变频器组成
主电路
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类
:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器“。
整流器
大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。
S7-400CPU
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S7-300CPU
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S7-200CPU
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平波回路
在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。
逆变器
同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
DI811 DI814 DI820 DI821 DI825 DI830 DI831 DI840 DI885 DI890 DO810 DO814 DO815 DO820 DO821 DO840 DO890 DP820 DP840 TU805K01 TU810V1 TU811V1 TU812V1 TU813 TU814V1 TU830V1 TU831V1 TU833 TU835V1 TU836V1 TU837V1 TU838 TU839 TU842 TU843 TU844 TU845 TU850 TU890 TU891Z TY801K01 TY804K01 AI801 AO801 DI801 DI802 DI803 DO801 DO802 SD821 SD822 SD823 SS822 SD831 SD832 SD833 SD834 SS832 PM851K01 PM856K01 PM860K01 PM861AK01 PM861AK02 PM864AK01 PM864AK02 PM866K01 PM866K02 SB821 SB822 PM865K01 PM865K02 SM810K01 SS823 TK212A TC562 TK853V020 CI853K01 CI854AK01 CI860K01 CI855K01 CI856K01 CI862K01 CI865K01 CI857K01 CI858K01 TK850V007 TB850 TB851 TK851V010 TB852
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直接转矩控制(DTC)方式
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授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。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。
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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:
1、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;
2、自动识别(ID)依靠的电机数学模型,对电机参数自动识别;
3、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;
4、实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band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。
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变频器箱体结构的选用
变频器的箱体结构要与环境条件相适应,即考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素。常见有下列几种结构类型可供用户选用:
1)敞开型IPOO型本身无机箱,适用装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上,尤其是多台变频器集中使用时,选用这种型式较好,但环境条件要求较高;
2)封闭型IP20型适用一般用途,可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合;
3)密封型IP45型适用工业现场条件较差的环境;
4)密闭型IP65型适用环境条件差,有水、尘及一定腐蚀性气体的场合 。
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主电源
1)电源电压及波动。应特别注意与变频器低电压保护整定值相适应,因为在实际使用中,电网电压偏低的可能性较大。
2)主电源频率波动和谐波干扰。这方面的干扰会增加变频器系统的热损耗,导致噪声增加,输出降低。
3)变频器和电机在工作时,自身的功率消耗。在进行系统主电源供电设计时,两者的功率消耗因素都应考虑进去 。
发展方向
电力电子器件的基片已从Si(硅)变换为SiC(碳化硅),使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点;并制造出体积小、容量大的驱动装置;磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT技术的迅速普及,变频器相关技术发展迅速,未来主要向以下几个方面发展:
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