完整版变频器的原理及应用毕业设计.docx

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完整版变频器的原理及应用毕业设计

毕业设计（论文）

变频器的原理及应用

Theprincipleandapplicationoffrequencyconverter

班级机电一体化122班

指导教师卓自明职称

导师单位

论文提交日期

徐州工业职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

课题名称变频器的原理及应用

课题性质　　　　　　　　　　

班级机电一体化122班

学生姓名葛鹏

指导教师　　　　　　　　　　

导师职称

一．选题意义及背景

二．毕业设计（论文）主要内容：

三．计划进度：

四．毕业设计（论文）结束应提交的材料：

1、

2、

3、

指导教师教研室主任

年月日年月日

论文真实性承诺及指导教师声明

学生论文真实性承诺

本人郑重声明：

所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。

毕业生签名：

日期：

指导教师关于学生论文真实性审核的声明

本人郑重声明：

已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。

指导教师签名：

日期：

变频器的原理及应用

摘要：

变频器在交流拖动系统应用中呈现优良的控制性，可以实现软起动和无级调速，进行加减速控制，使电动机获得高性能，而且具有显著的节能效果。

所以应用变频调速可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，从而利于实现生产过程的自动化。

因此变频器近年来在工业生产各环节得到了广泛的应用。

但变频器在实际应用和维护检修中也暴露出一些问题需要引起重视。

关键词:

（注：

其它的内容均不用黑体）

Theprincipleandapplicationoffrequencyconverter

Abstract

Abstract：

 presents excellent frequencyconverter control intheapplicationof ACdrivesystem, can realizethesoftstart and steeplesspeedregulation,deceleration control, toenablethemotorto obtainhighperformance, butalsohas theobviouseffectofenergysaving. Sotheapplicationof variablefrequencyspeedregulation canimproveproduction machinery controlaccuracyandproductionefficiencyandproductquality, thus to realizetheautomationofproductionprocess. Sothe inverter inrecentyearsinthe industrial productionofvarioussectors hasbeenwidelyused. Buttheinverter attention inpracticalapplication andmaintenance alsoexposedsomeproblems need

Keywords:

（注：

其它的内容均不用黑体）

目录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第一章******1

1.1*******

1.1.1*******

1.1.2*******

1.2*******

……

第二章*******

……

参考文献*

附录*

致谢*

第一章、概述

1.1交流调速的发展概况

交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就己被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。

50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速；大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。

70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。

交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。

随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。

它们最大的不同之出主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器--整流子。

交流调速系统大致经历过以下几个阶段：

1）异步电动机调压调速系统：

调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。

用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。

2）串级调速系统：

绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。

这种方法简单方便，但是调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器件问世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。

由于晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。

另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。

串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以2及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。

其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管（GTO）构成，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。

1.2变频器技术的发展趋势

在进入21世纪的今天，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；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。

随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展：

1.网络智能化智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。

利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。

2.专门化和一体化变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。

除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。

3.环保无公害保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。

21世纪的电力拖动装置应着重考虑：

节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。

4.适应新能源现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。

这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。

现在电力电子技术、微电子技术和现代控制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。

这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面。

1.3PLC技术的发展概况

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

第二章变频器的简介和原理

2.1变频器的简要概述

2.1.1变频器的概念

（frequencychanger/frequencyconverter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。

此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。

过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。

随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。

2.1.2变频器的组成

变频器主要是由主电路、控制电路组成。

1、）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”。

（1）整流器：

最近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。

（2）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。

（3）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。

2、）控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（1）运算电路：

将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路：

与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路：

驱动主电路器件的电路。

它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

（4）速度检测电路:

以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路:

检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

2.2变频器的基本原

理变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。

2.3变频器的选型

2.3.1变频器的选型

选用变频器要按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，决定选用那种控制方式的变频器。

通常负载有三种类型：

恒转矩负载、风机泵类负载和恒功率负载。

因此选用变频器首先要搞清电动机所带负载的性质。

不同负载类型，选不同类型的变频器。

并且两者功率要相互匹配。

良好的选型是保证变频器长周期安全运行的前提。

2.3.2变频器基本参数的设定

1、出厂设置

常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。

在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的。

2、频率限制

即设定变频器输出频率的上、下限幅值。

一般情况下电机散热靠本身风扇进行冷却，因此下限频率不能低于15HZ。

如果工艺要求经常低速运行（小于15HZ），则电机要另加散热风扇。

上限频率幅值不能超出50HZ,否则损坏电机。

如果工艺要求频率大于50HZ，需配置专用电机。

3、电机参数

在相应参数组中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

4、加减速时间

加减速时间就是输出频率从0上升到最大频率和从最大频率下降到0所需时间。

设定时要满足在电动机加速时防止过电流，减速时以防止过电压。

这需要根据负载特性定出最佳加减速时间。

以使运转中不发生过电流、过电压报警为原则，将加减速时间缩短。

5变频器的控制方式

转差频率控制

转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。

转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。

与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。

另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。

然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的

矢量控制

矢量控制，也称磁场定向控制。

它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。

由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。

通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流，It1相当于直流电动机的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。

矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。

但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。

直接转矩控制转矩控制的优越性在于，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。

恒转矩负载多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机构和提升机等。

选型时可选V/f控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。

要求控制系统具有良好的动态，静态性能由于被控对象的千差万别，性能指标要求的各不相同，变频器的选择及配置远不如上述所列几种。

要做到熟练应用还应在工程实践中认真探索。

变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义

6、变频器启动方式

一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。

7、信号给定方式

一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。

正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。

8、保护参数设定

变频器提供了过压、过流、断相、接地等一系列保护功能，用户可根据实际情况选取相应功能。

2.2变频器的维护保养

第四章变频器应用常见问题以及维护保养

4.1变频器的常见故障

变频器由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。

其结构多为单元化或模块化形式。

由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。

为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析尤为重要。

1、主回路常见故障分析

主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。

其中许多常见故障是由电解电容引起。

电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。

电解电容器会直接影响到变频器的使用寿命，一般温度每上升10℃，寿命减半。

因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度，另一方面可以采取措施减少脉动电流。

采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。

在电容器维护时，通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于额定值的80%，绝缘阻抗在5MΩ以下时，应考虑更换电解电容器。

2、主回路典型故障分析

故障现象：

变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。

首先应区分是由于负载原因，还是变频器的原因引起的。

如果是变频器的故障，可通过历史记录查询在跳闸时的电流，超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否有过载或突变，如电机堵转等。

在负载惯性较大时，可适当延长加速时间，此过程对变频器本身并无损坏。

若跳闸时的电流，在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内，可判断是IPM模块或相关部分发生故障。

首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W，分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻，来判断IPM模块是否损坏。

如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。

如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸，一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障；而加速时IPM模块过流，则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障，发生这些故障的原因，多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。

3、控制回路故障分析

控制回路影响变频器寿命的是电源部分，是平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器，其原理与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流，是基本不受主回路负载影响的定值，故其寿命主要由温度和通电时间决定。

由于电容器都焊接在电路板上，通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难，一般根据电容器环境温度以及使用时间，来推算是否接近其使用寿命。

1、）电源电路板给控制回路、IPM驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压，通过开关电源再分别整流而得到的。

因此，某一路电源短路，除了本路的整流电路受损外，还可能影响其他部分的电源，如由于误操作而使控制电源与公共接地短接，致使电源电路板上开关电源部分损坏，风扇电源的短路导致其他电源断电等。

一般通过观察电源电路板就比较容易发现。

2、）逻辑控制电路板是变频器的核心，它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大规模集成电路，具有很高的可靠性，本身出现故障的概率很小，但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合，导致变频器出现EEPROM故障，这只要对EEPROM重新复位就可以了。

3、）IPM电路板包含驱动和缓冲电路，以及过电压、缺相等保护电路。

从逻辑控制板来的PWM信号，通过光耦合将电压驱动信号输入IPM模块，因而在检测模快的同时，还应测量IPM模块上的光耦。

4、冷却系统

冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。

其中冷却风扇寿命较短，临近使用寿命时，风扇产生震动，噪声增大最后停转，变频器出现IPM过热跳闸。

冷却风扇的寿命受陷于轴承，大约为10000～35000h。

当变频器连续运转时，需要2～3年更换一次风扇或轴承。

为了延长风扇的寿命，一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。

5、外部的电磁感应干扰

如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。

减少噪声干扰的具体方法有：

变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上，加装防止冲击电压的吸收装置，如RC浪涌吸收器，其接线不能超过20cm；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主回路分离；变频器控制回路配线绞合节距离应在15mm以上，与主回路保持10cm以上的间距；变频器距离电动机很远时（超过100m），这时一方面可加大导线截面面积，保证线路压降在2%以内，同时应加装变频器输出电抗器，用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。

变频器接地端子应按规定进行接地，必须在专用接地点可靠接地，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装无线电噪声滤波器，减少输入高次谐波，从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响；同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器，以降低其输出端的线路噪声。

6、安装环境

1、）变频器属于电子器件装置，对安装环境要求比较严格，在其说明书中有详细安装使用环境的要求。

在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：

振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件锈蚀、接触不良、绝缘降低而形成短路，作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。

2、）除上述几点外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。

对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正常工作，应采取设置空气加热器等必要措施。

7、电源异常

电源异常大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混合形式。

这些异常现象的主要原因，多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。

而雷击因地域和季节有很大差异。

除电压波动外，有些电网或自行发电的单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。

1、）如果附近有直接启动的电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，其电源应和变频器的电源分离，减小相互影响。

2、）对于要求瞬时停电后仍能继续运行的设备，除选择合适价格的变频器外，还应预先考虑电机负载的降速比例。

当变频器和外部控制回路都采用瞬间停电补偿方式时，失压回复后，通过测速电机测速来防止在加速中的过电流。

3、）对于要求必须连续运行的设备，应对变频器加装自动切换的不停电电源装置。

像带有二极管输入及使用单相控制电源的变频器，虽然在缺相状态，但也能继续工作，但整流器中个别器件电流过大，及电容器的脉冲电流过大，若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响，应及早检查处理。

8、雷击