变频器技术及应用课程教学设计第五章变频器应用技术.docx

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变频器技术及应用课程教学设计第五章变频器应用技术

第五章变频器应用技术

一、教学目标

1、了解掌握变频器的主电路形式及技术特点、类型变频器的控制形式、变频器各控制形式的特点、变频器载波频率的影响因素及选择变频器载波频率的方法。

2、熟悉生产机械的负载类型、变频器节能程度的影响因素、几种典型负载的节电率计算方法、IGBT的主要用途、浪涌电压、缓冲电压等概念、IGBT模块的选用方法和IGBT模块的性能。

3、掌握变频器类型的选用、变频器负载率与效率的关系曲线、变频器箱体的结构类型、前置放大器箱、主速设定器的功能、比率设定箱、遥控设定箱、跟踪设定箱的原理、联动设定操作箱、三速设定箱和带频率操作箱的功能及特点、变器的保护方法和常见变频器报警显示内容。

二、课时分配

本章共8节，安排13课时。

三、教学重点

通过本项目的学习，让学生学习变频器主电路形式的原理、技术特点、众多变频器的控制形式及特性、正确选择载波频率值的方法，掌握常见功率模块的性能及使用时的有关问题、变频器的选择方法和变频器的保护方法。

四、教学难点

1.变频器的控制形式及特性分析

2.正确选择变频器的载波频率

3.解决变频器节能运行时的几个问题

4.功率模块IGBT、IPM的性能及使用时的有关问题

五、教学内容

任务一变频器的主电路形式

阶段一概述

变频器的主电路多数属于电压源型（VSI）的交—直—交结构形式。

它与电流源型（CSI）相比具有运行稳定、调速范围宽、输出波形好、输入电流谐波含量低、功率因数高、效率高、电路简单、适应性好等优点。

阶段二二电平电路形式

国内外所有品牌的低压变频器几乎都是二电平6脉冲主电路结构形式（见图）。

因输入电压较低，功率较小（≤200kW），电网电压可直接进入整流环节。

当电动机功率大于200kW而又采用高压供电方式时，一般采用以下两种方案。

图为二电平6脉冲主电路

1.高—低—低方案（见图）

高—低—低方案可采用通用的低压变频器，易于改造现有设备，可靠性高，造价低，但降压变压器要特殊设计。

图为高—低—低方案

2.高—低—高方案（见图）

高—低—低方案投资高，效率低，占地多，升压变压器要特殊设计。

图为高—低—高方案

3.高—低—低方案或高—低—高方案

高—低—低方案或高—低—高方案在对现有设备采用变频器进行技术改造时，而且在资金受到一定制约的条件下，也是较合适的方法。

阶段三三电平电路形式

当电压源型变频器输出电压为1~6kV时，为避免整流及逆变器件串联引起的动态均压，降低输出的谐波分量，可采用三电平电路形式，也称中心点钳位（NPC）方式（见图）。

图为采用高压IGBT的三电平高压变频调速系统

阶段四多电平电路形式

当高压变频器输出电压为6～10kV时，一般采用多电平电路形式（CMSL）。

多电平电路形式是由若干个低压PWM变频功率单元，以输出电压串联方式，功率单元为三相输入、单相输出（见图）

图为多电平电路形式的功率单元

来实现直接高压输出的方法（见图）。

图为单元串联多电平变频器原理

多电平电路的变压器的二次绕组个数应与三相功率单元数相等，而且二次绕组采用多重化的移相方法，因此对电网谐波污染最小时约为1%，功率因数大于0.95，其综合性能优于三电平电路结构，载波频率高达6kHz，但只能二象限运行。

阶段五直接高进高出电路形式

HV-IGBT串联直接高压二电平方式的SPWM变频器（见图）效率超过96%，功率因数大于0-95，谐波符合IEEE-519—1992标准（美国电气和电子工程师协会的文件）和GB14549—1993标准（电能质量公用电网谐波标准）要求。

其技术特点为：

无输入、输出变压器，IGBT串联直接高压二电平方式，器件使用数量最少，电路简单，占地面积很小，造价低，可靠性高。

当电动机功率大于1200kW时，建议选用具有12脉冲输入变压器的电路形式。

图为HVIGBT串联直接高压二电平电路

阶段六电流源型高压变频器

美国罗克韦尔公司一直采用电流源型（CSI）高压变频器（见图）。

近年来开发的POWERFlex-7000系列变频器则选用最先进的高压大功率器件SGCT（对称门极换流晶闸管），具有IGCT所有的优点并可阻断双方向的电压，进一步减少使用器件的数量，适用于5~6kV输出电压。

其技术特点为：

系统结构简单，可靠性高，输入波形好，具有自整定程序控制（ASTC），可选谐波抑制（SHE），输出频率为0~75Hz，具有正弦电压电流输出波形，矢量控制，效率大于98%。

按功率大小不同有6脉冲、18脉冲整流器及PWM整流器3种类型，如图所示。

图为电流源型（CSI）高压变频器

（a）6脉冲整流可加选滤波器;（b）18脉冲整流器；（c）PWM整流器加交流电抗器（DL）

任务二变频器的控制形式及特性分析

阶段一压频控制（VF控制）

压频控制的原理是正弦脉宽调制，即SPWM。

VF控制具有简单低廉、使用调试方便的特点，适用于各种水泵、风机，节电率高，使用效果好。

其主要问题是，当低频工作时（f≤5～10Hz），要产生转矩减小、转矩脉动、谐波加大的毛病，因此不适宜在低频时运行（见图）。

图为VF控制变频器的控制原理图

阶段二空间电压矢量控制（SVPWM控制）

空间电压矢量控制的原理是控制电动机的气隙磁通，减小低频时异步电动机的转矩脉动，通常有六边形磁通轨迹控制和圆形轨迹控制，如图所示，它可用于普通的PWM控制，可进行开环或闭环控制。

这种控制方式较VF控制性能有所提高，能基本满足0～50Hz频率段的性能要求，适用于一般传动精度较低的拖动设备上

。

图为磁通轨迹控制原理图（a）六边形磁通轨迹；（b）圆形磁通轨迹

阶段三矢量控制（VC控制）

矢量控制的原理是通过电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有与直流电动机类似的性能。

异步电动机定子电流包括两个分量，即励磁电流分量和转矩电流分量。

图为矢量控制系统

（a）磁链反馈控制系统（电压矢量控制VVC）；

（b）磁链的前馈控制系统（电流矢量控制IVC）；

（c）转差频率矢量控制的系统构成（SFVC）

阶段四直接转矩控制（DTC控制）

直接转矩控制属第四代产品，其基本原理是通过对磁链和转矩的直接控制来确定逆变器的开关状态，非常适用于重载、起重、电力牵引、大惯量、电梯等设备的拖动要求，但精度不如矢量控制的好，低于01%，电路比矢量控制简单得多，调试容易，价格也低。

图为直接转矩控制（DTC）基本组成框图

阶段五多种方式控制

这种控制集多种方式控制于一机以适应用户的需要，它既可为节能运行方式进行WF控制，又可实现调速运行方式（分为无速度反馈矢量控制、有速度反馈矢量控制两种方式）。

这样一机有3种运行方式可任意选择，大大增强了使用的选择性和灵活性。

其性能高于VF，低于VC，处于两者之间。

几种控制方式产品性能的比较见表。

无速度传感器矢量控制原理是采用简单的有效方法，对保持磁通最佳和对电动机有重要影响的参数进行控制，通过闭环相电流及稳态同步电路，对Uq、Ud进行矢量计算，优化电动机性能（见图）。

这种控制方式的变频器价格略高于单机单用的，对一般精度的调速已能满足，故使用是极广泛的。

图为无速度反馈矢量控制原理图

（a）无速度传感器矢量控制系统框图（NSSVC）;（b）速度推算框图

阶段六优化PWM矢量控制

正弦脉宽调制SPWM具有电路简单、线性度好的优点，但输出电压不高，最大线性输出电压幅值仅为输入电压的32。

优化PWM矢量控制模式采用双调制过程是通过调节开关角α（30°～60°）及调制深度a进行控制。

阶段七其他控制方式

1.PWM的调制方式

（1）同步调制。

在一个调制信号周期内包含三角波的个数不变，在改变信号周期的同时成比例改变载波周期，f△fS=C≥3，且必须是奇数。

（2）异步调制。

调制信号周期变化的同时载波周期仍保持不变，即f△fS≠C，这种调制特点是在低频工作时对减小谐波损耗及转矩脉动大有改善，适用于f<20Hz的低频工作段。

（3）随机调制。

按调制信号的周期及输出的电压值，能自动选择调制方式与调制深度a及开关角α，以适应工作频率变动幅值较大、负载转矩或功率变动大及有冲击性的闭环系统。

2.按电动机U形特性曲线与WF配合的控制方式

WF控制是静态的调压，它没有按电动机负载率口的大小进行最佳控制。

按实际的负载率口来自动搜索（通过专用集成电路），输出最小的工作电压和最小工作电流（U形特性曲线），比一般变频器在相同工况条件下，能多节电8%～10%，而且cosφ≈1，是个动态调功控制器，特别适用风机、水泵类负载。

图为电动机的U形特性曲线

3.采用数字信号处理器（DSP）的控制方式

较为普遍的CPU是专用于电动机高速控制的16位87C196MC单片机，16MHz的晶振，是美国Intel公司的产品。

国4.模糊控制（FUZZY）

5.自整定控制

自整定控制方式按电动机的参数及运行状态自动搜索后，存入ROM，变频器运行的各种参数值及特性始终使电动机与变频器处于最佳匹配工作状态，具有调试最简单、功效最好的特点，目前个别厂商已有产品，如日本富士等。

图为模糊电流矢量控制

6.双PWM控制

当今电压型交—直—交的主电路应用十分广泛，SPWM调制仅用在逆变器部分，而整流器是三相不可控的。

从理论上分析，cosφ=1，无谐波，可实现回馈再生制动。

双PWM变频器结构如图所示。

图为双PWM变频器结构

任务三正确选择变频器的载波频率

阶段一载波频率与功率损耗

功率模块（如IGBT）的功率损耗与载波频率有关，随着载波频率的提高，功率损耗增大，效率下降，对不同电压、不同功率的变频器，随着载波频率的加大，功率损耗分别如图。

图为在输出电压400～500V时的VaconCX/CXL型变频器随开关频率fSW变化的损耗功率

（a）VaconCX/CxL型变频器（22～15kW）;（b）vaconCX/CxL型变频器（185～90kW）;（c）VaonCX/CXL型变频器（110～250kW）

图为在输出电压230V时的VaconCX/CXL型变频器

随开关频率fSW变化的损耗功率

（a）VaconCX/CXL型变频器（2.2～15kW）;（b）VaconCX/CXL型变频器（185～90kW）

阶段二载波频率与环境温度

在变频器使用时载波频率要求较高及开关频率和环境温度都很高的情况下，对模块非常不利，必须按照表及图减小最大连续输出电流。

表为2400～500V恒输出电流的减小曲线

图为恒输出电流IVT随环境温度和

开关频率fSW变化时的输出电流下降曲线

（a）VaconCX/CXL型变频器；（b）VaconCX/CXL型变频器；

（c）VaconCX/CXL型变频器；（d）VaconCX/CXL型变频器

阶段三载波频率与电动机功率

电动机功率大的，相对选用的载波频率要低些，目的是减少干扰，一般都遵守这个原则，但不同制造厂具体值也不同，见表。

表为日本变频器载波频率与电动机功率

载波频率/kHz15105

电动机频率/kW≤3037～100185～300

表为芬兰Vacon变频器载波频率与电动机功率

载波频率/kHz5~165~6

电动机频率/kW≤90110～1500

表为安圣变频器载波频率与电动机功率

载波频率/kHz631

电动机频率/kW5.5～2230～5575～200

表为佳灵公司JP6CT9系列变频器载波频率与电动机功率

载波频率/kHz2～62～4

电动机频率/kW0.75～5575～630

阶段四载波频率与变频器的二次出线（U，V，W）长度

载波频率与变频器的二次出线长度见表。

表为载波频率与线路长度

载波频率/kHz151051

电动机频率/kW<5050～100100～150150～200

阶段五载波频率对变频器输出二次电流波形的影响

载波频率的大小直接影响电流波形的好坏程度及干扰的大小，在运行过程中，首先要正确选择载波频率值，然后再考虑采用附加各种抑制谐波装置，载波频率的大小对电动机绝缘影响，见表。

表为载波频率对变频器输出二次电流波形的影响

阶段六载波频率对电动机噪声的影响

电动机的噪声来自通风噪声、电磁噪声、机械噪声3个方面，其特征如下：

（1）由于变频器输出的较低谐波分量与转子固有频率的谐振，使转子固有频率附近的噪声增大。

（2）由于变频器输出的谐波使铁芯、机壳、轴承座等产生谐振，因此在固有频率附近的噪声增大。

（3）噪声与载波频率大小有直接关系，当载波频率高时，相对噪声就大。

（4）经测试得到，当电动机在变频运行时，比工频时噪声只大2dB，可见影响不很大，其绝对值约为70dB。

（5）采用专用的变频电动机，在相同运行参数时能降低噪声6~10dB。

阶段七载波频率与电动机的振动

电动机的振动原因可分为电磁与机械两种，这里只就电磁原因作如下分析：

（1）由于较低次的谐波分量与转子的谐振，因此其固有频率附近的振动分量增加。

（2）由于谐波产生脉动转矩的影响致使电动机发生振动。

（3）当采用变频器后，在相同50Hz频率下工作时振动略大；当工作频率为20Hz时，振动将增至最大振幅7μm；工作频率为80~120Hz时，最大振幅将为6μm，且电动机极数小的较极数大的略为严重。

（4）可采用输出AC电抗器减小振动。

（5）将U/f给定得小一些以降低振动。

（6）采用变频电动机可降低振动。

（7）对高速磨床等采用低噪声、低振动的专用电动机可降低振动。

阶段八载波频率与电动机的发热

在相同工作频率、相同负载下，使用变频器后电动机的温升会略高些。

为减少这部分损耗，要尽可能使载波频率值大些，或选用变频电动机，具体解决办法如下：

（1）尽可能选用较高载波频率，以改善输出电流波形。

（2）加装输入、输出AC电抗器或有源滤波器等。

（3）选用变频电动机。

（4）变频器的工作频率低于20Hz时，如有较大的负载运行，电动机输出轴后应再加装一级减速器，以提高工作频率，增大输出转矩，满足负载和变频器的使用要求。

同时，电动机的振动、噪声、发热、工作频率、载波频率几方面也都合理地得以解决。

图为6脉冲整流器安装与未安装AC电抗器的谐波分量

阶段九载波频率与变频器输入三相电流的不平衡度

为改善输入三相电流的不平衡度，通常采用以下方法：

（1）改善电网品质，使不平衡度尽可能小些。

（2）选用高档优质品牌的变频器。

（3）尽可能提高载波频率值。

（4）调换R、S、T三相的相序（变频器输入电压相位的改变不影响输出电压相位）。

（5）选用变频电动机。

任务四解决变频器节能运行时的几个问题

变频器在使用时有两个不同的出发点：

一是以调速为主选用变频器，二是以节能为主选用变频器。

对VF控制的变频器，在f下调时，U也下降，其节能效果见表。

表为变频器使用与节能功效

所以调速或节能有一定内在的联系，即调速运转也有节能，节能运转必须调速的关系。

阶段一节能与负载类型关系

生产机械有各种类型，但负载类型主要有3类，即恒转矩T=C，二次方减转矩T∝n2，恒功率P=C，见表。

表为负载特性类型与特性曲线

从公式P=Tn/9550也可得知，在恒转矩时，P正比于n，P的单位为kW，T的单位为N·m，n的单位为r/min。

阶段二节能程度的影响因素

节能程度的影响因素如下。

（1）变频器要节电是有一定条件的。

（2）要节能一定要降低频率，下降值越大，节电越多。

（3）与电动机负载率有关。

（4）与原来的运行的工况参数值的合理程度有关。

（5）与原来采用的调整方式有关。

（6）与原来采用的调速方式有关。

（7）与电动机工作方式有关。

（8）与电动机开动时间长短有关。

（9）与电动机本身功率大小有关。

（10）与本单位生产工艺设备重要性有关。

阶段三节能与控制方式

变频器在实际使用中有两种控制方式。

1.开环控制

开环控制适用在恒速、输出量不变的条件下。

开环控制电路简单，省费用，如图所示。

图为开环控制变频器

2.闭环控制

闭环控制适用在变速、输出量变动的条件下，如图所示。

图为闭环控制变频器

此系统要增加传感器、PID调节器，虽安装费用较高，但对提高控制精度有利，控制精度为01%，凡需要精确控制温度、压力、流量、速度、张力、位置、pH值等场合。

阶段四几种典型负载的节电率计算方法

1.各种风机、泵类

因为P∝n3，节电效果显著，所以应首先应用变频器，具体值见表。

表为应用变频器的节电效果

计算时可用

P（%）=KS3

式中P（%）——实际消耗功率百分值；

S——实际转速百分值；

K——系数，K=00001。

节电率为

N（%）=1-P%

例如，转速n为90%时，相应频率值为45Hz，则P（%）=00001×（90）3=73%。

所以N（%）=1-73%=27%。

一般风机、泵类节电率在30%以上。

2.空压机、挤出机、搅拌机

因为空压机、挤出机、搅拌机P∝n，所以，节电率与允许减速范围成正比，N（%）=n（%）。

3.波动负载

波动负载具有周期波动性，且波动功率较大，控制方式以闭环为好，相对节电率也大些，功率负载如图所示。

图为功率波动负载

4.阶梯负载

阶梯负载，工作时间t1是满负载PH，一定压力后自动卸载，电动机空载P0时间为t2，采用降速降流量，用适当延长工作时间t1、缩短空载时间t2的方法来实现节电。

经实际运行，约有15%~20%的节电率。

而且t2

间歇工作负载的功率变化情况（P0≠0）如图所示。

图为间歇工作负载的功率变化情况（P0≠0）

5.间歇负载

间歇负载其工作时间t1为满负载，不工作时间为t2且t2≥t1，现采用降速降流量，延长工作时间t1，缩短不工作时间t2，这样改变后节电效果也明显，约有20%~30%的节电率。

间歇工作负载的功率变化情况（P0=0）如图所示。

图间歇工作负载的功率变化情况（P0=0）

6.人为负载

转移来实现节电这种情况往往发生在中央空调系统的冷却泵、冷冻泵或其他同类地方。

见表。

表为负载转移方法实现节电

任务五功率模块IGBT、IPM的性能及使用时的有关问题

阶段一IGBT模块

1.IGBT的主要用途

IGBT是先进的第三代功率模块，工作频率为1~20kHz，主要应用在变频器的主电路逆变器及一切逆变电路。

IGBT是电压型控制器件，具有输入阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、功率容量大等优点。

IGBT的发展趋势是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠性、低成本，在高压变频器的发展方面，简化其主电路，减少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等，都与IGBT的应用有关，所以世界各大器件公司都在努力研究、开发，预计2～3年内会有突破性的进展。

2.关断浪涌电压

关断浪涌电压是在关断瞬间，流过IGBT的电流被切断而产生的瞬时电压，它是因电动机感性负载L及电路中漏电感LP而产生的。

3.恢复浪涌电压

续流二极管是当IGBT下臂关断时，电感性电流在上臂续流提供通路（这时处正向导通），它将减小didt的值，防止产生过电压。

但当下臂导通时，续流二极管反向恢复，变为负值而关断，电流将要下降为零值，这时，因LP存在要产生浪涌电压，阻止电流的下降，尤其当使用硬恢复二极管时，将产生较高的反向恢复的didt值，可导致很高的瞬时电压出现。

4.缓冲电路

缓冲电路是用于控制关断浪涌电压和恢复的开关损耗及瞬时过电压值的。

常用的几种IGBT缓冲电路如图所示。

图为常用的几种IGBT缓冲电路

（a）仅由电容组成；（b）使用快速二极管；（c）直接接于C、E极

缓冲电路的具体推荐值见表。

表为推荐的缓冲电路和功率电路设计推荐设计值

5.减小功率电路的电感

浪涌电压的能量与12LpI成正比，因此减小导线LP是主要的，走线可选用多层正负交叉，宽扁形叠层母线。

6.接地回路形式

在大功率IGBT应用中或didt很高时，应避免接地回路噪声，对不同容量的器件，有下述3种电路，如图所示。

图为避免接地回路噪声

（a）适用于<100A模块；（b）适用于<200A模块；（c）适用于>300A模块

7.IGBT的损耗

损耗是指IGBT在开通或关断过渡过程期间的功率损耗。

在使用变频器时，必须正确地选择载波频率值。

载波频率的大小与器件的开关损耗、器件的发热、电流的波形、干扰的大小、电动机的噪声和振动等有关。

8.关于结温的大小

IGBT模块的芯片最大额定结温是150℃，在任何工作条件下，都不允许超过，否则要发生热击穿而造成损坏，一般要留余地。

在最恶劣的条件下，结温限定在125℃以下，变频器的IGBT模块，都在散热器表面装有温控开关，其控制值在80~85℃之间。

9.散热器的安装

图为IGBT固定螺钉排列

IGBT模块直接固定在散热器上，螺钉一定要受力均匀，开始拧紧的次序如图所示，

即①→②→③→④，最终拧紧的次序是④→③→②→①。

散热器表面要平整清洁，要求平面度不大于150m，最好用力矩扳手（具体值可参见应用手册）。

表面粗糙度不大于6μm，界面要涂传热导电膏，涂层要均匀，厚度约1.5mm。

不同功率的模块散热器面积的计算，请参阅有关的设计资料。

10.参数的合理选择

参数的选择要适当留有余地。

工作电压为50%~60%，在此条件下器件是最安全的。

制约因素有以下几点。

（1）在关断或过载条件下,Ic要处于安全工作区，即小于2倍的额定电流值。

（2）IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率来制定的。

（3）结温必须小于150℃。

在具体选用IGBT模块时可查表。

表为常用的IGBT模块

11.栅极电阻Rg

栅极电阻串接在栅极电路中（见图），作用是改善控制脉冲前沿、后沿的陡度和防止振荡，减小IGBT集电极电压的尖脉冲值。

Rg的值对动态特性影响很大。

图为栅极电阻串接在IGBT栅极电路中

表为推荐采用的栅极串联电阻

栅极驱动电路的布线对抑制潜在振荡、减慢栅极电压上升、减小噪声损耗、降低栅极电压或减小栅极保护的效率有较大的影响。

要注意的事项如下：

（1）将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最小。

（2）驱动板和屏蔽栅极驱动电路要正确放置，以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合。

（3）采用辅助发射极端子连接栅极驱动电路。

（4）当驱动板和IGBT控制端子不可能作直接连接时，建议采用双绞线（2转/cm，长度小于3cm）或带状线、同轴线。

（5）栅极钳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、发射极控制端子附近。

（6）印制电路板的线条之间彼此不宜太近，过高的dudt会由寄生电容产生耦合噪声。

若布线无法避免交叉或平行时，必须采用屏蔽层加以保护。

（7）要减小各器件之间的寄生电容，避免产生耦合噪声。

（8）用光耦合器来隔离栅极驱动信号，其最小共模抑制比要在10.000V/s。

12.dudt及短路保护

在IGBT关断时，栅极要加反向偏置，由于栅极的阻抗很大，该电流使Uge增加，恶劣条件下达到阀值电压时，IGBT将开通，导致上、下臂同时开通使桥臂某一相短路，为防止这现象的发生应注意以下几点：

（1）在关断状态要加足够的负栅极电压，至少-5V。

（2）在关断时Rg。

为较低值（可见表517）。

（3）栅极电路的电感Lg应降至最低。

当短路情况出现时，IGBT要继续维