1、变频器及应用技术,第 2 章,变频器主电路,变频变压的实现SPWM交直交变频器主电路矢量变频控制变频器的选型,一、变频基本原理,1. 单相逆变桥原理,a）单相逆变桥电路 b）负载所得电压波形,2. 变频方法,a）频率较高 b）频率较低,3. 三相逆变桥,a）三相逆变电路 b）输出电压波形,二、 交直交变频器,1 . 组成框图,2. 变压方法,在逆变器输入端调节整流电压，称为脉幅调制PAM，逆变器只调节频率。,可控整流，通过对触发脉冲的相位控制获得可调直流电压。但电网侧功率因数低，特别是低压时更为严重。,不可控整流器整流，在直流环节增加斩波器以实现调压，电网侧的功率因数得到改善。,一、变压又变频
2、的方法,1. 交直交,a）电路框图 b）频率较高 c）频率较低,输出电压为方波，电流为正弦波,（1）电压型脉宽调制（PWM）,（2）电流型,输出电压为正弦波，电流为方波,串联二极管式电流型变频器主电路及电流波形,2. 电压型正弦波脉宽调制（SPWM）,3. SPWM的实现,（1）单极性调制,a）频率较高 b）频率较低,采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果，输出电流近似正弦波。,（2） 双极性脉宽调制,二、控制芯片,DSP 电机控制专用CPUTI公司产品实时控制，快速处理数据同一机器周期同
3、时处理多条指令CPLD 大规模可编程逻辑阵列XILINX产品系统逻辑构成和保护电路简化数字逻辑MCU 单片机ATMEL公司产品显示与键盘,控制线路板,三、功率器件,电机控制算法,功率器件,V/F控制,SCR,GTR,矢量控制,IGBT,计算机技术,单片机 DSP,IGBT大容量IPM,更高速率和容量,如，矩阵式变频器,大功率传 动使用变 频器，体 积大，价 格高,未来发展方向 完美无谐波，,PWM技术,SPWM技术,PWM优化 新一代开关技术,无速度矢量控制 电流矢量V/F,70年代,80年代,60年代,90年代,高速DSP 专用芯片,2000年代,超静音变频器开始流行 解决了GTR噪声问题
4、变频器性能大幅提升 大批量使用，取代直流,算法优化,更大容量更高开关频率,PWM技术,空间电压矢量 调制技术,变频器体 积缩小， 开始在中 小功率电 机上使用,）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形,串联二极管式电流型变频器主电路,1. 晶闸管（SCR）,）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形,2. GTR,GTR模块（单桥）,）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形,3. IGBT,单管IGBT,单桥IGBT模块,全桥IGBT模块,5. IGBT的驱动模块,EXB 850,教材P39 图1-38,IPM （智能功率模块）,PIM（功率集成模块）,6. IPM模块和PIM模块,主电路组成,1）整流电路的功能
5、是把交流电源转换成直流电源。三相线电压为380V时，整流后峰值为电压537V，平均电压为515V，最高不能超过760V，整流器件一般采用整流二极管或模块。2）整流桥与滤波电容之间，有Rs为充电（限流）电阻，当变频器刚拉入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，使整流桥可能因此而受到损坏。如果电容量很大，不会使电源电压瞬间下降而形成对电网的干扰；Ks为短路开关或晶闸管组成的并联电路，充电电阻如长期接在电路内，会影响直流母线电压UD和变频器输出电压的大小。所以，当UD增大到一定程度时， Ks 接通把Rs 切出电路。 Ks 有用晶闸管也有用继电器触点构成。3）C1和C2应是并联、串联
6、的电容器组，由于C1和C2的电容量不能完全相等（承受电压较高一侧电容器组容易损坏），因此并联一个阻值相等的均压电阻R1和R2，使得 UD1 、UD2 电压相等。,整流与滤波,1）在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于转子惯性的原因，电动机的转速未变，当同步转速低于转子转速时，转子绕组切割磁力线的方向相反了，转子电流的相位几乎改变180，使电动机处于发电状态，也称为再生制动状态。2）电动机再生的电能经续流二极管（D1D6）全波整流后反馈到直流电路中，由于直流电路的电能无法回输给电网，只能由C1和C2吸收，使直流电压升
7、高。过高的直流电压将使变流器件受到损害。因此，直流电压超过一定值时，就要提供一条放电回路。3）能耗电路由制动电阻RB和制动单元VB构成。当直流回路电压UD超过规定值时，VB导通，使直流电压通过RB释放能量，降低直流电压。而当UD在正常范围内时VB截止，以避免不必要的能量损失。,制动电路,1）逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，根据确定的时间相应功率开关器件导通和关断，从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互相差120的三相交流电压。 2）逆变电路由开关器件V1V6构成，目前大部分使用IGBT管，最新技术是智能功率模块IPM。3）续流电路由D1D6组成。作用是
8、为电动机绕组的无功电流提供返回通道；为再生电能反馈提供通道；为寄生电感在逆变过程中释放能量提供通道。4）缓冲电路。逆变管在截止和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损伤。因此每个逆变管旁还应接入缓冲电路，以减缓电压和电流的变化率。,逆变电路,一、整流与滤波电路,1滤波电容要均压,整流桥,2充电过程要限流,合上电源时的充电过程a）直接充电 b）加入限流电阻,3直流电源指示为安全,直流电路的电源指示,二、逆变电路,1逆变电路的结构与输出电压,2. 功率管旁反并联二极管,电动机状态时的电流路径,发电机状态时的电流路径,3. 缓冲电路,缓冲电路的主要作用是减小IGBT从饱和转为
9、截止时，C-E之间的电压变化率。当VI1从饱和状态转为截止状态时，C-E间的电压将有接近于0迅速上升为直流电压（513V），过高的电压变化将使IGBT损坏。,1）电容C1的作用。当VI1从饱和转为截止时，C-E间电压UCE的上升速率减缓。2）电阻R1的作用。当VI1从截止转为饱和导通时，C1放电，RI可以减小放电电流。3）二极管VD1额作用。克服R1影响C1减缓电压变化率的作用。,4. 逆变桥输出的禁忌,（1）主电路的输入、输出不允许接错,a）电源接至输出侧 b）接错的后果,（2）输出侧不能接电容器,适用于小功率（5.5KW),适用于中大功率（5.5kW以上）,220V,键盘,控制板,5. 主
10、电路,220V/380V,键盘,控制板,适用于小功率（5.5kW）,变频器内部组成,控制线路板,逆变器输出三相电源（U、V、W）线棒,电网三相电源（R、S、T）接线端子,U、V、W及接地等接线端子,电流传感器,大功率晶体管模块,整流元件,正弦波脉宽调制（SPWM）着眼于对电压进行控制，使输出电压尽可能等效成正弦波。实际上，对电动机电流的控制更为重要，电流跟踪型PWM直接控制输出电流，使之跟踪正弦给定电流的变化。,1. 电流跟踪型PWM（滞环电流跟踪）,在电流跟踪型PWM方法中，将电流波形作为指令信号，将实际电流作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路相关功率开关器件的通断，使实际的输出
11、跟踪指令信号的变化。,以U相为例，逆变电路U相上桥VT1导通、下桥VT4关断时，电流上升。当实际电流上升到滞环上限时，U相下桥VT4导通、上桥VT1关断，电流开始衰减；当电流达到滞环下限时，VT4关断，VT1又导通，以次类推。以这样的方式获得的PWM使VT1和VT4通断，实际电流在所设定的上下误差范围（滞环宽度）内变化，以跟踪指令电流。,滞环宽度（HB）,四、PWM的其他方式,2. 空间矢量PWM（SVPWM）,空间矢量PWM（SVPWM，Space-Vector PWM）是一种先进的、计算机高度介入的PWM方法，也是交流电动机变频驱动PWM最好的方法。SPWM着眼于使输出电压尽可能等效于正弦
12、波，而电流跟踪型PWM直接控制输出电流，使之跟踪正弦给定电流。SVPWM则是以形成圆形旋转磁场为控制目的，使三相对称正弦电流在电动机定、转子气隙中形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的转矩。,在SPWM和电流跟踪型PWM控制中，因为一个周期内逆变器的工作状态只切换6次，因此，生成的驱动电源在电动机中产生的旋转磁场为正六边形的磁链轨迹，由此产生的转矩肯定是脉动的。,一、矢量控制基本概念,矢量控制理论上世纪70年代西门子公司工程师F.Blaschke首先提出，用来解决交流电动机控制问题。磁场定向原理：分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转距的目的。利用“等效”的概念，将异
13、步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅度和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。,1. 控制策略,不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机的转距。异步电动机上需同轴安装编码器，用于转子角位移测量和转速测量。矢量变频器具有异步电动机参数自动检测、辩识和自适应等功能。在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对异步电动机进行有效的矢量控制。,2. 矢量控制的性能特点,二、电动机参数的自动测量,（1
14、）电动机的铭牌数据电压、电流、转速、磁极对数、效率等。 （2）电动机的绕组数据定子电阻、定子漏磁电抗、转子等效电阻、转子等效漏磁电抗、空载电流等。,1矢量控制需要的参数,自动测量相关功能（安川CIMRG7A）,2自动测量的操作,（1）旋转自测量（相当于空载试验）电动机脱离负载。变频器通电，按下RUN键，先让电动机停止1分钟，再让电动机旋转1分钟（转速约为额定转速的一半）。按下STOP键，中止自测量。（2）停止自测量（相当于堵转试验）电动机不脱离负载。变频器通电，按下RUN键，让电动机停止1分钟。按下STOP键，中止自测量。,静止三相交流绕组,在三相交流绕组U、V、W中通入电流iU、iV、iW，
15、产生合成磁动势F，并以同步转速1旋转。,在两相静止绕组、中通入电流i、i，也可以产生大小和转速相同的旋转磁动势F，则两相绕组与三相绕组是等效的。从、轴变换到d、q轴需借助的运算。,在以1旋转的两相绕组d、q中通入直流电流id、iq，则产生的磁动势F与静止三相和两相绕组是等效的。其中，id相当于直流电动机中的励磁电流，iq相当于与转矩成正比的电枢电流。为轴与d轴的夹角，随时间而变化，通过检测定子电压、电流和转速实时计算获得。,3. 矢量等效变换,W,4. 矢量控制框图,三、有速度反馈/无速度反馈矢量控制,1. 有速度反馈矢量控制,a）有反馈矢量控制电路图 b）机械特性曲线簇,有反馈矢量控制的相关
16、功能（艾默生TD3000）,为了满足高精度转速闭环控制及磁场定向的需要，常规的方法就是在电动机轴上安装速度传感器，如光电编码器等。所谓无速度传感器矢量控制是指取消调速系统中的速度检测装置，通过间接计算的方法求出电动机运行的实际转速值作为转速反馈信号。,2. 有速度反馈矢量控制,a）无反馈矢量控制示意图 b）机械特性曲线簇,4、矢量变频调速的适用范围,a）带多台电动机 b）容量差两档以上 c）8极以上 d）特殊电机,不宜采用的场合,（1）矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下。 （2）电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能相差一个档次。（3）磁极数一般以、极为宜。 （4）
17、特殊电动机不能使用矢量控制功能。,四、直接转矩控制,直接转矩控制DTC（Direct Torque Control）是继矢量控制VC之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，于1985年由德国M.Depnbrock首先提出来。直接转矩控制是因为利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩而得名。直接转矩控制是建立在定子静止两相坐标基础上的，采用定子磁场定向方法，这与矢量控制不同，矢量控制采用转子磁场定向方法。直接转矩控制在低速时转矩有脉动现象，且调速范围不够宽。,一、变频器容量的选择,1电动机与变频器额定电流的比较,2变频器的额定电流与载波的关系,西门子440系列变频器不同载波频率时
18、的额定电流（22kW）,载波频率越高，电动机的电磁噪音越低，但电流降低，输出转矩减小，变频器升温。建议，变频器容量7.5kW，载波频率不大于7kHz，大功率不大于6kHz。,1变频器容量和电动机负载的关系,a）电动机发热，变频器跳闸 b）电动机不发热，变频器不跳闸,（1）变频器的容量与电动机的运行电流无关。 （2）加大变频器的容量，可防止过电流跳闸。,二、负载工况与变频器容量的关系,a）连续不变负载 b）连续变动负载 c）断续负载,2. 负载工况及温升,3一台变频器带多台电动机,（1） 多台电动机同时起动和运行,IN1. 051.1IMN,（2）多台电动机分别起动、制动,K1安全系数。后起动电
19、动机都从停止状态 起动时，K1=1.2；后起动电动机有可能从自由制动状态下重新起动时，K1=1.52； K2变频器的过载能力，K2=1.5； IST电动机起动电流，为额定电流的57倍。,常见变频器的类别及应用特点,通用和矢量变频器的要用场合,1）充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可。 2）了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。3）确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器。 以下情况要考虑容量放大一档：(1)长期高温大负
20、荷 (2)异常或故障停机会出现灾难性后果的现场(3)目标负载波动大 (4)现场电网长期偏低而负载接近额定 (5)绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）,变频器选择原则小结,对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则： 以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器 （1）电机功率大于55kW以上 （2）电网品质恶劣或容量偏小的场合 如不选用可能会造成干扰，三相电流偏差大，变频器频繁跳闸 以下情况要选用交流输出电抗器 变频器到电机线路超过100米（一般原则） 以下情况一般要选用制动单元和制动电阻 （1）提升负载 （2）频繁快速加减速 （3）大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）,变频器配件选择原则小结,欧美品牌 西门子、科比、伦茨、施耐德、ABB、丹佛斯、ROCKWELL、VACON、 AB、西威 日本品牌 富士、三菱、安川、三垦、日立、欧姆龙、松下电器、松下电工、东芝、明电舍国产品牌 安邦信、佳灵、森兰、英威腾、康沃、科姆龙、惠丰港台品牌 台达、普传、台安、东元、美高 韩国品牌 LG 、现代、三星、收获,市场上常见变频器品牌,
