电力电子变频器介绍

1、CNYD Wind Power Ltd电力电子变频器介绍电力电子变频器介绍沈阳远大科机电工有限公司CNYD Wind Power Ltd变频器产生原因变频器结构原理变频器对电机的损伤变频器工作原理风电变频器原理CNYD Wind Power Ltd一、变频器的产生变频器产生原因CNYD Wind Power Ltd 直流电力拖动和交流电力拖动在直流电力拖动和交流电力拖动在1919世纪先后诞生。世纪先后诞生。 在在2020世纪上半叶的年代里，世纪上半叶的年代里， 鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机流电机 而约占电

2、力拖动总容量而约占电力拖动总容量80%80%以上的不变速拖动系统则采用交流电以上的不变速拖动系统则采用交流电机机 这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。早期电力拖动系统变频器产生原因CNYD Wind Power Ltd直流电机的缺陷 这时，直流电机具有电刷和换向器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量

3、和速度等缺点日益突出起来。 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。变频器产生原因CNYD Wind Power Ltd交流调速 交流电机交流电机没有换向器没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜调速为宜。 用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制

4、的主要发展方向。 人们开始对交流调速进行研究变频器产生原因CNYD Wind Power Ltd常见的交流调速方法降电压调速转差离合器调速转子串电阻调速绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速变极对数调速变压变频调速等变频器产生原因CNYD Wind Power Ltd变频器产生原因 到20世纪6070年代， 随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生， 电力电子变频器的出现打破了以前交直流拖动按调速性能分工的格局。变频器产生原因CNYD Wind Power Ltd变压变频器如何调速变频器产生原因交

5、流电机同步转速利用变频器，通过改变电机的电源频率来对交流电机的转速进行调节pf60n CNYD Wind Power Ltd二、变频器结构原理变频器产结构原理CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理交直交变频器交交变频器变频器按结构分类CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理交直交变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC 50Hz整流整流 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理交

6、交变压变频器 基本结构：如图所示，只有一个变换环节，把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成VVVF输出，又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。 交交- -交（直接）变压变频器交（直接）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVFCNYD Wind Power Ltd变频器结构原理电压源变频器VSI电流源变频器CSI变频器按直流环节直流电源类型分类CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理电压源型和电流源型逆变器15逆变器逆变器L Ld dI Id dC Cd dU Ud dU Ud d+ + +- - -a)

7、a) 电压源逆变器电压源逆变器VSIVSIb) b) 电流源逆变器电流源逆变器CSICSI 电压源型和电流源型逆变器示意图电压源型和电流源型逆变器示意图在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理电压源型和电流源型逆变器 电压源型逆变器（Voltage Source InverterVSI ），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩

8、形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。 电流源型逆变器（Current Source Inverter CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理性能比较（1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。因此，两类逆变器

9、的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。（3）动态响应 交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理18(4)输出波形 VSI输出的电压波形为方波，CSI输出的电流波形为方波（见表6-1 ）。 (5)应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适

10、于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。19PWM变压变频器及其基本结构、变压变频器及其基本结构、优点优点 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成组成不控不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制（整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称逆变器，简称PWM变压变频器变压变频器。图图6-10 交交-直直-交交PWM变压变频器变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中

11、间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC 50Hz调压调频调压调频CnPWM变压变频器常用的功率开关器件有：变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代和替代GTO的电压控制器件如的电压控制器件如IGCT、IEGT等。等。 1）在主电路整流和逆变两个单元中，在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它只有逆变单元可控，通过它同时同时调调节电压和频率，节电压和频率，结构简单结构简单。采用全。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。效率高。

12、 2）输出电压波形）输出电压波形虽是一系列的虽是一系列的PWM波，但由于采波，但由于采用了恰当的用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。4）采用不可控的二极管整采用不可控的二极管整流器，电源侧流器，电源侧功率因数功率因数较高，较高，且不受逆变输出电压大小的且不受逆变输出电压大小的影响。影响。

13、 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理变频器整流部分bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）编号：1、3、5，4、6、2 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理变频器整流部分u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubt1OtOtOtOt= 0iVT1uVT1带电阻负载时的工作情况a =0时的情况对于

14、共阴极阻的3个晶闸管， 阳极所接交流电压值最大 的一个导通。对于共阳极组的3个晶闸管， 阴极所接交流电压值最低 （或者说负得最多）的导通。任意时刻共阳极组和共阴 极组中各有1个晶闸管处于 导通状态。CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理变频器逆变部分交交-直直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为流变频电源，下图为6个电力电子开关器件个电力电子开关器件VT1 VT6 组成的三相逆变器组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。主电路，图中用开关符号代表任何一种

15、电力电子开关器件。VTVT1 1VTVT3 3VTVT5 5VTVT4 4VTVT6 6VTVT2 2U Ud dMM3 3CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理变频器逆变部分tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAOuAOuABiAiduBOuCOuOOUdUd2Ud3Ud62 Ud3VT1VT3VT5VT4VT6VT2UdM3电压型逆变电路的波形ACBCNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 按照按照波形面积相等的波形面积相等的原则，每一个原则，每一个矩形波矩形波的面积的面积与与相应位置的相应位置的正弦波面积相等正弦波面积相等，因，因而

16、这个序列的矩形波而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。与期望的正弦波等效。PWM调制原理CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为 调 制 波 （ M o d u l a t i o n wave）， 当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。图6-6urucuOtOtuouofuoUd-UdCNYD Wind Power Ltd变频器结构

17、原理调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdPWM逆变器主电路及输出波形CNYD Wind Power Ltd三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 1tOOOOUd2-Ud21t1t1t1turaurburcutuAO-Ud2Ud2-Ud2-UdUd2UduCOuBOuAB28系统组成 (主电路、驱动电路、微机控制电路、保护信号采集与综合电路、开关器件的吸收电路、其他辅助电路)M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2转速开

18、环转速开环限流电阻限流电阻R0(或电抗或电抗)-避免大电容避免大电容C在通在通电瞬间产生过大的充电电流电瞬间产生过大的充电电流. 电源接通时，电源接通时，先限制充电电流，再延时用开关先限制充电电流，再延时用开关K将短路，将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。并产生附加损耗。泵升限制电路泵升限制电路-二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻Rb吸收制动能量。吸收制动能量。减速制动时，异步电

19、机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。进线电抗器进线电抗器Lin 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此二极管整流器虽

20、然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入输入电流电流呈脉冲波形。这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。呈脉冲波形。这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有变频器，都应在输入端设有进线电抗进线电抗器器。有时也可以在整流器和电容器之间串接有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器直流电抗器。还可抑制电源电压不平衡对。还可抑制电源电压不平衡对变频器的影响。变频器的影响。CNYD Wind Power Ltd三、变频器对电机的损坏变频器对电机的损坏CNYD Wind P

21、ower Ltd变频器对电机的损坏一、变频器对绝缘的损坏二、变频器对轴承的损坏变频器对电机的损坏包括两个方面：CNYD Wind Power Ltd变频器对电机的损坏 变频器对电机的损伤包括两个方面，定子绕组的损伤和轴承的损伤。这种损伤一般发生在几周至十几个月内，具体时间与变频器的品牌、电机的品牌、电机的功率、变频器的载波频率、变频器与电机之间的电缆长度、环境温度等诸多因素有关。变频器对电机的损伤CNYD Wind Power Ltd变频器对电机的损坏变频器对绝缘的损坏 变频器驱动电机的电压波形是脉宽变化的脉冲波形，而不是正弦波电压波形。用脉冲电压驱动电机就是导致电机容易损坏的根本原因。 CN

22、YD Wind Power Ltd变频器对电机的损坏变频器对绝缘的损坏 脉冲电压在电缆上传输时，如果电缆的阻抗与负载的阻抗不匹配，在负载端会产生反射。反射的结果是，入射波与反射波叠加，形成更高的电压，它的幅度最大可以达到直流母线电压的2倍，大约相当于变频器输入电压的3倍，如图所示。过高的尖峰电压加在电机定子的线圈上，对线圈造成电压冲击，频繁的过电压冲击会导致电机过早失效。 CNYD Wind Power Ltd变频器对电机的损坏变频器对绝缘的损坏 变频器驱动的电机受到尖峰电压的冲击后，它的实际寿命与很多因素，包括，温度、污染、振动、电压、载波频率以及线圈绝缘的工艺等因素有关。 变频器的载波频率

23、越高，输出电流波形越接近正弦波，这会降低电机的运行温度，从而延长绝缘的寿命。但是，更高的载波频率意味着每秒钟产生的尖峰电压数量更多，对电机的冲击的次数更多。对于200英尺长的电缆，当载波频率从3kHz提高到12kHz（变化4倍）时，绝缘的寿命从大约8万小时降低到2万小时（相差4倍） CNYD Wind Power Ltd变频器对电机的损坏变频器对电机轴承的损坏 变频器损伤电机轴承的原因是有流过轴承的电流，并且这种电流处于断续连通的状态，断续连通的电路会产生电弧，电弧烧毁了轴承。 导致交流电机的轴承中流过电流的原因主要有两个：一、内部电磁场不平衡产生的感应电压；二、杂散电容引起的高频电流通路。

24、CNYD Wind Power Ltd变频器对电机的损坏变频器对绝缘的损坏 变频器输出的PWM电压导致电机内部的磁场不对称时，就会在轴杆上感应出电压，电压的幅度在1030V，这与驱动电压有关，驱动电压越高，轴杆上的电压越高。当这个电压的数值超过轴承中的润滑油的绝缘强度时，就会形成一个电流通路。轴杆旋转过程中，在某个时刻，润滑油的绝缘又阻断了电流。这个过程类似于机械式开关的通断过程，这个过程中会产生电弧，烧蚀轴杆、滚珠、轴碗的表面，形成凹坑。如果没有外部振动，小凹坑不会产生过大的影响，但是如果有外部振动时，会产生凹槽，这对电机的运转影响很大。理想交流感应电机内部的磁场是对称的，当三相绕组的电流相

25、等，并且相位相差120 。 另外，实验表明，轴杆上的电压还与变频器输出电压的基波频率有关，基波频率越低，轴杆上的电压越高，轴承损伤越严重。 CNYD Wind Power Ltd变频器对电机的损坏电机保护措施在变频器的输出端安装电抗器在变频器的输出端安装dv/dt滤波器在变频器的输出端安装正弦波滤波器在电缆与电机接口的位置安装尖峰电压吸收器CNYD Wind Power Ltd四、变频器工作原理变频器工作原理CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理几种控制方式 恒压频比控制控制方式1 转差频率控制控制方式2 矢量控制 （VC）控制方式3 直接转矩控制 （DTC）控制方式4CNYD

26、Wind Power Ltd变频器工作原理恒V/f控制 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。 如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理恒V/f控制 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，枢反应有恰当的补偿， m m 保持不变是很容易做保持不变是很容易做到的。到的。 在交流异步电机中，磁通在交流异步电机中，磁通 mm由定子和转子磁势由定

27、子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。了。CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理mNs1gS44. 4kNfE E Eg g 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V(V) )；f f1 1定子频率定子频率(Hz)(Hz)；N Ns s定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数；k kNsNs基波绕组系数；基波绕组系数； mm每极气隙磁通量（每极气隙磁通量（WbWb）。）。由上式可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的。对此，需要考虑基频(额定频率f1N)以下和基频以上两

28、种情况。恒V/f控制（稳态模型）CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理1、基频以下调速mNs1gS44. 4kNfE 常值1gfE由上式由上式可知，要保持可知，要保持 mm 不变，当频率不变，当频率 f f1 1 从额定值从额定值 f f1N1N 向下调节时，必须同时降向下调节时，必须同时降低低 E Eg g ，使，使 即即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。 常值1fUs然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压略定子绕组

29、的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Us EgEg，则得，则得这是这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理2、基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从在基频以上调速时，频率应该从f f1N1N向上升高，但定子电压向上升高，但定子电压U Us s 却不可能超过额却不可能超过额定电压定电压U UsNsN ，最多只能保持，最多只能保持U Us s=U=UsNsN ，这将，这将迫使迫使磁通与频率成反比地降低。磁通与频率成反比地降低。( (相当于直相当于直流电机弱磁升速流电机弱磁升速) ) f f1N1N异步电机异步电机变压变频调速的控制特性变

30、压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速U Us sU UsNsNmNmNmm恒功率调速恒功率调速mmU Us sf f1 1O OCNYD Wind Power Ltd变频器工作原理基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是无法有效控制转矩，如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。 CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理直流电机直流电机数学模型的性质数学模型的性质单输入和单输出系统单输入和单输出系统因为因为：直流电机的磁通由励

31、磁绕组产生，可以在电枢合上电源以：直流电机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程（弱磁调速时除外）前建立起来而不参与系统的动态过程（弱磁调速时除外）。直流电机直流电机模型模型U Ud dn n控制对象参数：控制对象参数：机电时间常数机电时间常数 T Tmm ；电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数 T Tl l ；电力电子装置的滞后时间常数电力电子装置的滞后时间常数 T Ts s 。CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理多变量、强耦合的模型结构多变量、强耦合的模型结构 输入：输入：异步电机变压变频调速时需要进行异步电机变压变频调速时需要进行电

32、压电压（或电流）和（或电流）和频率频率的的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。 输出输出：除：除转速转速外，外，磁通磁通也算一个独立的输出变量。也算一个独立的输出变量。 因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。态转矩。交流电机数学模型的性质交流电机数学模型的性质是是一个一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统高阶、非线性、强耦合的多变量系统CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理矢量控制（VC）动态模型三相对称的静止绕组 ABC，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速1(即电流的角频率)顺着A-B-C的相序旋转。A AB BC CA AB BC Ci iA Ai iB Bi iC CF F 1 1交流电机绕组等效物理模型CNYD Wind Power Ltd变频器工作原理矢量控制（VC） 两相静止绕组和，它们在空间互差90，通以时间上互差90的两相平衡交流电流，也