变频器原理及应用1

变频器原理及应用河南理工大学郑征2河南理工大学简介河南理工大学始建于1909年、我国第一所矿业高等学府河南省建立最早的高等学校河南省重点建设的骨干高校多学科协调发展的教学研究型大学具有博士学位授予权学校安全、地矿特色鲜明，多学科协调发展设有75个本科专业。拥有5个博士后科研流动站、4个一级学科博士点、32个二级学科（方向）博士点、18个一级学科硕士点全日制在校生规模38000余人占地面积4千余亩

河南理工大学简介一、变频器原理变频器：变频器是利用电力电力电子技术，将工频电源变换为另一频率/电压的电能控制装置。特点：安全、节能、自动化只要有电机存在的地方，就会有变频器大展身手的之地。1）间接变频电路交-直-交2）直接变频电路交-交变频器结构一、变频器原理变频器结构一、变频器原理把交流变换成直流电，再把直流变化成可调节的交流电能，可调节频率范围宽，通用变频器广泛采用此方式。一、变频器原理一、变频器原理1.交-直-交变频器主电路结构一、变频器原理1.交-直-交变频器主电路结构一、变频器原理四象限变频器电路原图图一、变频器原理1.交-直-交变频器主电路结构一、变频器原理1.交-直-交变频器主电路结构一、变频器原理1.交-直-交变频器主电路结构一、变频器原理1.交-直-交变频器主电路结构智能IPM模块包括了开关元件和与其反向并联的续流二极管，以及驱动、保护、报警电路等多个单元，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平，IPM以其完善的功能和高可靠性创造了很好的应用条件。利用IPM的控制功能，与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。

从储能元件分电流型、电压型一、变频器原理1.交-直-交变频器主电路结构一、变频器原理1.交-直-交变频器主电路结构1）电压型间接交流变流电路电压型交-直-交变频结构带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路。

当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上。带有泵升电压限制电路的电压型交-直-交变频结构2.交-直-交变频器原理单相逆变电路最基本的工作原理

——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。a)b)tuoiot1t2电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。逆变电路及其波形2.交-直-交变频器原理5-19两对桥臂交替导通180°改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。ttOOoUd-Udiot1t2t3t4t5t62.交-直-交变频器原理方波控制方式方波控制方式谐波单相逆变电路方波控制方式谐波分析2.交-直-交变频器原理谐波丰富，最低次谐波为3次5-21应用最广的是三相桥式逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud32.交-直-交变频器原理方波控制方式三相逆变电路方波控制方式谐波分析方波控制方式谐波2.交-直-交变频器原理方波控制方式谐波丰富，最低次谐波为5次PWM(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。3.PWM(PulseWidthModulation)

脉宽调制技术6-241）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。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)3.PWM(PulseWidthModulation)

脉宽调制技术具体的实例说明“面积等效原理”u(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。

i(t)－输出电流，是电路的响应。

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.PWM(PulseWidthModulation)

脉宽调制技术6-26Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>3.PWM(PulseWidthModulation)

脉宽调制技术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。3.PWM(PulseWidthModulation)

脉宽调制技术SPWM单极性调制OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛3.PWM(PulseWidthModulation)

脉宽调制技术SPWM双极性调制1）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。4.SPWM逆变技术调制法规则采样法实现SPWM波urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）双极性PWM控制方式波形4.SPWM逆变技术3）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）4.SPWM逆变技术6-321）单相的分析结果谐波角频率为:式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；

n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。SPWM逆变电路谐波分析6-332）三相的分析结果公用载波信号时的情况输出线电压中的谐波角频率为式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…时，公用载波信号时的情况。SPWM逆变电路谐波分析6-34三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc±2wr和2wc±wr。SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。谐波分析小结SPWM逆变电路谐波分析SPWM控制的逆变器输出的谐波取决与PWM开关频率，采用IGBT，开关频率可达5-20kHz,输出波形非常逼近正弦波。高性能的双PWM交-直-交变频器结构

双PWM电路输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行，是一种性能理想、绿色环保的变频器。2.交-直-交变频器原理二、变频器的应用

全世界的用电量中有60%左右是通过电动机来消耗的，变频器主要用于交流电动机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。

二、变频器的应用广泛应用于冶金、造纸、石油天然气、风力发电、纺织、橡胶塑料等众多行业。在金属轧机、起重机、石油钻机、压缩机、挤出机、拉丝机、风机、泵类等应用中，传动设备都起着提高精度控制、实现高效节能的重要作用。二、变频器的应用交流电机调速的应用二、变频器的应用交流电机调速的应用二、变频器的应用交流电机调速的应用2023/1/146-41按交流电动机的调速方法分类二、变频器的应用2023/1/146-42串电阻机械特性（绕线型）二、变频器的应用2023/1/146-43调压机械特性二、变频器的应用感应电动机的转速可表示为式中：──同步转速，单位为r/min；──定子频率，单位为Hz；──磁极对数；──转差率。

变频调速原理二、变频器的应用变频调速的基本要求

希望保持电机中每极磁通量

m为额定值不变。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，

m保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通

m由定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。二、变频器的应用2023/1/146-46二、变频器的应用定子每相电动势式中

Eg

—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；—定子频率（Hz）；

—定子每相绕组串联匝数；

—基波绕组系数；

—每极气隙磁通量（Wb）。

f1NskNsm2023/1/146-47二、变频器的应用常值2023/1/146-48恒压频比控制时变频调速的机械特性On补偿定子压降后的特性可见最大转矩Tmax是随着的1

降低而减小的。频率很低时，Tmax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压U1，可以增强带载能力.二、变频器的应用变频调速机械特性曲线2023/1/14自动控制系统国家精品课程6-49变频调速机械特性曲线OnTMmax矢量控制时变频调速的机械特性最大转矩不变特性平行和直流调速机械特性一样优越。基速以下调速二、变频器的应用2023/1/14自动控制系统国家精品课程6-50恒功率调速O<<<当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，最大转矩减小，特性稍微变软。基频以上变频调速机械特性基速以上变频调速机械特性曲线二、变频器的应用1.风机、泵类变频调速、软启动具有变频与工频自动切换功能二、变频器的应用2.多台电机同