变频技术的基本类型

变频技术的基本类型第1页，课件共52页，创作于2023年2月变频器发展趋势1．智能化2．专业化3．模块化4．环保化变频器功能与应用

1．节能2．自动控制3.提高产品质量第2页，课件共52页，创作于2023年2月PWM变频调速控制技术

脉宽调制技术（PulseWidthModulationPWM）是变频器的控制技术之一。各种逆变电路多采用PWM技术，这种技术也是自动控制中常用的技术手段之一。PWM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同的方波脉冲。通过控制这些方波脉冲的宽度和占空比来调节平均电压。第3页，课件共52页，创作于2023年2月目前，较普遍的变频调速系统是恒幅脉宽调制（PWM）变频电路。三相或单相交流电压经整流器整流滤波后得到直流电压，将这个恒定的直流电压输入逆变器，调节逆变器的脉冲宽度和输出频率来实现调压调频的双重任务。在频率一定时如果可调宽度增加则电压平均值增加。也就是增大了占空比如图3-1所示为单相逆变电路，其实质是直流斩波器，电路以IGBT为逆变管。通过控制逆变管VT1、VT4和VT2、VT3的交替导通和关断时间，达到控制逆变电器的输出波形与频率的目的。图3-2所示为单相逆变器输出波形，由图3-2可以看出逆变管VT1，VT4在基波频率的正半周多次重复（图中画出7次导通关断）导通与关断，而逆变管VT2、VT3在负半周内也同样导通和关断同样次数，如果使逆变管导通的时间间隔象正弦函数一样变化，逐渐增大，再逐渐减小；而等幅不等宽的脉冲电压面积，接近于所对应正弦波电压面积，则逆变器的输出电压将很接近基波电压，高次谐波电压将大为减小。若采用高速开关器件和计算机控制，使逆变器的输出脉冲次数增多，逆变器输出电压则更为理想，因此PWM型逆变电路广泛用于交流异步电动机变频调速。第4页，课件共52页，创作于2023年2月第5页，课件共52页，创作于2023年2月SPWM调制技术PWM方法源于无线电中的载波调制技术。在交流异步电动机变频调速中，通常采用正弦波脉冲宽度调制（SinusoidalPWM）方法，简称SPWM。在PWM中，如果脉冲宽度和占空比的大小，按正弦规律分布，则为正弦波脉宽调制（SPWM）。从脉宽调制的极性来看，有单极性调制和双极性调制两种方法。第6页，课件共52页，创作于2023年2月单极性调制原理三角波单极性调制SPWM原理如图3-3所示。以正弦波USi作为参考调制信号,用三角波Uti作为载波信号。如果正弦波信号和三角信号都是正极性信号，称为单极性SPWM调制。图3-3中，在比较器A的“+”端输入正弦波参考调制信号电压USi，在A的“-”端输入三角波载频信号电压Uti。当USi>Uti时，电压比较器A输出高电平。当USi<Uti时，电压比较器A输出低电平。在电压比较器A输出端就得到了SPWM电压脉冲序列。在SPWM脉冲序列中，各脉冲的幅度相等，而脉冲宽度不等。第7页，课件共52页，创作于2023年2月第8页，课件共52页，创作于2023年2月由图3-4可知，脉冲宽度也就是开关器件的导通关断时间，它取决于两个比较电压USi和Uti的交叉点及交叉点之间的距离（时间）。在这个序列脉冲中，占空比是按正弦规律变化的。所以脉冲序列的瞬时电压平均值也是正弦规律。但采集两个比较电压USi和Uti的交叉点及交叉点之间的距离是非常困难的。只有采用计算机技术，才能在较短的时间内，计算出正弦波与三角波的所有的交叉点，并且使逆变器的功率开关器件按各交叉点所规定的时刻有序导通或关断。第9页，课件共52页，创作于2023年2月第10页，课件共52页，创作于2023年2月将上述SPWM波形应用到图3-1所示的电路中，在正弦参考调制信号和三角波载波信号的交叉点时刻控制IGBT的导通与关断。正半周时，将SPWM信号加到VT1和VT4基极，使VT1和VT4按照脉冲电平及规律进行通断工作。此时，VT2和VT3关断。负载电流由“a”到“b”。在负半周时，将SPWM信号加到VT2和VT3基极，使VT2和VT3按照脉冲电平及规律进行通断工作，此时，VT1和VT4关断。负载电流由”b”到“a”。可见，流经负载的电流是正负交替的交流电。第11页，课件共52页，创作于2023年2月变频器的组成变频器按变换方式可分两大类，即交—交变频器和交—直—交变频器。交—交变频器交—交变频器是将电网工频交流电变换成为频率和电压连续可调的交流电。图3-6所示为单相交—交变频器主电路原理示意图。由图中可以看出，控制正组桥和反组桥交替的导通，在负载上就可以产生新的电压和频率的交流电。因为没有中间直流环节，所以，能量转换效率高。但输出频率较低，一般为0~25HZ,它广泛应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机低速下变频调速。但由于交—交变频器输出频率低和功率因数低，其应用受到制约。交—交变频器可分为1、方波型交—交变频器2、正弦波型交—交变频器第12页，课件共52页，创作于2023年2月交—直—交变频器的组成交—直—交变频器是先将电网工频交流电经过整流器变换成直流电，再经过逆变器变换成电压和频率任意可调的交流电。交—直—交变频器是应用最为广泛的变频器。它由主电路和控制电路组成，主电路包括整流器，中间直流环节和逆变器，其基本组成如图3-7所示。第13页，课件共52页，创作于2023年2月变频器主电路1.交—直变换环节交—直变换电路就是整流滤波电路。其任务是将工频电源的三相或单相交流电变换成稳恒的直流电。因整流后的直流电压比较高，其电路结构具有特殊性。交—直变换电路如图3-8所示。限流电路均压电阻指示电路第14页，课件共52页，创作于2023年2月整流电路在SPWM变频器中，大多采用桥式全波整流电路。在中小型变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管式或二极管整流模块。图3-6中VD1～VD6组成了三相桥式不可控全波整流电路。通常小功率变频器多采用单相220V整流。大功率变频器通常采用380V整流。当输入交流电压为380V时，整流后的脉动直流峰值电压可达537V，平均电压可达515V。第15页，课件共52页，创作于2023年2月滤波电路

整流电路输出是脉动直流电压。要想得到稳恒的直流电压，必须加以滤波。CF1和CF2为滤波电容。滤波电路的作用是滤除整流后的电压纹波。此外，还具有在整流器和逆变器之间的去耦作用，消除相互干扰。由于电解电容器的容量和耐压值的限制，滤波电容通常采用多个电容器串并联成一组。因为大电解容器的电容量存在着离散性，所以CF1和CF2的容量不一定完全相等。其结果是两组电容器所承受的电压Ud1和Ud2不平衡，使得承受电压较高的一组电容器容易击穿。为使CF1和CF2两端电压相等，在CF1和CF2各并联一只阻值相等的电阻R1和R2，以均衡CF1和CF2两端电压。第16页，课件共52页，创作于2023年2月串联在整流桥和滤波电容之间的，由限流电阻RL和短路开关SL组成的并联电路称为限流电路。由于滤波电容的容量较大，在接通电源之前，滤波电容两端直流电压为零（Ud=0）。在接通电源瞬间，滤波电容CF1和CF2的充电电流很大，（此时整流桥相当于短路）有可能因此而损坏。为了保护整流桥，在滤波电容CF1和CF2的充电过程中，电路中串接限流电阻RL用以限制电容的充电电流。当滤波电容CF1和CF2的充电完成后，如果限流电阻仍存于电路中，必然有一定的压降，使得直流电压Ud减小，同时也增大电路损耗，影响变频器的输出电压。因此，当电容器充电到一定程度时，令SL接通，将RL短接，将电阻RL从电路中切除。通常变频器中的短路开关SL采用晶闸管代替，小容量的变频器有的采用接触器或继电器的触点代替。第17页，课件共52页，创作于2023年2月电源指示电路HL为电源指示灯，RH为指示灯的限流电阻。指示灯除了显示变频器电源的是否接通外，还有一个重要功能，当变频器切断电源后，表示滤波电容CF1和CF2上的电荷是否已经放电完毕。由于CF1和CF2的容量较大，充电电压很高，因此，变频器停止工作切断电源后，CF1和CF2的放电时间长达数分钟，存在电容器中的电荷如不全部释放，将对人身安全构成威胁，在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后，方能工作.第18页，课件共52页，创作于2023年2月中间直流环节

交流电动机是感性负载，作为逆变器的负载，功率因数不可能为1。所以，在中间直流环节和电动机之间存在着无功功率的交换，这种无功能量需要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。中间直流环节采用大容量电容器作为缓冲元件，其直流电压比较平稳。在理想情况下具有恒压源的特点，且输出电压波形为矩形波，这种变频器称为电压型变频器。如图3-9（a）所示。目前，在中小容量变频器中应用最为广泛的就是电压型变频器。中间直流环节采用大容量电感作为缓冲元件，负载为异步电动机时，输出电压波形近似正弦波，且输出电流波形为矩形波，这种变频器称为电流型变频器,如图3-9（b）所示第19页，课件共52页，创作于2023年2月第20页，课件共52页，创作于2023年2月直--交变换环节

直--交变换电路即逆变电路，其功能是将直流电逆变成电压和频率连续可调的三相交流电，直—交变换电路，如图3-10所示。第21页，课件共52页，创作于2023年2月三相桥式逆变电路

三相逆变桥电路原理，如图3-11所示。图中VT1～VT6以IGBT为逆变管，组成三相桥式逆变电路。其工作原理与单相逆变电路工作原理相同，只是输出三相交流电互差T/3，U相超前V相T/3、V相超前W相T/3、W相超前U相T/3，各逆变管在SPWM信号的控制下交替导通与截止。第22页，课件共52页，创作于2023年2月图3-12所示为三相逆变桥控制电路框图。一组三相对称正弦调制波信号USIU、USIV

、USIW由正弦波信号发生器提供，其频率大小决定逆变桥输出的基波频率，在所要求的频率范围内可调；幅值可在一定范围内变化，以决定逆变桥输出电压的大小。三角波信号发生器产生的三角形载波信号是共用的，分别与每相正弦波信号相比较，产生SPWM信号Udu、Udv

、Udw，以驱动逆变管VT1～VT6。第23页，课件共52页，创作于2023年2月续流电路

图3-10中，由二极管VD7～VD12构成续流电路，其作用有三：一是当电动机处于再生发电状态时，再生电流将通过续流二极管，回馈到直流电源；二是由于电动机是感性负载，功率因数必然小于1。因此，电流中存在无功分量，续流二极管为无功分量的回馈提供通道；三是为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供必要的通道。第24页，课件共52页，创作于2023年2月缓冲电路图3-13是具有代表性的缓冲电路。图中C01～C06、R01～R06及VD01～VD06构成了缓冲电路。其主要功能是，逆变管在导通和关断瞬间，电压和电流的数值是很大的，有可能击穿逆变管。因此，每个逆变管旁边接入由电阻、电容和二极管组成的缓冲电路，减缓电流和电压的变化率对逆变管的冲击，从而保护逆变管安全工作。第25页，课件共52页，创作于2023年2月电容C01～C06的作用在逆变管VT1～VT6每次由导通状态转换到截止状态过程中，集电极C和发射极E之间的电压Uce，将由0迅速上升至直流电压Ud，这个过程中电压增长率很大，极容易导致逆变管击穿。因此，逆变管VT1～VT6在由导通到关断过程中给电容充电，从而减小了电压变化率

第26页，课件共52页，创作于2023年2月电阻R01～R06、二极管VD01～VD06的作用

在逆变管VT1～VT6每次由截止状态转换到导通状态过程中，电容C01～C06所存储的电压将向逆变管放电，且开始放电的电流很大，也很容易损坏逆变管。接入电阻R01～R06的目的就是为了限制电容C01～C06对逆变管VT1～VT6的放电电流限流电阻R01～R06对电容C01～C06充电时间是有影响的。在逆变管VT1～VT6关断过程中，二极管VD01～VD06将电阻R01～R06短路，使之不起作用第27页，课件共52页，创作于2023年2月制动单元

在变频器调速系统中，电动机的降速和停车，是通过逐渐减小频率来实现的。电动机处于工作状态时，在频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降。由于电动机的机械惯性，其转子转速并未立即改变。此时，电动机的同步转速低于转子转速，电动机处于发电制动状态。电动机的再生电能将通过图3-13中的VD7～VD12续流二极管进行全波整流回馈到直流电路。与此同时，电动机中的无功分量也要通过续流二极管VD7～VD12回馈到直流电路。第28页，课件共52页，创作于2023年2月由于回馈到直流电路的再生电能无法再回馈到电网，仅靠电容CF1和CF2的吸收是不够的，将导致直流电路电压升高，该电压称为“泵生电压”。泵生电压将对开关器件造成很大损害。因此，当直流电压超过一定限值时，就要提供放电回路，将再生能量消耗掉。这一放电回路，称为能耗制动电路。能耗制动电路由图3-14中的制动电阻RB和制动单元VB组成。制动电阻RB的作用是消耗直流电路中多余的电能。制动单元中的开关器件VB的作用是提供放电通路，当直流电压超过一定限值时，VB导通，使直流回路通过RB消耗电能，降低直流电压。当直流电压在正常范围内时，VB将可靠地截止第29页，课件共52页，创作于2023年2月制动单元限流电路第30页，课件共52页，创作于2023年2月控制电路组成及端子

图3-15所示为变频器控制电路原理框图。控制电路是以计算机为核心的，基本构成如下第31页，课件共52页，创作于2023年2月1．控制电源控制电源是为控制电路提供稳定的直流电源。2．计算机控制单元计算机控制单元，包括以CPU为核心的各种硬件电路以及控制软件。它是变频器的控制中心。其主要功能是，处理外部控制信号、内部检测信号和用户对变频器的设定信号，实现对变频器的各种控制。3．检测电路检测电路包括电压检测电路和电流检测电路。该检测电路在变频器运行过程中检测欠电压和过电流信号，送入计算机进行处理。4．驱动电路在计算机控制下，为逆变器提供按SPWM控制方式且具有足够功率的驱动控制信号。第32页，课件共52页，创作于2023年2月5．保护及报警电路变频器的控制软件中有故障自诊断和保护报警程序。当变频器出现故障或输入、输出信号发生异常时，经计算机处理后，控制驱动电路，使变频器停止工作，实现自我保护。6．操作面板用于设定变频器的各种控制功能，并显示变频器的当前工作状态。7．主电路接线端子主电路接线端子有三相电源接线端子R、S、T和电动机接线端子U、V、W。8．控制信号端子控制信号端子有外接输入端子和外接输出端子，用于变频器的外接输入控制信号，故障报警信号的输出等。第33页，课件共52页，创作于2023年2月1．接受信号（1）接受用户从操作键盘或外接输入端子输入的各种预置信号。如给定频率等。（2）接受从操作键盘或外接输入端子输入的各种控制信号，如启动、停止、升速、降速、点动等各种控制。（3）接受从电压检测电路和电流检测电路以及其它传感器输入的各种状态信号。如欠压、过流等控制电路的作用第34页，课件共52页，创作于2023年2月2．进行各种运算将各种信号送入计算机进行运算。根据要求为主电路提供各种必要的信号和控制，最主要的运算是：（1）进行矢量控制运算和其它必要的运算。（2）准确的计算出SPWM波形各交叉点的切换时刻。3．输出各种运算结果（1）产生符合逆变器要求的SPWM驱动控制信号，输出到逆变器的驱动电路。（2）经输出单元输出给操作面板上的显示器，显示当前工作状态及错误信息。（3）向外接输出端子发出控制信号第35页，课件共52页，创作于2023年2月变频器中的制动变频调速速系统中，当电机减速或所传动位能负载下降时，异步电机将处于再生发电制动状态，传动系统中所储存的机械能经异步电机转换成电能，逆变器中的6个回馈二极管将这种电能回馈到直流侧，此时逆变器处于整流状态，如不采取措施，该能量将使储能电容两端电压升高，制动过程较慢时，电压升高不明显，一旦电动机恢复到电动状态，该能量被负载重新利用。制动较快时，电容上的电压上升很高，此时制动装置起作用（解决再生电能），以保护变频器。第36页，课件共52页，创作于2023年2月再生能量的处理方式耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中。由并联在直流回路上的其他传动系统吸收。将再生电能采用一定的方式回馈到电网。1、2项属于动力制动；3项属于回馈制动。另外还有一种制动方式：异步电机定子通过直流电，实现电机制动----直流（DC）制动。第37页，课件共52页，创作于2023年2月制动单元一.动力制动：利用设置在直流回路中的制动电阻吸收再生电能。第38页，课件共52页，创作于2023年2月制动单元由VB、VB、RB构成，若回馈能量较大或要求强制动，还可选用外部制动电阻REB

。制动时，再生能量回馈到直流侧，电容上的电压升高，当该电压超过设定值时，控制部分给VB加导通信号，使RB与C并联，存在C中的回馈能量经电阻消耗掉。流经RB的电流信号是间隙的。RB大多放在变频装置外部，只有小容量的放在变频装置内部。第39页，课件共52页，创作于2023年2月一.回馈制动：将能量回馈到交流电网。第40页，课件共52页，创作于2023年2月当输出频率为基频fi=fN时，变频器输出电压Uo=UN，且Uo是变频器变频过程中的最大可能输出电压。由基频向下或向上调速，输出电压都不会超过UN，UN是由相应的直流回路电压UC也是电网电压提供的。由此可得出：电动机一旦选定，即UN为确定值时，UC也是确定值。（变频器输出电压0---电网电压，电动机电压多高电网电压也取多高）只要电动机处于电动状态下，无论频率多高，UC的值不变。只有处于制动状态，UC的值才因有功能量向直流侧的回馈而由UCN开始升高。第41页，课件共52页，创作于2023年2月NGP的控制角α>90°（即β<90°）时，即可使电动机的制动量回馈到交流电网。回馈制动的实现可以通过控制β来实现。电动时，仅桥1应该导通，为了防止电源经桥1桥2短路而出现直流环流，应使Ud2>Uc作为控制条件。按常规取β=30°时，Ud2=0.866*1.35Un2,而UC=1.35Un1,为使Ud2>Uc，必须Un2>Un1，因此，升压变压器必不可少。若Un1=UN，则Un2>UN制动时：UC升高到大于√2Un1（电容上直流脉动电压最大值），桥1截止，这时将NGP投入，可以产生逆变电流，将能量回馈到电网。只要控制α或β就可以控制SCR的工作状态，只有当Ud2>Uc才进入逆变状态。否则不产生逆变电流。可以理解为一种等待回馈状态。第42页，课件共52页，创作于2023年2月直流制动变频器向异步电动机通入直流电时,即逆变器中有3个桥臂短时间内连续导通,不再换相,电机便处于能耗制动状态.此时变频器输出频率为0.电动机定子磁场不再旋转,转动转子切割这个静止磁场,产生制动转矩,旋转系统存储的动能转换为电能消耗于转子回路.作用:1.准确停车.2.制止在起动前电动机由于外因引起的不规则转动.比如风机负载,停车状态时,电机可能由于风筒中风压的作用自由旋转,有时反转,就可以利用直流制动使其静止,保证电机从0速度启动.通用变频器中,对直流制动功能的控制,主要通过设定DC制动起始频率fDB,制动电流IDB制动时间TDB实现,fDB不能太高,因为fDB太高,异步电机电流频率和幅值都很高,转子铁损很大,导电机发热,但制动转矩却并不大.第43页，课件共52页，创作于2023年2月V/F控制型通用变频器1.普通控制型V/F通用变频器:是转速开环控制,无需速度传感器,控制电路比较简单,电机选择通用标准异步电动机,通用性强性价比高,目前使用较多.其缺点:不能恰当地调整电机转矩,不能补偿适应转矩的变化.普通控制型V/F通用变频器的SPWM注重的是如何使逆变器的输出电压尽量接近正弦波,较少考虑如何针对不同类型电机的特性,不能保证E/F不变,因此不能保证磁通不变,定子电阻压降随着负载变化,当负载重时压降大,V/F的值可能补偿不足,使电机的机械特性和负载特性没有稳定的运行交点;负载轻时,可能产生过补偿,磁路饱和.两种情况都可能引起变频器过流跳闸.第44页，课件共52页，创作于2023年2月为了适应不同的电动机和不同的生产机械,转矩提升常有两种方法:在存储器中存入多种U/F函数的不同曲线图形,由用户根据需要人为地选择最佳曲线.根据定子电流的大小自动补偿定子电压.利用选定的曲线,很难恰当地调整电动机的转矩.由于定子电流不完全与转子电流成正比,所以根据定子电流调节变频器电压的方法,并不反映负载转矩.因此定子电压也不能根据负载转矩的改变而恰当的改变电磁转矩.第45页，课件共52页，创作于2023年2月无法准确的控制电机的实际转速:由于普通控制型V/F通用变频器是转速开环控制,由电机的机械特性可知,设定值的定子频率对应的是理想空载转速,而电机的实际转速是由转差率决定,所以V/F方式存在的稳态误差不能控制.无法准确控制电机的实际转速.转速较低时,由于转矩不中而无法克服较大的静摩擦力.第46页，课件共52页，创作于2023年2月高功能型U/F控制通用变频器上述缺点,都是由于变频器没有转矩控制功能引起的,为了提高静态稳定性,加大调速范围,改善起动性能,并避免不必要的过流跳闸,人们采取一系列措施,实现转矩控制功能.所谓高功能型,是指具有转矩控制功能(不用速度传感器)的U/F控制方式通用变频器.这种控制方式,可使极低速下的转矩过载能力达到或超过150%;频率调节范围达1:30;电机静态特性的硬度高于在工频电网上运行的自然特性硬度.具有挖土机特性和”无跳闸”能力.这种变频器甚至可以代替某些闭环控制,实现闭环控制的开环化.第47页，课件共52页，创作于2023年2月转矩控制功能这种控制方式除需要定子电流传感器外,不再需任何传感器,通用性强,适合于各种型号异步电机.控制电路包括1.转矩控制和2.对逆变器进行PWM控制两部分.PWM控制保证输出正弦波形,且具有足够响应速度.转矩控制部分包括有功无功检测器,磁通补偿器,转差补偿器,电流限制控制器.磁通补偿器,转差补偿器,电流限制控制器的作用是根据定子电流的有功分量和无功