1、電力電子及拖動控制系統實訓frenic-vp變頻器工作原理及應用frenic-vp變頻器工作原理及應用一變頻器介紹1、變頻器基本簡介 變頻器（variable-frequency drive，縮寫：vfd），也稱為變頻驅動器或驅動控制器，可譯作inverter（和逆變器的英文相同）。變頻器是可調速驅動系統的一種，是應用變頻驅動技術改變交流電動機工作電壓的頻率和幅度，來平滑控制交流電動機速度及轉矩，最常見的是輸入及輸出都是交流電的交流/交流轉換器。在變頻器出現之前，要調整電動機轉速的應用需透過直流電動機才能完成，不然就是要透過利用內建耦合機的vs電動機，在運轉中用耦合機使電動機的實際轉速下降，變

2、頻器簡化了上述的工作，縮小了設備體積，大幅度降低了維修率。不過變頻器的電源線及電動機線上面有高頻切換的訊號，會造成電磁干擾，而變頻器輸入側的功率因素一般不佳，會產生電源端的諧波。變頻器的應用范圍很廣，從小型家電到大型的礦場研磨機及壓縮機。全球約1/3的能量是消耗在驅動定速離心泵、風扇及壓縮機的電動機上，而變頻器的市場滲透率仍不算高。能源效率的顯著提升是使用變頻器的主要原因之一。變頻器技術和電力電子有密切關系，包括半導體切換元件、變頻器拓撲、控制及模擬技術、以及控制硬件及固件的進步等。2、變頻器基本組成變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。1).整流單元：將工作頻率固定的交

3、流電轉換為直流電。2).高容量電容：存儲轉換后的電能。3).逆變器：由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波。4).控制器：按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅動交流電動機。二變頻器工作原理1、概述主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流

4、功率變換為交流功率的“逆變器”。2、整流器最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。3、平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。4、逆變器同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。

5、控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。（1）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。（3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據指令

6、和運算可使電動機按指令速度運轉。（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值三變頻器控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380650v，輸出功率為0.75400kw，工作頻率為0400hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經歷了以下四代。1、1u/f=c的正弦脈寬調制(spwm)控制方式：其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小

7、。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。2、電壓空間矢量(svpwm)控制方式：它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電

8、路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。3、矢量控制(vc)方式：矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流ia、ib、ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流ia1ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流im1、it1(im1相當于直流電動機的勵磁電流；it1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉

9、矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。4、直接轉矩控制(dtc)方式：1985年，德國魯爾大學的depenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型

10、，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。5、矩陣式交交控制方式：vvvf變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交交變頻應運而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深

11、入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是：1）、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式；2）、自動識別(id)依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別；3）、算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制；4）、實現bandband控制按磁鏈和轉矩的bandband控制產生pwm信號，對逆變器開關狀態進行控制。矩陣式交交變頻具有快速的轉矩響應(2ms)，很高的速度精度(2%，無pg反饋)，高轉矩精度(+3%)；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時(包括0速度時)，可輸

12、出150%200%轉矩。四frenic-vp變頻器1、產品介紹富士變頻器frenic-vp系列具備適合hvac（heat ventilation air conditionar）行業所需的最佳功能，節省空間、操作簡便、機型豐富、全球對應等。發揮風機、水泵、2次方遞減轉矩負載特性，節能、省力，充分挖掘系統應變能力，滿足整體成本下降的需要。2、功能特點1）、工頻/變頻切換裝載了通過外部時序對應工頻/變頻器切換時變頻器工頻起動處理。內置工頻運轉切換時序有：富士標準時序以及變頻器報警時自動工頻切換時序2種。 2）、轉載完備的pid控制功能運行溫度、壓力、流量等控制的pid調節器中附加了“低水量停止功能

13、”、“偏差報警絕對值報警輸出”。還通過防止pid控制過沖的反重置終結功能、pid輸出限位器、積分保持/復位信號，使得pid控制功能的調整更為容易。 3）、瞬間停電在起動瞬間停電后恢復供電時，可以自動重新起動。可以選擇從發生瞬間停電的頻率起動和從0hz起動。當發 生瞬間停電時，還可以選擇利用具有負載慣性的運動能量降低頻率并繼續運轉的模式。 4）、可實現變頻器遠程/面板控制方式切換通過切換頻率設定1/頻率設定2、運轉停止指令1/運轉停止指令2以及本地運轉（操作面板運轉），不僅可以切換運轉指令、頻率指令，還可以切換遠程/面板控制方式。 5）、可實現多種頻率設定方法可以配合使用的頻率設定信號，選擇最合

14、適的頻率設定方法。操作面板運轉鍵、模擬輸入（4-20ma,0-+5v,0-+10v,+1-+5v，正向/反向動作）、多步頻率8步（0-7段）設定、up/down、通信等方式。6）、空轉過程中電動機的引入即使在自然對流等導致電動機空轉的情況下，也可以通過運行頻率的檢測，順利起動。 7）、下限限位器實現睡眠功能在風機水泵等最低運轉速度的下限限位器中附加了在下限值以下停止的功能，也可作為低水量停止功能使用。3、功能代碼1）、面板控制與旋鈕控制：功能代碼 f01 的數據面板與旋鈕0面板4旋鈕2）、正反轉：功能代碼 f02 的數據電機 旋轉方向2正轉3反轉3）、頻率設定：功能代碼名稱出廠設定値f03最高

15、輸出頻率60f04基本（基準）頻率60f05基本（基準）頻率電壓04）、頻率上下限：功能代碼名稱出廠設定値f15頻率限制（上限）50f16頻率限制（下限）05）、電動機運轉音色：功能代碼可以設定范圍出廠設定値f270水平01水平12水平23水平36）、led監視器（顯示選擇）功能代碼e43名稱出廠設定値0速度監視（用 e48 選擇）03輸出電流04輸出電壓09消耗功率（變頻器輸入功率）010pid 最終指令值012pid 反饋值013定時器值（定時器運轉用）0五變頻器發展交流電動機變頻調速已成為當代電機調速的潮流，它以體積小、重量輕、轉矩大、精度高、功能強、可靠性高、操作簡便、便于通信等功能優

16、于以往的任何調速方式，如變極調速、調壓調速、滑差調速、串級調速、整流子電動機調速、液力偶合調速，乃至直流調速。因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機械、電力、電子、建材、煤炭、醫藥、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調及污水處理行業得到普遍應用。運動控制系統的發展變頻器是運動控制系統中的功率變換器，運動控制系統是作為機電能量變換器的電氣傳動技術的發展。當今的運動控制系統是包含多種學科的技術領域，總的發展趨勢是：驅動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數字化、智能化和網絡化。因此，變頻器作為系統的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發展。變頻器技術的發展趨勢經歷大約三十年的研發與應用實踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的發展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實現變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優劣，一要看其輸出交流電壓