1、变频器第七章 变频器技术第一节 交流电机的变频调速教学内容：一、概述由于交流电动机的价格便宜、维护简单，因而在电气传动和伺服系统中得到广泛的应用。交流电动机包含同步机和异步机两大类型，在许多应用场合，需要对电动机的转速进行调节。对于同步电动机，采用改变供电电压的频率来改变其同步转速。对于异步电动机，调节转速的方法较多，如调节加在电动机定子绕组的电压调压调速；调节电动机转子回路中电势串级调速；改变电动机定子供电电压与频率变频调速以及无换向器电机调速。本章重点介绍交流电动机变频调速。二、交流电动机调速方法分类及特点由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n1表达式为: 根据感应电动机转差率S定义:S
2、=由此可知，感应电机转速n为: 由上式可知，异步电机调速方法有之.种，有变转差率S、变极对数P及变频率f。其中变转差率的方法又可以通过调定子电压、转子电阻、转差电压以及定子、转子供电频率差等方法来实现。同步电动机的调速可以通过改变供电频率从而改变同步转速的方法来实现。这样，交流电动机就有很多不同调速方法。靠改变转差率对感应电动机进行调速时，由于低速时转差率大，转差损耗也大，所以效率低。变频调速方法与变转差率调速方法有本质的不同。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率，宽范围和高精度的调速性能。由此看来，变频调速是交流电动机的一种比较合理及理想的调速方法。交一直一
3、交电压型包括PWM型变频器一般适用于中小容量的不可逆系统，交一直一交电流型变频器一般适用于四象限运行的可逆系统，交一交变频器一般适用于低速大容量系统。交流电动机变频调速的特点:我们知道，电力拖动系统分为直流和交流两大类。以前直流拖动系统由于调速性能(调速范围、稳定性、平滑性等优于交流拖动系统，所以-一直占居着首位。但是，由于直流拖动结构上存在换向器和电刷，故存在一些问题，如维护困难，设置环境受限，易燃易爆，制造高转速变电压的直流电机较困难。随着电力电子技术、微电子技术、控制技术的发展，促使交流调速有了飞速发展，已进入交流调速逐步取代直流调速的时代。交流调速系统是通过晶闸管(或GTR、IGBT)
4、电力变流器改变输出电压、电流和频率等参数来给交流电动机供电，其形成如下图。晶闸管电力变流器具有四种形式：1AC/DC，由恒压恒频的交流电变换为直流电的功率变换器，称之为整流器；2DC/DC，由恒压直流电变换为调压直流电的功率变换器，称之为斩波器，相当于直流脉冲调压方式；3DC/AC，由恒压直流电或调压直流电变换为调频和恒压或调压的交流电，称之为逆变器；4AC/AC，由恒压恒频交流电变为调压调频交流电，称之为周波变流器。由前三种或1、3两种组成的晶闸管电力变流器称之为交一直一交变频器或称为间接交流变频器。由后者组成的晶闸管电力变流器，称为交一交变频器或称为直接交流变频器。变频器的输出一般为可变电
5、压和可变频率形式，因此变频器可缩写为VVVF变频器，由于这种电力变流器组成的交流调速系统具有如下特点;(1)提高电机容量、转速和电压。(2)交流电动机，特别是笼型感应电动机，设置环境适应性强。(3)维护方便，坚固耐用，经济可靠，惯性小，动态响应好。正因为如此，交流调速系统完全克服了直流调速系统一直想解决而未能解决的缺点，并发挥了交流电动机固有的优点，其原有调速性能不好的缺点已得到解决，在改善系统功率因数方面优于直流调速，所以交流调速在生产、生活中得到广泛应用。三、 变频调速的控制方式 在异步电动机中，定子绕组的反电势E=4.44fWk如果忽略定子阻抗压降，则 UE=4.44fWk上式说明，若端
6、电压U不变，则随着f的升高，气隙磁通将减小。从电动机的转矩公式T=CmI2COS可知，的减小将会导致电动机允许输出转距T下降，使电动机的利用率恶化。同时，电动机的最大转距下降，严重时会使电动机堵转。端电压U不变时，随着f的减小，气隙磁通将增加，这会使磁路饱和，激磁电流上升，导致铁损急剧增加。因此，在许多应用场合，为了维持在调速时电动机的最大转矩Tm不变，需要保持磁通恒定，这样就要求在变频的同时改变定子电压U。四、变频调速的发展现状及展望变频调速器是一种集电力电子技术、变流技术、计算机控制技术、电机学技术于一体的高新技术产品，它是一门多学科的边缘技术。它的发展和电力电子技术、微电子技术的发展，控
7、制技术的发展紧密相关。变流器的开关器件是由晶闸管或晶体管构成的。自1956年普通晶闸管的发明使用，到快速晶闸管、光触发晶闸管、可关断晶闸管GTO、静电感应晶闸管(SITH)。使变流器的容量不断增大，另一方面，开关器件也可用晶体管来完成，由开始的普通晶体管到电力晶体管(GTR)，金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，使开关速度越来越快，发展到目前的绝缘栅双极晶体管IGBT，现在逆变部分IGBT已模块化，它的开关速度、容量大幅度提高，它结合了MOSFET和GTR优点，自1994年后发达国家变频器功率器件都已用IGBT，我国1995年12月也研制出了自己的IGBT。控制方式的发展由简单的开环控制
8、转变为各种方式的闭环控制，如开始的电压一一频率控制到转差频率控制，矢量变换控制。控制单元和系统从分立元件向着大规模集成电路微型化、智能化、轻量化方向发展。总之，变频调速技术发展很快，它目前还在向多台变频器用计算机联网控制，高压变频调速器，参数智能化自动设置方向发展。第二节 变频调速器基本构成教学内容：变频调速器的基本结构如下图7-1所示。它是由主电路，保护电路，控制电路，及几个接口电路(外部控制信号接口，键盘显示接口，保护接口，输出接口)组成。主电路是先将交流顺变成直流，经过平滑滤波，再经过逆变自;路，把直流变成不同频率的交流，使电动机获得无级调速所需要的电压、频率、电流。这种变频器叫交一直一
9、交变频器，它又可分为电压型和电流型两种。电压型采用较大容量的电容进行滤波，直流电路的电压波形比较平直，输出阻抗较小，电压不易突变，相当于直流电压源，电流型采用较大电感的电抗器进行滤波，直流回路的电流波形较平稳，输出阻抗很大，电流波形不易突变，相当于直流恒流源。逆变部分逆变成可调频率的交流，可由不同的控制方式实现。控制方式有脉幅调制控制Paise Amplitude Modulation简称PAM和脉宽调制控制Palse Width Modulation简称PWM。 PAM是一种改变电压源的电压Ed或电流源的电流Id幅值，进行输出控制。PWM是一种脉冲宽度调制电压输出波形。变频调速的控制电路主要
10、是以中央处理器CPU为中心，它的功能是发出PWM信号至逆变、功能调节、收发信号控制(保护信号、控制信号、报警信号、显示信号等)及功能控制(通过面板参数设置，使变频器具有一定功能的变频器)。控制方法可分为两个类，一种是标量控制法，它是控制变量的大小，给定指令和反馈信号是与变量有关的直流量，取近似值。如通常的电压、电流源变频器调速系统，只适用于动态及静态要求不高的场合。另一种是矢量控制法，是把异步电动机参数等效为直流电动机那样的控制参数，即可控制变量的大小，又可控制其相位，因而所得结果可与直流电动机调速系统媲美，后面具体讨论主电路、控制电路的原理。图7-1 变频器基本构成原理图第三节 变频调速器导
11、通方式教学内容：变频器的核心是逆变，本节定性的讨论逆变部分的导通规律，然后再分别讨论以GTR、IGBT为器件的变频调速器的导通方式特点。变频器中不管是顺变还是逆变，其中的晶闸管或GTR、GTO或IGBT，都起开关作用，其导通方式如图7-2。 图7-2 图7-3令k1、K4闭合，K2、K3断开。则电流的路径如实线箭头所示。C、D间的电压为C十，D一。再令K1、k4断开，k2、k4闭合。则电流的路径如虚线箭头所示，C、D间的电压为C一 、D+。如果上述两种状况不停的交替工作，则负载M上所得到的便是交流电压。用六个开关器件，使它们按三相间互差三分之一周 期的规律交替工作，便可将直流电逆变成三相交流电
12、，如图7-3所示。如果开关器件是晶闸管， 图7-4其换流方式采用电网电压自然换流，强迫换流，负载换流，如果用功率三极管GTR或IGBT，则是通过软件的控制给大功率晶体管的基极提供触发脉冲使大功率晶体 图7-5管导通逆变的，所以对电压、电流型大功率晶体管器件来说，它们的动作都是一样的，只要了解一种便可。我们以电流型变频器为例，介绍GTR在各区间的动作。大功率晶体变频器的 导通动作可分为8个区间。1变频器接通电源区间，从接通电源到起动指令 图7-6“接通”这一期间，变频器整流桥给滤波电容或电抗器充电，充电的最终极性如图7-4所示。2初期导通，由软件给V和V6提供基极触发脉冲，电流按A-V-N-V-
13、B的路径流通如图7-5所示。3从V向V的换相，当移相60后，由软件给V提供基极触发脉冲，同时停止V提供基极触发脉冲，这时主电流沿A-V- N-W-A的路径流通，如图7-6所示。 图7-74从V向V的换相，当移相60后由软件给V提供基极触发脉冲，同时停止给V提供基极触发脉冲，这时主电流沿A-V-N-W-B的路径流通，如图7-7所示。 5从V向V4的换相， 图7-8当相移60后，由软件给V4提供基极触发脉冲，同时停止给V2提供基极触发脉冲，这时主电流沿A-V-N-U-B导通，如图7-8所示。 6由V向V的换相，当相移60后，由软件给V提供基极触发脉冲，同时停止给V提供基极触发脉冲，主电流沿A-W-
14、N-V-B的路径流通，如图7-9所示。7从V4向V换相，当相移60后，由软件给V6提供基极触发脉冲，同时停止给V4提供基极触发脉冲，主电流沿A-W-N-V-B的路径流通如图7-10所示。8、从V向V换相，当相移60后，软件给V提供基极触发信号，同时停止给V基 极触发信号，主电流沿A-U-N-V-B的路径流通。如图7-11所示。上述是大功率晶体管变频器在一个周期的导通动作及导通后的主电流流通方向，其波形图如图7-12。 图7-9图7-10 图7-11图7-12 波形图第四节 脉冲宽度调制变频器教学内容：一、脉冲宽度调制方法PWM型变频器靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频
15、率，所以脉冲调制方法对PWM型变频器的性能具有根本性的影响。脉宽调制的方法很多，从调制脉冲的极性上看，可以分为单极性调制和双极性调制两种，从载频信号和参考信号 (基准信号)频率之间的关系来看，又可分为同步式和非同步式两种。1单极性调制（1）单极性直流参考电压调制方法图7-13 单极性直流参考信号的部分调制脉冲波形大功率晶体管GTR变频器的基极驱动信号在控制电路中一般常用载频信号Vc参考信号Vr相比较产生的，这是载频信号Vc采用单极性等腰三角形锯齿波电压，而参考电压Vr采用直流电压，在Vc和Vr相交处发出调制信号，部分脉冲调制信号如图7-13所示。图中画出的是经过三相对称倒相后的a、b点电位，V
16、oo和相压Vao的脉冲列波形。在一个周期内有12个三角形，即载频三角波的频率f是输出频率f。的12倍f可以是fo的任意6的整数倍，输出波形正负半周对称，主回路中的6个开关元件以1-2-3-4-5-6-1的顺序轮流工作，每个开关元件都是半周工作，通、断6次输出6个等幅、等宽、等距脉冲列，另半周总处于阻断状态。输出的相电压波形每半个周期出现6个等宽等矩脉冲，中间两个脉幅高(2/3E)，两边4个脉幅低(1/3E)，正负半周对称，这个脉冲波形可以分解为基波V和一系列高次谐波，基波电压就是要求输出的交流电压，而谐波电压分量愈小愈好。由波形图看出：当三角波幅值一定，改变参考直流信号Vr的大小时，输出脉冲的
17、宽度即将随之改变，从而改变输出基波电压的大小改变载频三角波的频率并保持每周的输出脉冲数不变，便可实现输出电压频率的调节。显然，同时改变三角波的频率和参考直流信号电压Ur的大小，就可以使变频器的输出在变频的同时相应地改变电压的大小。上述调制方式是在改变输出频率的同时改变三角波的频率，使每半个周包含的三角波数和相位不变，正、负半周波形始终保持完全对称。这种调制方式叫做同步脉冲调制方式。同步调制方式虽然由于输出波形正负半周完全对称，只有奇次谐波没有偶次谐波。但是每周的输出脉冲数为变，低频输出时谐波影响大。(2)单极性正弦波脉宽调制方法SPWM:SPWM是参考信号Vr为正弦波的脉宽调制，产生的调制波是
18、一系列等幅、等距而不等宽的脉冲列。如图7-14所示。 SPWM调制的基本特点在半个周期内，中间的脉冲宽两边的脉冲窄，各脉冲之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，脉宽基本上成正弦分布。经倒相后正半周输出正脉冲列，负半周输出为负脉冲列。由波形可见，SPWM比PWM调制波形更接近于正弦波， 谐波分量大为减小。 图7-14 正弦波脉宽调制波形输出电压的大小和频率均内正弦参考电压Vr来控制。当改变Vr的幅值时，脉宽即随之改变，从而改变输出电压的大小;当改变Vr的频率时，输出电压的频率随之改变。但要注意正弦波的幅值Vm必须小于等腰三角形的幅值Vcm，否则便得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比这一关
19、系。输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。图7-14只画出单相脉宽调制波形。对三相变频器必须产生相位差为120的三相调制波。载频三角波三相可以共用。但必须有一个可变频变幅的三相正弦波发生器，产生可变频变幅的三相正弦参考信号，然后分别比较产生三相输出脉冲调制波。若三角波和正弦波的频率成比例地改变，不论输出频率高低，每半周的输出脉冲数不变，即为同步调制式。 若三角波频率一定，只改变正弦参考信号的频率，正、负半周的脉冲数和相位在不同输出频率下就不是完全对称的，这种调制方式叫非同步脉宽调制方式。非同步式虽然正、负半周输出波形不能完全对称，会出现偶次高次谐波，但是每周的输出的调制脉冲数将随输出频
20、率的降低而增多，有利于改善低频输出特性。2双极性调制单极性脉冲宽度调制，脉冲极性不改变，要正、负半周输出不同的脉冲，必须另加倒相电路。与此相对应，若在调制过程中，载频信号和参考信号极性交替不断改变的则称为双极性调制，其调制波如图7-15所示。图中画出了三相调制波形，与单极性的SPWM情况相同，输出电压的大小和频率也是由改变正弦参考信号Vr的幅值大小和频率调制的。参考信号也可以采用阶梯式准正弦波。这种正弦波脉宽调制方式，当然也可以采用同步式和非同步式调制方式。但SPWM型变频器带 图7-15 三相正弦波脉宽调制波形感应电动机负载时，在脉宽调制过程中，要根据感应电动机变频调速控制特性的要求，在调节
21、正弦参考信号频率的同时，要相应地调节其幅值，使其输出基波电压的大小与频率之比为恒值，即保持V1/fl=常数。二、PWM型变频器主电路如图7-16所示晶体管（GTR）通用型三相PWM变频器由恒定的直流电源电压供电，变频器采用大功率晶体管作开关元件，可以进行高频脉宽调制，使输出电压得到良好调制，使之更接近于正弦波。图7-16 晶体管通用型三相变频器直流电源由二极管三相整流桥取得，电源侧的电流波头与交流电网电压基本上是同相的，与变频器的结构和工作情况无关，交流电源功率因数接近于1。平波电容器C起中间能量存储作用，使变频器与交流电网去藕，对如感应电动机等电感性变频器负载，可以提供必要的无功功率，而有功
22、功率由电网来补充。由于直流电源是由二极管整流器获得的只允许单方面传递能量，不能向电网反馈能量。因此当变频器的负载运行在再生工况情况下经过变频器中的返流二极管VlV6向平波电容器充电，而平波电容器容量有退，这样就将使直流电压升高，为了避免直流电压过高，在主回路直流侧接入制动放电电阻用晶体管开关GTR7，当直流电压高出一定值后，使GTR7饱和导通接入制动电阻R，将变频器部分反馈能量在电阻R上转换为热能而消耗掉，这样感应电动机就可以在4个象限内运行。变频器由6个大功率晶体管GTR开关和6个二极管组成，6个大功率晶体管GTR开关可以用上一节所述的任何一种脉宽调制方式驱动。若用电设备为感应电动机等电感性
23、负载，变频器的输出电流 图7-17 变频器输出电压、电流波形是连续的，每相输出的脉冲调制电压波形都是双极性的， 而输出电流则为带有锯齿的正弦波，如图7-17所示。现以a相输出电压、电流为例，说明变频器的基本工作情况。在电压正半周当GTR1 a )不可逆变频器 b )带制动回路时图7-18 采用变频器的四象限运转导通时，a点(见图7-17)接到直流电源正极，电流上升，当GTR1管截止时，感性负载电流不能突断，势必要经过二极管V4由直流电源负极断续流入电流，电流下降，如此循环下去。待至输出电压负半周时晶体管GTR1停止工作处于截止状态，在负半周，当 GTR4导通时， a点接到直流电源的负极，电流下
24、降或反向电流 c )可逆变频器增大，当GTR4截止时由二极管Vl续流，如此 图7-18 采用变频器的四象限运转不断循环即将形成带有锯齿的正弦波电流。其他两相的工作情况与此相似，只不过三相输出电压(或电流)在相位上互差120。当感应电机需要降速时，通过减低控制电路正弦参考信号频率使变频器输出频率降低，电机旋转磁场速度减慢，当旋转磁场速度低于电动机运行速度时，电动机处于再生发电状态，产生反馈电流。这个电流通过变频器中的返流二极管回馈至直流侧。一部分反馈能量向平波电容充电存储于电容器中，一部分反馈能量流过制动电阻R(此时R通)，产生焦耳热而散发掉。 由于微处理机，大规模集成电路的实用化，使晶体管PW
25、M变频器广泛用于感应电动机的变频调速电源。PWM调制的变频器，传动异步电动机如图7-18所示.可进行4象限运转。在、象限异步电动机的转矩方向与旋转方向一致，为电动状态。I象限是正转的电动运转，限是反转的电动运转。在、象限其转矩方向相反，为再生状态。象限为正转的再生运转， 为反转的再生运转。只需要图7-18a的电动运转时，则只需要电源向异步电动机供给功率，可使用不可逆变频器。像图7-18b那样，对于减速时需要制动力矩的负载，功率就必须从异步电动机向变频器传递，可附加制动回路以便能在上、象限使用。对于需要急加减速频繁的场合如电梯，或者以制动为主要目的场合，可以采用可逆变频器，实现I的4象限运转，此
26、时，由于功率向电源反馈而节能。第五节 变频器的控制方式教学内容：变频器的主电路基本是一样的，而控制方式确不一样。要据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制。变频器具有调速功能，但采用不同的控制方式所得到的调速性能，特性以及用途是不同的。控制方式的分类：控制方式的历史发展顺序是先按V/f控制、转差频率控制、矢量控制。越是后来的控制方式，性能越优越。目前，各种控制方式的变频器已产品化、系列化，根据调速目的、用途和所要求性能选择最适宜控制方式的变频器，可以构成性能高的系统。下面就变频器的各种控制方式说明其控制原理构成、控制特性等问题。 一、V/f控制系统V/f=const，频率开环调速系统
27、作为变频调速控制方式，V/f控制方式简单，历史古老，现在多用于通用变频器，风机泵类机械的节能运转，生产流水线的工作台传动等，空调家用电器采用的变频器也是使用V/f控制。1控制原理V/fI =zconst，频率开环调速系统，它是根据电动机的转速与定子电流频率大致成比例，气隙磁通与电压和频率的比值大致成正比的原理构成的。其构成如图7-19所示。图7-19 U/=const、频率开环的电流型变频调速系统框图当电动机定子电流频率为fl时，其转速为:n=n1(1-s)=60f1(1-s)/p正常工作时S很小，n约等于60fl/ p，因此调节fl就可以改变电动机的转速。电动机气隙磁通=E1/4.44W1K
28、f1，即与E1/ f1成正比，只要控制E1/ f1=const，就可保持恒定。为了在低频下补偿Vl=IlZ1的影响，系统中设置了函数发生器，随着f1的下降，V1/ f1将有所增加，以使在整个调速范围内都保持恒定。系统中，电压调节器的输出做为电流调节器的给定，用以控制电流闭环。当电动机负载增加时，将引起转速降低，转差率增加，主磁通及电动机端压都下降，这时电压调节器的输出增加，电流调节器给定值增大，通过电流闭环的调节作用，使逆变器输出电流增加，从而补偿气隙磁通的降低，维持主磁通恒定。当电压调节器输出为限值时，系统主回路的电流也达到限幅值，因此能抑制故障电流。系统可以实现再生制动和能耗制动。当电机减
29、速时，由于机械惯性的作用，于是出现同步转速n低于电动机转速n的情况，转子绕组与气隙磁通相对运动方向改变了，电动机进行再生发电状态，从而出现过电压现象，当然这样电动机再生发电的能量可以通过原逆变部分整流，再经原整流部分逆变回馈电网，这种回馈电网能量称为再生制动。也可将这部分再生电能在直流平滑部分用能耗电阻吸收掉。也可将部分再生电能通入电机任意两相中进行制动。上述系统的优点是，控制电路简单，其控制部分硬件的功能目前由计算机软件实现。系统存在的问题是:：没有对转速进行闭环控制，当电动机的负载从空载到额定值变化时，电动机的转速就会发生变化，因此机械特性较软，调速范围不宽。由于转差没有限制，当负载发生急
30、剧地大幅度变化时，转差率可能会瞬时超过其临界值，使电动机进入机械特性的不稳定区域内，造成电动机停转。因此，该系统仅适用于不需急剧加减速，负载比较平稳，对调速精度和调速范围要求不高的场合。总之，这种系统的基本出发点是通过V1/ f1=const恒定的控制方式，以求达到磁通恒定的目的。实际上，真正反映磁通的量是E1，而不是V1，V1和E差值是一个矢量，它的大小与相位是随负载的变化而变化的，却使V1/1不变，也保证不了磁通的真正的恒定，因此这种调速系统的性能指标不会是很高的。二、转差频率控制转差频率控制是这样一种控制方式，检出电动机的转速，然后以电动机速度相对应的频率与转差频率和给定变频器的输出频率
31、。由于能够任意控制与转矩，电流有直接关系的转差率，它们的关系如图7-20。转差频率控制与V/f控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外它有速度控制器，利用速度反馈进行速度闭环控制，适用于自控系统。再则在转差频率控制中由于反馈电动机的速度，需要速度检出器，通常适用单机运转，不适用于并行控制。图7-20 电动机电动时转差与转矩、转子电流的关系由于电动机的转矩由转差频率决定，所以，在V/f=const控制中，要增加转矩控制，必须增加转差频率控制。转差频率是加于电动机的交流电压频率与电动机速度(电气角频率的差频率，在电动机上安装测速发电机(PG等速度检出器可以知道电动机的速度，此速度加上转差频率与产生所要求的转矩相对应就是变频器的输出频率。在电动机容许的过载转矩(150%200%)以下，大体上可以认为产生的电磁转矩和转差率成正比。另外，电流随转差频率的增加而单调增加。所以，如果我们给出的转差频率不超过容许过载时的转差频率，则可以具有限制电流的功能。如上所述，进行V/f控制时，根据电动机产生的转矩大体与转差频率成比例关系这一事实，想控制电动机产生的转矩，这便是转差频率控制的原理，为了控制转差频率控制需检出电动机速度；但系统的加
