低压变频器基础知识.docx
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低压变频器基础知识
一、变频技术的发展
电力电子器件是变频器发展的基础，计算机技术和自动控制理论是变频器发展的支柱。
电力电子器件由最初的半控器件SCR，发展为全控器件GTO晶闸管、GTR、MOSFET、IGBT,到今年研制出的IPM，单个器件的电压值和电流值的定额越来越大，工作速度越来越高，驱动功率和管耗越来越小。
变频技术的核心控制由单片机完成，这些新技术和自动控制理论使变频器的容量越来越大，功能越来越强。
市场需求也是变频器发展的动力，来自国家节能中心的数据：
在全国总的电能消耗中：
各种电机的耗电量占：
50％!
其中风机泵的耗电量：
50％!
即：
全国的发电量中1/4被风机、泵消耗了！
最新数据：
各种风机、泵耗电量占全国发电量的1/3!
据测算我国潜在变频器市场是巨大的。
变频器技术的发展趋势是：
智能化，专门化，一体化，环保低噪
变频技术已被公认为最理想，最有发展前途的调速方式之一，它主要应用在节能，自动化系统及提高工艺水平和产品质量等方面。
二、变频调速的实现及分类
1.交-交调速
交-交调速只有一个变换环节，将恒压恒频的交流电源转换成变压变频的电源，因此又称为直接变频器，它主要应用于大功率的三相异步电动机和同步电机的低速变频调速
优点：
原理简单，方便
缺点：
①结构庞大，笨重；②谐波成分大；③频率最高不会大于30Hz
因而其应用范围受到限制
2.交-直-交调速
交-直-交调速主要由三部分组成：
整流电路，中间电路，和逆变电路
优点：
①调速范围广；②具有良好的动静态特性
用可控硅实现VV，用IGBT逆变来实现VF
我公司使用的是交-直-交变频调速，整流部分采用二极管进行整流，逆变部分采用功率器件IGBT来实现。
下面简单谈一下IGBT
IGBT全名绝缘栅极晶体管，它具有MOS和BJT双重功效。
从输入上看，IGBT具有MOSFET的输入特性：
输入阻抗高，属电压控制元件，因而驱动简单。
从输出侧看，它具有BJT的输出特性：
饱和压降低，耐压有1200V,1700V,3300V级，电流可达几百安，上千安，开关频率十几K,这些技术指标均可满足我公司变频器的要求。
三、变频调速的原理
变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。
我公司选用的是VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）调速
异步电动机的转速
P:
电动机极对数n0:
同步转速
调节n，由三种方法：
1.变p,只可跳变，不能连续调速，有局限性
2.变s,调速范围越宽，系统效率越低1，2均为改造电机。
3.变f,可连续大范围调速，转差率小，效率高
n与f成正比，通过改变f即可改变电动机的转速，当f在0-50hz范围变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。
但仅改变频率，电机将被烧坏，尤其当频率降低时，问题更突出。
三相异步电动机每相绕组的反电动势公式：
其中：
E：
为每相定子绕组的反电动势
N：
为每相定子绕组的匝数K：
为系数
为了保持磁通
不变，故必须保持V/F恒比。
如果磁通太弱就等于没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流会使绕组过热而损坏电动机。
为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变f的同时，也改变U.
故为VVVF
由式
可分成两种情况分析:
（1）在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速。
变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通Фm不变，从公式可知，也就是要使E1/f1=常数。
这是在忽略定子漏阻抗压降的前提下，可以认为供给电机的电压U1与频率f1按相同比例变化，即U1/f1=常数。
但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，从而导致主磁通Фm和输出转矩下降，因此要人为地提高定子电压U，以作漏抗压降的补偿，维持E1/f1≈常数,保证主磁通Фm基本不变。
因此这种方法被称为电压补偿（转矩提升）。
此时变频器输出U1/f1关系如图1中的曲线2，而不再是曲线1。
多数变频器在频率低于电机额定频率时,输出的电压U1和频率f1类似图1中曲线2,并且随着设置不同,可改变补偿曲线的形状，试用者要根据实际电机运行情况调整。
（2）在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速。
此时变频器的输出频率f1提高，但变频器的电源电压由电网电压决定，不能继续提高。
根据公式（3），E1不能变，f1提高必然使Фm下降，由于Фm与电流或转矩成正比，因此也就使转矩下降，转矩虽然下降了，但因转速升高了，所以它们两的乘积并未变，转矩与转速的乘积表征着功率。
因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行。
由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速（VVVF）。
而在额定频率以上，电压并不变，只改变频率。
四、变频器基础知识
概述
交-直-交变频器的主回路
先把工频交流电通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的的交流电源，进而驱动电机。
变频器主电路一般由整流、中间直流环节，逆变几部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流电路，逆变部分为IGBT三相逆变器，输出为PWM波形，中间直流环节为滤波，直流储能和缓冲无功功率.
交——直部分
4.1若线电压为
，则三相全波整流后平均直流母线电压
的大小为:
4.2滤波电容C的作用：
1：
滤平全波整流后的电压纹波2：
当负载变化时，使直流电压保持平稳
因电解电容有较大的离散性，故两个电容的电容量不完全相同，这将使他们承受的电压不等，为使其相等，故在电容旁个并联一个阻值相等的均压电阻。
4.3限流电阻和开关
变频器刚盒上电源时，电容充电电流特别大，会损坏三相整流桥的二极管及电解电容，延时电阻R的接入，是为了将电容器的充电电源限制在允许范围内。
开关SL的作用：
当C充电到一定程度时，令SL接通，将R短路掉。
直——交部分
4.4续流二极管的作用
（1）电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量，续流二极管为无功电流返回直流电源时提供通道。
为电动机的无功分量提供通道
（2）当频率下降（变频调速系统的降速是通过降低频率来实现的，在频率刚降低的瞬间，同步转速也同时下降，而拖动系统的转速则由于惯性尚未下降，于是出现了
的状态）电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管整流后返回给直流电路。
为再生发电提供通道，使电容充电。
（3）IGBT进行逆变的工作过程是：
同一桥臂的两个逆变管处于不同的交替导通和截止状态。
在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需VD1-VD7提供通道。
为上、下IGBT交替导通提供通道
4.5制动电阻：
当工作频率下降时，再生制动，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使UD上升，危险。
因此，须将再生到直流电路的能量消耗掉，使UD保持在允许范围内，RB是用来消耗这部分能量的。
4.6制动单元VB由GTR或IGBT及其驱动电路构成，其功能是为放电电流IB流经RB提供通路。
主回路IBGT吸收电路
IGBT的缓冲电路主要有如图3.17所示的三种电路形式，
其中3.17A图是由一个低感电容组成，适用于小功率设计，用作对瞬变电压有效而低成本的控制。
随着功率级别的增大，这种缓冲电路可能会同母线寄生电感作减幅振荡，此时采用如图3.17B所示的电路结构，使用快恢复二极管箝住瞬变电压，从而抑制谐振的发生。
五、变频器的外围设备和选购件，
这里介绍一下单台变频器构成的基本调速系统
变频器构成的基本调速系统
图中部件和功能如下：
电源侧断路器或漏电保护式断路器：
起电源开关作用。
电磁接触器：
保护时断开，电网复电后防止自动再投入。
输入侧交流电抗器：
抑制输入侧的谐波电流，改善功率因数。
直流电抗器：
抑制谐波电流，改善输入侧功率因素。
输出侧交流电抗器：
抑制输出侧的谐波电流，减少电机噪声。
制动单元：
消耗再生能量。
传感器和反馈网络是构成闭环控制回路的组成部分。
六、低压变频器的整机原理框图
七、系统控制电路的组成
微机板工作原理
1主芯片概述
单片机87C196和C51主要是给变频器提供工作中所需的各种控制信号，同时接受变频器的反馈信号，经处理后识别变频器的工作状态，从而实现对变频器的控制。
2驱动信号
驱动单元所需的6路输入信号是由87C196单片机的P6口（P6.0—P6.5）送出的，经三个74HC00逻辑处理后输出。
74HC00的接入，主要是对输出波形进行整形和增加87C196的带载能力，减少其功耗。
同时，对87C196和驱动单元之间起到隔离作用，减少驱动级对单片机的影响，保证了单片机的工作可靠性。
3延时信号
开机后经3S时间，87C196的28脚送出一控制信号，经74HC14输出至可控硅触发单元。
目的是为使变频器开机后，各控制单元进入稳定状态及整流滤波电容不产生充电电流突变，经一段时间的延时再加入主电源，保证变频器的开机安全。
4过电压和欠电压保护工作原理
低压小功率
低压大功率
过电压和欠电压保护是由运算放大器LM324构成的自激式函数发生器、电源整流滤波、电压比较器、光电转换器，斯密特触发器，射级跟随器组成。
采用了光电隔离的方法，增强了抗干扰性。
5短路保护电路原理
短路保护是立即保护，要求的信号是瞬态值。
短路保护的取样信号来自正、负电源母线上的电流传感器，当变频器正、负母线上电流瞬间超过额定电流的180%时，这时，电流传感的输出电压值已达到74HC00的输入门电压，会立即翻转输出一脉冲信号至单片机87C196的中断脚84脚，经单片机对信号的处理、识别后，然后发出控制指令。
6过热保护电路原理
过热保护取样是采用热继电器完成的，在正常工作状态下，热继电器的触点是闭合的，当变频调速器的温度达到继电器的动作温度（77±2℃）时，继电器触点断开，单片机87C196的27脚的电位由高电平变为低电平，单片机拾取这一信号后进行处理、识别，然后发出停机指令信号。
还有一种情况就是在大功率的变频器（尤其是多单元或中高压变频器）中，因温度传感器走线太长，靠近主电路或电磁感应较强的地方，造成干扰，此时应采取抗干扰措施。
如采用继电器隔离
7过电流保护电路原理
过电流保护信号的取样是由电流传感器从变频调速器三相输出中的两相中取得的，每一路取样都采用单独的放大器进行放大。
由于过电流取样是对电流150%有效值的取样，它不是一个瞬态值，单片机87C196对此过流信号的识别时间为1min，在1min内，过流取样值不变时，就视为变频调速器输出过流并发出指令信号。
在静态下，测A点的工作电压应为2.4V
8钳位电路原理
因为单片机87C196所要求的输入信号幅度为5V。
为防止过电压和欠电压保护、过电流保护、外控输入等的输出信号幅度过大或过小，在输入端都接有一钳位电路后再送入单片机87C196的输入端。
使输入信号最大不大于5.7V，最小不小于-0.7V
9开关量输入电路
为了防止信号干扰，采用光电耦合器作隔离器
10复位电路
当变频器出现保护后，变频器的输出频率会从最高频率逐渐下降至最低频率，至显示故障代码。
此时可通过手动复位的方式，使变频器重新开始工作。
11微机板留有两路集电极开路输出Y1,Y2，端子输出功能可编程，低压通用变频器一般为准备信号输出及运行信号输出
若用户需外接运行指示，准备指示等外围设备时，可通过外接继电器来实现
驱动板
1.概述
本驱动单元主要是作为功率模块IGBT栅极的功率信号驱动。
此电路以M57959L驱动模块为核心，加上外围电路组成能满足IGBT工作的驱动单元。
它主要是将87C196MC芯片给出的SPWM信号，经过功率放大后作为IGBT模块的栅极控制信号。
同时具有检测IGBT管的工作状态的功能。
2.工作原理
低压小功率变频器的驱动板采用变压器供电方式
低压中大功率变频器的驱动板采用磁环供电，经桥式整流管整流、电容滤波后的电压接入驱动模块M57959L的电源端。
M57959L内部电路组成及其特点：
1）高速输入输出隔离，绝缘强度高2500VAC／min；
（2）输入输出电平与TTL电平兼容，适于单片机控制；（3）内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性；（4）具有可靠通断措施（采用双电源）；（5）驱动功率大，可以驱动200A／600V或100A／1200V的IGBT模块
M57959L是单列直插式封装，从左至右依次编号，其中9～12为空端。
1端和2端为故障检测输入端；4端：
接正电源+15VDC；5端：
驱动信号输出端；6端：
接负电源-10VDC左右；8端：
故障信号输出；13端和14端：
驱动信号输入端，主要接收87C196MC芯片送出的SPWM信号。
M57959L的内部原理框图（图一）
图一
M57959L外围应用电路如图二所示。
图所示实际应用电路具有IGBT过流过压保护功能。
当检测到输入1端的电压为某一电平时，模块判定为电路短路，立即通过光藕输出关断信号，从而使其5端输出低电平将IGBT的GE两端置于负向偏置，可靠关断。
同时，输出误差信号使故障输出端8端为低电平，从而驱动外接的保护电路工作。
图二
由于IGBT要求的驱动功率大，单靠M57959L的输出功率不能满足要求，通常的做法是采用PNP和NPN对管推挽输出，即在M57959L的输出端接入一个互补跟随器。
电阻R4、R3是输出限流电阻，防止电流过大损坏IGBT栅极。
稳压管1N4745和1N4741分别采用对接的形式，主要是对输出信号进行钳位，使IGBT的驱动信号不超过规定的幅度，从而保证驱动信号的可靠性。
图三
当短路时，Vce（sat）急剧上升，设定一个Vref，一旦Vce（sat）大于Vref时，保护电路动作，注意的时检测工作必须用快恢复二极管。
其实有多种技术可用来避免IGBT受到短路的破坏，其中最基本的技术便是在10us内关断IGBT。
图3.18IGBT保护原理图
开通时的栅极驱动电压不能超过12V－20V的范围，开通时最佳栅极正向偏置电压为15V±10％，15V驱动电压足够使IGBT完全饱和导通，并使通态损耗减至最小，同时也限制了短路电流和它所带来的功率应力。
当栅极电压为0时，IGBT处于截止状态。
但是，为了保证IGBT在集电极－发射极电压上出现dv/dt噪声时仍能保持关断，必须在栅极上施加一个关断偏压，这样还可减少关断损耗。
反偏压应在（-5）V－（-15）V，一般取－10V。
选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。
因为IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，栅极电阻值对其动态特性产生极大地影响。
数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗，而且较小的栅极电阻还可避免dv/dt带来的误开通，但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并导致栅极－发射极电容同栅极驱动导线的寄生电感产生振荡问题，而且较小的栅极电阻会使得IGBT开通的di/dt变大，导致较高的dv/dt，增加IGBT反并联二极管恢复时的浪涌电压。
栅极驱动布线对防止潜在的振荡、减慢栅极电压的上升、减少噪声损耗、降低栅极电源电压或减少栅极保护电路的动作次数有很大的影响。
因此布线时应考虑以下几点：
（1）驱动板不能与IGBT控制端子直接相连时，应采用双股绞线（2转/cm），且距离尽量小。
（2）驱动器与屏蔽板放置要合理，以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合；
（4）为了提高栅极抗干扰能力，一般在栅源之间并联电阻或双向箝位稳压管（约为18V），栅极箝位保护电路必须按低电感布线，并尽量放置于IGBT模块的栅极发射极控制端子及附近。
延时电路：
低压小功率：
可控硅延时：
可控硅驱动板
低压大功率：
交流接触器延时自充电延时板
刚送电时，电源通过电阻R1给接在三极管基极的电容C3充电，当电容上的电位足以使三级管导通时，三极管导通，继电器线圈带电，继电器常开点闭合，控制信号由此送出。
功率激励单元FD6.672.011
功率激励单元主要是为变频调速器驱动单元电源变压器，提供一个高频的供电电源。
它能产生并输出一个高频的矩形脉冲功率信号。
功率激励单元由函数发生器、电流放大器、阻抗匹配变压器、前置驱动级、功率放大级和输出变压器组成。
电路结构及原理
功率激励单元其工作原理为：
1）由自激式函数发生器产生三角波和矩形波输出。
振荡频率是正比于密勒积分器的时间常数R4.C1。
改变电阻R4和R5的阻值可以改变振荡频率。
N1输出三角波，N2输出矩形波
2）N3和V1、V2组成一个前置放大器，主要是增大其驱动功率。
从N1输出的三角波信号经N3进行电压放大的同时，由于V1、V2接成了一个互补的射极跟随器，N3的输出电压反馈是从V1、V2接成的互补射极跟随器输出端反馈的，因而也进行了电流放大。
3）为了使前置级与功放级的输入阻抗相匹配，在前置级和功放输入级之间加入一个隔离变压器，实现阻抗匹配的要求。
4）功放级采用二级互补跟随器作为驱动级和二级并联的互补跟随器作为功率输出级。
功放级的电压输出幅度
取决于隔离变压器的次级电压值，本级主要对电流进行放大。
为了与负载相匹配和防止负载上的信号对功放级的影响，采用了变压器做隔离输出。
功率激励单元2C00900PA0
功率激励单元其工作原理为：
1）由AT89C2051产生并输出25KHZ方波振荡信号，分别送入两个电压比较器进行信号放大，经晶体管组成的相应互补跟随器进行电流放大后作为功放级的推动级。
2）为了使前置级与功放级的输入阻抗相匹配，在前置级和功放输入级之间每一路增加了一个隔离变压器，实现阻抗匹配的要求。
3）功放级采用IGBT功率模块组成互补跟随器作为功率输出级。
功放级的电压输出幅度取决于IGBT功率模块供电电源电压值，本级主要对电流进行放大。
为了提高其带负载能力，输出信号采用了电容隔直和LC滤波。
分信号板
分信号板是实现变频器驱动信号和保护信号的转化的传输中介，它起到了分信号的作用，同时它将信号进行了光电转换，增强了变频器的抗干扰能力。
短路过载隔离单元
短路部分
过载部分采用P521光耦进行隔离。
信号经过电阻取样后，送入N1跟随器，以增强其带载能力。
当输入信号发生变化时，利用光耦P521的线性导通隔离关系，在输出端可得到一与输入信号变化相同的信号。
信号经光耦隔离传送至主控板上，依次再将信号传送至主CPU,从而起到保护模块的作用。
刹车主控板
3.1单片机工作原理
87C196MC它主要是给变频器提供实现能耗制动过程中各种取样信号的处理和发出控制指令信号，从而实现对变频器能耗制动过程的控制。
3.2母线实际电压的取样
母线实际电压的取样，当变频器母线实际电压高出基准电压一定限值时，为保证变频器的工作安全需要对多余的能量进行释放，为实现这一目的，对母线实际电压变化进行取样测量。
其取样工作原理为：
母线实际电压首先通过衰减器进行衰减，然后送入由集成运放组成的同相放大器进行电压放大。
为防止放大器输入端信号的干扰和输入幅度过大，在放大器的正、反向输入端之间接入正反向二极管进行钳位。
取样后的电压信号作为能耗制动母线实际电压，经二极管组成的钳位电路送入单片机61脚进行处理，进入芯片的电压值由电位器进行调整。
3.3输入电源电压的取样
输入电源电压的取样，由交流电源经二极管整流，7812稳压后取得，取样后的电压信号作为供电电源的基准信号，经二极管组成的钳位电路送入单片机60脚进行处理，进入芯片的电压值由电位器进行调整。
3.3运行输出原理：
引入运行信号后，光藕E1导通，随之三极管V8导通，继电器K1线圈通电，其常开触点闭合，可外接运行指示等运行信号。
3.4故障输出原理：
当主控板引入故障信号后，其上故障继电器的常开触点（即S1）闭合，随之继电器K2线圈通电，其常开触点（即S2、S3）闭合，形成自锁电路，此时会一直有故障输出，可外接故障指示等故障信号。
在实际选用IGBT时，要考虑额定电流和额定电压，电流要根据实际电路中最大额定电流以及负载的类型等因素。
额定电压要考虑电网电压尖峰、允许电压波动范围、开关电流引起的电压尖峰等。
一般电压取2倍裕量，即VCES＝2VM（VM，IGBT上的最高电压）。
除了满足上述的性能指标之外，还有两个关键的因素，第一个因素是在关断时，包括任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流必须处在开关安全工作区内（即小于两倍的额定电流IC）；第二个因素是IGBT的额定结温必须始终保持在Tj（max）（125℃或者150℃）以下。
该电容器的主要作用如下：
（1）缓冲系统交流侧与直流侧负载间的能量交换，并且稳定直流母线电压。
（2）与异步电动机交换无功功率；
（3）当负载发生变化时，在整流器的惯性延时期间内，支撑中间回路电压，将直流电压的波动维持在限定范围内，使其保持稳定。
如果这个电容器太小，整流器的控制将变得相当困难。
因为控制稍微有一点误差中间回路的电压就会出现很大的波动；
（4）滤除由于器件高频开关动作造成的直流电压的纹波。
本公司的品牌商标为FG，产品型号为JD-BP系列，
JD-BP32-7.5F
2产品体系
按电压等级分类：
低压-----220V、380V中压-----400V以上，6000V以下高压-----6000V至10000V
低压变频器的主要技术参数
输
入
电
源
相数、电压、频率
三相、380V、50Hz
允许波动
电压±20%、频率±5%
抗瞬时电压降低
电压在300V以上继续运行
输
出
频
率
最高频率
在50～400之间任意设定
起动频率
2～5Hz
精度
模拟设定：
最高设定值的±0.3%（25±100C）以下
数字设定：
最高设定值的±0.1%（-10+500C）以下
分辨率
模拟设定：
最高设定值的2000分之一
数字设定：
0.01Hz（99.99Hz以下），0.1Hz（100Hz）以上
控
制
电压/频率特性
由所选的V/F曲线所决定
转矩提升
根据负载转矩调整到最佳值
加减速时间
1～999s，对加速时间和减速时间可单独设定
运
行
运行操作
键盘操作、外控操作、微机操作
频率设定
面板键盘设定、模拟信号（0-5V）设定
运行状态输出
开路集电极输出，频率到达某些特定值给出输出
显
示
数字显示
输出频率、输出电流、输入电压、功率因数等运行参数、频率设定值、故障码
状态指示
运行指示、外控指示、保护指示
制动
电容器充电制动20%以上
外接电阻制动达100%（制动力矩=额定力矩）
保护功能
过流、短路、过压、欠压、缺相、过热、失速、外部报警
防护等级
IP20
变频器的主要设置参数
四位数码显示屏及指示灯，指示变频器的工作状态，具体显示内容为：
（1）显示设置参数；
（2）设定频率数值；（3）储存频率数值；（4）设定上升时间数值；
（5）设定下降时间数值；（6）设定v/F曲线；（7）最低频率设置；（8）最高频率设置；
（9）额定电流设置；（10）低频补偿设置；（11）设定运行工作模式（12）显示运行频率；
（13）显示输出电流数值；（14）显示负载功率因数；（15）显示输入电压数值；
（16）显示工作状态：
内控／外控、运
升级会员 