变频器的基本控制原理

TN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page1JINXIN上海津信变频器有限公司整流器中间电路逆变器电动机控制电路图1：变频器的简图1.可控整流器整流器2.不可控整流器3.可变直流电流的中间电路5中间电路4.固定直流电压的中间电路5.可变直流电压的中间电路6.脉冲幅度调制逆变器逆变器7.脉冲宽度调制逆变器电流源逆变器：CSI（1+3+6）脉冲幅度调制逆变器：PAM（1+4+7），（2+5+7）脉冲宽度调制逆变器：PWM/VVCplus（2+4+7）图2：不同的设计及控制原理变频器的基本控制原理自六十年代后期以来，由于微处理器和半导体技术的发展及其价格的降低，使变频器发生了很大的变化。但是，变频器的基本原理并没有变。变频器可以分为四个主要部分：1.整流器它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。整流器有两种基本类型：可控的和不可控的。2.中间电路它有以下三种类型：a)将整流器流电压变换成直流电流。b)使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。c)将整流后固定的直流电压变换成可变的直流电压。3.逆变器它产生电动机电压的频率。另外，一些逆变器还可以将固定的直流电压变换成可变的交流电压。4.控制电路它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号，具体被控制的部分取决于各个变频器的设计（参见图2）。变频器都有是由控制电路利用信号来开关逆变器的半导体器件，这是所有变频器的共同点。变频器可以依据控制输出电压的开关模式来分类。图2示出变频器不同的设计及控制原理。为了全面，还应该简要地提一下没有中间电路的直接变频器。这种变频器用于功率等级为兆瓦级的地方，它们直接将50Hz电源变换为一个低频电源。其最大输出频率约为30Hz。TN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page2JINXIN上海津信变频器有限公司图3：单相及三相交流电压图4：二极管的工作摸式图5：不可控整流器整流器电源电压一般是固定频率的三相（3x380V/50Hz）或单相（1x240V/50Hz）交流电压，它们的特征值可以用图3来表示。如图所示，三相在时间上有相位移，而且相电压不断地改变方向。频率是以每秒钟的周期数来表示的。频率为50Hz就是意味着每秒钟有50个周期，即每个周期为20毫秒。变频器中的整流器可由二极管或晶闸管单独构成，也可由两者共同构成。由二极管构成的是不可控整流器，由晶闸管构成的是可控整流器。二极管和晶闸管都用的整流器是半控整流器。不可控整流器二极管只允许电流单方向流过，即从阳极（A）流向阴极（K）。二极管不能像某些半导体器件那样控制流过的电流强度，加在一个二极管上的交流电压被变换成脉动的直流电压，如三相交流电压加在一个三相不可控的整流器上，直流电压将是连续的脉动电压。图5所示，是一个三相不可控整流器。它由两组二极管构成，二极管D1、D3和D5为一组，二极管D2、D4和D6为另一组。每只二极管导通三分之一周期（即120º）。在每组二极管中，二极管是按顺序导通的，而对两组二极管的控制上有1/6周期（即60º）的相位差。TN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page3JINXIN上海津信变频器有限公司图6：不可控三相整流器的输出电压图7：晶闸管的工作摸式图8：三相可控整流器当所加电压为正时，二极管D1,3,5导通。如果L1相的电压达到正的峰值，A端的电压值就是L1相的值。另外两只二极管分别被加上大小为UL1-2和UL1-3的反压。这同样适用于二极管组D2,4,6。这里B端接受负的相电压。在某一时刻如L3低于一个负的门限值。则二极管D6导通，其它两只二极管承受大小为UL3-1和UL3-2的反压。不可控整流器的输出电压是两个二极管组上电压的差。输出的脉动直流电压平均值为1.35x线电压。可控整流器在可控整流器中，晶闸管取代了二极管。像二极管一样，晶闸管只能允许电流从阳极（A）流向阴极（K）。晶闸管与二极管的区别是晶闸管有第三个端子“门极”（G）。在晶闸管导通前，门极必须输入一个信号。当晶闸管流过电流后直到这个电流减小到零为止，晶闸管始终保持导通。流过晶闸管的电流不会因门极的信号而中断。晶闸管被用于整流器和逆变器。所谓门极信号是晶闸管的控制信号，它是一个时间延迟信号，以相位角的度数来计量。这一角度表示电压过零时刻与晶闸管导通时刻之间的时间延迟。如角在0和90之间，晶闸管被用作整流器。当角在90和270之间时，晶闸管被用作逆变器。TN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page4JINXIN上海津信变频器有限公司电流源逆变器（I-converters）图10：可变直流电流型中间电路电压源逆变器（U-converters）可控的幅值可变不可控的幅值一定图11：固定直流电压型中间电路图9：三相可控整流器的输出电压可控整流器除了晶闸管受控于角之外，基本上与不可控整流器相同。晶闸管在电压不留空隙过零后30不留空隙时可以开始导通。调节角可使整流电压值改变。可控整流器提供的直流电压平均值为：1.35x线电压xcos。与不可控整流器相比，可控整流器将造成较大的损耗及对电源的干扰，因为当晶闸管的导通时间较短时，整流器要从电源吸取较大的无功电流，但是可控整流器也有优点，就是能量可以反馈给电源。中间电路中间电路可看作是一个能量的存储装置，电动机可以通过逆变器从中间电路获得能量，依整流器和逆变器的不同，中间电路可根据三种不同的原理构成。在使用电流源逆变器时，中间电路由一个大的电感线圈构成。它只能与可控整流器配合使用。电感线圈将整流器输出的可变直流电压转换成可变的直流电流。电机电压的大小取决于负载的大小。在使用电压源逆变器时，中间电路由含有电容的一个滤波器构成，两种整流器都可以与它配合使用。这个滤波器使整流器输出的脉动直流电压（UZ1）变得平滑。在使用可控整流器时，针对逆变器每一个给定的输出频率，整流器的输出电压应为一个对应的定值，因此可控整流器为逆变器提供幅值可变的纯净的直流电压（UZ2）。在使用不可控整流器时，逆变器的输入电压是幅值一定的直流电压TN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page5JINXIN上海津信变频器有限公司可变直流电压型中间电路斩波器图12：可变直流电压型中间电路情况一情况二图13：斩波器晶体管调节中间电路如图12所示，在可变直流电压型中间电路中，一个斩波器被加在滤波器前。斩波器有一个晶体管，它的工作像一只开关使整流电压接通和断开。控制电路将滤波器后的可变电压（UV）和输入信号进行比较，依此调节斩波器。如果有误差，晶体管导通时间和关断时间之比就受到调节。这将改变直流电压的有效值。直流电压可表示为：当斩波器晶体管切断电流时，滤波电感线圈会使加在晶体管两端的电压无限升高。为了防止这一现象，用续流二极管来保护斩波器。当晶体管如图13所示导通和关断时，情况2的输出电压较高。中间电路的滤波器使斩波器输出的方波电压变得平滑。滤波器的电容和电感使输出电压在给定频率下维持一定。中间电路还能提供如下一些附加功能，这取决于中间电路的设计。例如：使整流器和逆变器解耦减少谐波储存能量以承受断续的负载波动offononVtxttxUUTN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page6JINXIN上海津信变频器有限公司图14：采用可变直流型中间电路的传统逆变器逆变器逆变器是变频器最后一个环节，其后与电动机相联。它最终产生适当的输出电压。变频器通过使输出电压适应负载的办法，保证在整个控制范围内提供良好的运行条件。这方法是将电机的励磁维持在最佳值。逆变器可以从中间电路得到以下三者之一。可变直流电流。可变直流电压。固定直流电压。在以上每种情况下，逆变器都要确保给电机提供可变的量。换句话说，电动机电压的频率总是由逆变器产生的。如果中间电路提供的电流或电压是可变的，逆变器只需调节频率即可。如果中间电路只提供固定的电压，则逆变器既要调节电动机的频率，还要调节电动机的电压。现在晶闸管在很大程度上被频率更高的晶体管所取代，因为晶体管可以更快速地导通和关断。开关频率取决于所用的半导体器件，典型的开关频率在300Hz到20kHz之间。逆变器中的半导体器件，由控制电路产生的信号使其导通和关断。这些信号可以受到不同的控制。在传统逆变器中，采用可变直流电流型中间电路的逆变器由二极管，晶闸管和电容器各6个构成。电容器可使晶闸管导通和关断（使晶闸管导通，当然门极还需要加触发信号----校者）。以使每相绕组的电流有120的相位差，并且电流的大小必须与电动机的大小相匹配。按U-V，V-W，W-U，U-V……的顺序周期地向电机端子提供电流时，就产生一个按所需频率断续旋转的磁场。尽管电动机电流基本上为方波，但电动机电压接近正弦流。当电流被开关接通或切断时，总有尖峰电压产生。二极管将电容同电机的负载电流隔开。采用可变或固定直流电压型中间电流的逆变器，总有6个开关元件，不管用哪种半导体器件，其作用于基本上相同，控制电路用不同的调制技术使半导体器件通和断，这样就改变了变频器的输出频率。这里首要的技术是对中间电路的可变电压或电流如何处理。TN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page7JINXIN上海津信变频器有限公司图16：脉冲幅度调制和脉冲宽度调制开关频率：低开关频率：中等开关频率：高图15：采用可变或固定直流电压型中间电路的逆变器，其输出电流波形取决于逆变器的开关频率。为了得到所需的输出频率，使每个半导体器件的导通区间按顺序排列。半导体器件的开关状态根据中间电路可变电压或电流的大小进行控制。利用压控振荡器使频率总能追随电压幅值的变化。这种逆变器的控制方式称为脉冲幅度调制（PAM）。另一种主要技术是使用固定的中间电路电压。依靠调节对电机绕组所加中间电路电压的时间长短（即脉冲宽度---校者）来改变电机电压。改变时间轴上的电压脉冲极性可改变频率，使半个周期是正的脉冲，另外半个周期是负的脉冲。改变电压脉冲宽度的技术称为脉宽调制（PWM）。PWM（以及正弦脉宽调制SPWM等相关技术）是逆变器控制中最常用的技术。在PWM技术里，控制电路将半导体器件的通和断的时刻，定在三角波电压与叠加的正弦波参考电压的交点上。这里只是以正弦脉宽调制为例，所以用正弦波作为参考波形。其他先进的PWM技术还包括一些改进的PWM技术，例如像丹佛斯公司的VVC和VVCPLUS。TN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page8JINXIN上海津信变频器有限公司图17：开关频率对电机电流的影响图18：电力晶体管的功率和频率范围晶体管晶体管可以高速通断，因此电机的“脉冲”励磁产生的磁噪声可以减少。开关频率高的另一个优点是可以灵活地调节变频器的输出电压。开关频率高时，控制电路只需控制逆变器晶体管的通与断，就能产生正弦的电机电流。因为高频将导致电机发热和高的尖峰电压，所以逆变器的开关频率需衡权考虑。开关频率越高，损耗就越大。另一方面，开关频率低会使电机产生较高的音频噪声。高频晶体管可分为三种主要类型：双极型（LTR）单极型（MOS-FET）绝缘门双极型（IGBT）现在IGBT晶体管得到了最广泛地应用，因为它将MOS-FET晶体管的控制特性和LTR晶体管的输出特性结合在一起，具有适当的功率范围、导电性和开关频率，很适于现代变频器的控制。将IGBT晶体管、逆变器的元件及IGBT的控制部分同做在一个模块上，这种模块称为智能功率模块（IPM）。TN-010-01VLTSeriesFrequencyConverter98.10Page9JINXIN上海津信变频器有限公司半导体特性符号设计导电性电流传导性低高