學習情境變頻器的結構原理分析PPT學習教案

1、會計學1學習情境變頻器的結構原理分析學習情境變頻器的結構原理分析22022-5-15學習情境學習情境2：變頻器的結構、原理分析：變頻器的結構、原理分析-2第1頁/共54頁能力目標：能力目標： 1、掌握、掌握IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)組成。交流調速系統(tǒng)組成。 2、掌握、掌握SPWM、矢量調制方式下、矢量調制方式下V/F曲線測定方法。曲線測定方法。第2頁/共54頁42022-5-15 2.4 2.4 通用變頻器中的逆變器及其通用變頻器中的逆變器及其PWMPWM控制控制 前言：前言： 脈寬調制（PWM）變頻的設計思想，源于通信系統(tǒng)中的載波調制技術。PWM變頻器的應用，為近代變頻技術開辟

2、了新的發(fā)展領域，目前PWM已成為現(xiàn)代變頻器產品的主導設計思想。 本節(jié)主要講解“二極管整流器-IGBT逆變器”構成的“交-直-交變壓變頻電路”。 第3頁/共54頁52022-5-152.4.1 PWM電路的組成電路的組成 由“二極管整流器-IGBT逆變器”構成的“交-直-交變壓變頻電路”的原理圖如圖2-21所示。圖圖2-21 交交-直直-交變壓變頻電路的原理圖交變壓變頻電路的原理圖 第4頁/共54頁62022-5-15 在交-直-交變壓變頻器中，又可分為電流源型和電壓源型。電流源型的變頻器如圖2-22 a所示,電壓源型的變頻器如圖2-22 b所示。 圖圖2-22 電流型變頻器和電壓型變頻器電流型

3、變頻器和電壓型變頻器a) 電流型變頻器電流型變頻器 b) 電壓型變頻器電壓型變頻器第5頁/共54頁72022-5-152.4.2 PWM電路的工作原理電路的工作原理 為使分析簡明起見，我們將以單相逆變器來分析電路的工作原理。 圖2-23為一單相IGBT-PWM(電壓型)交流變壓變頻電路的原理圖（圖中二極管整流器部分未畫出）。主電路V1V4為IGBT開關管，VD1VD4為續(xù)流二極管，ZL為負載，RG1RG4為IGBT柵極限流電阻，C為大容量電容器。 圖中四個IGBT開關管，以V1與V4為一組，V2與V3為另一組，若使兩組開關管依次輪流通、斷，則在負載上流過的將是正、反向交替的交流電流，從而實現(xiàn)了

4、將直流電變換成交流電的要求。第6頁/共54頁82022-5-15圖圖2-23 單相單相IGBT-SPWM(電壓型電壓型)交流變壓變頻電路原理圖交流變壓變頻電路原理圖第7頁/共54頁92022-5-152.4.3 SPWM脈寬調制原理脈寬調制原理 PWM脈寬調制的方式很多： 由調制脈沖(調制波)的極性可分為單極性和雙極性； 由參考信號和載波信號的頻率關系可分為同步調制方式和異步調制方式。 參考信號為正弦波的脈沖寬度調制叫做正弦波脈沖寬度調制（SPWM）。 第8頁/共54頁102022-5-15 單極性脈寬調制的特征是：參考信號和載波信號都為單極性的信號。如圖2-24、2-25所示。 圖圖2-24

5、 單極性單相單極性單相SPWM調制波形分析（調制波形分析（1）1單極性脈寬調制單極性脈寬調制第9頁/共54頁112022-5-15圖圖2-25 單極性單相單極性單相SPWM調制波形分析（調制波形分析（2）a) 正弦波正弦波b) SPWM波波第10頁/共54頁122022-5-15 可見，輸出的調制波是幅值不變、等距但不等寬的脈沖序列。SPWM調制波的脈沖寬度基本上呈正弦分布，其各脈沖在單位時間內的平均值的包絡線接近于正弦波，其調制波頻率越高，諧波分量越小。如圖2-26所示。圖圖2-26 單極性單相單極性單相SPWM調制波形分析（調制波形分析（3） 第11頁/共54頁132022-5-15 雙極

6、性脈寬調制方式的特征是：參考信號和載波信號均為雙極性信號。 在雙極性SPWM方式中，參考信號為對稱可調頻、調幅的單相或三相正弦波，由于參考信號本身具有正負半周，無需反向器進行正負半波控制。雙極性SPWM的調制規(guī)律相對簡單，且不需分正負半周。 仍以單相為例，雙極性SPWM的調制規(guī)律如圖2-27所示： 2. 雙極性脈寬調制雙極性脈寬調制第12頁/共54頁142022-5-15圖圖2-27 雙極性單相雙極性單相SPWM波形分析（波形分析（1）a) 信號波與載波的比較信號波與載波的比較b) 雙極性雙極性SPWM波形波形第13頁/共54頁152022-5-15圖圖2-28 雙極性三相雙極性三相SPWM波

7、形分析（波形分析（2） 第14頁/共54頁162022-5-15圖圖2-29 雙極性三相雙極性三相SPWM波形分析（波形分析（3）第15頁/共54頁172022-5-15 結論：結論： 經過對uC和uT的逐點比較，可得到如圖2-27所示的調制波形。此波形的特點是： 1) 在每半周中，電壓的極性有正、有負，所以它是雙極性的。 2) 它的波形是等幅值、中心線等距離的正、負方波；對應的參考信號(正弦波)瞬時值較大的點，則正、負方波脈沖寬度的差值愈大（在零點處，正、負方波脈沖的寬度將相等），因此，這是調制波。 第16頁/共54頁182022-5-15 3) 調制波的基波與參考信號波是同頻率的正弦波，而

8、且它的幅值也取決于參考信號波的幅值。 4) 綜上所述，改變參考信號電壓的頻率，即可改變逆變器輸出基波的頻率(頻率可調范圍一般為0400Hz)；改變參考信號電壓的幅值，便可改變輸出基波的幅值。 5）載波信號的頻率比較高(可達15kHz以上)，在負載電感(如電動機繞組的電感)的濾波作用下，可以獲得與正弦基波基本相同的正弦電流。 采用SPWM控制，逆變器相當一個可控的功率放大器。第17頁/共54頁192022-5-15 2.5 IGBT-SPWM-VVVF 2.5 IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)交流調速系統(tǒng) 2.5.1 采用模擬電路的采用模擬電路的IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)原

9、理框圖交流調速系統(tǒng)原理框圖 模擬式IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)原理框圖如圖2-30所示。 系統(tǒng)主電路為由三相二極管整流器-IGBT逆變器組成的電壓型變頻電路。供電對象為三相異步電動機。IGBT采用專用驅動模塊驅動。SPWM發(fā)成電路的主體是，由正弦波發(fā)生器產生的正弦信號波，與三角波發(fā)生器產生的載波，通過比較器比較后，產生正弦脈寬調制波（SPWM波）。以上這此部件的工作原理已在前面中做了介紹，現(xiàn)對其它環(huán)節(jié)做一簡單說明。第18頁/共54頁202022-5-15圖圖2-30 模擬式模擬式IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)原理框圖交流調速系統(tǒng)原理框圖第19頁/共54頁212022-5-

10、15 1給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié) S1為正、反運轉選擇開關。電位器 RP1調節(jié)正向轉速；RP2調節(jié)反向轉速。S2為起動、停止開關，停車時，將輸入端接地，防止干擾信號侵入。 2給定積分電路給定積分電路 它的主體是一個具有限幅的積分環(huán)節(jié)，以將正、負階躍信號，轉換成上升和下降、斜率均可調的，具有限幅的，正、負斜坡信號。 正斜坡信號將使起動過程變得平穩(wěn)，實現(xiàn)軟起動，同時也減小了起動時的過大的沖擊電流。負斜坡信號將使停車過程變得平穩(wěn)。 第20頁/共54頁222022-5-15 3U/f函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器 U/f函數(shù)發(fā)生器是一個帶限幅的斜坡信號發(fā)生器。 U/f函數(shù)發(fā)生器其輸出特性如圖2-31所示：圖圖2-31

11、U/f函數(shù)發(fā)生器其輸出特性函數(shù)發(fā)生器其輸出特性 第21頁/共54頁232022-5-15 因為SPWM波的基波頻率取決于正弦信號波的頻率，SPWM的基波的幅值取決于在弦信號波的幅值。 U/f函數(shù)發(fā)生器的功能就是在基頻以下，產生一個與頻率f1成正比的電壓，作為正弦信號波幅值的給定信號，以實現(xiàn)恒壓頻比（U/f恒量）的控制。在基頻以上，則使U為一恒量，以實現(xiàn)恒壓（弱磁升速）控制。第22頁/共54頁242022-5-15 4開通延時器開通延時器 它是使待導通的IGBT管在換相時稍作延時后再驅動（待橋臂上另一IGBT完全關斷。這是為了防止橋臂上的兩個IGBT管在換相時，一只沒有完全關斷而另一只卻又導通形

12、成同時導通，造成短路。 5其他環(huán)節(jié)其他環(huán)節(jié) 此系統(tǒng)還設有過電壓、過電流等保護環(huán)節(jié)以及電源、顯示、報警等輔助環(huán)節(jié)（圖中未畫出）但此系統(tǒng)未設轉速負反饋環(huán)節(jié)，因此是一個轉速開環(huán)控制系統(tǒng)。第23頁/共54頁252022-5-15 綜上所述，模擬式IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)的工作過程大致如下： 由給定信號(給出轉向及轉速大小) 起動(或停止)信號 給定積分器(實現(xiàn)平穩(wěn)起動、減小起動電流) U/f函數(shù)發(fā)生器(基頻以下，恒磁恒壓頻比控制；基頻以上，恒壓弱磁升速控制) SPWM控制電路(由體現(xiàn)給定頻率和給定幅值的正弦信號波與三角波載波比較后產生SPWM波) 驅動電路模塊 主電路(IGBT管三相逆

13、變電路) 三相異步電動機(實現(xiàn)了VVVF調速)。第24頁/共54頁262022-5-152.5.2 單片微機控制的單片微機控制的IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)原理框圖交流調速系統(tǒng)原理框圖 單片微機控制的IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)原理框圖如圖2-32所示。 此系統(tǒng)的特點是采用單片微機來進行控制，主要通過軟件來實現(xiàn)變壓變頻控制、SPWM控制和發(fā)出各種保護指令（包含著上例中各單元的功能）。SPWM發(fā)生器可采用專用的集成電路芯片，也可由微機的軟件來實現(xiàn)。第25頁/共54頁272022-5-15圖圖2-32 單片微機控制的單片微機控制的IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統(tǒng)原理

14、框交流調速系統(tǒng)原理框圖圖第26頁/共54頁282022-5-15 1. 限流電阻限流電阻R0和短接開關和短接開關S 由于中間直流電路并聯(lián)著容量很大的電容器，在突加電源時，電源通過二極管整流橋對電容充電（突加電壓時，電容相當于短路），會產生很大的沖擊電流，使元器件損壞。為此在充電回路上，設置電阻R0（或電抗器）來限制電流。待電源合上，起動過渡過程結束以后，為避免R0上繼續(xù)消耗電能，可延時以自動開關S將R0短接。 第27頁/共54頁292022-5-15 2. 電壓檢檢測與泵升限制電壓檢檢測與泵升限制 當異步電動機減速制動時，它相當一個感應發(fā)電機，由于二極管不能反向導通，電動機將通過續(xù)流二極管向電

15、容器充電，使電容C的電壓隨著充電而不斷升高（稱泵升電壓），這樣的高電壓將使元器件損壞。為此，在主電路設置了電壓檢測電路，當電壓過高時，通過泵升限制保護環(huán)節(jié)，使開關管Vb導通，使電機制動時釋放的電能在電阻Rb上消耗掉。第28頁/共54頁302022-5-15 3進線電抗器進線電抗器 由于整流橋后面接有一個容量很大的電容，在整流時，只有當整流電壓大于電容電壓時，才會有電流，造成電流斷續(xù)，這樣電源供給整流電路的電流中會含有較多的諧波成分，對電源造成不良影響（使電壓波形畸變，變壓器和線路損耗增加），因此在進線處增設進線電抗器Lin。 4溫度檢測溫度檢測 主要是檢測IGBT管殼的溫度，當通過電流過大，殼

16、溫過高時，微機將發(fā)出指令，通過驅動電路，使IGBT管迅速截止。第29頁/共54頁312022-5-15 5電流檢測電流檢測 由于此系統(tǒng)未設轉速負反饋環(huán)節(jié)，所以通過在交流側（或直流側）檢測到的電流信號，來間接反映負載的大小，使控制器（微機）能根據(jù)負載的大小，對電動機因負載而引起的轉速變化，給予一定的補償。此外，電流檢測環(huán)節(jié)還用于電流過載保護。 以上這些環(huán)節(jié)，在其他類似的系統(tǒng)（如上例所示的系統(tǒng)）中，也都可以采用。第30頁/共54頁322022-5-15 2.6 2.6 矢量控制變頻器原理簡介矢量控制變頻器原理簡介 前言：前言： 前述的U/f控制類型的通用變頻器，其控制方式是建立在異步電機靜態(tài)數(shù)學模

17、型基礎上的，動態(tài)性能不高。為適應高動態(tài)性能的需要，常采用矢量控制方式。 交流變頻調速的矢量變換控制，涉及電機數(shù)學模型的等效變換，其中很多的數(shù)學運算將超出本課程的基本要求。因此，這里主要從物理過程上說明矢量控制 VC（Vector Control）的基本思路及其框架結構。第31頁/共54頁332022-5-152.6.1 矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想 前面我們討論的VVVF交流調速系統(tǒng)解決了異步電動機平滑調速的問題，使系統(tǒng)能夠滿足許多工業(yè)應用的要求，特別對中、小功率的交流調速系統(tǒng)。然而，其調速后的靜、動態(tài)性能仍無法與直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)相比。 原因在于：他勵直流電動機的“勵磁電路(If)”

18、和“電樞電路（T=CTIa）”是互相獨立的，影響電磁轉矩T的控制量If 和Ia是相互獨立的，也可以說是自然解偶的。電樞電流Ia的變化并不影響磁場，因此可以用控制電樞電流Ia的大小，去控制電磁轉矩。第32頁/共54頁342022-5-15 而異步電動機的“勵磁電流”和“負載電流”（轉子電流通過電磁耦合，在定子電路中增加的電流）都在定子電路內（定子電流為勵磁電流與轉子電流折合過來的“負載電流”之和），彼此相互疊加，其電流、電壓、磁通和電磁轉矩各量是相互關聯(lián)的，而且屬于強耦合狀態(tài)，從而使交流異步電動機的控制問題變得相當復雜。 如果能對異步電動機中的“勵磁電流”和“負載電流”分別加以控制，那么，其調速

19、性能就可以和直流電動機相媲美了。這就是矢量控制的基本思想。第33頁/共54頁352022-5-15 異步電動機的矢量控制的目的：就是仿照直流電機的控制方式，利用坐標變換的手段，把交流電動機的定子電流分解為磁場分量電流（相當勵磁電流）和轉矩分量電流（相當負載電流）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。 2.6.2 三相交流電機（繞組）和直流電機（繞組）物理模型三相交流電機（繞組）和直流電機（繞組）物理模型 的等效變換的等效變換 為說明矢量控制的基本思想，必須先建立異步電動機（繞組）和直流電動機（繞組）物理模型的等效變換。第34頁/共54頁362022-5-15圖圖2-33 等效的交流

20、電動機物理模型等效的交流電動機物理模型 a）三相交流繞組）三相交流繞組 b）等效二相交流繞組）等效二相交流繞組 c）等效直流旋轉繞組）等效直流旋轉繞組第35頁/共54頁372022-5-152.6.3 矢量控制的基本思路矢量控制的基本思路 對上述的等效變換，可以設想為如圖2-34所示的單元來進行控制量的變換（亦即坐標量的變換）。 圖圖2-34 矢量控制構思的結構框圖矢量控制構思的結構框圖 第36頁/共54頁382022-5-15 圖2-35就是矢量控制構思的結構框圖。圖中3/2為三相/兩相交換單元，VR為同步旋轉坐標變換單元，為M軸與a軸的夾角，角可通過供電電壓，電流及轉速的檢測，間接換算出來

21、。因此矢量控制通常都有電機電壓、電機電流及電機轉速的檢測與反饋環(huán)節(jié)。 由圖10.2可見，從方框外部看，它是輸入iU、iV、iW三相電流，輸出電磁轉矩Te及轉速的三相異步電動機；從內部看，它是輸入勵磁電流im和電樞電流it，輸出同樣Te及的直流電動機（這是對電機物理模型的一種處理）。 第37頁/共54頁392022-5-15 從圖2-35 可見，既然異步電動機可以等效成直流電動機，那么我們就可模仿直流電動機的控制方法，求得等效直流電動機的控制量，再經過相應的坐標反變換，就可以按自流電動機方式控制異步電動機了。這就是矢量控制的基本思路。2.6.4矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)結構框圖矢量控制交流變頻調速

22、系統(tǒng)結構框圖 圖圖2-35 矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)結構框圖矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)結構框圖 第38頁/共54頁402022-5-15 VR-同步旋轉變換,1M軸與a軸（U軸）間夾角,VR-1反旋轉變換 附：矢量控制原理框圖附：矢量控制原理框圖 如圖2-36-圖2-39所示：圖圖2-36 矢量控制原理框圖矢量控制原理框圖第39頁/共54頁412022-5-15圖圖2-37 頻率開環(huán)控制原理框圖頻率開環(huán)控制原理框圖 第40頁/共54頁422022-5-15圖圖2-38 無速度傳感器的矢量控制原理框圖無速度傳感器的矢量控制原理框圖 第41頁/共54頁432022-5-15圖圖2-39 有速度傳感器

23、的矢量控制原理框圖有速度傳感器的矢量控制原理框圖 第42頁/共54頁442022-5-15 2.7 2.7 交交- -交變頻電路簡介交變頻電路簡介 前言：前言： 交-交變頻器按輸出波形可分為方波和正弦波兩種類型。方波型和正弦波型變頻器的主電路均由不同的晶閘管整流電路組合而成，它們在電路結構上基本相同，所不同的是：在各整流組中，移相控制角a固定不變時，輸出的交流電為方波；移相控制角a按正弦規(guī)律變化時，輸出的交流電為正弦波。 第43頁/共54頁452022-5-152.7.1 方波型交方波型交-交變頻器交變頻器 1. 單相方波型交單相方波型交-交變頻電路交變頻電路（圖2-40） 圖圖2-40 單相

24、交單相交-交變頻器主電路及輸出電壓波形交變頻器主電路及輸出電壓波形第44頁/共54頁462022-5-152. 三相方波型交三相方波型交-交變頻電路交變頻電路（圖2-41、圖2-42） 圖圖2-41 三相方波型交三相方波型交-交變頻器（電流型）的主電路交變頻器（電流型）的主電路 圖圖2-42 三相橋式連接的交三相橋式連接的交-交變頻器（電壓型）主電路交變頻器（電壓型）主電路 第45頁/共54頁472022-5-153. 方波型交方波型交-交變頻器小結交變頻器小結 方波型交-交變頻器的控制原理并不復雜，它的變頻靠調節(jié)六個整流組的切換頻率，變壓靠凋節(jié)晶閘管的控制角a來完成。 但方波帶來的高次諧波，

25、使電動機的低速轉矩脈動大、轉速不均勻、損耗及噪聲大，而且，為了保證整流組導通時晶閘管的正常觸發(fā)，交-交變頻器的輸出電壓周期T必須大于電網周期，其輸出交流電頻率只能在電網頻率的 1/2以下調節(jié)。 方波型交-交變頻器很少用于普通的異步電動機調速系統(tǒng)，而常用于無換向器電動機的調速系統(tǒng)及超同步串級調速系統(tǒng)。第46頁/共54頁482022-5-152.7.2 正弦波型交正弦波型交-交變頻器交變頻器 1輸出正弦波形的獲得方法輸出正弦波形的獲得方法 方波型交-交變頻器的某一整流組工作時，只要輸出電壓不需要調節(jié)，控制角a就是一個穩(wěn)定值，該整流組的輸出電壓平均值就維持恒定。如圖2-43所示。 圖圖2-43 方波型交