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1、变频器基础浙江德玛电气有限公司2010年10月德玛变频系列培训讲座之一德玛变频系列培训讲座之一主要内容l一、什么是变频器一、什么是变频器l二、变频器的基本原理二、变频器的基本原理l三、变频器的分类三、变频器的分类l四、变频器的应用四、变频器的应用l五、常见问题五、常见问题一、什么是变频器l变频器的定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置l变频器，交流变频调速器，AC Drive，Inverter，VVVF（Variable voltage variable frequency）变频器与电机l2008年中国电力消耗中有60%-70%大约1.2万亿度属于动力电。到2008年底，中国的各类电动机的总
2、容量是5.8亿千瓦，1.3亿台左右，87%是异步电机。我国现运行的风机、水泵、空调类负载，据估计有4,200万台（其中风机约1,000万台），占全国用电量的1/3。直流与交流直流：电压恒定极性不随时间变化交流：电压的极性周期性地改变l直流电机：调速平滑、范围宽、特性硬、运行稳定、起动转矩大、过载能力强l直流传动的薄弱环节：换向器的存在；单机容量受限；造价高、维护难l交流电机：结构简单，体积小，重量轻，价格低，维护方便，但调速困难。直流电机与交流电机交流调速l交流感应电机的调速原理 同步转速转差率可见，要改变电机速度，本质上有两种方式，一是改变同步速，另一种是改变转差率。交流调速l交流电机的调速
3、方法低效调速：改变转差。定子调压调速,电磁转差离合器（滑差）调速,绕线式电机转子串电阻调速，本质是将多余的电能消耗在转子铜耗上，浪费电能。高效调速：改变同步速。变极调速比较麻烦,电机要特殊设计，局限很大。变频调速是最优的调速方式，高效节能。通过改变电机频率来调节电机速度，可以大幅度通过改变电机频率来调节电机速度，可以大幅度优化电机的运行工况，满足优化电机的运行工况，满足节能、工艺和自动化节能、工艺和自动化的要求！变频调速的核心部件就是的要求！变频调速的核心部件就是变频器变频器。二、变频器的基本原理l变频器的构成交直交：整流器中间直流环节逆变器交交：控制环节驱动环节保护环节变频器主电路图整流和逆
4、变交流直流直流交流整流逆变逆变器件l逆变器件：逆变器件：SCRSCR：大功率晶闸管，：大功率晶闸管，大功率整流、直流输电用大功率整流、直流输电用GTRGTR：大功率晶体管，：大功率晶体管，已淘汰已淘汰GTOGTO：可关断晶闸管，：可关断晶闸管，大型机器用，如机车、直流输电大型机器用，如机车、直流输电IGBTIGBT：绝缘栅双极性晶体管，开头频率高，输出波形好。：绝缘栅双极性晶体管，开头频率高，输出波形好。目前目前变频器的主流器件变频器的主流器件IPMIPM：智能模块，体积小，可靠性高。本质是：智能模块，体积小，可靠性高。本质是将将IGBTIGBT及其驱及其驱动封装在一起，动封装在一起，方便使用
5、，但价格偏高。方便使用，但价格偏高。PWM脉宽调制lPWM：脉冲宽度调制 f(t)t SPWM脉宽调制lSPWM：正弦波脉冲宽度调制，将直流变成正弦交流谐波lSPWM波含有高频谐波，任何波形都可以分解为含有正弦基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波不做有用功，会引起发热、电机振动、产生干扰，实际中越小越好。谐波治理l治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。使用滤波器；合理布线；电源隔离和信号隔离。能耗制动l制动再生制动：电动机被重物反拖或电机减速停机时，处于发电状态，这时能量会从电机反向流入变频器。泵升电压：电动机处于再生制动状态时，电动机
6、将再生的电能反馈给直流回路，对直流电容充电，造成电压升高，从而危害变频器安全。解决方式是利用制动单元、制动电阻将多余的能量消耗。三、变频器的分类l变频器按控制方式分三类:lVF控制的变频器l转差频率控制的变频器l矢量控制的变频器VFVF控制的变频器控制的变频器为了为了保证电机出力不变保证电机出力不变，电机，电机改变频率时，需改变频率时，需维持电压和频率维持电压和频率的比率近似不变的比率近似不变，所以这种方式，所以这种方式称为恒压频比（称为恒压频比（VFVF）控制。）控制。VFVF控制控制控制简单控制简单,通用性强通用性强,经经济性好济性好,用于速度精度要求不十分用于速度精度要求不十分严格或负载
7、变动较小的场合。严格或负载变动较小的场合。缺点：控制精度低，低频转矩不缺点：控制精度低，低频转矩不足足高性能的高性能的VFVF控制控制VF控制是变频器主流控制方法，辅以适当的控制是变频器主流控制方法，辅以适当的补偿方法可以提高其性能。补偿方法可以提高其性能。目前提高目前提高VF控制性能的主要方法有：低频力矩控制性能的主要方法有：低频力矩补偿、死区补偿、动态磁通控制、跟踪自启补偿、死区补偿、动态磁通控制、跟踪自启动等，可以动等，可以适用于适用于80%以上以上的工况。的工况。转差频率控制转差频率控制转差频率控制转差频率控制直接控制转矩的控制方式，根据直接控制转矩的控制方式，根据希望得到的转矩来调节
8、变频器的输出频率，具有希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，具有良好的稳定性，对急速的加减速和负载变动有良良好的稳定性，对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。好的响应特性。缺点缺点：闭环控制，：闭环控制，需安装速度传感器需安装速度传感器。实际中用。实际中用得比较少，新式的变频器一般都没有这种方式，得比较少，新式的变频器一般都没有这种方式，都用矢量控制取代了。都用矢量控制取代了。矢量控制矢量控制是根据测量到的电流、电压等数据，结合电机内部的电阻电感等参数计算出当前的转速和位置，从而在不同频率下运行时，得到更好的控制模式。由于计算量较大，且需要知道电机内部参数，所需数据中的相当部分，一般用户是
9、很难得到的。这给矢量控制的应用带来了困难。变频器都必须配置自动检测电动机参数的功能。矢量控制的特点矢量控制有速度传感器（矢量控制有速度传感器（PG）无速度传感器（无速度传感器（PG）l优点优点：基于电机动态模型的控制方式，既控制量：基于电机动态模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方向。要求动态性能较高的场合的大小，又控制方向。要求动态性能较高的场合使用，低频转矩大，动态性能好。使用，低频转矩大，动态性能好。l缺点缺点：控制复杂，需要电机内部参数，使用不方：控制复杂，需要电机内部参数，使用不方便，调试比较麻烦。便，调试比较麻烦。矢量控制和VF控制的比较u必须使用矢量控制而不能使用VF的应用：l
10、拉丝机的张力控制l精确的转矩控制l定位控制u不能使用矢量控制的场合：l变频器做电源用l一台变频器带多台电机l高转差电动机和力矩电机等特殊电机矢量控制和VF控制的比较总体而言，矢量控制可以得到更好的性能，低频转矩大，动态响应好，但应用比较不方便，如果参数不合适可能还不能稳定运行。一些特殊电动机(如高转差电动机等)则不能用矢量控制。实际中推荐用户能用VF控制就尽量不用矢量控制。事实上大多数情况增加了转矩提升、死区补偿、滑差补偿的高性能的VF能满足绝大部分要求，而且稳定性更好。事实上，任何一个变频器都是以VF为基础的，每个变频器（包括矢量控制变频器）都包含完整的VF控制功能。l应用变频器的意义满足生
11、产工艺要求、节能、提高自动化，完善的保护功能可大大提高可靠性和安全性l水处理、暖通空调、纺织、印染、造纸、注塑、建材、冶金、石化、电力、起重、食品加工、机械加工等等各领域，凡是有电机的地方就会用变频器！四、变频器的应用变频器应用l应用负载类型恒转矩负载：如带式传送机，起重恒功率负载：如薄膜卷取机平方律负载：如风机、水泵变频器应用l风机、泵类的节能平方律特性，降低电机速度可大幅度降低能耗各类风机、泵及压缩机方面的调速，因电动各类风机、泵及压缩机方面的调速，因电动机的能耗大致与转速的三次方成正比，所以机的能耗大致与转速的三次方成正比，所以在低速运行时节能很明显。在低速运行时节能很明显。变频器应用l
12、电梯、卷扬机、吊车、行车电梯、卷扬机、吊车、行车等起重机械方面的等起重机械方面的调速。可调速。可实现无级变速起停平稳、定位精确实现无级变速起停平稳、定位精确，并有节能效果。并有节能效果。l机床主轴机床主轴及进给无级调速，及进给无级调速，减少变速机械减少变速机械装置，装置，使体积小，重量轻。使体积小，重量轻。l纺织、造纸、印刷、印染、化纤纺织、造纸、印刷、印染、化纤机械的调速，机械的调速，可获得可获得调速精度高，速度变化平滑调速精度高，速度变化平滑，还可实现，还可实现多机同步运行，提高产品质量，减少浪费。多机同步运行，提高产品质量，减少浪费。变频器应用l食品、饮料、包装机械方面的调速，便于自动控
13、食品、饮料、包装机械方面的调速，便于自动控制，改善工作环境。制，改善工作环境。l装卸、搬运、振动给料机械方面的调速，可省去装卸、搬运、振动给料机械方面的调速，可省去变速控制，改善工作环境。变速控制，改善工作环境。l研究单位的试验设备调速，可实现自动模拟试验。研究单位的试验设备调速，可实现自动模拟试验。l家用变频空调用变频调速器。家用变频空调用变频调速器。五、常见问题五、常见问题l变频器能带各种类型的电机吗？一般变频器一般变频器只能带三相感应电机只能带三相感应电机，包括三相笼型感，包括三相笼型感应电机和三相绕线式感应电机，某些特殊设计的变频器应电机和三相绕线式感应电机，某些特殊设计的变频器能带三
14、相永磁同步电机。能带三相永磁同步电机。单相电机、直流电机、无刷电机、步进电机、普通同单相电机、直流电机、无刷电机、步进电机、普通同步电机等不能用变频器驱动。步电机等不能用变频器驱动。五、常见问题五、常见问题l变频器当交流电源用吗？某些地方，需要输出电压稳定或频率不一定是某些地方，需要输出电压稳定或频率不一定是50Hz的交流电源。的交流电源。VF控制的变频器在输出频率一定的情况下电压是稳定的，原则上讲，控制的变频器在输出频率一定的情况下电压是稳定的，原则上讲，是可以用来当三相电源用的。是可以用来当三相电源用的。一般情况下电源要求输出是正弦波，但变频器的输出电压不是标准的一般情况下电源要求输出是正
15、弦波，但变频器的输出电压不是标准的正弦波，所以作电源使用时最好安装输出滤波器。此外变频器主要正弦波，所以作电源使用时最好安装输出滤波器。此外变频器主要是为驱动三相异步电机设计的，作为电源使用时最好还是接三相对是为驱动三相异步电机设计的，作为电源使用时最好还是接三相对称负载，最好不接单相负载，而且冲击不能太大。称负载，最好不接单相负载，而且冲击不能太大。实际中有专门设计的稳压电源，但价格一般都比较高，因此有些客户实际中有专门设计的稳压电源，但价格一般都比较高，因此有些客户选用变频器来替代。选用变频器来替代。六、常见问题六、常见问题l变频器和软启动器有什么差别？某些场合为了辅助电机启动，会使用软启
16、动器来降低电机的启动电流某些场合为了辅助电机启动，会使用软启动器来降低电机的启动电流减小对电网的冲击。减小对电网的冲击。但软启动器是靠降低电压来降低启动电流的，并不改变电机频率，这但软启动器是靠降低电压来降低启动电流的，并不改变电机频率，这样会样会导致启动转矩大幅减小导致启动转矩大幅减小，因此只适合用在风机水泵这类平方转矩负载，因此只适合用在风机水泵这类平方转矩负载或空载启动。而对于起重机、球磨机这类需要较大启动转矩的场合，软启或空载启动。而对于起重机、球磨机这类需要较大启动转矩的场合，软启动器无能为力。软启动器不具备调速能力。动器无能为力。软启动器不具备调速能力。变频器变频器可以可以同时降低
17、输出电压和输出频率同时降低输出电压和输出频率，在大幅降低启动电流时能，在大幅降低启动电流时能输出很大的启动转矩，适合各种负载的启动，可以灵活改变电机速度。输出很大的启动转矩，适合各种负载的启动，可以灵活改变电机速度。价格方面，目前大体相当，因此软启动器是一种落后的技术方案。价格方面，目前大体相当，因此软启动器是一种落后的技术方案。六、常见问题六、常见问题l变频器一定节能吗？不一定。变频器是靠降低电机速度来实现系统节能的，只有在降速运行的场合变频器是靠降低电机速度来实现系统节能的，只有在降速运行的场合才可能节能，一般情况下在风机、水泵、注塑机上可以获得非常明才可能节能，一般情况下在风机、水泵、注
18、塑机上可以获得非常明显的节能效果。显的节能效果。而很多场合变频器的应用是为了满足工艺要求，比如纺织、起重、机而很多场合变频器的应用是为了满足工艺要求，比如纺织、起重、机床等行业，变频器不但不节能，反而由于变频器本身有一定的损耗，床等行业，变频器不但不节能，反而由于变频器本身有一定的损耗，会更耗能。所以节能不是变频器的唯一卖点。会更耗能。所以节能不是变频器的唯一卖点。但是，由于当前国家节能减排、发展低碳经济的国策，变频器的节能但是，由于当前国家节能减排、发展低碳经济的国策，变频器的节能是一大宣传点！是一大宣传点！六、常见问题六、常见问题l矢量控制是不是一定比VF高级？前面已经说了，矢量控制理论上
19、比前面已经说了，矢量控制理论上比VF先进，能获得更好控制性先进，能获得更好控制性能，但实际中有些问题，涉及到复杂的参数调整，并不是适用所有场能，但实际中有些问题，涉及到复杂的参数调整，并不是适用所有场合，从实用上说，合，从实用上说，VF适用面更宽一些，比如适用面更宽一些，比如ABB公司销售最好的公司销售最好的ASC510系列变频器就是纯系列变频器就是纯VF控制。控制。但是，矢量控制的实现与否往往体现了一个公司的技术实力，如但是，矢量控制的实现与否往往体现了一个公司的技术实力，如果具有矢量控制功能可以作为一大宣传点，尽管实际中并不一定使用。果具有矢量控制功能可以作为一大宣传点，尽管实际中并不一定使用。所有所有变频器都是以变频器都是以VF控制为基础的，每个变频器（包括矢量控控制为基础的，每个变频器（包括矢量控制变频器）都包含完整的制变频器）都包含完整的VF控制功能。但控制功能。但VF变频器不一定有矢量功变频器不一定有矢量功能能。结束谢谢！