以保证适合大功率应用的需要。,变频器工作原理详解,1、变频器的主回路电压型变频器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组，交-直-交型变频器结构见附图11）整流电路：VD1VD6组成三相不可控整流桥，220V系列采用单相全波整流桥电路；380V系列采用桥式全波整流电路。2）中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容c1 c2除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因数，由于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。3）限流电路：由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在上电瞬间滤

24、波电容CF的充电电流很大，过大的电流会损坏整流桥二极管，为保护整流桥上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流，当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。4）逆变电路：逆变管V1V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电，是变频器的核心部分。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元5）续流二极管D1D6：其主要作用为：（1）电机绕组为感性具有无功分量，VD1VD7为无功电流返回到直流电源提供通道（2）当电机处于制动状态时，再生电流通过VD1VD7返回直流电路。（3）V1V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停

25、地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1D6提供通路。6）缓冲电路由于逆变管V1V6每次由导通切换到截止状态的瞬间，C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD，这过高的电压增长率可能会损坏逆变管，吸收电容的作用便是降低V1V6关断时的电压增长率。7）制动单元电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压UD不断上升（即所说的泵升电压），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的放电电流IB,变频器工作原理图,