變頻器原理與應用1

1、HONGHE變頻器原理與應用變頻器原理與應用HONGHE一、變頻器的工作原理一、變頻器的工作原理1.1.變頻調速的基本控制方式變頻調速的基本控制方式1160 fnP異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為：異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為：1n 同步轉速（同步轉速（r/minr/min）1f 定子電源頻率（定子電源頻率（H HZ Z）p 磁極對數(shù)磁極對數(shù)HONGHE116011fnnSSp異步電動機的軸轉速為：異步電動機的軸轉速為：11/nnns異步電動機的轉差率異步電動機的轉差率HONGHE感應電機定子每相電動勢的有效值為：感應電機定子每相電動勢的有效值為：1114.44mEf Nm

2、 m的值是由的值是由E1E1和和f1f1共同決定的，對共同決定的，對E E1 1和和f f1 1進行適當進行適當?shù)目刂疲涂梢灾鞔磐ǖ目刂?，就可以主磁通m m保持額定值不變。保持額定值不變。E E1 1 旋轉磁場切割定子繞組產生的感應電動勢（旋轉磁場切割定子繞組產生的感應電動勢（V V）；）； f f1 1 定子電流頻率（定子電流頻率（H HZ Z）; ; N N1 1 定子相繞組有效匝數(shù)；定子相繞組有效匝數(shù)； m m 每極磁通量每極磁通量; ;感應電機轉子中產生的電磁轉矩為：感應電機轉子中產生的電磁轉矩為：COSIKMmm2K Km m 電機轉矩常數(shù)；電機轉矩常數(shù)； I I2 2 轉子感應電

3、流；轉子感應電流；COS COS 轉子電路的功率因數(shù)；轉子電路的功率因數(shù)；HONGHE（1 1）基頻以下的恒磁通變頻調速）基頻以下的恒磁通變頻調速感應電機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律同時改變其定子電壓感應電機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻裝置獲得電壓頻率均可調節(jié)的供電電源，和頻率，即必須通過變頻裝置獲得電壓頻率均可調節(jié)的供電電源，實現(xiàn)所謂的實現(xiàn)所謂的VVVF(VariableVVVF(Variable Voltage Voltage VariadleVariadle FreqencyFreqency) )調速控調速控制。制。（2 2）基頻以上的弱磁變頻調速

4、）基頻以上的弱磁變頻調速1114.44mEf N1UU1Of1恒轉矩調速f1N 恒功率調速U1N m m m n（基本控制方法）11/ fUmrFMMP恒轉矩調速方式：恒轉矩調速方式：恒功率調速方式：恒功率調速方式：HONGHE3MACAC3整流器逆變器控制電路DC運行指令控制指令控制指令變流器變流器中間直流環(huán)節(jié)2.變頻器的基本構成變頻器的基本構成交交直直交變頻器、由主電路和控制電路組成。交變頻器、由主電路和控制電路組成。 （1）整流器）整流器 電網側的變流器電網側的變流器I是整流器，它的作用是將三相（單相）交流是整流器，它的作用是將三相（單相）交流電轉換成直流電。電轉換成直流電。HONGHE

5、3MACAC3整流器逆變器控制電路DC運行指令控制指令控制指令變流器變流器中間直流環(huán)節(jié) （2）逆變器）逆變器 負載側的變流器為逆變器負載側的變流器為逆變器II。常見的結構形式是利用六個半。常見的結構形式是利用六個半導體器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律地控制逆變器中開導體器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律地控制逆變器中開關器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。關器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。HONGHE3MACAC3整流器逆變器控制電路DC運行指令控制指令控制指令變流器變流器中間直流環(huán)節(jié) （3）中間直流環(huán)節(jié)）中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。

6、無論電動由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為1。因此，。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。來緩沖。HONGHE3MACAC3整流器逆變器控制電路DC運行指令控制指令控制指令變流器變流器中間直流環(huán)節(jié) （4）控制電路）控制電路 控制電路通常由運算電路、檢測電路、控制信號輸入控制電路通常由運算電路、檢測電路、控制

7、信號輸入/輸出輸出電路和驅動電路等構成。電路和驅動電路等構成。 其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等，其控制方法可以采用模擬控控制以及完成各種保護功能等，其控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制。制或數(shù)字控制。HONGHEUAKiA電力二極管（電力二極管（PD）KAiAUAK+-不可控整流：不可控整流：U UAKAK0.5V0.5V時導通，時導通，0.5V0.5V關斷。關斷。KAGiAUAKiG+-普通晶閘管（普通晶閘管（SCR）UAKiAiG2iG1可控制導通；可控制導通；U UAKAK0.5V0.5V且且

8、iGiG 0時導通，導通后，時導通，導通后，iAiA 維持電流，維持電流，保持導通。保持導通。HONGHEUCEiCiB 0iB= 0BCE電力晶體管（電力晶體管（GTR）iCUCEiB+-當當U UCECE0 0，且，且i iB B 0 時導時導通，通， i iB B 0 0時關斷。時關斷。當當U UCECE 0 0時關斷。時關斷。UDSiDUGS UTUGS= UTGDS電力電力MOSFETUDS+-UGS+-iD當當U UDSDS0 0， U UGSGS U UT T 時導時導通，通， U UGSGS U UT T 時關斷。時關斷。當當U UDSDS 0 0時關斷。時關斷。UCEiCUG

9、E= 0GCEIGBTiCUCE+-UGE-+當當U UCECE0 0， U UGEGE U UGETGET 時時導通，導通， U UGEGE U UGET GET 時關斷。時關斷。當當U UGEGE 0 0時關斷。時關斷。HONGHE（1）按直流電源的性質分類）按直流電源的性質分類1）電流型變頻器）電流型變頻器R RL LS ST TU UV VW W2）電壓型變頻器）電壓型變頻器R RC CS ST TU UV VW W3.變頻器的分類變頻器的分類HONGHE（2）按輸出電壓的調制方法分類）按輸出電壓的調制方法分類 1 1） 脈沖幅值調制方式（脈沖幅值調制方式（Pulse Amplitud

10、e Pulse Amplitude ModulationModulation）,簡稱簡稱PAMPAM方式，是通過改變直流電壓的幅值進方式，是通過改變直流電壓的幅值進行調壓的方式。行調壓的方式。Edt-EdEdt-EdM33Ed斬波器斬波器HONGHEM33Eduructtt 2 2） 脈沖寬度調制方式（脈沖寬度調制方式（Pulse Width ModulationPulse Width Modulation）,簡簡稱稱PWMPWM方式。方式。 利用參考電壓波利用參考電壓波U Ur r，與載頻三角波，與載頻三角波U Uc c互相比較來互相比較來決定主開關器件的導通時間而實現(xiàn)調壓，即利用脈沖寬度的

11、決定主開關器件的導通時間而實現(xiàn)調壓，即利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。簡稱改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。簡稱SPWM方式方式。HONGHE0f(t)t0f(t)t0f(t)t（1 1）PWMPWM控制的基本原理控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結論：即沖量相等而形在采樣控制理論中有一個重要的結論：即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。 4.4.脈寬調制技術脈寬調制技術HONGHE0ut 這種脈沖的這種脈沖的寬度按正弦規(guī)寬度按正弦規(guī)律變化而和正律變化而和正弦波等效的弦波等效的PWM波形，也

12、波形，也稱為稱為SPWM波波形。形。0tu（原理示意圖）HONGHEIGBT晶體管作為開關器件的電壓型單相橋式逆變電路晶體管作為開關器件的電壓型單相橋式逆變電路 HONGHEuructtuuo00uoududuof單極性單極性SPWM控制方式控制方式 HONGHEuructtuuo00uoudud雙極性雙極性SPWM控制方式控制方式 HONGHE調制控制電路urUucUd/2U三相負載V1V2VD1VD2V6V5VD5VD6V4V3VD3VD4Ud/2NurVurWNVWCC 在在SPWM型逆變電路中，使用最多的是圖所示的三相橋式型逆變電路中，使用最多的是圖所示的三相橋式逆變電路，其控制方式一

13、般都采用雙極性方式。逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。HONGHEurtu0uduauctua0Ed/2-Ed/2t0Ed-EduabHONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 1 1）由整流二極管）由整流二極管VD1VD1VD6VD6組成三相整流橋，將三相交流電組成三相整流橋，將三相交流電轉換成直流電。轉換成直流電。 （1）交）交 - 直部分直部分5.5.

14、脈寬調制（脈寬調制（SPWMSPWM）型變頻器）型變頻器 HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 2）濾波電容器）濾波電容器CF的功能是消除整理后的電壓紋波；當負的功能是消除整理后的電壓紋波；當負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7V

15、D9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 3）變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容器）變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容器CF的充電電流的充電電流很大，過大的沖擊電流可能損壞三相整流橋的二極管。為了很大，過大的沖擊電流可能損壞三相整流橋的二極管。為了保護整流橋，在變頻器剛接通電源時，電路中串入限流電阻保護整流橋，在變頻器剛接通電源時，電路中串入限流電阻RL，將電容器，將電容器CF的充電電流限制在允許范圍以內。的充電電流限制在允許范圍以內。HONGHEUV1VD1UdVWCFR

16、STRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 4）電源指示燈）電源指示燈HL有兩個功能，一是表示電源是否接通；有兩個功能，一是表示電源是否接通；二是在變頻器切斷電源后，反映濾波電容器二是在變頻器切斷電源后，反映濾波電容器CF上的電荷是否上的電荷是否已經釋放完畢。已經釋放完畢。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD1

17、0VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 1）逆變三極管）逆變三極管VT1VT6是變頻器實現(xiàn)變頻的具體執(zhí)行元是變頻器實現(xiàn)變頻的具體執(zhí)行元件，是變頻器的核心部分。如圖所示由件，是變頻器的核心部分。如圖所示由VT1VT6組成的三相組成的三相逆變橋，將逆變橋，將VD1VD6整流所得的直流電，再轉換為頻率可調整流所得的直流電，再轉換為頻率可調的交流電。的交流電。 （2）直）直 - - 交部分交部分HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7

18、VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 2）續(xù)流二極管）續(xù)流二極管VD7VD12的主要功能有：的主要功能有： 電動機是電感性負載，其電流具有無功分量。電動機是電感性負載，其電流具有無功分量。VD7VD12為無功電流返回直流電源時提供通道；為無功電流返回直流電源時提供通道；HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R

19、02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 當頻率下降、電動機處于再生制動狀態(tài)時，再生電當頻率下降、電動機處于再生制動狀態(tài)時，再生電流將通過流將通過VD7VD12返回直流電源；返回直流電源； 在在VT1VT6進行逆變的基本工作過程中，同一橋臂的兩個進行逆變的基本工作過程中，同一橋臂的兩個逆變管不停地交替導通和截止，在這交替導通和截止的過程中，逆變管不停地交替導通和截止，在這交替導通和截止的過程中，需要需要VD7VD12提供通路。提供通路。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD

20、8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 3）緩沖電路）緩沖電路 每次逆變管每次逆變管VT1VT6由導通狀態(tài)切換成截止狀態(tài)瞬間，集由導通狀態(tài)切換成截止狀態(tài)瞬間，集電極和發(fā)射極間的電壓電極和發(fā)射極間的電壓Uce將迅速地由將迅速地由0V上升至直流電壓值上升至直流電壓值Ud。這過高的電壓增長率將有可能導致逆變管的損壞。為減小這過高的電壓增長率將有可能導致逆變管的損壞。為減小VT1VT6在每次關斷時的電壓增長率，在電路中接入了電容在每次關斷時的電壓增長率，在電路中接入了電容器器C01C06。H

21、ONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 每次每次VT1VT6由截止狀態(tài)切換成導通狀態(tài)的接通瞬間，由截止狀態(tài)切換成導通狀態(tài)的接通瞬間，C01C06上所充的電壓將向上所充的電壓將向VT1VT6放電。此放電電流的初始放電。此放電電流的初始值很大，將疊加到負載電流上，導致值很大，將疊加到負載電流上，導致VT1VT6的損壞。的損壞。R01R06的功能就是限制逆變管在接通瞬間的功能就是限制逆變管在接通瞬間C01C06的放電電流。的放電電流。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 當當R01R06接入時，會影響在接入時，會影響在VT1VT6關斷時減小電壓增關斷時減小電壓增長率的效果。為此接入長率的效果。為此接入VD