變頻器結構與原理

1、1第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理內容提要：內容提要： 1、理解變頻調速的基本控制方式 2、了解變頻器的基本構成。 3、了解變頻器的分類方式。 4、理解正弦脈寬調制基本原理。 5、了解變頻器的控制方式并掌握其應用范圍。 6、了解高性能通用變頻器的基本性能。2第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理變頻調速原理變頻調速原理同步轉速同步轉速:轉差率轉差率:電機轉速電機轉速:pfn1160111nnnnns)1 (1snn3第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理1.11.1變頻器調速的基本控制方式變頻器調速的基本

2、控制方式【知識目標】理解變壓變頻控制方式的原理 掌握恒轉矩調速和恒功率調速的概念。 交流異步電動機調速時，一個重要的因素是希望保持電動機的電磁轉矩不變。若要保持電磁轉矩不變，只有保持主磁通量m為額定值不變。 三項異步電動機定子每相電動勢的有效值為： E1=4.44f1N1m 1m1 14.44fEN4第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 由式2-1所知，只要控制E1f1，便可以達到控制磁通量m的目的?；l以下的恒磁通變頻調速 保持m不變，當頻率f1從額定值向下調節(jié)時，必須降低 E1，使 即采用恒定電勢頻率比的控制方式。這種控制又成為恒磁通變頻調速，屬于恒轉矩調速方

3、式。 低頻時U1和E1都很小，定子的阻抗不可忽略， 我們人為地將電壓U1抬高一些，以便近似地補 償定子壓降，使氣隙磁通基本保持不變。11Ef常數(shù) 5第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理6第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理2基頻從上弱磁變頻調速基頻從上弱磁變頻調速 在基頻以上調速時，頻率可以向上增高，但是電壓U1卻不能增加，這是由于受電源電壓的制約，定子電壓不可能比 電源電壓還高，最多只能保持U1=U1N不變。這樣，必然會使 磁通隨著f1上升而減 小，相當于弱磁調速 的情況，屬于近似的 恒功率調速方式。 7第第1 1節(jié)變頻器的電路結構

4、及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 異步電動機的變頻調速必須通過變頻裝置獲得電壓、頻率均可調節(jié)的供電電源，實現(xiàn)所謂的VVVF調速控制。1.2變頻器的基本結構變頻器的基本結構 【知識目標】了解交直交變頻器和交交變頻器的 基本構成1.直接變頻裝置（交直接變頻裝置（交交變頻器裝置）交變頻器裝置） 直接式變頻器是將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，又稱交交變頻器，其結構如圖2-4所示。它實質上是一套三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)的可逆整流裝置。 交交變頻器的特點如下： （1）原理基于可逆整流，工作可靠，可8第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 以直接套用成熟的直流

5、可逆調速技術。 （2）流過電機的電流近似于三相正弦，附加損耗小，脈動轉矩小。 （3）當電源頻率為50Hz時，最大輸出頻率不超過20Hz,電機最高轉速小于600r/min，（對應4極電機），只能在工頻以下調速，調速范圍窄。 （4）主回路較復雜，所用器件多（橋式線路需36個晶閘管）。 交交變頻器一般只用于低轉速、大容量的調速系統(tǒng)，例如軋鋼機，球磨機、水泥回轉窯等。2.間接變頻裝置（間接變頻裝置（ 交交 直直交變頻裝置）交變頻裝置） 當前最廣泛使用的交 直交變頻器，9第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 其基本結構由主電路和控制電路組成如圖27所示. （1）整流器：整流

6、器又稱電網(wǎng)側變流器。其作用是把三相交流電整流成直流電流。 （2）逆變器：逆變器又稱負載側變流器。最常見的結構形式是由六個主開關器件組成三相橋式逆變電路，有規(guī)律地控制主開關器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。 （3）中間直流環(huán)節(jié)：中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間有無功功率的交換，這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容或電感）來緩沖，所以中間直流環(huán)節(jié) 又稱中間直流儲能環(huán)節(jié)。 （4）控制電路：控制電路常由運算電路，10第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制，對整流器的電壓控制

7、以及完成各種保護功能等1.3變頻器的分類變頻器的分類 【知識目標】熟悉變頻器的各種分類方法 了解各類變頻器的特點和應用條件1.3.1按直流電源的性質分類按直流電源的性質分類1.電流型變頻器：電流型變頻器：其特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能元件。直流電源的內阻較大，近 似于電流源，此類變頻器一個突出的優(yōu)點 是：當電機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，回饋到 直流側的再生電能可以方便地回饋到交流11第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理電網(wǎng)。這種電流型變頻器可用于頻繁急加、減速的大容量電機的傳動，在大容量風機、泵類節(jié)能調速中也有應用。2.電壓型變頻器：電壓型變頻器：此類變頻器的中

8、間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容，負載的無功功率將由它來緩沖，直流電源內阻較小，相當于電壓源。對負載而言，變頻器是一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅動多臺電機并聯(lián)運行，具有不選擇負載的通用性。缺點是電機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，回饋到直流側的無功能量難于回饋給交流電網(wǎng)。1.3.2按輸出電壓調節(jié)方式分類按輸出電壓調節(jié)方式分類1.PAM方式方式: 脈沖幅值調節(jié)方式，是通 過改變直流電壓的幅值進行調壓方式，此種 方式。此種方式當系統(tǒng)低速運行時，諧波與 12第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 噪聲都比較大。2.PWM方式：方式：脈沖寬度調制方式，調壓時利用參考電壓

9、波UR與載頻三角波UC互相比較來決定主開關器件的導通時間，利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。這種參考信號為正弦波，輸出電壓平均值近似正弦波的PWM方式，稱為正弦PWM調制，簡稱SPWM。采用SPWM方式調壓，這是一種最常采用的方式。3.高載波變頻器的高載波變頻器的PWM方式方式 此種方式主開關器件的工作頻率較高，常采用IGBT或MOSFET作為主開關器件，開關頻率可達 1020KHZ，達到所謂“靜音”水平。1.3.3按控制方式分類按控制方式分類13第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理1.U/f控制控制: 即VVVF控制，主電路中逆變器采用IGBT，用

10、PWM方式進行控制。U/f控制是轉速開環(huán)控制，無須速度傳感器，控制電路簡單，通用性好！經濟性好！2.轉差頻率控制轉差頻率控制根據(jù)速度傳感器的檢測可以求出轉差頻率f，再把它S速度設定值f相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設定值f1，就實現(xiàn)了轉差補償。這種實現(xiàn)轉差補償?shù)拈]環(huán)控制方式稱為轉差頻率控制方式。此種控制方式精度雖然提高了，但通用性較差。3.矢量控制矢量控制 采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高 變頻器調速動態(tài)性能。根據(jù)交流電機的動態(tài)14第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 數(shù)字模型，利用坐標變換的手段，將交流電機的定子電流分解成磁場分量電流和轉矩分量電流，并

11、分別加以控制，以獲得類似于直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能。1.3.4按電壓等級分類按電壓等級分類1.低壓型變頻器。低壓型變頻器。單項變頻器的額定輸入電壓220240V三相變頻器的輸入電壓220V或380400V，容量為0.2280 500KW。2.高壓大容量變頻器。高壓大容量變頻器。額定電壓為3KV以上（3KV、6KV、10KV等）的中、高壓變頻器在拖動風機、泵類、壓縮機各種大型機械功率在10000KW以上 的電動機，實現(xiàn)節(jié)能運行有著極大的現(xiàn)實意 義，本章專設一節(jié)來深入討論。15第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理1.3.5按用途分類按用途分類1.通用變頻器通用變頻器:

12、其特點就是通用性，對通用標準異步電機進行傳動，應用于工業(yè)生產及民用的各個領域中。2.高性能專用變頻器：高性能專用變頻器：高性能專用變頻器是為了滿足某些特定產業(yè)或區(qū)域的需要，使變頻器在該區(qū)域中具有最好的性價比而設計生產的。3.高頻變頻器：高頻變頻器：專門為驅動高速電動機設計的，這類變頻器的輸出頻率可以達到3KHZ。4.小型變頻器：小型變頻器：為適應自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化的需求，產生了許多“迷你”型變頻器，例如，安川公司 生產的VSminiJ7型變頻器，高度只 有128 mm，且功能齊全通用性好。16第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理1.4正弦波脈寬調制（正弦波脈寬調制

13、（SPWM）逆變器）逆變器 【知識目標】理解正弦脈寬調制技術的基本原理 熟悉正弦脈寬調制技術的基本概念 了解正弦脈寬調制的控制技術和采樣方式 1964年，德國人率先提出了脈寬調制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調制技術推廣應用于交流變頻器。利用PWM控制技術，即可以控制逆變器輸出電壓的頻率，也可以控制輸出電壓的波形及其基波的幅值，從而同時實現(xiàn)變壓和變頻。1.4.1正弦脈寬調制原理正弦脈寬調制原理 在采樣控制理論中有一個重要的結論， 即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有17第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相 同。沖量即指窄脈沖的面積， 上

14、述結論是PWM控制的主要理 論基礎。 所謂的正弦脈寬調制（SPWM） 波形，就是與正弦波等效的一系 等幅不等寬的矩形脈沖波形，如 圖2-16所示，等效電路的原則 是每一區(qū)間的 面積相等。 18第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理圖2-18 單極式SPWM電壓波形19第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理1.4.3諧波分析與輸出電壓調節(jié)諧波分析與輸出電壓調節(jié) 1. SPWM變頻器輸出的諧波分析變頻器輸出的諧波分析 產生諧波的主要原因是： 在工程應用中采用規(guī)則采樣方法或集 成電路器件并不能保證脈寬調制序列波的 波形面積與各段正弦波面積完全相

15、等。 在實現(xiàn)控制時，為了防止直流側 20第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 短路，設置了一個導通時滯環(huán)節(jié)。時滯的出現(xiàn)不可避免地造成逆變器輸出的SPWM波形有所失真。 2.關于諧波含量得出的結論關于諧波含量得出的結論 只要載頻比N足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制。 深調節(jié)時，較高次諧波反而增加。 用于三相對稱系統(tǒng)中時，3的整數(shù)倍次諧波可以自行消失，不必考慮。 21第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 異步電機調速傳動時，變頻器可以根據(jù)電機的特性對供電電壓、電流、頻率進行適當?shù)目刂?，不同的控制方式所得到的調速性能、特性以及用途是不同

16、的。 1.5.1變頻器的變頻器的U/f控制控制 作為變頻器調速控制方式，U/f控制比較簡單，多用于通用變頻器、風機、泵類機械的節(jié)能運行及生產流水線的工作臺傳動 。 圖2-29所示為一種典型的全數(shù)字U/f控 制IGBTSPWM變頻調速系統(tǒng)原理圖。 它包括主電路、驅動電路、控制電路、保22第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 護信號采集與綜合 電路。 23第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 U/f控制變頻器分為兩大類，一類是價格比較便宜的普通功能型U/f控制通用變頻器，另一類則是新一代的高功能型U/f控制通用變頻器。 普通功能型的U/f

17、控制通用變頻器屬于第一代產品，近似的恒磁通控制方式，是一種頻率開環(huán)控制系統(tǒng)。其U/f模式，可以在控制面板上進行設計和選擇。具有瞬停再啟動功能；變頻器和電網(wǎng)間的自動切換功能；控制信號的設定、調整功能；保護功能；故障信息的存儲和顯示功能等。 新一代高功能型通用變頻器，是指具有轉矩控制功能的（無速度傳感器）U/f控制式通用變頻器。 此類采用32位DSP或雙16位CPU進行控制， 運算速度大幅度提高；采用了磁通補償器、 24第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 轉差補償器和電流限制控制器，用以實現(xiàn)轉矩控制功能。 采用這種控制方式，可使極低速度下的轉矩過載能力達到或超過15

18、0%；頻率設定范圍達到1:30；電機的靜態(tài)機械特性的硬度高于在工頻電網(wǎng)上運行的自然機械特性的硬度，具有“挖土機”特性和“無跳閘”能力。 具有轉矩控制功能的高功能型通用變頻器，其原理圖如圖2-30所示。 25第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理26第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 函數(shù)發(fā)生器GF存在一定的誤差 。 在測速環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)中存在誤差和干擾，都會以正反饋形式毫無衰減地傳遞到頻率控制信號上來。1.5.2矢量控制矢量控制 1.交、直流電機數(shù)學模型的差異交、直流電機數(shù)學模型的差異 直流電機的動態(tài)數(shù)學模型只有一個輸入變量電樞電壓，

19、一個輸出變量轉速，控制參數(shù)有：機電時間常數(shù)Tm、電磁時間常數(shù)T1，滯后時間常數(shù)Ts?？梢悦枋龀蓡巫兞咳A線性系統(tǒng)。 異步電機兩個獨立的輸入變量電壓和 頻率；兩個獨輸出變量轉速和磁通。如 果要考慮三相交流電輸入、輸出的變量還27第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 要多。在控制參數(shù)中，電壓（電流）、頻率、磁通轉速之間相互都有影響，是強耦合多變量系統(tǒng)，另外在數(shù)學模型中有兩個變量的乘積項，所以是非線性的。 異步電機的模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。2.交、直流電機物理模型的比較交、直流電機物理模型的比較 在忽略次要因素的條件下，交流異步電機的物理模型如圖2 34

20、所示。 28第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理圖2-34 三相異步電機的物理模型29第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 直流電機的物理模型則比較簡單，如圖235所示。圖2-35 二極直流電機的物理模型30第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理3.坐標變換坐標變換 用等效的觀點，經適當?shù)淖鴺俗儞Q，將三相交流異步電機的物理模型簡化為旋轉的直流電機物理模型。4.矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng) 目前常用的矢量控制系統(tǒng)為按轉子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)，即采用坐標變換方式，將定子電流解耦，分解為定子磁通矢量和轉子轉矩矢量分

21、別來進行控制。其控制效果和雙閉環(huán)直流調速控制效果相媲美。5.采用采用PWM變頻器的矢量控制系統(tǒng)變頻器的矢量控制系統(tǒng) 按轉子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)是許多 年來實際應用最為普遍的、高性能交流調 速系統(tǒng)，其調節(jié)設計方便，動態(tài)性能好， 31第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 調速范圍變化采用一般的轉速傳感器時可達1:100。 1.5.3直接轉矩控制直接轉矩控制 直接轉矩控制系統(tǒng)是近10余年來繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流變頻調速系統(tǒng)。 1.直接轉矩控制系統(tǒng)的原理和特點直接轉矩控制系統(tǒng)的原理和特點 直接轉矩控制分別控制異步電機的轉速和磁鏈，而且采用在轉

22、速環(huán)內設置轉矩內環(huán)的方法，以抑制磁鏈變化對轉子系統(tǒng)的影響。 直接轉矩控制系統(tǒng)還具有以下特點： 轉矩和磁鏈都采用直接反饋的雙位式砰 砰控制，免去了坐標變換，定子電流解 耦等過程。 32第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 選擇定子磁鏈作為被控制的磁鏈，使控制性能不受轉子參數(shù)變化的影響。 PWM逆變器采用磁鏈跟蹤控制方式，性能優(yōu)越。2.直接轉矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)的比較直接轉矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)的比較表表2-2 直接轉矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)的特點與性能比較直接轉矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)的特點與性能比較 特點與性能特點與性能直接轉矩控制系統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)矢量控

23、制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制定子磁鏈轉子磁鏈轉矩控制砰砰控制，脈動連續(xù)控制，平滑旋轉坐標變換不需要需要轉子參數(shù)變化影響無有調速范圍 不夠寬 較寬33第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理1.6高性能通用變頻器高性能通用變頻器 【知識目標】了解高性能通用變頻器的分類及適用范圍。 了解使用高性能變頻器時的注意事項。1.6.1高性能通用變頻器的類型高性能通用變頻器的類型 高性能通用變頻器主要有三種： 第一種是有速度傳感器的矢量控制變頻器； 第二種是無速度傳感器的矢量控制變頻器； 第三種是無速度傳感器的直接轉矩控制變頻器。1.高性能通用變頻器結構特點高性能通用變頻器結構特點

24、高性能通用變頻器在硬件結構上有三種 類型：獨立式變頻器、公共直流母線式變 頻器和帶能量回饋單元的變頻器。 34第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 獨立式變頻器將整流單元和逆變單元放置在一個機殼內，是目前應用最多的變頻器 。 公共直流母線式變頻器將變頻器的整流單元和逆變單元分離開來，分別裝置在各自的機殼內。整流單元的功能是將電壓和頻率不變的交流電轉換成電壓恒定的直流電，形成公共直流母線；逆變單元掛到公共直流母線上，其功能是將電壓恒定的直流電轉換成電壓和頻率均可調的交流電，用于驅動電機。公共直流母線式變頻器的最大特點是一個整流單元下可掛多個逆變單元，驅動多臺電機。

25、高性能通用變頻器驅動電梯、升降機、 可逆軋機等負載時，都要求四象限運行， 所以必須配置能量回饋單元。其功能是35第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 將電機制動時產生的能量回饋給電網(wǎng)。2.有速度傳感器的矢量控制變頻器有速度傳感器的矢量控制變頻器 此類變頻器控制精度高，其主要特點如下： 調速范圍寬，可達到1:100以上。 轉速控制精度高，在n10%額定轉速時，為0.0005%；在n5%額定轉速時，為0.001%；在弱磁工作區(qū)間約為0.001%。 在全速度設定范圍內，轉矩上升時間約為5ms，轉矩波動小于2%額定轉矩。 轉矩控制精度，在恒磁通工作區(qū)間小于 2.5%，在弱磁工作區(qū)間小于5%。3.無速度傳感器的矢量控制變頻器無速度傳感器的矢量控制變頻器 36第第1 1節(jié)變頻器的電路結構及工作原理節(jié)變頻器的電路結構及工作原理 此類變頻器與有速度傳感器的矢量控制變頻器相比較，就是去掉了速度檢測環(huán)節(jié)，通過計算來估測電機速度的反饋值，控制精度稍差，但系統(tǒng)簡單，操作簡單，價格便宜。此類變頻器的主要特點是： 調速范圍可達1:10。 轉速控制精度，在n10%額定轉速時，為20%fs；在n5