文档介绍：第7章变频器应用技术
概述
变频器装置主要类型
变频器的选择
变频器与PLC及上位机的连接
变频器的安装、调试和使用
正弦波脉宽调制(SPWM)变频器的MATLAB仿真
本章小结<br****题与思考题
概述 20世纪70年代后,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能,在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中,变频调速具有绝对优势,并且它的调速性能与可靠性不断完善,价格不断降低,特别是变频调速节电效果明显,而且易于实现过程自动化,深受工业行业的青睐。
变频调速概况 交流电动机的大多数调速方案其基本原理很早以前就已经确立了,但由于受电力变换技术和控制手段的制约,有的被限制在实验室中,有的虽付诸实用也因稳定性、可靠性及维护等方面的某些不足,在当时历史条件下使用范围受到一定的限制。
20世纪60年代中期,普通晶闸管、小功率晶体管的实用 化,使交流电动机变频技术得到了发展,采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统和采用电压型(或电流型)晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统先后在工业中被推广使用,使变频调速开始成为交流调速的主流。此后的20多年中,电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展,变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步突出表现在变频装置的大容量化、开关器件的自关断化、开关模式的PPM化及控制方式的全数字化等方面。
1. 交流调速装置的大容量化 对一些大型生产机械的主传动,直流电动机在容量等级方面已接近极限值,采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。某些大容量高速传动,过去只能采用增速齿轮或是直接以汽轮机传动,噪声大,效率低,占地面积大,特大容量交流传动装置的发展填补了这方面的空白。
为了适应大容量交流电动机的高电压,需使用大容量交-直-交电压型PWM变频器。 另外,采用常规的二电平变频器作为基本单元,多级串联起来构成多级多电平高压变频器(称为“单元串联式变频器”),这是一种更新的方案。其中每个单元变频器都是低压的,主开关器件可以采用GTO,亦可以采用IGBT。串联单元数越多,谐波成分越小,可以达到所谓“完美无谐波”。所用开关管多、不能实现四象限运行是单元串联式变频器的缺点。 严格地讲,高压大容量变频器已不属于我们所说的“通用变频器”了。
2. 开关器件的自关断化 近十几年,大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速,其中门极关断(GTD)晶闸管、大功率晶体管(BJT)和绝缘双极型晶体管(IGB)的发展最快,实用化的程度也最高。采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路,既可以减小装置体积,又降低了开关损耗,提高了效率。 同时,由于开关频率的提高,变压器可采用PWM控制,既降低了谐波损耗、减小了转矩脉动,又提高了快速性,改善了功率因数。
据统计,目前变频器中的开关器件在容量为1500 kW以下时采用IGBT,容量为1000~7500 kW时采用GTO。1975年前后还是普通晶闸管一统天下,如今已经发生了巨大的变化。随着自关断器件性能的改善和新型器件的开发,变频器主开关器件自关断化的进程必将进一步向前推进。
3. 变频装置的高性能化 早期的变频调速系统,基本上都采用压频比(U/f)控制方式,无法得到快速的转矩响应,低速特性也不好(负载能力差)。1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术,一改过去传统方式中仅对交流电量的量值(电压、电流、频率)进行控制的方法,实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。该技术采用坐标变换的办法,实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制,可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。
目前,矢量控制的交流电动机调速原理得到了广泛的实际应用,并相应形成了许多系列化的实际装置。其性能指标与直流调速系统完全一样,甚至有所超越,完全可以取代直流调速系统。