变频器工作原理

变频器•一、变频器概述•二、变频器基本原理•三、变频器的保护功能•四、变频器的干扰及预防措施•五、变频器应用一、变频器概述•三相交流异步电机的结构简单、坚固、运行可靠、价格低廉，在冶金、建材、矿山、化工等重工业领域发挥着巨大作用。人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。如果实现交流调速，每台电机将节能20%以上，而且在恒转矩条件下，能降低轴上的输出功率，既提高了电机效率，又可获得节能效果。•异步电机调速系统的种类很多，但是效率很高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无级调速。变频器可把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电。•随着电力电子技术的发展，出现了高耐压、大功率、具有自关断的全控型电力电子器件，它具有驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电路中可极大提高变频的性能。•脉宽调制（PWM)变频就是把通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频中，可使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。•采用全数字微机控制技术，使变频器减小了体积、降低了成本、提高了效率、增强了功能。•以上三种技术的应用，使电机基本能够平稳运行、无噪声、无抖动。交流变频调速已成为电气调速传动的主流。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱等家电中。一、变频器概述•（一）变频器的功用•变频器的功用是将频率固定(通常为工频50HZ)的交流点(三相的或单相的)交换成频率连续可调的三相交流电源。•如下图2.1所示，变频器的输入端(R,S,T)接至频率固定的三相交流电源，输出端(U,V,W)输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。•VVVF(VariationVoltageVariationFrequency)频率可变、电压可变。变频器概述（二）变频器主要功能•一、软启动马达•二、调频调压调电流•三、空（轻）载时能在维持转速的时候减少电流（节能）•变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节能效果明显！•（三）变频器的核心是电力电子器件及控制方式•1.电力电子器件的发展•20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器件，以晶闸管元件为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。•80年代中期以后采用第二代电力电子器件GTR.CTO,VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。•随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速装置(1-1000kw)主要采用IGBT，大功率的变频调速装置(1000-10000kW)采用GTO器件。•20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，如高压IGBT,IGCT,IEGT,SGCT、智能功率模块IPM等。•2.控制方式•变频器用不同的控制方式，得到的调速性能、特性及用途是不同的。•控制方式大体分为开环控制及闭环控制。•开环控制有U/f电压与频率成正比的控制方式•闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。•现在矢量控制可以实现与直流机电枢电流控制相媲美，直接转矩控制直接取交流电动机参数进行控制，其方便准确精度高。二、变频器基本原理•（一）变频调速的构成•要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。现代的变频器都是由大功率电子器件构成的。相对于旋转变频机组，被称为静止式变频装置，是构成变频调速系统的中心环节。一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路3大部分组成，静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对象—感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担。（二）变频调速的基本要求•为了充分利用铁心材料，在设计电动机时，总是让电动机在额定频率和额定电压下工作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此，在电动机调速时，希望保持每极磁通量为额定值不变。如果过分增大磁通又会使铁心过分饱和，从而导致励磁电流急剧增加，绕组过分发热，功率因数降低，严重时甚至会因绕组过热而损坏电动机。故而希望在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速，这样，调速时才能保持电动机的最大转矩不变。memememe•（三）变频器的分类•1.按变换环节分:•(1)交-交变频器•把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电，又称直接式变频器。•(2)交-直-交变频器•先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电，又称间接式变频器。•2.按电压的调制方式分:•(1)PAM(脉幅调制)变频器•输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。•(2)PWM(脉宽调制)变频器•输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。•目前普通应用的是占空比按正弦规律安排的正弦脉宽调制(SPWM)方式。•3.按直流环节的储能方式分（对交直交）:•(1)电流型•直流环节的储能元件是电感线圈LF,如图所示。•(2)电压型•直流环节的储能元件是电容器CF,如图所示。（四）交-交与交-直-交变频器•4.1交-交变频器工作原理•4.2交-直-交变频器工作原理•4.3交-交与交-直-交变频器的比较交交变频交交变频电路，也称周波变流器把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。（由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成）。•4.1交-交变频器工作原理•单相交交变频电路原理图和输出电压波形•三相输入单相输出的交交变频电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，其结构如图1(a)所示.•结合图1(a)，下面分析三相输入单相输出的交交变频电路的工作原理：•P组工作时，负载电流io为正；N组工作时，io为负；两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电；改变切换频率，就可改变输出频率wo；改变变流电路的控制角α，就可以改变交流输出电压幅值；为使uo波形接近正弦，可按正弦规律对α角进行调制，在半个周期内让P组α角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。uo由若干段电源电压拼接而成，在uo一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波如图1(b)。oioi0i0i0i•4.2交-直-交变频器•其结构如下，它由主电路和控制电路组成。•交-直-交变频器主电路•目前，通用型变频器绝大多数是交—直—交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，其主电路图（见图1.1），它是变频器的核心电路，由整流电路（交—直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直—交变换）组成。•一、交－直变换部分•1、VD1～VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。•2、滤波电容器CF作用：•（1）滤除全波整流后的电压纹波；•（2）当负载变化时，使直流电压保持平衡。•因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。•3、限流电阻RL和开关SL•RL作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。•SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。•4、电源指示HL•作用：除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能进行拆线等操作）。•二、能耗电路部分•1、制动电阻RB•变频器在频率下降的过程中，将处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都有外接端子（如DB＋，DB－）。•2、制动单元VB•由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其作用是为放电电流IB流经RB提供通路。•三、直－交变换部分•1、逆变管V1～V6•组成逆变桥，把VD1～VD6整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心部分。•2、续流二极管VD7～VD12•作用：（1）电机是感性负载，其电流中有无功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”；•（2）频率下降，电机处于再生制动状态时，再生电流通过VD7～VD12整流后返回给直流电路；•（3）V1～V6逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要VD7～VD12提供通路。•四、缓冲电路•缓冲电路如图2所示。•逆变管在导通和判断的瞬间，其电压和电流的变化率是比较大的，可能全逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁边还要接入缓冲电路，其作用就是减缓电压和电流的变化率。•1、C01～C06•逆变管V1～V6每次由导通到截止的判断瞬间，集电极C和发射极E间的电压将迅速地由0V上升为直流电压UD。过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。C01～C06的作用就是减小逆变管由导通到截止时过高的电压增长率，防止逆变损坏。•2、R01～R06•逆变管V1～V6由导通到截止的瞬间，C01～C06所充的电压（等于UD）将V1～V6放电。此放电电流的初值很大，并且叠加在负载电流上，导致逆变管的损坏。R01～R06的作用就是限制逆变管在导通瞬间C01～C06的放电电流。•3、VD01～VD06•R01～R06的接入，又会影响到C01～C06在V1～V6关断时减小电压增长率的效果。VD01～VD06接入后，在V1～V6关断过程中，使R01～R06不起作用；而在V1～V6接通过程中，又迫使C01～C06的放电电流流经R01～R06。•交-直-交变频器控制电路•控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入/输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及各种保护功能等，可采用模拟控制或数字控制。•高性能的变压器目前已采用嵌入式微型计算机进行数字控制，采用尽可能的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。•按照不同的控制方式，又可将间接变频装置分为下图中的(a)、(b)、(c)3种。•1.可控整流器变压、变频器变频•调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合．．这种装置结构简，控制方便，输出环节用由晶闸管(或其他电子器件)组成的3相6拍变频器(每周换流6次)，但由于输入环节采用可控整流器，在低压深控时电网端的功率因数较低，还将产生较大的谐波成分，一般用于电压变化不太大的场合•2.直流斩波器调压、变频器变频•采用不可摔整流器，保证变频器的电网侧有较高的功率因数，在直流环节上设置直流斩波器完成电压调节。这种调压方法有效地提高了变频器电网侧的功率因数，并能方便灵活地调节电压，但增加了一个电能变换环节——斩波器，该方法仍有谐波较大的问题。•3.变频器自身调压、变频•采用不可控整流器，通过变频器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的。这种方法称为脉宽调制(PWM)。因采用不可控整流，功率因数高；因用PWM逆变，谐波可以大大减少。谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时问的限制。•若仍采用普