变频器原理与应用(课件)

1、第二章 变频器基础知识,异步电机 变频器的基本构成与工作原理 变频器种类 变频器的控制方式 变频器的器件变频电机/PWM,本章要点,1,2.1 异步电机的基本原理与控制,1. 工作原理,U , f,旋转磁场,转子感应电动势,转子电流,电磁转矩,旋 转,2,2.1 异步电机的基本原理与控制,1. 工作原理,异步电机定子磁场转速-同步转速,异步电机的磁极个数（注与电机中定义不同）,电源的频率,转差率,异步电机转速-转子机械转速,调 速,3,2.1 异步电机的基本原理与控制,2. 异步电机变频调速,变频器的作用： 将固定电压和频率的电源转换成电压和频率均可变的电源。 VF控制：电压与频率相配合的控制

2、 机械特性：如图 VVVF变频器通用变频器,4,2.1 异步电机的基本原理与控制,3. 异步电机的等值电路,注：与电机中的严格模型略有差别！,5,2.1 异步电机的基本原理与控制,4. 异步电机的机械特性（转速/转矩电流特性）,6,2.1 异步电机的基本原理与控制,4. 异步电机的机械特性（转速/转矩电流特性）,关于转速/转矩电流特性图的说明： 横坐标转差率（转速），纵坐标转矩/定子电流 工作区域划分：按照转差率（转速）所在的范围划分 电动区域、再生制动区域、反相制动区域 反相制动区域制动之后如不采取措施，会怎么样呢？ 起动转矩与起动电流 最大滑差转矩与临界转差率 额定转矩与额定电流 空载电流

3、,7,2.2 变频器的基本构成与工作原理,1. 变频器的基本构成,整流电路: 交流直流 直流中间电路:滤波(平滑电流斩波制动输助电路) 逆变电路:直流交流 控制电路:实现主电路与控制电路隔离检测接口 实现主电路各开关器件的通断控制 交流变频算法, 需要高性能的CPU,如DSP,核心部分!,8,2.2 变频器的基本构成与工作原理,1. 变频器的基本构成,9,2.2 变频器的基本构成与工作原理,1. 变频器的基本构成,关于控制电路的进一步说明:,构成:主控制电路、电力电子器件驱动电路、信号检测电路、保护电路、外部接口电路 地位：决定变频器的性能，是核心部分 特点：模拟信号、数字信号混合系统 要求：

4、安全（设备、人员）可靠、抗干扰、小功耗 发展方向：集成化、智能化（CPU）、可编程、网络化,10,2.2 变频器的基本构成与工作原理,2. 逆变电路的工作原理,回忆一下电力电子技术中的逆变电路？,什么是逆变 什么是有源逆变、无源逆变 有源逆变发生的条件、逆变失败的原因。 无源逆变器有哪两种类型，各有什么特点？ 电压型逆变器如何换流 电流型逆变器如何换流？,11,2.2 变频器的基本构成与工作原理,2. 逆变电路的工作原理,电路工作原理,防电路直通,电子器件性能的影响,12,2.3 变频器的种类,1. 变频器的分类方式,变频器的分类方式很多，但主要分成面向设计和面向应用的两类分类方法：,面向设计

5、的分类方法： 按照主电路特性分类：电压型、电流型 按照开关方式分类：PAM、PWM和高载频PWM 按照工作原理分类：V/F控制、转差控制、矢量控制 面向应用的分类方法 通用变频器；高性能专用变频器;高频变频器;单相三相,13,2.3 变频器的种类,2. 按主电路的特性分类：电压型与电流型,电压型变频器主电路（主要适用于通用型变频器）,要点： 电容对直流电源稳压，通过整流或斩波得到的直流电压如果不经过电容，就会上下波动，对变频器运行性能不利。 续流管出现电机输出功率时，将能量反馈进电网。 过压保护反馈能量会使电容电压过高，要有放电措施。,14,2.3 变频器的种类,2. 按主电路的特性分类：电压

6、型与电流型,电流型变频器主电路（矢量控制型变频器）,要点： 电抗器对直流电流源稳流，整流与电感共同形成电流源，通过控制各相电流达到控制定子电压的目的。 开关管一般采用晶闸管、无需并联续流管。 管子导通时间长短（120）不同于电压型变频器（180）。,15,2.3 变频器的种类,3. 按逆变器开关方式分类：PAM、PWM、高载频PWM,PAM脉冲振幅调制控制,整流电路输出幅度可调节直流电压(流),相控整流或斩波。 逆变电路实现逆变与调频,开关频率与输出电压频率相同 。 优势:电机运行噪声小,效率高. 缺点:调电压与调频率分开,控制电路复杂;电机低速运行转矩波动大.,整 流,逆 变,幅度可调直流电

7、源,幅度与频率可调交流电源,斩波,16,2.3 变频器的种类,3. 按逆变器开关方式分类：PAM、PWM、高载频PWM,PAM脉冲振幅调制控制,电压型PAM电路拓扑图,17,2.3 变频器的种类,3. 按逆变器开关方式分类：PAM、PWM、载波PWM,PWM脉冲宽度调制控制,将正弦波(调制信号,目标信号)按一定间隔分成正弦脉冲序列; 用等面积的矩形脉冲序列代替正弦脉冲序列(面积等效原理); 脉冲序列的幅度一致适用于电压型直流电源;(SPWM) 大多数变频器采用这种方法! 但是有些频率下电机会有噪声.,18,2.3 变频器的种类,3. 按逆变器开关方式分类：PAM、PWM、高载频PWM,高载频P

8、WM载波频率10-20KHz以上,人耳听不到,原理与PWM(SPWM)相同 载波频率高于人耳可听的频率,降低电机运行噪声,用于低噪变频场合 载波频率高-开关速度快 电力电子器件,高速器件的发展有助于实现这些目标. 未来的发展方向,目前最高速度可达MHz级. 开关损耗是需要重点考虑的问题-软开关技术.,19,2.3 变频器的种类,4. 按工作原理分: V/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量型控制变频器,V/f控制变频器 实现电压与频率配合控制。 基频以下等压频比控制保证磁场不变，恒转矩调速。 基频以上等压变频控制弱磁调速，恒功率调速。 有时考虑低频力矩和低频升温，压频比曲线在直线基础上作曲线

9、型调整。 V/f控制简单，成本低廉，适用于精度不高，动态特性要求不高的场合，如水泵、风机类负载-通用型变频器。,20,2.3 变频器的种类,4. 按工作原理分: V/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量型控制变频器,转差频率控制变频器V/f控制的改进 一种速度闭环的变频器，是自控理论的应用 检测电机的转速，通过设定转速和实际转速的差值，作一定规则的运行，得到对应的变频器输出频率与电压 在电机受到负载转矩变化干扰，引起转速变化时，变频器的输出频率与电压对应作出调整，使电机转速恒定。 速度闭环控制运行速度更稳定。 缺点：需要速度传感器、特定电机（通用性较差）,21,2.3 变频器的种类,4. 按

10、工作原理分: V/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量型控制变频器,矢量型控制变频器 理论源于1970左右德国Blaschke等人提出的控制方法，及Parke坐标变换理论。 将交流电机定子电流矢量分解为励磁分量与转矩分量 分别控制励磁分量与转矩分量，实现类似直流电机调速的控制方法 具有速度控制的精度高、响应速度快、参数自辨识、自调整功能。 缺点：设备成本高，参数设定复杂，对技术人员要求高。,22,2.3 变频器的种类,5. 按用途分（面向用户）:通用型、高性能专用变频器、高频变频器、单相三相变频器,通用型变频器 通用型指对普通电机能调速控制 一般类型 采用V/f控制，不一定有矢量控制功能。

11、主要目标是节能，且设备自身价格便宜 用于风机、水泵类不需要精密调速的场合 高性能多功能通用型变频器 具有多种功能，可供编程设定和选用、具有矢量控制功能，且价格低廉。（市场竞争的结果）,23,2.3 变频器的种类,5. 按用途分（面向用户）:通用型、高性能专用变频器、高频变频器、单相三相变频器,高性能专用变频器 带矢量控制的变频器+专用电机 性能达到与直流伺服系统相应的水平 适用于精密机床、机器人等需要精确控制速度和定位场合 采用的交流异步电机，和直流电机相比有明显优势，系统更可靠。 个性化设计、性价比高、体积小、拆装容易 维护方便（有时能免维护）,24,2.3 变频器的种类,5. 按用途分（面

12、向用户）:通用型、高性能专用变频器、高频变频器、单相三相变频器,高频变频器 主要是需要高速电机的场合，输出频率3KHz 速度可达18000rpm。 单相三相变频器 与电机的相数相对应，变频器也可以分成单相和三相输出。 选型时要注意：在功率相同时，单相变频器的输出电流要比三相的大。,25,2.4 变频器的控制方式和原理,本节主要包括以下内容,V/f控制变频器原理 转差频率控制变频器 矢量控制变频器。,26,2.4 变频器的控制方式和原理,1. V/f控制变频器原理,为什么调节频率的同时要调整电压？V/f控制的基本思想,主要考虑磁场强度(磁通)的问题: 交流电机阻抗参数与频率有关 当频率发生变化时

13、,如果电压不变就会出现: 低频时,产生励磁电流过大,磁路严重饱和.发热效率低功率因数低 高频时,产生励磁电流过小,磁场太弱,转矩太小. V/f控制要尽量保持磁场大小不变!,27,2.4 变频器的控制方式和原理,1. V/f控制变频器原理,要保持磁场不变,则,基于本式的称为V/f控制变频器.这是一种近似的做法,便于在工程中实现,基于本式的称为E/f控制变频器(理想),28,2.4 变频器的控制方式和原理,1. V/f控制变频器原理,E/f 控制要优于V/f控制 V/f控制,忽略了定子阻抗对磁通的影响,实际磁通不恒定 在低频低速时,定子阻抗压降不能忽略,否则电机转矩太低 为得到与E/f相近的特性,

14、改善低速时的转矩特性,一般需要对定子压降予以补偿.称为转矩增强或提升功能. 起始转矩增强针对低频段按规则提升定子电压. 全范围转矩自动增强在整个调速范围按一定规则补偿.检测定子电流电压,推算定子阻抗压降并补偿,使E/f恒定. E/f 控制与V/f控制的本质相同,因而统称为V/f控制.,29,2.4 变频器的控制方式和原理,1. V/f控制变频器原理,V/f控制的特点: 结构简单成本较低 开环控制精度低调速范围小动态特性欠佳通用变频器,30,2.4 变频器的控制方式和原理,2. 转差频率控制变频器原理,交流电机能不能像直流电机一样控制转矩实现速度控制? -控制交流电机的转矩就是控制其定转子电流.

15、 -转差频率控制是一种直接转矩控制,定义转差频率:,转矩:,按照V/f控制规则:E/f为常数(基频以下),31,2.4 变频器的控制方式和原理,2. 转差频率控制变频器原理,分析: 在转矩公式中,转差频率与转矩是一一对应的,控制转差频率,即能控制转矩.在转差频率很小时 转矩与转差频率近似为正比关系 电源频率电机实际转速对应同步频率转差频率之间的关系:,控制方法:确定期望转速对应的 确定需要的转矩对应的转差频率 确定电源的输出频率及按E/f规律确定电压,32,2.4 变频器的控制方式和原理,2. 转差频率控制变频器原理,分析(续) 在E/f一定时,转差频率决定电流-说明限制转差率就可以限制电流,

16、将转差率限在安全区内,能保护电机.最高转差频率是变频器重要参数之一! 这种控制需要加装速度传感器,用于转差运算的电路,其他状态检测电路,电流负反馈等电路. 特点:加减速响应速度快动态特性较好运行稳定,33,2.4 变频器的控制方式和原理,3. 矢量控制,矢量控制的基本思想 直流电机产生转矩的原理:与磁场垂直的载流导体产生的电磁力.转矩的大小为磁场与电流的积. 交流电机能否按直流电机产生磁场的原理去理解呢? 将交流电机的定子电流分解为励磁分量与转矩分量.控制定子电流的大小和相位,实现转矩控制矢量控制. 广泛应用的两种矢量控制: 基于转差频率的矢量控制 无速度传感器的矢量控制,34,2.4 变频器

17、的控制方式和原理,3. 矢量控制,矢量控制的基本思想 直流电机产生转矩的原理:与磁场垂直的载流导体产生的电磁力.转矩的大小为磁场与电流的积. 交流电机能否按直流电机产生磁场的原理去理解呢? 将交流电机的定子电流分解为励磁分量与转矩分量.控制定子电流的大小和相位,实现转矩控制矢量控制. 广泛应用的两种矢量控制: 基于转差频率的矢量控制 无速度传感器的矢量控制,35,2.4 变频器的控制方式和原理,3. 矢量控制,基于转差频率的矢量控制,左图:简化等值电路,忽略励磁电阻转子漏电抗 右图:电流矢量图(相量图) 控制手段:控制I1的大小和相位,实现对IM和I2的控制,36,2.4 变频器的控制方式和原

18、理,3. 矢量控制,基于转差频率的矢量控制的基本原理: 当负载转矩发生变化时,为了使转速不发生大波动,电机的转矩也作相应调整. 调整电磁转矩时,使定子电流励磁分量不变,调节转矩分量,即 . 如图示:当需要将 调节到 时, 也相应的调整到 对应的定子电流的大小和相位都发生了变化! 电源的电压大小相位与频率也需要作出对应的调整.,37,2.4 变频器的控制方式和原理,3. 矢量控制,基于转差频率的矢量控制的数量关系:,按转差频率控制确定电源频率f和电压U,确定定子电流的相位,38,2.4 变频器的控制方式和原理,3. 矢量控制,基于转差频率的矢量控制的数量关系:,普通转差控制(a)没有相位控制,转

19、矩调节有波动 转差矢量控制(b)转矩响应速度快,运行稳定,39,2.4 变频器的控制方式和原理,3. 矢量控制,无速度传感器的矢量控制,基于磁场定位矢量控制的思想： 将电压、电流矢量向磁场方向及其垂直方向投影，得到励磁分量与转矩分量。采用与直流电机相类似的方法控制交流电机。 在气隙磁场需要用传感器检测的情况下（磁场在旋转），该理论很少应用于实际。矢量控制以转差矢量控制为主 气隙磁场能够通过状态观测器重构推动无速度传感器矢量控制的应用发展。,40,2.4 变频器的控制方式和原理,3. 矢量控制,速度的推算,41,2.4 变频器的控制方式和原理,3. 矢量控制,无速度传感器的矢量控制,42,2.4

20、 变频器的控制方式和原理,3. 矢量控制,带有速度传感器的矢量控制方框图,（本部分请参照自动控制系统交流调速部分）,43,2.4 变频器的控制方式和原理,4. 提高转矩控制性能的措施,对电机的矢量控制需要电机模型、电机参数 算法中运用的参数与实际不符，会导致控制性能很差 电机在运行时，转子的电阻参数受温度影响比较大 （如，温升达80，转矩的偏差达30%） 解决方法： 1）采用检测电机温升，按照一定规则调速电机模型参数；-需要装设传感器和配套电路，成本提高。 2）采用模型辨识的方法，在线自动辨识电机参数，相应调整算法，实现自适应控制。-不需要另外增加设备，但是实现的理论复杂，算法的稳定性很重要。

21、,44,2.4 变频器的控制方式和原理,4. 提高转矩控制性能的措施,转子等效电阻参数存在误差时，对转矩控制的影响：,45,2.4 变频器的控制方式和原理,4. 提高转矩控制性能的措施,按温升补偿转子电阻参数的变化,自适应控制系统的框图,46,2.4 变频器的控制方式和原理,5. 几种控制方式的比较,V/f控制变频器 属于开环控制，控制方法简单，易于实现，成本低。但是调速精度，速度的稳定性都不高。适用于不需要精确调速的场合，主要用于节能。 转差频率控制变频器 属于速度闭环控制，是对V/f控制的改进。能够实现较精确的调速控制，动态性能较好；但是转矩会波动，需要速度传感器。 由于电路复杂程度和矢量

22、控制相差不大，且动态性能不如矢量控制，有被矢量控制代替的趋势,47,2.4 变频器的控制方式和原理,5. 几种控制方式的比较,矢量控制 属于闭环控制，基于转差频率的矢量控制和无速度传感器矢量控制系统是较为理想的控制方式：调速范围宽、精度高、起制动速度快、动态性能好。 基于转差频率矢量控制需要速度传感器，使系统的可靠性下降。 无速度传感器的矢量控制，电路与算法复杂，在参数偏离较远时性能欠佳。,48,2.4 变频器的控制方式和原理,5. 几种控制方式的比较,49,2.4 变频器的控制方式和原理,5. 几种控制方式的比较,50,2.4 变频器的控制方式和原理,6. 高性能的无速度传感器矢量控制,无速

23、度传感器系统-需要转速估算，尤其是低速情况下的估算。估算依据是电机模型。 电机模型参数的准确性决定了变频器的性能。参数通过自整定的方法能够部分解决问题（高速区）。但是低速估算误差较大。 为进一步提高性能，提出双状态观测器估算转速的方法方法： 磁链观测器模型用于低速速度估算 电压/电流观测器模型用于高速速度估算 使调速的范围得以扩展，精度得到提高。,51,2.4 变频器的控制方式和原理,6. 高性能的无速度传感器矢量控制,无速度传感器系统-需要估算转速，尤其是低速情况下的估算。估算依据是电机模型，精度取决于参数的精度。 通过参数自整定的方法能使电机在参数发生变化时及时予以校正，能够解决部分问题，

24、但是精度不高。 为进一步提高性能，提出双状态观测器估算转速的方法方法： 磁链观测器模型用于高速速度估算 电压/电流观测器模型用于低速速度估算 充分利用两种模型的互补性使变频器调速的范围得以扩展，精度得到提高。,52,2.4 变频器的控制方式和原理,6. 高性能的无速度传感器矢量控制,含有双状态观测器的无速度传感器矢量控制系统,53,2.4 变频器的控制方式和原理,6. 高性能的无速度传感器矢量控制,双状态无速度传感器矢量控制目前属较新的研究热点。随着专用CPU、ASIC一类的电子器件与技术的推广应用，可靠性提高，调速性能提升较快。 见教材：安川低频区的输出转矩大幅度提升。 需要注意： 1）无速

25、度传感器省了传感器，实现了闭环控制，减少了维护量；但在低速区，与有速度传感器的矢量控制相比，精度明显较低。选用无速度传感器矢量控制时要慎重。 2）很多公司推出具有前述多种控制方式的通用型变频器，应根据实际需要正确选型。,54,2.5 变频器中的半导体开关器件,本节主要包括以下内容（简介）,晶闸管、可关断晶闸管GTO、晶体管GTR、 功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT IPM 智能功率模块 ASIPM 用户专用智能功率模块 DIP-IPM 小封装智能功率模块 SiC 半导体功率器件 复合模块,55,2.5 变频器中的半导体开关器件,1.晶闸管、可关断晶闸管GTO、晶体管GTR,导通条

26、件:正向阳阴极电压,门极触发电流. 不能自关断,需要在外部条件配合(阳阴反向电压强迫换流) 制造工艺简单,能承受很大电流,但是控制电路复杂. 在1000KVA以上大容量变频器中还有大量应用,晶闸管,56,2.5 变频器中的半导体开关器件,1.晶闸管、可关断晶闸管GTO、晶体管GTR,通过门极信号开通和关断主电路. 电路结构相对于晶闸管电路简单,成本低. 脉冲换流,噪声小. 易于实现脉宽调制控制 有取代晶闸管的趋势,大功率变频器. 门极控制电流较大;开关速度慢.,可关断晶闸管GTO,57,2.5 变频器中的半导体开关器件,1.晶闸管、可关断晶闸管GTO、晶体管GTR,工作原理与晶体管相同 内部具

27、有达林顿(复合)结构,扩大容量 GTR以NPN为主 自关断能力断开基极电流即关断极电极电流 开关速度快,功耗小 大量应用于中小功率PWM变频器,功率晶体管GTR,58,2.5 变频器中的半导体开关器件,2.功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT,工作原理与普通MOSFET相同 比前述的三种器件开关速度快一个数量级 电压型驱动器件,驱动功率小 耐过流能力强,抗干扰能力强 安全工作区宽 主要用于小容量变频器,功率MOSFET,59,2.5 变频器中的半导体开关器件,2.功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT,线性区(区域A),MOSFET通态电阻较大 饱和区(区域B), MOSFE

28、T漏极电流更稳定恒流源,晶体管输出特性与功率MOSFET的输出特性对比,60,2.5 变频器中的半导体开关器件,2.功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT,功率MOSFET开关动态特性,开关动态特性:开关速度快,开关频率在晶体管基础上提高1-2个数量级,61,2.5 变频器中的半导体开关器件,2.功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT,功率MOSFET驱动,要求:栅源驱动电压低于20V(一般取15V),且防止发生振荡;驱动的输出阻抗要匹配;驱动直流电源对 “地”可浮动隔离.,62,2.5 变频器中的半导体开关器件,2.功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT,隔离门极双极

29、型晶体管IGBT,相当于MOS管与晶体管复合器件 具有MOS开关速度快的特点 具有晶体管导通电阻小的特点 耐过流能力强,抗干扰能力强 主要用于中小容量变频器主流器件,63,2.5 变频器中的半导体开关器件,2.功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT,隔离门极双极型晶体管IGBT开关动态特性,64,2.5 变频器中的半导体开关器件,2.功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT,隔离门极双极型晶体管IGBT驱动EXB系列原理图,65,2.5 变频器中的半导体开关器件,2.功率MOSFET、隔离门极双极型晶体管IGBT,隔离门极双极型晶体管IGBT驱动EXB系列(富士),EXB850,

30、851标准型,EXB840,841高速型,66,2.5 变频器中的半导体开关器件,以上器件为传统器件,在实际中应用的范围比较:,67,2.5 变频器中的半导体开关器件,3.智能功率模块IPM(傻瓜式开发器件),开关器件+驱动电路+过压保护+过流保护+过热保护,优点: 开关速度快 功耗小 过流过热欠压保护 抗干扰能力强 外围扩展简单,缩短开发时间 无需防静电 体积小,单元IPM,68,2.5 变频器中的半导体开关器件,4.用户专用智能功率模块ASIPM,整流+制动+逆变电路+驱动电路+电流检测+保护 专为小型变频器变频器设计,简化电路降体积降成本,69,2.5 变频器中的半导体开关器件,5.小封

31、装智能功率模块 DIP-IPM,几乎是一个完整的变频器,将电路连接减小至最少; 适用于家电和小型变频电器 (低成本高可靠性小体积易使用) 优点: 开关速度快 低功耗 抗干扰能力强 过流欠压保护 工业级绝缘2500V 开发简单 高电平驱动,可直接连接,70,2.5 变频器中的半导体开关器件,71,2.5 变频器中的半导体开关器件,6.碳化硅SiC 半导体功率器件与复合模块,碳化硅SiC 半导体功率器件 新型半导体器件,性能优于传统掺杂半导体和砷化镓半导体器件,主要表现: 高禁带宽度 高饱和电子漂移速度开关速度高,导通电阻低 高击穿强度高耐压强度 低介电常数寄生电容小 高热导率散热性能好 应用于射频微波高频等领域,MotorolaGE西屋ABB已经研制出部分器件. SiC器件接近理想器件的性能,但还有很多问题需要解决,大规模推广应用尚需时日.,72,2.5 变频器中的半导体开关器件,6.碳化硅SiC 半导体功率器件与复合模块,复合模块:将变频器的主电路整流制动逆变电路组合在同一模块之内