1变频器结构与原理

1、1,第1节变频器的电路结构及工作原理,内容提要： 1、理解变频调速的基本控制方式 2、了解变频器的基本构成。 3、了解变频器的分类方式。 4、理解正弦脉宽调制基本原理。 5、了解变频器的控制方式并掌握其应用范围。 6、了解高性能通用变频器的基本性能。,2,第1节变频器的电路结构及工作原理,变频调速原理 同步转速: 转差率: 电机转速:,3,第1节变频器的电路结构及工作原理,1.1变频器调速的基本控制方式 【知识目标】理解变压变频控制方式的原理 掌握恒转矩调速和恒功率调速的概念。 交流异步电动机调速时，一个重要的因素是希望保持电动机的电磁转矩不变。若要保持电磁转矩不变，只有保持主磁通量m为额定值

2、不变。 三项异步电动机定子每相电动势的有效值为： E1=4.44f1N1m,4,第1节变频器的电路结构及工作原理,由式2-1所知，只要控制E1f1，便可以达到控制磁通量m的目的。 基频以下的恒磁通变频调速 保持m不变，当频率f1从额定值向下调节时，必须降低 E1，使 即采用恒定电势频率比的控制方式。这种控制又成为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 低频时U1和E1都很小，定子的阻抗不可忽略， 我们人为地将电压U1抬高一些，以便近似地补 偿定子压降，使气隙磁通基本保持不变。,常数,5,第1节变频器的电路结构及工作原理,6,第1节变频器的电路结构及工作原理,2基频从上弱磁变频调速 在基频以上调速

3、时，频率可以向上增高，但是电压U1却不能增加，这是由于受电源电压的制约，定子电压不可能比 电源电压还高，最多只能保持U1=U1N不变。这样，必然会使 磁通随着f1上升而减 小，相当于弱磁调速 的情况，属于近似的 恒功率调速方式。,7,第1节变频器的电路结构及工作原理,异步电动机的变频调速必须通过变频装置获得电压、频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF调速控制。 1.2变频器的基本结构 【知识目标】了解交直交变频器和交交变频器的 基本构成 1.直接变频装置（交交变频器装置） 直接式变频器是将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，又称交交变频器，其结构如图2-4所示。它实质上是一套三

4、相桥式无环流反并联的可逆整流装置。 交交变频器的特点如下： （1）原理基于可逆整流，工作可靠，可,8,第1节变频器的电路结构及工作原理,以直接套用成熟的直流可逆调速技术。 （2）流过电机的电流近似于三相正弦，附加损耗小，脉动转矩小。 （3）当电源频率为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz,电机最高转速小于600r/min，（对应4极电机），只能在工频以下调速，调速范围窄。 （4）主回路较复杂，所用器件多（桥式线路需36个晶闸管）。 交交变频器一般只用于低转速、大容量的调速系统，例如轧钢机，球磨机、水泥回转窑等。 2.间接变频装置（ 交 直交变频装置） 当前最广泛使用的交 直交变频器，,9,第

5、1节变频器的电路结构及工作原理,其基本结构由主电路和控制电路组成如图27所示. （1）整流器：整流器又称电网侧变流器。其作用是把三相交流电整流成直流电流。 （2）逆变器：逆变器又称负载侧变流器。最常见的结构形式是由六个主开关器件组成三相桥式逆变电路，有规律地控制主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。 （3）中间直流环节：中间直流环节和电动机之间有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容或电感）来缓冲，所以中间直流环节 又称中间直流储能环节。 （4）控制电路：控制电路常由运算电路，,10,第1节变频器的电路结构及工作原理,检测电路，控制信号的输入、输出电路和驱

6、动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等 1.3变频器的分类 【知识目标】熟悉变频器的各种分类方法 了解各类变频器的特点和应用条件 1.3.1按直流电源的性质分类 1.电流型变频器：其特点是中间直流环节采用大电感作为储能元件。直流电源的内阻较大，近 似于电流源，此类变频器一个突出的优点 是：当电机处于再生发电状态时，回馈到 直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流,11,第1节变频器的电路结构及工作原理,电网。这种电流型变频器可用于频繁急加、减速的大容量电机的传动，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。 2.电压型变频器：此类变频器的中间直流环节的

7、储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电源内阻较小，相当于电压源。对负载而言，变频器是一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电机并联运行，具有不选择负载的通用性。缺点是电机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的无功能量难于回馈给交流电网。 1.3.2按输出电压调节方式分类 1.PAM方式: 脉冲幅值调节方式，是通 过改变直流电压的幅值进行调压方式，此种 方式。此种方式当系统低速运行时，谐波与,12,第1节变频器的电路结构及工作原理,噪声都比较大。 2.PWM方式：脉冲宽度调制方式，调压时利用参考电压波UR与载频三角波UC互相比较来决定主开关器件的导通时间，利用脉冲宽度

8、的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。这种参考信号为正弦波，输出电压平均值近似正弦波的PWM方式，称为正弦PWM调制，简称SPWM。采用SPWM方式调压，这是一种最常采用的方式。 3.高载波变频器的PWM方式 此种方式主开关器件的工作频率较高，常采用IGBT或MOSFET作为主开关器件，开关频率可达 1020KHZ，达到所谓“静音”水平。 1.3.3按控制方式分类,13,第1节变频器的电路结构及工作原理,1.U/f控制: 即VVVF控制，主电路中逆变器采用IGBT，用PWM方式进行控制。U/f控制是转速开环控制，无须速度传感器，控制电路简单，通用性好！经济性好！ 2.转差频率控制 根据速度传感器

9、的检测可以求出转差频率f，再把它S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。此种控制方式精度虽然提高了，但通用性较差。 3.矢量控制 采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高 变频器调速动态性能。根据交流电机的动态,14,第1节变频器的电路结构及工作原理,数字模型，利用坐标变换的手段，将交流电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，以获得类似于直流调速系统的动态性能。 1.3.4按电压等级分类 1.低压型变频器。单项变频器的额定输入电压220240V三相变频器的输入电压220V或38040

10、0V，容量为0.2280 500KW。 2.高压大容量变频器。额定电压为3KV以上（3KV、6KV、10KV等）的中、高压变频器在拖动风机、泵类、压缩机各种大型机械功率在10000KW以上 的电动机，实现节能运行有着极大的现实意 义，本章专设一节来深入讨论。,15,第1节变频器的电路结构及工作原理,1.3.5按用途分类 1.通用变频器: 其特点就是通用性，对通用标准异步电机进行传动，应用于工业生产及民用的各个领域中。 2.高性能专用变频器：高性能专用变频器是为了满足某些特定产业或区域的需要，使变频器在该区域中具有最好的性价比而设计生产的。 3.高频变频器：专门为驱动高速电动机设计的，这类变频器

11、的输出频率可以达到3KHZ。 4.小型变频器：为适应自动控制系统网络化的需求，产生了许多“迷你”型变频器，例如，安川公司 生产的VSminiJ7型变频器，高度只 有128 mm，且功能齐全通用性好。,16,第1节变频器的电路结构及工作原理,1.4正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器 【知识目标】理解正弦脉宽调制技术的基本原理 熟悉正弦脉宽调制技术的基本概念 了解正弦脉宽调制的控制技术和采样方式 1964年，德国人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频器。利用PWM控制技术，即可以控制逆变器输出电压的频率，也可以控制输出电压的波形及其基波的幅值，从而同时实现变压和

12、变频。 1.4.1正弦脉宽调制原理 在采样控制理论中有一个重要的结论， 即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有,17,第1节变频器的电路结构及工作原理,惯性的环节上，其效果基本相 同。冲量即指窄脉冲的面积， 上述结论是PWM控制的主要理 论基础。 所谓的正弦脉宽调制（SPWM） 波形，就是与正弦波等效的一系 等幅不等宽的矩形脉冲波形，如 图2-16所示，等效电路的原则 是每一区间的 面积相等。,18,第1节变频器的电路结构及工作原理,图2-18 单极式SPWM电压波形,19,第1节变频器的电路结构及工作原理,1.4.3谐波分析与输出电压调节 1. SPWM变频器输出的谐波分析 产生谐波的主要原因

13、是： 在工程应用中采用规则采样方法或集 成电路器件并不能保证脉宽调制序列波的 波形面积与各段正弦波面积完全相等。 在实现控制时，为了防止直流侧,20,第1节变频器的电路结构及工作原理,短路，设置了一个导通时滞环节。时滞的出现不可避免地造成逆变器输出的SPWM波形有所失真。 2.关于谐波含量得出的结论 只要载频比N足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制。 深调节时，较高次谐波反而增加。 用于三相对称系统中时，3的整数倍次谐波可以自行消失，不必考虑。,21,第1节变频器的电路结构及工作原理,异步电机调速传动时，变频器可以根据电机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制，不同的控制方式所得到的调速性

14、能、特性以及用途是不同的。 1.5.1变频器的U/f控制 作为变频器调速控制方式，U/f控制比较简单，多用于通用变频器、风机、泵类机械的节能运行及生产流水线的工作台传动 。 图2-29所示为一种典型的全数字U/f控 制IGBTSPWM变频调速系统原理图。 它包括主电路、驱动电路、控制电路、保,22,第1节变频器的电路结构及工作原理,护信号采集与综合 电路。,23,第1节变频器的电路结构及工作原理,U/f控制变频器分为两大类，一类是价格比较便宜的普通功能型U/f控制通用变频器，另一类则是新一代的高功能型U/f控制通用变频器。 普通功能型的U/f控制通用变频器属于第一代产品，近似的恒磁通控制方式，

15、是一种频率开环控制系统。其U/f模式，可以在控制面板上进行设计和选择。具有瞬停再启动功能；变频器和电网间的自动切换功能；控制信号的设定、调整功能；保护功能；故障信息的存储和显示功能等。 新一代高功能型通用变频器，是指具有转矩控制功能的（无速度传感器）U/f控制式通用变频器。 此类采用32位DSP或双16位CPU进行控制， 运算速度大幅度提高；采用了磁通补偿器、,24,第1节变频器的电路结构及工作原理,转差补偿器和电流限制控制器，用以实现转矩控制功能。 采用这种控制方式，可使极低速度下的转矩过载能力达到或超过150%；频率设定范围达到1:30；电机的静态机械特性的硬度高于在工频电网上运行的自然机

16、械特性的硬度，具有“挖土机”特性和“无跳闸”能力。 具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，其原理图如图2-30所示。,25,第1节变频器的电路结构及工作原理,26,第1节变频器的电路结构及工作原理,函数发生器GF存在一定的误差 。 在测速环节、反馈环节中存在误差和干扰，都会以正反馈形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来。 1.5.2矢量控制 1.交、直流电机数学模型的差异 直流电机的动态数学模型只有一个输入变量电枢电压，一个输出变量转速，控制参数有：机电时间常数Tm、电磁时间常数T1，滞后时间常数Ts。可以描述成单变量三阶线性系统。 异步电机两个独立的输入变量电压和 频率；两个独输出变量转速和磁

17、通。如 果要考虑三相交流电输入、输出的变量还,27,第1节变频器的电路结构及工作原理,要多。在控制参数中，电压（电流）、频率、磁通转速之间相互都有影响，是强耦合多变量系统，另外在数学模型中有两个变量的乘积项，所以是非线性的。 异步电机的模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 2.交、直流电机物理模型的比较 在忽略次要因素的条件下，交流异步电机的物理模型如图2 34所示。,28,第1节变频器的电路结构及工作原理,图2-34 三相异步电机的物理模型,29,第1节变频器的电路结构及工作原理,直流电机的物理模型则比较简单，如图235所示。,图2-35 二极直流电机的物理模型,30,第1节变频器的电路

18、结构及工作原理,3.坐标变换 用等效的观点，经适当的坐标变换，将三相交流异步电机的物理模型简化为旋转的直流电机物理模型。 4.矢量控制系统 目前常用的矢量控制系统为按转子磁场定向的矢量控制系统，即采用坐标变换方式，将定子电流解耦，分解为定子磁通矢量和转子转矩矢量分别来进行控制。其控制效果和双闭环直流调速控制效果相媲美。 5.采用PWM变频器的矢量控制系统 按转子磁场定向的矢量控制系统是许多 年来实际应用最为普遍的、高性能交流调 速系统，其调节设计方便，动态性能好，,31,第1节变频器的电路结构及工作原理,调速范围变化采用一般的转速传感器时可达1:100。 1.5.3直接转矩控制 直接转矩控制系

19、统是近10余年来继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流变频调速系统。 1.直接转矩控制系统的原理和特点 直接转矩控制分别控制异步电机的转速和磁链，而且采用在转速环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变化对转子系统的影响。 直接转矩控制系统还具有以下特点： 转矩和磁链都采用直接反馈的双位式砰 砰控制，免去了坐标变换，定子电流解 耦等过程。,32,第1节变频器的电路结构及工作原理, 选择定子磁链作为被控制的磁链，使控制性能不受转子参数变化的影响。 PWM逆变器采用磁链跟踪控制方式，性能优越。 2.直接转矩控制系统和矢量控制系统的比较 表2-2 直接转矩控制系统和矢量控制系统的特点与性能比较

20、,33,第1节变频器的电路结构及工作原理,1.6高性能通用变频器 【知识目标】了解高性能通用变频器的分类及适用范围。 了解使用高性能变频器时的注意事项。 1.6.1高性能通用变频器的类型 高性能通用变频器主要有三种： 第一种是有速度传感器的矢量控制变频器； 第二种是无速度传感器的矢量控制变频器； 第三种是无速度传感器的直接转矩控制变频器。 1.高性能通用变频器结构特点 高性能通用变频器在硬件结构上有三种 类型：独立式变频器、公共直流母线式变 频器和带能量回馈单元的变频器。,34,第1节变频器的电路结构及工作原理,独立式变频器将整流单元和逆变单元放置在一个机壳内，是目前应用最多的变频器 。 公共

21、直流母线式变频器将变频器的整流单元和逆变单元分离开来，分别装置在各自的机壳内。整流单元的功能是将电压和频率不变的交流电转换成电压恒定的直流电，形成公共直流母线；逆变单元挂到公共直流母线上，其功能是将电压恒定的直流电转换成电压和频率均可调的交流电，用于驱动电机。公共直流母线式变频器的最大特点是一个整流单元下可挂多个逆变单元，驱动多台电机。 高性能通用变频器驱动电梯、升降机、 可逆轧机等负载时，都要求四象限运行， 所以必须配置能量回馈单元。其功能是,35,第1节变频器的电路结构及工作原理,将电机制动时产生的能量回馈给电网。 2.有速度传感器的矢量控制变频器 此类变频器控制精度高，其主要特点如下：

22、调速范围宽，可达到1:100以上。 转速控制精度高，在n10%额定转速时，为0.0005%；在n5%额定转速时，为0.001%；在弱磁工作区间约为0.001%。 在全速度设定范围内，转矩上升时间约为5ms，转矩波动小于2%额定转矩。 转矩控制精度，在恒磁通工作区间小于 2.5%，在弱磁工作区间小于5%。 3.无速度传感器的矢量控制变频器,36,第1节变频器的电路结构及工作原理,此类变频器与有速度传感器的矢量控制变频器相比较，就是去掉了速度检测环节，通过计算来估测电机速度的反馈值，控制精度稍差，但系统简单，操作简单，价格便宜。此类变频器的主要特点是： 调速范围可达1:10。 转速控制精度，在n10%额定转速时，为20%fs；在n5%额定转速时，为fs（fs为额定