变频器结构与基本原理分析

1、变频器结构与基本原理分析学习情境1：变频器的认识学习性工作任务2：变频器的结构及原理分析（6学时）变频器结构与基本原理分析教 学 目 标知识目标：能力目标：1认识通用变频器在采用不同分类方法的各类型变频器的特性。2掌握通用变频器的基本组成结构、原理。3认识变频器的SPWM控制的实现和优势。 1掌握三相正弦波脉宽调制SPWM变频原理实验。2SPWM、矢量调制方式下V/F曲线测定方法。 变频器结构与基本原理分析 教 学 内 容2.2.1 变频器的基本构成 变频器由主电路（整流器、中间直流环节（中间直流储能环节）、逆变器）和控制电路组成。 变频器的结构及原理及分类 图2-1 变频器基本构成变频器结构

2、与基本原理分析2.1.2 变频器的原理(1)基频以下的恒磁通变频调速 为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通m不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 由异步电动机转矩公式 T=KmI2cos2 （转矩常数Km，转子电流I2，转子电路功率因素cos2） 得T，即“恒磁通变频调速”属于“恒转矩调速方式”。 变频器结构与基本原理分析 但是，E1难于直接检测和直接控制。当频率较高时，E1和f1的值较高，定子的漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）相对较小，如忽略不计，则可以近似地保持定

3、子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1= E1，保持U1/f1=常数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。 当频率较低时，U1和 E1都变小，定于漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。近似的保持E1/f1=常数的关系。 如图2-2所示，其中1为U1/f1=C时的电压、频率关系，2为有电压补偿时（近似的E1/f1=C）的电压、频率关系。 变频器结构与基本原理分析图2-2 U1/f1关系1-U1/f1=C 2近似E1/f1=C （2）基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的

4、情况。频率由额定值f1N向上增大，但电压U1；受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变。必然会使主磁通随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。变频器结构与基本原理分析2.1.3 通用变频器的分类 （1）按直流电源的性质分类： 1）电流型变频器图2-3 电流型变频器的主电路 特点：中间直流环节采用大电感；直流电流Id趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。 变频器结构与基本原理分析2）电压型变频器 图2-4 电压型变频器的主电路 特点：中间直流环节采用大电容；直流电压Ud趋于平稳，电动机的端电压为波或阶梯波。 变频

5、器结构与基本原理分析（2）按输出电压调节方式分类 1）PAM方式 通过改变直流电压幅值进行调压的方式。输出电压的调节由相控整流器或直流斩波器。 图2-5 电压型变频器的主电路变频器结构与基本原理分析图2-6 采用直流斩波器的PAM方式变频器结构与基本原理分析2）PWM方式 利用参考电压波与载频三角波互相比较来决定主开关器件的导通时间而实现调压。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。 图2-7 PWM变频器主电路变频器结构与基本原理分析 这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式，称为正弦 PWM 调制，简称 SPWM（Sinusoidal Pulse Width M

6、odulation）方式。在通用变频器中，采用 SPWM方式调压，是一种最常采用的方案。 3）高载波频率的PWM方式 这种方式与上述的PWM方式的区别仅在于调制频率有很大的提高。 主开关器件的工作频率较高，普通的功率晶体管已经不能适应，常采用开关频率较高的IGBT或MOSFET。 因为开关频率达到1020kHZ，可以使电动机的噪声大幅度降低（达到了人耳难于感知的频段）。其主电路（IGBT作逆变器开关器件为例）如图2-8所示。 变频器结构与基本原理分析 这种采用 IGBT的高载波频率的 PWM通用变频器正在取代以 BJT为开关器件的变频器。图2-8 高载波频率PWM变频器（IGBT变频器）变频器

7、结构与基本原理分析（3）按控制方式分类 1）U/f控制（VVVF）图2-9 U/f控制方式 U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电流简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。变频器结构与基本原理分析2）转差频率控制 为提高调速精度，采用转差频率控制方式。根据速度传感器的检测，可以求出转差频率f，再把它与速度设定值f相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值f1，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。 图2-10 转差频率控制方式变频器结构与基本原理分析3）矢量控制 图2-11 矢量控制原理框

8、图采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。 变频器结构与基本原理分析 根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。 在矢量控制方式中，磁场电流im；和转矩电流it；可以根据可测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行必要的校正。高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩电流（或称有功电流）的设定值，如图2-11所示。动态频率前馈控制df/d

9、t可以保证快速动态响应。 变频器结构与基本原理分析（4）按主开关器件分类 IGBT GTO BJT 目前大多采用IGBT。（5）MICROMASTER420 通用型变频器图2-12 MICROMASTER 4(MM4)系列（通用型变频器） 变频器结构与基本原理分析 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 MM420 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量

10、众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。 MM420 既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。变频器结构与基本原理分析（6）MICROMASTER 440 通用型变频器 MM440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从120W 到200kW（恒定转矩（CT）控制方式），或者可达250kW（可变转矩（VT）控制方式），供用户选用。 MM440变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可

11、靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 MM440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。 MM440 既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。变频器结构与基本原理分析2.2 通用变频器中的逆变器及其SPWM控制2.2.1 6脉波方波逆变器同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180导通型逆变器。2.2.2 PWM逆变器图2-1

12、3 交-直-交变压变频电路的原理图变频器结构与基本原理分析 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（Modulation 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。 变频器结构与基本原理分析2.2.3 SPWM控制 由载波调制正弦波而获得脉冲宽度按正弦规律变化又和正弦波等效的脉宽调制(PWM)波形称为正弦脉宽调制(SPWM)。 单极性控制方式 双极性控制方式2.2.4 谐波分析与输出电

13、压调节 脉宽调制（PWM）的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需要。要达到这一目的，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以外，还可以采用直接计算的下图中各脉冲起始与终了相位1, 2, 2m的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形变频器结构与基本原理分析2.2.5 波消去法 是在方波电压波形上设置一些槽口，通过合理安排槽口的位置与宽度，则可以达到既能控制输出基波电压分量，又能有选择地消除某些较低次谐波的目的。2.2.6 瞬时电流跟踪控制 在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁

14、转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。变频器结构与基本原理分析2.3 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统2.3.1 采用模拟电路的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图 模拟式IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图如下图所示。系统主电路为由三相二极管整流器-IGBT逆变器组成的电压型变频电路。供电对象为三相异步电动机。IGBT采用专用驱动模块驱动。SPWM发成电路的主体是，由正弦波发生器产生的正弦信号波，与三角波发生器产生的载波，通过比较器比较后，产生正弦脉宽调制波（SPWM波）。以上这此部

15、件的工作原理已在前面中做了介绍，现对其它环节做一简单说明。 变频器结构与基本原理分析图2-20 模拟式IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图变频器结构与基本原理分析 1）给定环节 S1为正、反运转选择开关。电位器 RP1调节正向转速；RP2调节反向转速。S2为起动、停止开关，停车时，将输入端接地，防止干扰信号侵入。 2）给定积分电路 它的主体是一个具有限幅的积分环节，以将正、负阶跃信号，转换成上升和下降、斜率均可调的，具有限幅的，正、负斜坡信号。正斜坡信号将使起动过程变得平稳，实现软起动，同时也减小了起动时的过大的冲击电流。负斜坡信号将使停车过程变得平稳。 3）U/f函数发生器 U/

16、f函数发生器是一个带限幅的斜坡信号发生器。 U/f函数发生器其输出特性如下图所示： 变频器结构与基本原理分析 4）开通延时器 它是使待导通的IGBT管在换相时稍作延时后再驱动（待桥臂上另一IGBT完全关断。这是为了防止桥臂上的两个IGBT管在换相时，一只没有完全关断而另一只却又导通形成同时导通，造成短路。 5）其他环节 此系统还设有过电压、过电流等保护环节以及电源、显示、报警等辅助环节（图中未画出）但此系统未设转速负反馈环节，因此是一个转速开环控制系统。 变频器结构与基本原理分析 综上所述，模拟式IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统的工作过程大致如下： 由给定信号(给出转向及转速大小) 起

17、动(或停止)信号 给定积分器(实现平稳起动、减小起动电流) U/f函数发生器(基频以下，恒磁恒压频比控制；基频以上，恒压弱磁升速控制) SPWM控制电路(由体现给定频率和给定幅值的正弦信号波与三角波载波比较后产生SPWM波) 驱动电路模块 主电路(IGBT管三相逆变电路) 三相异步电动机(实现了VVVF调速)。 变频器结构与基本原理分析2.3.2 单片微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图 单片微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图如下图所示。 此系统的特点是采用单片微机来进行控制，主要通过软件来实现变压变频控制、SPWM控制和发出各种保护指令（包含着上

18、例中各单元的功能）。SPWM发生器可采用专用的集成电路芯片，也可由微机的软件来实现。变频器结构与基本原理分析图2-22 单片微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图变频器结构与基本原理分析 1） 限流电阻R0和短接开关S 由于中间直流电路并联着容量很大的电容器，在突加电源时，电源通过二极管整流桥对电容充电（突加电压时，电容相当于短路），会产生很大的冲击电流，使元器件损坏。为此在充电回路上，设置电阻R0（或电抗器）来限制电流。待电源合上，起动过渡过程结束以后，为避免R0上继续消耗电能，可延时以自动开关S将R0短接。 2）电压检测与泵升限制当异步电动机减速制动时，它相当一个感应发电机，由于二极管不能反向导通，电动机将通过续流二极管向电容器充电，使电容C的电压随着充电而不断升高（称泵升电压），这样的高电压将使元器件损坏。为此，在主电路设置了电压检测电路，当电压过高时，通过泵升限制保护环节，使开关管Vb导通，使电机制动时释放的电能在电阻Rb上消耗掉。变频器结构与基本原理分析 3）进线电抗器 由于整流桥后面接有一个容量很大的电容，在整流时，只有当整流电压大于电容电压时，才会有电流，造成电流断续，这样电源供