第4讲变频器原理及应用素材.ppt

变频器原理与应用（第2版）第2章,1,变频器原理及应用,第4讲,变频器原理与应用（第2版）第2章,2,总结,绝缘栅双极晶体管（IGBT）交-直-交变频器主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路、逆变电路整流电路不可控整流电路(组成、原理)可控整流电路(组成、原理)可控整流电路控制原则对触发脉冲的要求不同控制角时输出电压波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,3,3.2中间电路,变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。3.2.1滤波电路虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，则逆变后的交流电压、电流也产生纹波。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。,变频器原理与应用（第2版）第2章,4,1.电容滤波,通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电解电容。二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图3-7给出几种抑制浪涌电流的方式。a)接入交流电抗b)接入直流电抗c)串联充电电阻图3-7抑制浪涌电流的方式,抑制浪涌电流,变频器原理与应用（第2版）第2章,5,采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的电路框图如图3-8所示。电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图3-9所示。图3-8电压型变频器的电路框图图3-9电压型变频器的电压和电流波形,保持负载电压恒定,变频器原理与应用（第2版）第2章,6,2.电感滤波,采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图3-10所示为电流型变频器的电路框图。图3-11所示为电流型变频器输出电压及电流波形。图3-10电流型变频器的电路框图图3-11电流型变频器输出电压及电流波形,保持负载电流恒定,变频器原理与应用（第2版）第2章,7,3.2.2制动电路,利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。图3-12为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，图中的制动单元包括晶体管VB、二极管VDB和制动电阻RB。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于H、G两点上的外接制动电阻REB。,外接制动电阻,制动电阻吸收再生电能,逆变,整流,变频器原理与应用（第2版）第2章,8,3.3逆变电路的工作原理及基本形式,3.3.1逆变电路的工作原理逆变电路也简称为逆变器，图3-13a所示为单相桥式逆变器，四个桥臂由开关构成，输入直流电压E，逆变器负载是电阻R。当将开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，电阻上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合，电阻上得到右正左负的电压。我们以频率f交替切换S1、S4和S2、S3，在电阻上就可以得到图3-13b所示的电压波形。a)单相桥式逆变电路b)工作电压波形图3-13逆变器工作原理,变频器原理与应用（第2版）第2章,9,3.3.2逆变电路的基本型式,1.半桥逆变电路图3-14a为半桥逆变电路原理图，直流电压Ud加在两个串联的足够大的电容两端，并使得两个电容的连接点为直流电源的中点，即每个电容上的电压为Ud/2。由两个导电臂交替工作使负载得到交变电压和电流，每个导电臂由一个功率晶体管与一个反并联二极管所组成成。,a)半桥逆变电路b)工作波形图3-14半桥逆变电路及工作波形,中点,V1,V2,反馈能量,反馈能量,变频器原理与应用（第2版）第2章,10,2.全桥逆变电路,电路原理如图3-15a所示。直流电压Ud接有大电容C，电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前V1、V4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。t2时刻给V1、V4关断信号，给V2、V3导通信号，则V1、V4关断，但感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当t3时刻io降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，io开始反向。同样在t4时刻给V2、V3关断信号，给V1、V4导通信号后，V2、V3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，io反向，如此反复循环，两对交替各导通180。其输出电压uO和负载电流iO见图3-15b所示。,a)全桥逆变电路b)工作波形,吸收能量,反馈能量,V1,V1V4,V2V3,变频器原理与应用（第2版）第2章,11,3.4SPWM控制技术,3.4.1概述PAM(PulseAmplitudeModulation)脉幅调制型，是一种改变电压源的电压Ud或电流源Id的幅值，进行输出控制的方式。PWM(PulseWidthModulation)脉宽调制型，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率。SPWM（SinusoidalPWM）正弦波脉宽调制型，SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。,变频器原理与应用（第2版）第2章,12,重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,3.4.2SPWM控制的基本原理,变频器原理与应用（第2版）第2章,13,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,等幅不等宽,常用的方法：载波的方法：希望输出波形作为调制信号（正弦波）接受调制的信号作为载波（三角波）,变频器原理与应用（第2版）第2章,14,3.4.3PWM逆变电路的控制方式,1.单极性方式（单相桥逆变）,Ur（调制信号）正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc（载波信号）时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。,图6-6双极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,变频器原理与应用（第2版）第2章,16,对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。,变频器原理与应用（第2版）第2章,17,3.4.4SPWM逆变器的调制方式,在SPWM逆变器中，三角波电压频率：ft调制波电压频率(即逆变器的输出频率)：fr之比：Nftfr称为载波比，也称为调制比根据载波比的变化与否，PWM调制方式可分为：同步式调制方式异步式调制方式分段同步式调制方式,变频器原理与应用（第2版）第2章,18,1.同步调制方式载波比N等于常数时称同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数是一定的。优点：是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120相位移的对称关系。缺点：是当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。,变频器原理与应用（第2版）第2章,19,2.异步调制方式在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。,变频器原理与应用（第2版）第2章,20,3.分段同步调制方式实际应用中，多采用分段同步调制方式，它集同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点；在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些。采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。,变频器原理与应用（第2版）第2章,21,3.4.5SPWM波形成的方法,1.自然采样法自然采样法即计算正弦信号波和三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和间歇时间，生成SPWM波形。图3-25表示截取一段正弦与三角波相交的实时状况。检测出交点A是发出脉冲的初始时刻，B点是脉冲结束时刻。TC：为三角波的周期；T2：为AB之间的脉宽时间t1、t3：为间歇时间。显然，TC=t1+t2+t3。,图3-21自然采样法,A是脉冲初始时刻B是脉冲结束时刻,变频器原理与应用（第2版）第2章,22,2.数字控制法数字控制法，是由微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出，由微机的输出接口输出。3.采用SPWM专用集成芯片用微机产生SPWM波，其效果受到指令功能、运算速度、存储容量等限制，有时难以有很好的实时性，因此，完全依靠软件生成SPWM波实际上很难适应高频变频器的要求。随着微电子技术的发展，已开发出一批用于发生SPWM信号的集成电路芯片。目前已投入市场的SPWM芯片进口的有HEF4725、SLE4520，国产的有THP4725、ZPS-101等。有些单片机本身就带有SPWM端口，如8098、80C196MC等。,变频器原理与应用（第2版）第2章,23,本章小结,交-直-交变频器的主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。整流电路把电源提供的交流电压变换为直流电压，电路型式分为不可控整流电路和可控整流电路。中间电路分为滤波电路和制动电路等不同的形式，滤波电路是对整流电路的输出进行电压或电流滤波，经大电容滤波的直流电提供给逆变器的称为电压型逆变器，经大电感滤波的直流电提供给逆变器的称为电流型逆变器；制动电路是利用设置在直流回路中的制动电阻或制动单元吸收电动机的再生电能实现动力制动。逆变电路是将直流电变换为频率和幅值可调节的交流电，对逆变电路中功率器件的开关控制一般采用SPWM控制方式。,变频器原理与应用（第2版）第2章,24,第4章交-交变频技术,4.1单相输出交-交变频电路4.1.1电路组成及基本工作原理图4-1是单相输出交-交变频电路的原理框图，电路由P（正）组和N（负）组反并联的晶闸管变流电路构成，两组变流电路接在同一个交流电源，Z为负载。交-交变频器输出的方波如图42所示。图4-1单相输出交-交变频电路的原理框图图4-2输出的方波,变频器原理与应用（第2版）第2章,25,为了使输出电压的波形接近正弦波，可以按正弦规律对控制角进行调制，即可得到如图4-3所示的波形。调制方法是，在半个周期内让变流器的控制角按正弦规律从90逐渐减小到0或某个值，然后再逐渐增大到90。图4-3单相输出交-交变频电路输出交流电压波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,26,4.1.2感阻性负载时的相控调制,如果把交-交变频电路理想化，忽略变流电路换相时输出电压的脉动分量，就可以把电路等效为图4-4a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路只允许电流单方向流过。图4-4a理想化交-交变频电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,27,4.1.2感阻性负载时的相控调制,图4-4b给出了一个周期内负载电压、电流波形及正负两组变流电路的电压、电流波形。图4-4b整流与逆变状态波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,28,图4-5单相输出交-交变频电路输出电压和电流的波形图,负组逆变,正组整流,正组逆变,负组整流,变频器原理与应用（第2版）第2章,29,4.1.3输入输出特性,1输出上限频率就常用的6脉波三相桥式电路而言，一般认为，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网为50Hz时，交-交变频电路的输出上限频率约为20Hz。2.输入功率因数交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。从图4-3可以看出，在输出电压的一个周期内，角是以90为中心而前后变化的。输出电压比越小，半周期内的平均值越靠近90，位移因数越低。另外，负载的功率因数越低，输入功率因数也越低。,变频器原理与应用（第2版）第2章,30,交-交变频器的特点,1)因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高。2)由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好。3)由于变频器按电网电压过零自然换相，故可采用普通晶闸管。4)由于输出上限频率不高于电网频率的1/31/2，因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低。5)交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。,变频器原理与应用（第2版）第2章,31,4.2三相输出交-交变频电路,三相输出交-交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，三相输出交-交变频电路是由三组输出电压相位各差120的单相交-交变频电路组成的，所以其控制原理与单相交-交变频电路相同。下面简单介绍一下三相交-交变频电路接线方式。4.2.1公共交流母线进线方式图4-6公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路简图,变频器原理与应用（第2版）第2章,32,4.2.2输出星形联结方式,图4-7输出星形联结方式的三相交-交变频电路原理图,优点：效率高接近正弦波缺点：接线复杂输出频率低功率因数低输入电流谐波大应用：大容量低速,变频器原理与应用（第2版）第2章,33,本章小结,交-交变频就是把电网频率的交流电变换成可调频率的交流电，此类变频器能量转换效率较高，多应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机的低速变频调速。但由于交-交变频输出频率低（一般为电网频率的1/31/2）和功率因数低，使其应用受到限制。,变频器原理与应用（第2版）第2章,34,作业,P32-1P45-4P52-4交作业时间：3月27日,变频器原理与应用（第2版）第2章,35,练习,试用框图说明交-直-交变频器的主电路包括那些组成部分？简述各部分的功能。,变频器原理与应用（第2版）第2章,36,第5章高（中）压变频器,5.1高（中）压变频器概述5.1.1高（中）压变频器的分类高（中）压变频器按主电路的结构方式分为：交-交方式和交-直-交方式。5.1.2高（中）压变频调速系统的基本形式（1）直接高-高型直接高-高型（也有的称为直接中-中型）变频调速系统的电路结构如图5-2所示。图5-2直接高-高型变频调速系统,变频器原理与应用（第2版）第2章,37,（2）高-中型高-中型变频调速系统的电路结构如图5-3所示。图5-3高-中型变频调速系统（3）高-低-高型高-低-高型（有的也称为中-低-中型）变频调速系统的电路结构如图5-4所示。图5-4高-低-高型变频调速系统,变频器原理与应用（第2版）第2章,38,5.1.3高（中）压变频器的应用,1拖动风机或水泵2压缩机、鼓风机、轧机或其它工作机械(1)可精确地调节速度或流量，保证工艺质量。(2)可直接与工作机械耦合，省去减速机等中间机械环节，减少投资和中间费用。(3)可接受计算机或PLC的模拟或数字信号，进行实时控制，且控制性能优越。3要求起动性能好的机械实现“软”起动。电机速度从零开始起动：可使电机电流限制在规定值以下(一般在额定电流的1.52倍以内)，以选定的加速度平稳升速，直到指定速度。,变频器原理与应用（第2版）第2章,39,5.1.4高（中）压变频器的技术要求,1.可靠性要求高2.对电网的电压波动容忍度大3.降低谐波对电网的影响4.改善功率因数5.抑制输出谐波成分6.抑制共模电压和dudt的影响,变频器原理与应用（第2版）第2章,40,5.2高（中）压变频器的主电路结构,5.2.1晶闸管电流型变频器,晶闸管电流型变频器采用晶闸管三相桥式整流电路将交流变为直流，然后再经晶闸管三相桥式逆变电路将直流变为频率可调的交流，将其输出以控制电机运行和调速。由于在它的直流母线上串联有平波电抗器，因此该变频器称为电流型变频器。,LC滤波器,LC滤波器,结构相同,变频器原理与应用（第2版）第2章,41,5.2.2GTO电流型变频器,电路中，变压器二次绕组采用Y和不同联结组别，是为了获得互差60的六相电压，既可以减少整流后的电压纹波，也可以降低电网的谐波。,GTO器件串联,GTO器件,变频器原理与应用（第2版）第2章,42,5.2.31GBT并联多重化PWM电压型变频器,图5-7所示为并联多重化PWM电压型变频器电路图。,二组三相桥式整流电路,IGBT构成一个桥式逆变单元,去除PWM的调制波中的高频成分,二组三相桥式整流电路,IGBT构成一个桥式逆变单元,去除PWM的调制波中的高频成分,二组三相桥式整流电路,IGBT构成一个桥式逆变单元,去除PWM的调制波中的高频成分,二组三相桥式整流电路,IGBT构成一个桥式逆变单元,变频器原理与应用（第2版）第2章,43,53高压变频器对电动机的影响及防治措施,在高压变频器中，对电动机的影响起决定作用的是逆变频器的电路结构和控制特性，逆变器主要通过输出谐波、输出电压变化率dudt和共模电压来影响电动机的绝缘和使用寿命，这些因素产生的影响如表5-4所示。,变频器原理与应用（第2版）第2章,44,5.3.1输出谐波对电动机的影响及防治措施,输出谐波对电动机的影响主要有：谐波引起电动机的温升过高；转矩脉动和噪声增加；经常采用的防治措施一般有两种：一是设置输出滤波器；二是改变逆变器的结构或联接形式，以降低输出谐波。使其作用到电机上的输出波形接近正弦波。,变频器原理与应用（第2版）第2章,45,5.3.2输出电压变化率对电动机的影响及防治措施,对于电压型变频器，当输出电压的变化率(dudt)比较高时，会加速了电动机绝缘的老化。特别是当变频器与电动机之间的电缆距离比较长时电缆上的分布电感和分布电容所产生的行波反射放大作用增大到一定程度，有时会击穿电动机的绝缘。经常采用的防治措施一般有两种：一是设置输出电压滤波器：二是降低输出电压的变化率。降