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变频器知识大全
变频器知识大全
目录
基础篇
变频器的基础知识
变频器的工作原理
变频器控制方式
变频器的使用中遇到的问题和故障防范
变频器对周边设备的影响及故障防范
变频器技术发展方向预测
控制篇
通用变频器中基于DSP的数字控制器实现
基于DSP控制的三相ACAC变频器控制方案的研究
应用篇
变频器在工程应用中需要注意的几个问题
变频器在中央空调中的应用
丹佛斯VLT变频器在纺织机械中的应用
西门子MicroMaster440变频器在电梯控制系统中的应用
基础篇
变频器的基础知识
变频器是把工频电源50Hz或60Hz变换成各种频率的交流电源以
实现电机的变速运行的设备其中控制电路完成对主电路的控制
整流电路将交流电变换成直流电直流中间电路对整流电路的输出
进行平滑滤波逆变电路将直流电再逆成交流电对于如矢量控制
变频器这种需要大量运算的变频器来说有时还需要一个进行转矩
计算的CPU以及一些相应的电路变频调速是通过改变电机定子绕
组供电的频率来达到调速的目的
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的20世纪60年代
以后电力电子器件经历了SCR晶闸管GTO门极可关断晶闸管
BJT双极型功率晶体管MOSFET金属氧化物场效应管SIT静电
感应晶体管SITH静电感应晶闸管MGTMOS控制晶体管
MCTMOS控制晶闸管IGBT绝缘栅双极型晶体管HVIGBT耐高
压绝缘栅双极型晶闸管的发展过程器件的更新促进了电力电子变
换技术的不断发展20世纪70年代开始脉宽调制变压变频PWM
-VVVF调速研究引起了人们的高度重视20世纪80年代作为变
频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣并得出诸
多优化模式其中以鞍形波PWM模式效果最佳20世纪80年代后
半期开始美日德英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并
获得了广泛应用
变频器的分类方法有多种按照主电路工作方式分类可以分为电
压型变频器和电流型变频器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控制变频器按照工作原
理分类可以分为Vf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
VVVF改变电压改变频率CVCF恒电压恒频率各国使用的交
流供电电源无论是用于家庭还是用于工厂其电压和频率均为
400V50Hz或200V60Hz50Hz等等通常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变频器
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率
变频器的工作原理
我们知道交流电动机的同步转速表达式位
n=60f1-sp1
式中
n异步电动机的转速
f
s电动机转差率
p电动机极对数
由式1可知转速n与频率f成正比只要改变频率f即可改变电
动机的转速当频率f在0~50Hz的范围内变化时电动机转速调
节范围非常宽变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节
的是一种理想的高效率高性能的调速手段
变频器原理框图
变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380~650V输出功率为075~400kW工
作频率为0~400Hz它的主电路都采用交直交电路其控制方
式经历了以下四代
1UfC的正弦脉宽调制SPWM控制方式
其特点是控制电路结构简单成本较低机械特性硬度也较好能
够满足一般传动的平滑调速要求已在产业的各个领域得到广泛应
用但是这种控制方式在低频时由于输出电压较低转矩受定
子电阻压降的影响比较显著使输出最大转矩减小另外其机械
特性终究没有直流电动机硬动态转矩能力和静态调速性能都还不
尽如人意且系统性能不高控制曲线会随负载的变化而变化转
矩响应慢电机转矩利用率不高低速时因定子电阻和逆变器死区
效应的存在而性能下降稳定性变差等因此人们又研究出矢量控
制变频调速
2电压空间矢量SVPWM控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提以逼近电机气隙的理想圆形
旋转磁场轨迹为目的一次生成三相调制波形以内切多边形逼近
圆的方式进行控制的经实践使用后又有所改进即引入频率补偿
能消除速度控制的误差通过反馈估算磁链幅值消除低速时定子
电阻的影响将输出电压电流闭环以提高动态的精度和稳定度
但控制电路环节较多且没有引入转矩的调节所以系统性能没有
得到根本改善
3矢量控制VC方式
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IaIbIc通过三相-二相变换等效成两相静止坐标系下的
交流电流Ia1Ib1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流Im1It1Im1相当于直流电动机的励磁电
流It1相当于与转矩成正比的电枢电流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以达到理想分析的结果
4直接转矩控制DTC方式
1985年德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控
制变频技术该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足并
以新颖的控制思想简洁明了的系统结构优良的动静态性能得到
了迅速发展目前该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率
交流传动上直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的
数学模型控制电动机的磁链和转矩它不需要将交流电动机等效
为直流电动机因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算它不
需要模仿直流电动机的控制也不需要为解耦而简化交流电动机的
数学模型
5矩阵式交交控制方式
VVVF变频矢量控制变频直接转矩控制变频都是交直交变频
中的一种其共同缺点是输入功率因数低谐波电流大直流电路
需要大的储能电容再生能量又不能反馈回电网即不能进行四象
限运行为此矩阵式交交变频应运而生由于矩阵式交交变
频省去了中间直流环节从而省去了体积大价格贵的电解电容
它能实现功率因数为l输入电流为正弦且能四象限运行系统的
功率密度大该技术目前虽尚未成熟但仍吸引着众多的学者深入
研究其实质不是间接的控制电流磁链等量而是把转矩直接作
为被控制量来实现的具体方法是
控制定子磁链引入定子磁链观测器实现无速度传感器方式
自动识别ID依靠精确的电机数学模型对电机参数自动识别
算出实际值对应定子阻抗互感磁饱和因素惯量等算出实
际的转矩定子磁链转子速度进行实时控制
实现BandBand控制按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM
信号对逆变器开关状态进行控制
矩阵式交交变频具有快速的转矩响应2ms很高的速度精度±2
%无PG反馈高转矩精度+3%同时还具有较高的起动转矩
及高转矩精度尤其在低速时包括0速度时可输出150%~200
%转矩
变频器的使用中遇到的问题和故障防范
由于使用方法不正确或设置环境不合理将容易造成变频器误动作
及发生故障或者无法满足预期的运行效果为防患于未然事先
对故障原因进行认真分析显得尤为重要
外部的电磁感应干扰
如果变频器周围存在干扰源它们将通过辐射或电源线侵入变频器
的内部引起控制回路误动作造成工作不正常或停机严重时甚
至损坏变频器提高变频器自身的抗干扰能力固然重要但由于受
装置成本限制在外部采取噪声抑制措施消除干扰源显得更合理
更必要以下几项措施是对噪声干扰实行三不原则的具体方法
变频器周围所有继电器接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压
的吸收装置如RC吸收器尽量缩短控制回路的配线距离并使其
与主线路分离指定采用屏蔽线回路须按规定进行若线路较长
应采用合理的中继方式变频器接地端子应按规定进行不能同电
焊动力接地混用变频器输入端安装噪声滤波器避免由电源进
线引入干扰
安装环境
变频器属于电子器件装置在其规格书中有详细安装使用环境的要
求在特殊情况下若确实无法满足这些要求必须尽量采用相应
抑制措施振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因对于振动
冲击较大的场合应采用橡胶等避振措施潮湿腐蚀性气体及尘
埃等将造成电子器件生锈接触不良绝缘降低而形成短路作为
防范措施应对控制板进行防腐防尘处理并采用封闭式结构温
度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素特别是半导体器件
应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射
除上述3点外定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常
必要的对于特殊的高寒场合为防止微处理器因温度过低不能正
常工作应采取设置空间加热器等必要措施
电源异常
电源异常表现为各种形式但大致分以下3种即缺相低电压
停电有时也出现它们的混和形式这些异常现象的主要原因多半
是输电线路因风雪雷击造成的有时也因为同一供电系统内出
现对地短路及相间短路而雷击因地域和季节有很大差异除电压
波动外有些电网或自行发电单位也会出现频率波动并且这些
现象有时在短时间内重复出现为保证设备的正常运行对变频器
供电电源也提出相应要求
如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备为防止这些设备投入
时造成的电压降低应和变频器供电系统分离减小相互影响对
于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合除选择合适价格的变频器
外还因预先考虑负载电机的降速比例变频器和外部控制回路采
用瞬停补偿方式当电压回复后通过速度追踪和测速电机的检测
来防止在加速中的过电流对于要求必须量需运行的设备要对变
频器加装自动切换的不停电电源装置
二极管输入及使用单相控制电源的变频器虽然在缺相状态也能继
续工作但整流器中个别器件电流过大及电容器的脉冲电流过大
若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响应及早检查
处理
雷击感应雷电
雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏此外
当电源系统一次侧带有真空断路器时短路器开闭也能产生较高的
冲击电压变压器一次侧真空断路器断开时通过耦合在二次侧形
成很高的电压冲击尖峰
为防止因冲击电压造成过电压损坏通常需要在变频器的输入端加
压敏电阻等吸收器件保证输入电压不高于变频器主回路期间所允
许的最大电压当使用真空断路器时应尽量采用冲击形成追加RC
浪涌吸收器若变压器一次侧有真空断路器因在控制时序上保证
真空断路器动作前先将变频器断开
过去的晶体管变频器主要有以下缺点容易跳闸不容易再起动
过负载能力低由于IGBT及CPU的迅速发展变频器内部增加了完
善的自诊断及故障防范功能大幅度提高了变频器的可靠性
如果使用矢量控制变频器中的全领域自动转矩补偿功能其中
起动转矩不足环境条件变化造成出力下降等故障原因
将得到很好的克服该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速
运算计算出当前时刻所需要的转矩迅速对输出电压进行修正和
补偿以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化
此外由于变频器的软件开发更加完善可以预先在变频器的内部
设置各种故障防止措施并使故障化解后仍能保持继续运行例如
对自由停车过程中的电机进行再起动对内部故障自动复位并保持
连续运行负载转矩过大时能自动调整运行曲线避免Trip能够
对机械系统的异常转矩进行检测
变频器对周边设备的影响及故障防范
变频器的安装使用也将对其他设备产生影响有时甚至导致其他设
备故障因此对这些影响因素进行分析探讨并研究应该采取哪
些措施时非常必要的
电源高次谐波
由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式这样的脉冲调制形式
使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流并造成电压波形畸
变对电源系统产生严重影响通常采用以下处理措施采用专用
变压器对变频器供电与其它供电系统分离在变频器输入侧加装
滤波电抗器或多种整流桥回路降低高次谐波分量对于有进相电
容器的场合因高次谐波电流将电容电流增加造成发热严重必须在
电容前串接电抗器以减小谐波分量对电抗器的电感应合理分析
计算避免形成LC振荡
电动机温度过高及运行范围
对于现有电机进行变频调速改造时由于自冷电机在低速运行时冷
却能力下降造成电机过热此外因为变频器输出波形中所含有的
高次谐波势必增加电机的铁损和铜损因此在确认电机的负载状态
和运行范围之后采取以下的相应措施对电机进行强冷通风或提
高电机规格等级更换变频专用电机限定运行范围避开低速区
振动噪声
振动通常是由于电机的脉动转矩及机械系统的共振引起的特别是
当脉动转矩与机械共振电恰好一致时更为严重噪声通常分为变频
装置噪声和电动机噪声对于不同的安装场所应采取不同的处理措
施变频器在调试过程中在保证控制精度的前提下应尽量减小
脉冲转矩成分调试确认机械共振点利用变频器的频率屏蔽功能
使这些共振点排除在运行范围之外由于变频器噪声主要有冷却风
扇机电抗器产生因选用低噪声器件在电动机与变频器之间合理
设置交流电抗器减小因PWM调制方式造成的高次谐波
高频开关形成尖峰电压对电机绝缘不利
在变频器的输出电压中含有高频尖峰浪用电压这些高次谐波冲击
电压将会降低电动机绕组的绝缘强度尤其以PWM控制型变频器更为
明显应采取以下措施尽量缩短变频器到电机的配线距离采用阻
断二极管的浪涌电压吸收装置对变频器输出电压进行处理对PWM
型变频器应尽量在电机输入侧加滤波器
变频器技术发展方向预测
变频器是运动控制系统中的功率变换器当今的运动控制系统包含
多种学科的技术领域总的发展趋势是驱动的交流化功率变换
器的高频化控制的数字化智能化和网络化因此变频器作为
系统的重要功率变换部件提供可控的高性能变压变频的交流电源
而得到迅猛发展
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发
展变频器的性能价格比越来越高体积越来越小而厂家仍然在
不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化高性能化和多
功能化以及无公害化而做着新的努力变频器性能的优劣一要看
其输出交流电压的谐波对电机的影响二要看对电网的谐波污染和
输入功率因数三要看本身的能量损耗如何这里仅以量大面广的
交直交变频器为例阐述它的发展趋势
主电路功率开关元件的自关断化模块化集成化智能化开关
频率不断提高开关损耗进一步降低
变频器主电路的拓扑结构方面变频器的网侧变流器对低压小容量
的装置常采用6脉冲变流器而对中压大容量的装置采用多重化12
脉冲以上的变流器负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平
的桥式逆变器而对中压大容量的装置采用多电平逆变器对于四
象限运行的转动为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量
网侧变流器应为可逆变流器同时出现了功率可双向流动的双PWM
变频器对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波减
少对电网的公害
脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制控制消
除指定次数谐波的PWM控制电流跟踪控制电压空间矢量控制磁
链跟踪控制
交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动
态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量
控制和直接转矩控制系统方面
微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向运动控制系
统是快速系统特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和
快速实时处理大量信息近几年来国外各大公司纷纷推出以DSP数
字信号处理器为基础的内核配以电机控制所需的外围功能电路
集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器价格大大降低体积
缩小结构紧凑使用便捷可靠性提高DSP和普通的单片机相比
处理数字运算能力增强10~15倍可确保系统有更优越的控制性能
数字控制使硬件简化柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性可
实现复杂控制规律使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现
实易于与上层系统连接进行数据传输便于故障诊断加强保护和
监视功能使系统智能化如有些变频器具有自调整功能
控制篇
通用变频器中基于DSP的数字控制器实现
引言
变频调速系统的关键就是要没计一个合理的变频器而它的核心就
是变频调速系统的数字控制器变频器的数字控制器包括信号的检
测滤波整形核心算法的实时完成以及驱动信号的产生系统的
监控保护等功能
变频器数字控制系统的硬件部分包括微处理器接口电路及外围设
备其中微处理器是系统的控制核心它通过内部控制程序对从输
入接口输入的数据进行处理完成控制计算等工作通过输出接口电
路向外围发出各种控制信号外围设备除了检测元件和执行机构还
包括各种操作显示以及通信设备
本文采用TI公司的TMS320F240自行设计了一款用于高速电机调速系
统的数字控制器频率可以通过键盘数字给定或者模拟给定同时对
它的功能和技术做了简要的分析并给出了电机在18000r/min稳态
运行时控制器的输出波形
1数字控制器的硬件结构框图和工作原理
数字控制器的硬件以TMS320F240定点DSP为CPUCY7C199为外部数
据和程序存储器数据和程序存储器各32K16路的模拟/数字输入
通道其中一路可以用来进行模拟频率给定使用了8位数字I/O
口可以用键盘通过I/O口来进行数字频率给定4路12位的数字
/模拟转换通道用于电机输出信号控制RS232和SPI系列兼容接
口其中将SPI用作变频调速时电机频率的LED显示将SCI口扩充
成RS232接口其功能布置框图如图1所示
电机或者逆变器的工作频率通过键盘给定同时其频率显示通过
DSP内部的显示程序回显在LED上当按下运行键以后键盘设计频
率被送到产生空间电压矢量的SVPWM处理子程序生成的SVPWM波形
通过GAL器件保护后输出与此同时电动机或者变频器的实时运行
动态频率通过LED显示正交编码脉冲可以接入电机的光电编码器
对系统构成速度环反馈A/D模块可以接入电机的电流环至于变
频调速系统的保护中断源由DSP的引脚PDPINT提供主要是过压
过流控制电压欠压过热等中断源电机的速度或者逆变器的输出
频率可以通过键盘改变
2硬件设计
数字信号处理器是数字控制器的核心部分也是数字控制器对信号的
检测滤波整形核心算法的实时完成以及驱动信号的产生系统
的监控保护等功能的核心部分数字控制器的功能模块设计如下
2l数据和程序存储器的设计
DSP是一种高速存取器件对于外围接口芯片有较高的要求虽然DSP
本身可以软件提供07个等待状态来满足与片外存取器件速度的匹
配但是为了不至于影响整个系统的控制和仿真功能一般采用存取
速度比较高的存储器来做为DSP的片外数据和程序存储器本文采用
CY7C199存储器存取时间15ns完全不用提供软件等待状态也不用
加硬件等待电路因为CY7C199是32K的8位存储器所以使用
了4片该存储器组成了32K的16位存储器RAM数据和程序各32K
22DSP复位及时钟电路的设计
为了使系统被复位信号正确地初始化对复位信号的脉冲宽度必须有
一定的要求对于TMS320F240而言复位信号至少要lms不过上
电之后系统的振荡器达到稳定工作状态需要20ms甚至更长的时间
一般来说上电复位时在复位引脚上置100200ms的一个低电平脉冲
是比较合适的根据这一原则采用IM公司的集成微处理器监控
复位电路来完成本文使用了705705监控芯片与传统的
分立元器件组成的微机监控电路比较它的可靠性高动态响应好
功耗小设计简单体积小在电子产品设计中已得到广泛的应用
在设计中时钟往往不被人充分地重视其实时钟是电路设计中非
常重要的一个环节DSP时钟既可由外部提供亦可由板上的振荡器
来提供由于DSP及其它芯片工作都是以时钟为基准的如果时钟质
量不高那么系统的可靠性稳定性就很难保证本文采用外部时钟
输入由有源晶振产生10MHz脉冲通过覆铜和串接LC滤波电路来
抑制外界干扰保证了系统的稳定工作
2.3RS232的串行口电路设计
RS232是美国电子工业协会于1960年发布的串行通信接口标准目
前应用广泛的是RS232C和RS232DRS232C的标准连接为
DB25.但在实际应用中采用非标准的DB9连接实际应用中根据需要
对定义的引脚进行取舍RS232C电气特性最大的特点是采用了负逻
辑逻辑l的电平是一3V一一15V逻辑0的电平是3V15V因
此在使用中有一个电平转换接口的问题本文中采用自升压的集成
芯片232C来构成只由5V电源来供电电平转换所需的±10V
电源由片内电荷泵产生在控制器做好以后进行了计算机的串行通
信接口SCI检验数据通信收发正常能够稳定工作
24D/A输出功能块的设计
在数字控制系统中D/A和A/D电路是必不可少的根据各种运用
场合不同系统对D/AA/D的速度要求也不一样本文中使用的
是并行输入的D/A芯片DAC7625它是12位数据并行输入4路模
拟输出的DA转换器其建立时间是10μs功耗20mW电源可以采
用单电源5V和双电源±5V供电广泛应用于电机控制和数据采集
等数模转换器DAC的数据输入来自DSP的高12位通过74LS245
送到DAC7625的数据端采用单电源5V供电参考电压VHEFH使用
精密稳压器件提供的25VVHEFL模拟地其输出通
过运算放大器TLCH2272进行放大输出范围为05V
25键盘输入接口电路和LED显示电路设计
键盘和七段LED显示器是微型计算机系统最常用的输入输出没备
它是实现人机之间进行信息交换的主要通路键盘的功能就是把人们
要处理的数据命令等转换成计算机识别的二进制代码即计算机能
识别的符号七段LED显示器则是把计算机的运算结果状态等代码
转换成为人们能识别的符号显示出来键盘是计算机系统的主要输入
没备特别是在微处理器中键盘设汁成为必然本文在设计时考虑
到DSP处理速度的快速性对于键盘去抖动环节采用了硬件延时电
路具体电路如图2所示
七段LED显示器有静态显示和动态显示两种连接方式动态扫描方式
节省硬件常用的BCD七段译码驱动和动态扫描驱动电路有两种如
Intel82797219
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