变频器原理与应用1

HONGHE变频器原理与应用HONGHE一、变频器的工作原理1.变频调速的基本控制方式1160fnP异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为：1n—同步转速（r/min）1f—定子电源频率（HZ）p—磁极对数HONGHE116011fnnSSp异步电动机的轴转速为：11/nnns异步电动机的转差率HONGHE感应电机定子每相电动势的有效值为：1114.44mEfNФm的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以主磁通Фm保持额定值不变。E1—旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势（V）；f1—定子电流频率（HZ）;N1—定子相绕组有效匝数；Фm—每极磁通量;感应电机转子中产生的电磁转矩为：COSIKMmm2Km—电机转矩常数；I2—转子感应电流；COS—转子电路的功率因数；HONGHE（1）基频以下的恒磁通变频调速感应电机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF(VariableVoltageVariadleFreqency)调速控制。（2）基频以上的弱磁变频调速1114.44mEfN≈1UU1Of1恒转矩调速f1N恒功率调速U1NΦmΦmΦmn（基本控制方法）11/fUmrFMMP恒转矩调速方式：恒功率调速方式：HONGHE3～MACAC3～整流器逆变器控制电路DC运行指令控制指令控制指令变流器Ⅰ变流器Ⅱ中间直流环节Ⅲ2.变频器的基本构成交—直—交变频器、由主电路和控制电路组成。（1）整流器电网侧的变流器I是整流器，它的作用是将三相（单相）交流电转换成直流电。HONGHE3～MACAC3～整流器逆变器控制电路DC运行指令控制指令控制指令变流器Ⅰ变流器Ⅱ中间直流环节Ⅲ（2）逆变器负载侧的变流器为逆变器II。常见的结构形式是利用六个半导体器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。HONGHE3～MACAC3～整流器逆变器控制电路DC运行指令控制指令控制指令变流器Ⅰ变流器Ⅱ中间直流环节Ⅲ（3）中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。HONGHE3～MACAC3～整流器逆变器控制电路DC运行指令控制指令控制指令变流器Ⅰ变流器Ⅱ中间直流环节Ⅲ（4）控制电路控制电路通常由运算电路、检测电路、控制信号输入/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完成各种保护功能等，其控制方法可以采用模拟控制或数字控制。HONGHEUAKiA电力二极管（PD）KAiAUAK+-不可控整流：UAK≥0.5V时导通，＜0.5V关断。KAGiAUAKiG+-普通晶闸管（SCR）UAKiAiG2iG1可控制导通；UAK≥0.5V且iG≥0时导通，导通后，iA≥维持电流，保持导通。HONGHEUCEiCiB＞0iB=0BCE电力晶体管（GTR）iCUCEiB+-当UCE＞0，且iB＞0时导通，iB≤0时关断。当UCE≤0时关断。UDSiDUGS＞UTUGS=UTGDS电力MOSFETUDS+-UGS+-iD当UDS＞0，UGS＞UT时导通，UGS≤UT时关断。当UDS≤0时关断。UCEiCUGE=0GCEIGBTiCUCE+-UGE-+当UCE＞0，UGE＞UGET时导通，UGE≤UGET时关断。当UGE≤0时关断。HONGHE（1）按直流电源的性质分类1）电流型变频器RLSTUVW2）电压型变频器RCSTUVW3.变频器的分类HONGHE（2）按输出电压的调制方法分类1）脉冲幅值调制方式（PulseAmplitudeModulation）,简称PAM方式，是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。Edt-EdEdt-EdM3～3～Ed斩波器HONGHEM3～3～Eduructtt2）脉冲宽度调制方式（PulseWidthModulation）,简称PWM方式。利用参考电压波Ur，与载频三角波Uc互相比较来决定主开关器件的导通时间而实现调压，即利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。简称SPWM方式。HONGHE0f(t)t0f(t)t0f(t)t（1）PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。4.脉宽调制技术HONGHE0uωt这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。0ωtu（原理示意图）HONGHEIGBT晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路HONGHEurucωtωtuuo00uoud﹣uduof单极性SPWM控制方式HONGHEurucωtωtuuo00uoud﹣ud双极性SPWM控制方式HONGHE调制控制电路urUucUd/2＋U三相负载V1V2VD1VD2V6V5VD5VD6V4V3VD3VD4＋Ud/2N′urVurWNVWCC在SPWM型逆变电路中，使用最多的是图所示的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。HONGHEurωtu0uduaucωtua0Ed/2-Ed/2ωt0Ed-EduabHONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL1）由整流二极管VD1～VD6组成三相整流桥，将三相交流电转换成直流电。（1）交-直部分5.脉宽调制（SPWM）型变频器HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL2）滤波电容器CF的功能是消除整理后的电压纹波；当负载变化时，使直流电压保持平稳。HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL3）变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器CF的充电电流很大，过大的冲击电流可能损坏三相整流桥的二极管。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源时，电路中串入限流电阻RL，将电容器CF的充电电流限制在允许范围以内。HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL4）电源指示灯HL有两个功能，一是表示电源是否接通；二是在变频器切断电源后，反映滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL1）逆变三极管VT1～VT6是变频器实现变频的具体执行元件，是变频器的核心部分。如图所示由VT1～VT6组成的三相逆变桥，将VD1～VD6整流所得的直流电，再转换为频率可调的交流电。（2）直-交部分HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL2）续流二极管VD7～VD12的主要功能有：①电动机是电感性负载，其电流具有无功分量。VD7～VD12为无功电流返回直流电源时提供通道；HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL②当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD7～VD12返回直流电源；③在VT1～VT6进行逆变的基本工作过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地交替导通和截止，在这交替导通和截止的过程中，需要VD7～VD12提供通路。HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL3）缓冲电路①每次逆变管VT1～VT6由导通状态切换成截止状态瞬间，集电极和发射极间的电压Uce将迅速地由0V上升至直流电压值Ud。这过高的电压增长率将有可能导致逆变管的损坏。为减小VT1～VT6在每次关断时的电压增长率，在电路中接入了电容器C01～C06。HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL②每次VT1～VT6由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，C01～C06上所充的电压将向VT1～VT6放电。此放电电流的初始值很大，将叠加到负载电流上，导致VT1～VT6的损坏。R01～R06的功能就是限制逆变管在接通瞬间C01～C06的放电电流。HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL③当R01～R06接入时，会影响在VT1～VT6关断时减小电压增长率的效果。为此接入VD01～VD06，其功能是：a.在VT1～VT6的关断过程中，使R01～R06不起作用；b.在VT1～VT6的接通过程中，又迫使C01～C06的放电电流流经R01～R06。HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL（3）制动电阻和制动单元1）制动电阻RB。电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能将要反馈到直流电路中，使直流电压Ud不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，在电路中接入制动电阻RB，用来消耗这部分能量，使Ud保持在允许范围内。HONGHE＋UV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL2）制动单元VB。由大功率晶体管及其驱动电路构成制动单元VB