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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动机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过电流/过电压/过载保护等功能。本讲主要介绍了西门子变频器中的MM4系列,包括国内应用较多的MM420通用型、MM430风机水泵型、MM440矢量型变频器等。1.1 通用变频器入门1.1.1 变频器入门知识
变频调速是通过改变异步电动机供电电源的频率f来实现无级调速的,其接线如图1-1所示,电动机采用变频调速以后,电动机转轴直接与负载连接,电动机由变频器供电。变频调速的关键设备就是变频器,变频器是一种将交流电源整流成直流后再逆变成频率、电压可变的变流电源的*装置,主要由功率模块、*大规模*单片机等构成,变频器能够根据转速反馈信号调节电动机供电电源的频率,从而实现相当宽频率范围内的无级调速。
图1-1 变频调速接线图
在变频器控制中,经常采用的一种方法是电压/频率协调控制(即V/f控制),并分为基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。1.基频以下调速
为了充分利用电动机铁心,发挥电动机产生转矩的能力,在基频以下采用恒磁通控制方式,要保持Φm不变,当频率f1从额定值fin向下调节时,必须同时降低Eg,即采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势值较高时,可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降,而认为定子相电压Us≈Eg,则得
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这是恒压频比的控制方式,其控制特性如图1-2所示。
低频时,Us和Eg都较小,定子电阻和漏磁感抗压降所占的分量相对较大,可以人为地抬高定子相电压Us,以便补偿定子压降,称作低频补偿或转矩提升。2.基频以上调速
在基频以上调速时,频率从fin向上升高,但定子电压Us却不可能*过额定电压UsN,只能保持Us=UsN不变,这将使磁通与频率成反比地下降,使得异步电动机工作在弱磁状态。
把异步电动机基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起,即是其变频调速的控制特性,如图1-3所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值,即都能在允许温升下长期运行,则转矩基本上随磁通变化而变化。按照电力拖动原理,在基频以下,磁通恒定,转矩也恒定,属于“恒转矩调速”性质,而在基频以上,转速升高时磁通恒减小,转矩也随着降低,基本上属于变频器的分类与结构
根据变换环节,变频器分为交—交变频器和交—直—交变频器。
交—交变频器,是把频率固定的交流电变换成频率连续可调的交流电的电源设备。主要优点是没有中间环节,变频**,但其连续可调的频率范围窄,一般为额定频率的1/2以下。
交—直—交变频器是先把频率固定的交流电整流成直流电,再把直流电逆变成频率连续可调的交流电的电源设备。把直流电逆变成交流电的环节较易控制,因此在频率的调节范围内以及改善频率后电动机的特性等方面,交—直—交变频器具有明显优势。
一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成,主要作用是对外部交流电源供应的工频电流进行整流,为逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。2.逆变电路
逆变电路主要作用是通过逆变器中主开关器件有规律地通与断,输出可改变电压和频率的交流电。
常用的开关器件有绝缘栅双*型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、功率(金属-氧化物-半导体)场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconducton Field-Effect Transis,MOSFET)、大功率晶体管(Giant Transistor,GTR)、门*关断(Gate-Turn-off GTO)晶闸管等。在较早的逆变器中,所采用的电力电子器件主要是晶闸管,其开关频率较低,调速系统主要采用调压与调频分别控制的方式,即相控整流器控制输出电压的幅值,逆变器开关频率控制决定输出电压的频率。这种调压和调频分别控制方式结构简单,易于调整,但存在调速系统功率因数差、转矩脉动大、动态响应慢等缺点。
近年来,随着电力电子技术的发展,具有自关断能力的器件,如GTR和GTO开始得到广泛的应用,产生了一种新型的调压-调频综合控制技术——脉宽调制(PWM)技术及相应的PWM逆变器。
新型SPWM(正弦波脉宽调制)逆变器,均以IGBT为开关器件。IGBT融合了GTR与MOSFET的优点,具有容量大、开关频率高等特点,IGBT的平均开关频率能够达到20kHz。SPWM逆变器能够同时完成调压和调频的任务。
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