變頻器原理與應用(課件)第二章

第二章變頻器基礎知識異步電機變頻器的基本構成與工作原理變頻器種類變頻器的控制方式變頻器的器件\變頻電機/PWM本章要點2.1異步電機的基本原理與控制1.工作原理U,f旋轉磁場轉子感應電動勢轉子電流電磁轉矩旋轉2.1異步電機的基本原理與控制1.工作原理異步電機定子磁場轉速---同步轉速異步電機的磁極個數（注與電機中定義不同）電源的頻率轉差率異步電機轉速---轉子機械轉速調速變頻調速2.1異步電機的基本原理與控制2.異步電機變頻調速變頻器的作用：將固定電壓和頻率的電源轉換成電壓和頻率均可變的電源。VF控制：電壓與頻率相配合的控制機械特性：如圖VVVF變頻器—通用變頻器2.1異步電機的基本原理與控制3.異步電機的等值電路注：與電機中的嚴格模型略有差別！2.1異步電機的基本原理與控制4.異步電機的機械特性（轉速/轉矩—電流特性）2.1異步電機的基本原理與控制4.異步電機的機械特性（轉速/轉矩—電流特性）關于轉速/轉矩—電流特性圖的說明：橫坐標—轉差率（轉速），縱坐標—轉矩/定子電流工作區(qū)域劃分：按照轉差率（轉速）所在的范圍劃分

電動區(qū)域、再生制動區(qū)域、反相制動區(qū)域

反相制動區(qū)域制動之后如不采取措施，會怎么樣呢？起動轉矩與起動電流最大滑差轉矩與臨界轉差率額定轉矩與額定電流空載電流2.2變頻器的基本構成與工作原理1.變頻器的基本構成整流電路:交流直流直流中間電路:濾波\(平滑電流\斬波\制動\輸助電路)逆變電路:直流交流控制電路:實現主電路與控制電路隔離\檢測\接口

實現主電路各開關器件的通斷控制交流變頻算法,需要高性能的CPU,如DSP核心部分!2.2變頻器的基本構成與工作原理1.變頻器的基本構成2.2變頻器的基本構成與工作原理1.變頻器的基本構成關于控制電路的進一步說明:構成:主控制電路、電力電子器件驅動電路、信號檢測電路、保護電路、外部接口電路地位：決定變頻器的性能，是核心部分特點：模擬信號、數字信號混合系統要求：安全（設備、人員）可靠、抗干擾、小功耗發(fā)展方向：集成化、智能化（CPU）、可編程、網絡化2.2變頻器的基本構成與工作原理2.逆變電路的工作原理回憶一下電力電子技術中的逆變電路？什么是逆變什么是有源逆變、無源逆變有源逆變發(fā)生的條件、逆變失敗的原因。無源逆變器有哪兩種類型，各有什么特點？電壓型逆變器如何換流電流型逆變器如何換流？2.2變頻器的基本構成與工作原理2.逆變電路的工作原理電路工作原理防電路直通電子器件性能的影響2.3變頻器的種類1.變頻器的分類方式變頻器的分類方式很多，但主要分成面向設計和面向應用的兩類分類方法：面向設計的分類方法：按照主電路特性分類：電壓型、電流型按照開關方式分類：PAM、PWM和高載頻PWM按照工作原理分類：V/F控制、轉差控制、矢量控制面向應用的分類方法通用變頻器；高性能專用變頻器;高頻變頻器;單相三相2.3變頻器的種類2.按主電路的特性分類：電壓型與電流型電壓型變頻器主電路（主要適用于通用型變頻器）要點：電容—對直流電源穩(wěn)壓，通過整流或斬波得到的直流電壓如果不經過電容，就會上下波動，對變頻器運行性能不利。續(xù)流管—出現電機輸出功率時，將能量反饋進電網。過壓保護—反饋能量會使電容電壓過高，要有放電措施。2.3變頻器的種類2.按主電路的特性分類：電壓型與電流型電流型變頻器主電路（矢量控制型變頻器）要點：電抗器—對直流電流源穩(wěn)流，整流與電感共同形成電流源，通過控制各相電流達到控制定子電壓的目的。開關管—一般采用晶閘管、無需并聯續(xù)流管。管子導通時間長短（120）—不同于電壓型變頻器（180）。2.3變頻器的種類3.按逆變器開關方式分類：PAM、PWM、高載頻PWMPAM—脈沖振幅調制控制整流電路—輸出幅度可調節(jié)直流電壓(流),相控整流或斬波。逆變電路—實現逆變與調頻,開關頻率與輸出電壓頻率相同。優(yōu)勢:電機運行噪聲小,效率高.缺點:調電壓與調頻率分開,控制電路復雜;電機低速運行轉矩波動大.整流逆變幅度可調直流電源幅度與頻率可調交流電源斬波2.3變頻器的種類3.按逆變器開關方式分類：PAM、PWM、高載頻PWMPAM—脈沖振幅調制控制電壓型PAM電路拓撲圖2.3變頻器的種類3.按逆變器開關方式分類：PAM、PWM、載波PWMPWM—脈沖寬度調制控制將正弦波(調制信號,目標信號)按一定間隔分成正弦脈沖序列;用等面積的矩形脈沖序列代替正弦脈沖序列(面積等效原理);脈沖序列的幅度一致—適用于電壓型直流電源;(SPWM)大多數變頻器采用這種方法!但是有些頻率下電機會有噪聲.2.3變頻器的種類3.按逆變器開關方式分類：PAM、PWM、高載頻PWM高載頻PWM—載波頻率10-20KHz以上,人耳聽不到原理與PWM(SPWM)相同載波頻率高于人耳可聽的頻率,降低電機運行噪聲,用于低噪變頻場合載波頻率高-----開關速度快電力電子器件,高速器件的發(fā)展有助于實現這些目標.未來的發(fā)展方向,目前最高速度可達MHz級.開關損耗是需要重點考慮的問題---軟開關技術.2.3變頻器的種類4.按工作原理分:V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器、矢量型控制變頻器V/f控制變頻器實現電壓與頻率配合控制。基頻以下等壓頻比控制—保證磁場不變，恒轉矩調速?；l以上等壓變頻控制—弱磁調速，恒功率調速。有時考慮低頻力矩和低頻升溫，壓頻比曲線在直線基礎上作曲線型調整。V/f控制簡單，成本低廉，適用于精度不高，動態(tài)特性要求不高的場合，如水泵、風機類負載------通用型變頻器。2.3變頻器的種類4.按工作原理分:V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器、矢量型控制變頻器轉差頻率控制變頻器—V/f控制的改進一種速度閉環(huán)的變頻器，是自控理論的應用檢測電機的轉速，通過設定轉速和實際轉速的差值，作一定規(guī)則的運行，得到對應的變頻器輸出頻率與電壓在電機受到負載轉矩變化干擾，引起轉速變化時，變頻器的輸出頻率與電壓對應作出調整，使電機轉速恒定。速度閉環(huán)控制—運行速度更穩(wěn)定。缺點：需要速度傳感器、特定電機（通用性較差）2.3變頻器的種類4.按工作原理分:V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器、矢量型控制變頻器矢量型控制變頻器理論源于1970左右德國Blaschke等人提出的控制方法，及Parke坐標變換理論。將交流電機定子電流矢量分解為勵磁分量與轉矩分量分別控制勵磁分量與轉矩分量，實現類似直流電機調速的控制方法具有速度控制的精度高、響應速度快、參數自辨識、自調整功能。缺點：設備成本高，參數設定復雜，對技術人員要求高。2.3變頻器的種類5.按用途分（面向用戶）:通用型、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相三相變頻器通用型變頻器通用型—指對普通電機能調速控制一般類型采用V/f控制，不一定有矢量控制功能。主要目標是節(jié)能，且設備自身價格便宜用于風機、水泵類不需要精密調速的場合高性能多功能通用型變頻器具有多種功能，可供編程設定和選用、具有矢量控制功能，且價格低廉。（市場競爭的結果）2.3變頻器的種類5.按用途分（面向用戶）:通用型、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相三相變頻器高性能專用變頻器帶矢量控制的變頻器+專用電機性能達到與直流伺服系統相應的水平適用于精密機床、機器人等需要精確控制速度和定位場合采用的交流異步電機，和直流電機相比有明顯優(yōu)勢，系統更可靠。個性化設計、性價比高、體積小、拆裝容易維護方便（有時能免維護）2.3變頻器的種類5.按用途分（面向用戶）:通用型、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相三相變頻器高頻變頻器主要是需要高速電機的場合，輸出頻率3KHz速度可達18000rpm。單相三相變頻器與電機的相數相對應，變頻器也可以分成單相和三相輸出。選型時要注意：在功率相同時，單相變頻器的輸出電流要比三相的大。2.4變頻器的控制方式和原理本節(jié)主要包括以下內容V/f控制變頻器原理轉差頻率控制變頻器矢量控制變頻器。2.4變頻器的控制方式和原理1.V/f控制變頻器原理為什么調節(jié)頻率的同時要調整電壓？V/f控制的基本思想主要考慮磁場強度(磁通)的問題:交流電機阻抗參數與頻率有關當頻率發(fā)生變化時,如果電壓不變就會出現:

低頻時,產生勵磁電流過大,磁路嚴重飽和.發(fā)熱\效率低\功率因數低高頻時,產生勵磁電流過小,磁場太弱,轉矩太小.V/f控制要盡量保持磁場大小不變!2.4變頻器的控制方式和原理1.V/f控制變頻器原理要保持磁場不變,則基于本式的稱為V/f控制變頻器.這是一種近似的做法,便于在工程中實現基于本式的稱為E/f控制變頻器(理想)2.4變頻器的控制方式和原理1.V/f控制變頻器原理E/f控制要優(yōu)于V/f控制V/f控制,忽略了定子阻抗對磁通的影響,實際磁通不恒定在低頻低速時,定子阻抗壓降不能忽略,否則電機轉矩太低為得到與E/f相近的特性,改善低速時的轉矩特性,一般需要對定子壓降予以補償.稱為轉矩增強或提升功能.起始轉矩增強—針對低頻段按規(guī)則提升定子電壓.全范圍轉矩自動增強—在整個調速范圍按一定規(guī)則補償.檢測定子電流\電壓,推算定子阻抗壓降并補償,使E/f恒定.E/f控制與V/f控制的本質相同,因而統稱為V/f控制.2.4變頻器的控制方式和原理1.V/f控制變頻器原理V/f控制的特點:結構簡單\成本較低開環(huán)控制\精度低\調速范圍小\動態(tài)特性欠佳—通用變頻器2.4變頻器的控制方式和原理2.轉差頻率控制變頻器原理交流電機能不能像直流電機一樣控制轉矩實現速度控制?-----控制交流電機的轉矩就是控制其定轉子電流.-----轉差頻率控制是一種直接轉矩控制定義轉差頻率:轉矩:按照V/f控制規(guī)則:E/f為常數(基頻以下)常數2.4變頻器的控制方式和原理2.轉差頻率控制變頻器原理分析:在轉矩公式中,轉差頻率與轉矩是一一對應的,控制轉差頻率,即能控制轉矩.在轉差頻率很小時轉矩與轉差頻率近似為正比關系電源頻率\電機實際轉速對應同步頻率\轉差頻率之間的關系:?控制方法:確定期望轉速對應的確定需要的轉矩對應的轉差頻率確定電源的輸出頻率及按E/f規(guī)律確定電壓2.4變頻器的控制方式和原理2.轉差頻率控制變頻器原理分析—(續(xù))在E/f一定時,轉差頻率決定電流----說明限制轉差率就可以限制電流,將轉差率限在安全區(qū)內,能保護電機.最高轉差頻率是變頻器重要參數之一!這種控制需要加裝速度傳感器,用于轉差運算的電路,其他狀態(tài)檢測電路,電流負反饋等電路.特點:加減速響應速度快\動態(tài)特性較好\運行穩(wěn)定2.4變頻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電機產生轉矩的原理:與磁場垂直的載流導體產生的電磁力.轉矩的大小為磁場與電流的積.交流電機能否按直流電機產生磁場的原理去理解呢?

將交流電機的定子電流分解為勵磁分量與轉矩分量.控制定子電流的大小和相位,實現轉矩控制—矢量控制.廣泛應用的兩種矢量控制:基于轉差頻率的矢量控制

無速度傳感器的矢量控制2.4變頻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電機產生轉矩的原理:與磁場垂直的載流導體產生的電磁力.轉矩的大小為磁場與電流的積.交流電機能否按直流電機產生磁場的原理去理解呢?

將交流電機的定子電流分解為勵磁分量與轉矩分量.控制定子電流的大小和相位,實現轉矩控制—矢量控制.廣泛應用的兩種矢量控制:基于轉差頻率的矢量控制

無速度傳感器的矢量控制2.4變頻器的控制方式和原理3.矢量控制基于轉差頻率的矢量控制左圖:簡化等值電路,忽略勵磁電阻\轉子漏電抗右圖:電流矢量圖(相量圖)控制手段:控制I1的大小和相位,實現對IM和I2的控制2.4變頻器的控制方式和原理3.矢量控制基于轉差頻率的矢量控制的基本原理:當負載轉矩發(fā)生變化時,為了使轉速不發(fā)生大波動,電機的轉矩也作相應調整.調整電磁轉矩時,使定子電流勵磁分量不變,調節(jié)轉矩分量,即.如圖示:當需要將調節(jié)到時,

也相應的調整到對應的定子電流的大小和相位都發(fā)生了變化!電源的電壓大小\相位與頻率也需要作出對應的調整.2.4變頻器的控制方式和原理3.矢量控制基于轉差頻率的矢量控制的數量關系:按轉差頻率控制確定電源頻率f和電壓U確定定子電流的相位2.4變頻器的控制方式和原理3.矢量控制基于轉差頻率的矢量控制的數量關系:普通轉差控制(a)沒有相位控制,轉矩調節(jié)有波動轉差矢量控制(b)轉矩響應速度快,運行穩(wěn)定2.4變頻器的控制方式和原理3.矢量控制無速度傳感器的矢量控制基于磁場定位矢量控制的思想：將電壓、電流矢量向磁場方向及其垂直方向投影，得到勵磁分量與轉矩分量。采用與直流電機相類似的方法控制交流電機。在氣隙磁場需要用傳感器檢測的情況下（磁場在旋轉），該理論很少應用于實際。矢量控制以轉差矢量控制為主氣隙磁場能夠通過狀態(tài)觀測器重構—推動無速度傳感器矢量控制的應用發(fā)展。2.4變頻器的控制方式和原理3.矢量控制速度的推算2.4變頻器的控制方式和原理3.矢量控制無速度傳感器的矢量控制2.4變頻器的控制方式和原理3.矢量控制帶有速度傳感器的矢量控制方框圖（本部分請參照《自動控制系統》交流調速部分）2.4變頻器的控制方式和原理4.提高轉矩控制性能的措施對電機的矢量控制需要電機模型、電機參數算法中運用的參數與實際不符，會導致控制性能很差電機在運行時，轉子的電阻參數受溫度影響比較大（如，溫升達80℃，轉矩的偏差達30%）解決方法：

1）采用檢測電機溫升，按照一定規(guī)則調速電機模型參數；--需要裝設傳感器和配套電路，成本提高。2）采用模型辨識的方法，在線自動辨識電機參數，相應調整算法，實現自適應控制。--不需要另外增加設備，但是實現的理論復雜，算法的穩(wěn)定性很重要。2.4變頻器的控制方式和原理4.提高轉矩控制性能的措施轉子等效電阻參數存在誤差時，對轉矩控制的影響：2.4變頻器的控制方式和原理4.提高轉矩控制性能的措施按溫升補償轉子電阻參數的變化自適應控制系統的框圖2.4變頻器的控制方式和原理5.幾種控制方式的比較V/f控制變頻器★屬于開環(huán)控制，控制方法簡單，易于實現，成本低。但是調速精度，速度的穩(wěn)定性都不高。適用于不需要精確調速的場合，主要用于節(jié)能。轉差頻率控制變頻器★★屬于速度閉環(huán)控制，是對V/f控制的改進。能夠實現較精確的調速控制，動態(tài)性能較好；但是轉矩會波動，需要速度傳感器。由于電路復雜程度和矢量控制相差不大，且動態(tài)性能不如矢量控制，有被矢量控制代替的趨勢2.4變頻器的控制方式和原理5.幾種控制方式的比較矢量控制★★★屬于閉環(huán)控制，基于轉差頻率的矢量控制和無速度傳感器矢量控制系統是較為理想的控制方式：調速范圍寬、精度高、起制動速度快、動態(tài)性能好?；谵D差頻率矢量控制需要速度傳感器，使系統的可靠性下降。無速度傳感器的矢量控制，電路與算法復雜，在參數偏離較遠時性能欠佳。2.4變頻器的控制方式和原理5.幾種控制方式的比較2.4變頻器的控制方式和原理5.幾種控制方式的比較2.4變頻器的控制方式和原理6.高性能的無速度傳感器矢量控制無速度傳感器系統----需要轉速估算，尤其是低速情況下的估算。估算依據是電機模型。電機模型參數的準確性決定了變頻器的性能。參數通過自整定的方法能夠部分解決問題（高速區(qū)）。但是低速估算誤差較大。為進一步提高性能，提出雙狀態(tài)觀測器估算轉速的方法方法：磁鏈觀測器模型—用于低速速度估算電壓/電流觀測器模型—用于高速速度估算使調速的范圍得以擴展，精度得到提高。2.4變頻器的控制方式和原理6.高性能的無速度傳感器矢量控制無速度傳感器系統----需要估算轉速，尤其是低速情況下的估算。估算依據是電機模型，精度取決于參數的精度。通過參數自整定的方法能使電機在參數發(fā)生變化時及時予以校正，能夠解決部分問題，但是精度不高。為進一步提高性能，提出雙狀態(tài)觀測器估算轉速的方法方法：磁鏈觀測器模型—用于高速速度估算電壓/電流觀測器模型—用于低速速度估算充分利用兩種模型的互補性使變頻器調速的范圍得以擴展，精度得到提高。2.4變頻器的控制方式和原理6.高性能的無速度傳感器矢量控制含有雙狀態(tài)觀測器的無速度傳感器矢量控制系統2.4變頻器的控制方式和原理6.高性能的無速度傳感器矢量控制雙狀態(tài)無速度傳感器矢量控制目前屬較新的研究熱點。隨著專用CPU、ASIC一類的電子器件與技術的推廣應用，可靠性提高，調速性能提升較快。見教材：安川低頻區(qū)的輸出轉矩大幅度提升。需要注意：

1）無速度傳感器省了傳感器，實現了閉環(huán)控制，減少了維護量；但在低速區(qū)，與有速度傳感器的矢量控制相比，精度明顯較低。選用無速度傳感器矢量控制時要慎重。2）很多公司推出具有前述多種控制方式的通用型變頻器，應根據實際需要正確選型。2.5變頻器中的半導體開關器件本節(jié)主要包括以下內容（簡介）晶閘管、可關斷晶閘管GTO、晶體管GTR、功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBTIPM智能功率模塊ASIPM用戶專用智能功率模塊DIP-IPM小封裝智能功率模塊SiC

半導體功率器件復合模塊2.5變頻器中的半導體開關器件1.晶閘管、可關斷晶閘管GTO、晶體管GTR導通條件:正向陽陰極電壓,門極觸發(fā)電流.不能自關斷,需要在外部條件配合(陽陰反向電壓強迫換流)制造工藝簡單,能承受很大電流,但是控制電路復雜.在1000KVA以上大容量變頻器中還有大量應用晶閘管2.5變頻器中的半導體開關器件1.晶閘管、可關斷晶閘管GTO、晶體管GTR通過門極信號開通和關斷主電路.電路結構相對于晶閘管電路簡單,成本低.脈沖換流,噪聲小.易于實現脈寬調制控制有取代晶閘管的趨勢,大功率變頻器.門極控制電流較大;開關速度慢.可關斷晶閘管GTO2.5變頻器中的半導體開關器件1.晶閘管、可關斷晶閘管GTO、晶體管GTR工作原理與晶體管相同內部具有達林頓(復合)結構,擴大容量GTR以NPN為主自關斷能力—斷開基極電流即關斷極電極電流開關速度快,功耗小大量應用于中小功率PWM變頻器功率晶體管GTR2.5變頻器中的半導體開關器件2.功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBT工作原理與普通MOSFET相同比前述的三種器件開關速度快一個數量級電壓型驅動器件,驅動功率小耐過流能力強,抗干擾能力強安全工作區(qū)寬主要用于小容量變頻器功率MOSFET2.5變頻器中的半導體開關器件2.功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBT線性區(qū)(區(qū)域A),MOSFET通態(tài)電阻較大飽和區(qū)(區(qū)域B),MOSFET漏極電流更穩(wěn)定—恒流源晶體管輸出特性與功率MOSFET的輸出特性對比2.5變頻器中的半導體開關器件2.功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBT功率MOSFET開關動態(tài)特性開關動態(tài)特性:開關速度快,開關頻率在晶體管基礎上提高1-2個數量級2.5變頻器中的半導體開關器件2.功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBT功率MOSFET驅動要求:柵源驅動電壓低于20V(一般取15V),且防止發(fā)生振蕩;驅動的輸出阻抗要匹配;驅動直流電源對“地”可浮動—隔離.2.5變頻器中的半導體開關器件2.功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBT隔離門極雙極型晶體管IGBT相當于MOS管與晶體管復合器件具有MOS開關速度快的特點具有晶體管導通電阻小的特點耐過流能力強,抗干擾能力強主要用于中小容量變頻器—主流器件2.5變頻器中的半導體開關器件2.功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBT隔離門極雙極型晶體管IGBT開關動態(tài)特性2.5變頻器中的半導體開關器件2.功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBT隔離門極雙極型晶體管IGBT驅動EXB系列原理圖2.5變頻器中的半導體開關器件2.功率MOSFET、隔離門極雙極型晶體管IGBT隔離門極雙極型晶體管IGBT驅動EXB系列(富士)EXB850,851標準型EXB840,841高速型2.5變頻器中的半導體開關器件以上器件為傳統器件,在實際中應用的范圍比較:2.5變頻器中的半導體開關器件3.智能功率模塊IPM(傻瓜式開發(fā)器件)開關器件+驅動電路+過壓保護+過流保護+過熱保護優(yōu)點:開關速度快功耗小過流過熱欠壓保護抗干擾能力強外圍擴展簡單,縮短開發(fā)時間無需防靜電體積小單元IPM2.5變頻器中的半導體開關器件4.用戶專用智能功率模塊ASIPM整流+制動+逆變電路+驅動電路+電流檢測+保護專為小型變頻器變頻器設計,簡化電路\降體積\降成本2.5變頻器中的半導體開關器件5.小封裝智能功率模塊DIP-IPM幾乎是一個完整的變頻器,將電路連接減小至最少;適用于家電和小型變頻電器(低成本\高可靠性\小體積\易使用)優(yōu)點:

開關速度快低功耗抗干擾能力強過流欠壓保護工業(yè)級絕緣2500V

開發(fā)簡單高電平驅動,可直接連接2.5變頻器中的半導體開關器件2.5變頻器中的半導體開關器件6.碳化硅SiC半導體功率器件與復合模塊碳化硅SiC半導體功率器件新型半導體器件,性能優(yōu)于傳統摻雜半導體和砷化鎵半導體器件,主要表現:高禁帶寬度高飽和電子漂移速度—開關速度高,導通電阻低高擊穿強度—高耐壓強度低介電常數—寄生電容小高熱導率—散熱性能好應用于射頻\微波\高頻等領域,Motorola\GE\西屋\ABB已經研制出部分器件.

SiC器件接近理想器件的性能,但還有很多問題需要解決,大規(guī)模推廣應用尚需時日.2.5變頻器中的半導體