第27次课 变频器基础知识一

常用电机驱动装置应用二电气化教研室《常用电机驱动装置应用》课程组四川工程职业技术学院电气系电气化教研室2常用电机驱动装置应用二绪论1步进电机驱动器2变频器3直流调速器4软启动器5四川工程职业技术学院电气系电气化教研室33、变频器3.1变频技术3.2变频器基本知识四川工程职业技术学院电气系电气化教研室43.1变频技术一、变频技术概念（广义）：把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电等技术的总称。这一切是电能不发生变化，而只有频率发生变化。二、变频技术用途：1、标准50HZ交流电：人造卫星，大型计算机2、不间断电源3、中频装置：金属熔炼、感应加热、机械零件淬火4、变频调速：三相电机和同步电机的调速四川工程职业技术学院电气系电气化教研室53.1变频技术三、变频原理变频分交-交变频和交-直-交变频。（一）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）。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室63.1变频技术1、交交变频工作原理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(a)所示.四川工程职业技术学院电气系电气化教研室73.1变频技术1、交交变频工作原理结合图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90o，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(b)。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室83.1变频技术图3-4交—直—交变压变频电路框图（二）交-直-交变频四川工程职业技术学院电气系电气化教研室93.1变频技术1、交-直-交变频原理（1）常用交-直-交变频电路：交-直-交PWM变压变频器四川工程职业技术学院电气系电气化教研室103.1变频技术（2）常用交-直-交变频电路优点：A、可以得到相当接近正弦波的输出电压。B、整流电路采用二极管，可以获得接近1的功率因数。C、只用一级可控的功率环节，电路结构简单，成本降低。D、通过对输出脉冲宽度的控制就可以改变输出电压，大大加快了变频器的动态响应，提高调节速度，改善运行性能。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室116-113.1变频技术2、PWM(PulseWidthModulation)控制PWM就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室126-12（1）PWM基本知识PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。（PAM（幅度调制）,PCM（编码调制））PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因此，本章和第5章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。3.1变频技术四川工程职业技术学院电气系电气化教研室136-133.1变频技术（2）PWM重要理论基础——面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)四川工程职业技术学院电气系电气化教研室146-143.1变频技术b)图6-2冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）u(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)－输出电流，是电路的响应。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室153.1变频技术如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？OuωtSPWM波OuωtOuωt四川工程职业技术学院电气系电气化教研室166-163.1变频技术若要改变等效输出正弦波幅值，怎么办？按同一比例改变各脉冲宽度即可。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室176-173.1变频技术OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室186-183.1变频技术（3）PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波可等效的各种波形直流斩波电路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形等效的PWM波0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms-20V0V20V四川工程职业技术学院电气系电气化教研室193.1变频技术（4）PWM实现方法A、计算法B、调制法A、计算法：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室206-203.1变频技术工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud。B、调制法图6－4单相桥式PWM逆变电路结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明四川工程职业技术学院电气系电气化教研室216-213.1变频技术B、调制法图6－4单相桥式PWM逆变电路V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0在负载电流为负期间，V1和V4导通，电流通过VD1和VD4续流，uo=0V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室226-223.1变频技术ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，请同学们自己分析。图6-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室236-233.1变频技术图6-5双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室246-243.1变频技术目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室253.1变频技术3、交-直-交变频主电路四川工程职业技术学院电气系电气化教研室26（1）、交－直变换部分VD1～VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。滤波电容器CF作用：滤除全波整流后的电压纹波；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。限流电阻RL和开关SLRL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）。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）。3.1变频技术四川工程职业技术学院电气系电气化教研室27（2）能耗电路部分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－）。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。3.1变频技术四川工程职业技术学院电气系电气化教研室28（3）直－交变换部分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。续流二极管VD7～VD12作用：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”；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；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。3.1变频技术四川工程职业技术学院电气系电气化教研室293.1变频技术（4）缓冲电路缓冲电路如图2所示。四川工程职业技术学院电气系电气化教研室30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。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。R01～R06逆变管V1～V6由截止到导通的瞬间，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。VD01～VD06R01～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。3.1变频技术四川工程职业技术学院电气系电气化教研室313.1变频技术4.3交-交与交-直-交变频器之比较交-交变频器交-直-交变频器交-交变频过载能力强效率高输出波形好但输出频率低使用功率器件多输入无功功率大高次谐波对电网影响大交-直-交变频结构简单输出频率变化范围大功率因数高谐波易于消除可使用各种新型大功率器件交-交与交-直-交变频器之比较