變頻器原理及應用1

1、2o河南理工大學始建于河南理工大學始建于1909年、我國第一所礦業(yè)高等學府年、我國第一所礦業(yè)高等學府o河南省建立最早的高等學校河南省建立最早的高等學校o河南省重點建設的骨干高校河南省重點建設的骨干高校o多學科協(xié)調(diào)發(fā)展的教學研究型大學多學科協(xié)調(diào)發(fā)展的教學研究型大學o具有博士學位授予權具有博士學位授予權u學校安全、地礦特色鮮明，多學科協(xié)調(diào)發(fā)展學校安全、地礦特色鮮明，多學科協(xié)調(diào)發(fā)展u設有設有75個本科專業(yè)。擁有個本科專業(yè)。擁有5個博士后科研流動站、個博士后科研流動站、4個一級學科博士點、個一級學科博士點、32個二級學科（方向）博士點、個二級學科（方向）博士點、18個一級學科碩士點個一級學科碩士點u全

2、日制在校生規(guī)模全日制在校生規(guī)模38000余人余人u占地面積占地面積4千余畝千余畝變頻器：變頻器是利用電力電力電子技術，將工頻電源變換為另一頻率/電壓的電能控制裝置。特點：特點：安全、節(jié)能、自動化安全、節(jié)能、自動化只要有電機存在的地方，就會有變頻器大展只要有電機存在的地方，就會有變頻器大展身手的之地。身手的之地。1）間接變頻電路交-直-交2）直接變頻電路 交-交變頻器結(jié)構變頻器結(jié)構p把交流變換成直流電，再把直流變化成可調(diào)節(jié)把交流變換成直流電，再把直流變化成可調(diào)節(jié)的交流電能，可調(diào)節(jié)頻率范圍寬，通用變頻器廣的交流電能，可調(diào)節(jié)頻率范圍寬，通用變頻器廣泛采用此方式。泛采用此方式。1.交-直-交變頻器主電

3、路結(jié)構1.交-直-交變頻器主電路結(jié)構四象限變頻器電路原圖圖四象限變頻器電路原圖圖1.交-直-交變頻器主電路結(jié)構1.交-直-交變頻器主電路結(jié)構1.交-直-交變頻器主電路結(jié)構1.交-直-交變頻器主電路結(jié)構 智能智能IPMIPM模塊包括了開模塊包括了開關元件和與其反向并聯(lián)的關元件和與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管，以及驅(qū)動、續(xù)流二極管，以及驅(qū)動、保護、報警電路等多個單保護、報警電路等多個單元，并且可以在一致性與元，并且可以在一致性與可靠性上達到極高的水平，可靠性上達到極高的水平，IPMIPM以其完善的功能和高以其完善的功能和高可靠性創(chuàng)造了很好的應用可靠性創(chuàng)造了很好的應用條件。利用條件。利用IPMIPM的控制

4、功的控制功能，與微處理器相結(jié)合，能，與微處理器相結(jié)合，可方便地構成智能功率控可方便地構成智能功率控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。 從儲能元件分電流型、電壓型從儲能元件分電流型、電壓型1.交-直-交變頻器主電路結(jié)構1.交-直-交變頻器主電路結(jié)構1）電壓型間接交流 變流電路電壓型交-直-交變頻結(jié)構帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路。 當泵升電壓超過一定數(shù)值時，使V0V0導通，把從負載反饋的能量消耗在R0R0上。帶有泵升電壓限制電路的電壓型交-直-交變頻結(jié)構2.交-直-交變頻器原理單相逆變電路最基本的工作原理 改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。a)b)tuoiot1t2電阻負載時，負載電流io

5、io和uouo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，ioio相位滯后于uouo，波形也不同。逆變電路及其波形2.交-直-交變頻器原理5-19兩對橋臂交替導通180改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。ttOOoUd- -Udiot1t2t3t4t5t62.交-直-交變頻器原理方波控制方式方波控制方式方波控制方式諧波方波控制方式諧波tnntttUud12sin1215sin513sin31sin4o單相逆變電路方波控制方式諧波分析單相逆變電路方波控制方式諧波分析2.交-直-交變頻器原理諧波豐富，最低次諧波為諧波豐富，最低次諧波為3次次5-21應用最廣的是三相橋式逆變電路tOtOt

6、OtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud32.交-直-交變頻器原理方波控制方式方波控制方式三相逆變電路方波控制方式諧波分析三相逆變電路方波控制方式諧波分析wtwtwtwtUUdBO11sin1117sin715sin51sin2方波控制方式諧波方波控制方式諧波2.交-直-交變頻器原理方波控制方式方波控制方式諧波豐富，最低次諧波為諧波豐富，最低次諧波為5次次PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脈寬調(diào)制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)

7、。3. PWM (Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制技術6-241）重要理論基礎面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)3. PWM (Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制技術具體的實例說明“面積等效原理”u (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i (t)輸出電流，是電路的響應。 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在

8、具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。3. PWM (Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制技術6-26OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out3. PWM (Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制技術 若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。3. PWM (Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制技術SPWM單極性調(diào)制OtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛3. PWM (Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制技術S

9、PWM雙極性調(diào)制1）單極性PWM控制方式（單相橋逆變）單極性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。4. SPWM 逆變技術調(diào)制法調(diào)制法規(guī)則采樣法實現(xiàn)規(guī)則采樣法實現(xiàn)SPWM波波urucuOtOtuouofuoUd-Ud2）雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）雙極性PWM控制方式波形4. SPWM 逆變技術3）雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）4. SPWM 逆變技術6-321）單相的分析結(jié)果諧波角頻率為:crnk式中，n=1,3,5,時，k=0,2,4, ； n=2,4,6,時，k=1,3,5, PWM波中不含低次諧

10、波，只含c及其附近的諧波以及2c、3c等及其附近的諧波。SPWM 逆變電路諧波分析6-332）三相的分析結(jié)果公用載波信號時的情況輸出線電壓中的諧波角頻率為crnk式中，n=1,3,5,時，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時，。,2,116,1 ,016mmmmk公用載波信號時的情況。SPWM 逆變電路諧波分析6-34三相和單相比較，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率c整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是c2r和2cr。SPWM波中諧波主要是角頻率為c、2c及其附近的諧波，很容易濾除。諧波分析小結(jié)SPWM 逆變電路諧波分析 SPWM控制的逆變器輸出的諧波取

11、決與控制的逆變器輸出的諧波取決與PWM開關開關頻率，采用頻率，采用IGBT，開關頻率可達，開關頻率可達5-20kHz,輸出波形非常輸出波形非常逼近正弦波。逼近正弦波。高性能的雙高性能的雙PWM交交-直直-交變頻器結(jié)構交變頻器結(jié)構 雙雙PWM電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實現(xiàn)電動機四象限運行，是一種性能理想數(shù)高，且可實現(xiàn)電動機四象限運行，是一種性能理想、綠色環(huán)保綠色環(huán)保的變頻器。的變頻器。2.交-直-交變頻器原理 全世界的用電量中有全世界的用電量中有60% 左右是通過電動左右是通過電動機來消耗的，變頻器主要用于交流電動機的變機來消耗的，變頻

12、器主要用于交流電動機的變頻調(diào)速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨頻調(diào)速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。 廣泛應用于冶金、造紙、石油天然氣、風力廣泛應用于冶金、造紙、石油天然氣、風力發(fā)電、紡織、橡膠塑料等眾多行業(yè)。在金屬軋機、發(fā)電、紡織、橡膠塑料等眾多行業(yè)。在金屬軋機、起重機、石油鉆機、壓縮機、擠出機、拉絲機、起重機、石油鉆機、壓縮機、擠出機、拉絲機、風機、泵類等應用中，傳動設備都起著提高精度風機、泵類等應用中，傳動設備都起著提高精度控制、實現(xiàn)高效節(jié)能的重要作用。控制、實現(xiàn)高效節(jié)能的重要作用。交流電機調(diào)速的應用交流電機調(diào)速的應用交流電機調(diào)

13、速的應用2022-4-146-41型變頻調(diào)速：繞線式、籠：繞線式串級調(diào)速（轉(zhuǎn)差電壓）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)轉(zhuǎn)子電阻：繞線式、調(diào)壓（定子電壓）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變極調(diào)速：籠型異步機22Mp122221121l1l23()()sRTn UsRRsLL2022-4-146-422022-4-146-43感應電動機的轉(zhuǎn)速可表示為 )1 (60)1 (10snfsnnp0n1fpns式中 ：同步轉(zhuǎn)速，單位為r/min；定子頻率，單位為Hz； 磁極對數(shù)；轉(zhuǎn)差率。 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速原理l希望保持電機中每極磁通量希望保持電機中每極磁通量 m 為額定值不變。為額定值不變。l對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電對于直

14、流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應有恰當?shù)难a償，樞反應有恰當?shù)难a償， m 保持不變是很容易保持不變是很容易做到的。做到的。l在交流異步電機中，磁通在交流異步電機中，磁通 m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費一些周折合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費一些周折。2022-4-146-46mNs1gS44. 4kNfE 式中 Eg 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值（V）； 定子頻率（Hz）； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量（Wb）。 f1NskNsm2022-4-146-47.1.1111.1 )(IZEILjREUglgmNs1gS

15、44. 4kNfE 1gfE常值2022-4-146-48恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特性恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特性MTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1補償定子壓降后的特性 可見最大轉(zhuǎn)矩 Tmax 是隨著的 1 降低而減小的。頻率很低時，Tmax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷篣1，可以增強帶載能力.2022-4-14自動控制系統(tǒng)國家精品課程6-49MTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1TMmax矢量控制時變頻調(diào)速的機械特性矢量控制時變頻調(diào)速的機械特性最大轉(zhuǎn)矩不變最大轉(zhuǎn)矩不變特性平行特性平行和直流調(diào)速機械特和直流調(diào)速機械特性一樣優(yōu)越。性一樣優(yōu)越?；僖韵抡{(diào)速基速以下調(diào)速2022-4-14自動控制系統(tǒng)國家精品課程6-50恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1 當頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，最大轉(zhuǎn)矩減小，特性稍微變軟?；l以上變頻調(diào)速機械特性1.風機、泵類變頻調(diào)速、軟啟動風機、泵類變頻調(diào)速、軟啟