《第3章变频技术的基本类型.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章变频技术的基本类型.ppt（52页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、变频技术的基本类型,1整流技术 :通过晶体二极管组成的不可控或者晶闸管组成的可控整流器，将工频交流电变换成频率为零的直流电，称为整流技术。 2直流斩波技术:通过改变电力半导体器件的通断时间，也就是脉冲频率（定宽变频），或者改变脉冲的宽度（定频调宽）达到调节直流平均电压的目的。 3逆变技术:在变频技术中，逆变器是利用半导体器件的开关特性，将直流电变换成不同频率的交流电。 4交-交变频技术:通过控制电力半导体器件的导通与关断时间，将工频交流电变换成频率连续可调的交流电。 5交-直-交变频技术:先将交流电经过整流器变换成直流电，再将直流电逆变成频率可调的交流电。,变频器发展趋势,1智能化 2专业化
2、3模块化 4环保化 变频器功能与应用 1节能 2自动控制 3 . 提高产品质量,PWM变频调速控制技术,脉宽调制技术（Pulse Width Modulation PWM）是变频器的控制技术之一。各种逆变电路多采用PWM技术，这种技术也是自动控制中常用的技术手段之一。PWM控制方式，就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不同的方波脉冲。通过控制这些方波脉冲的宽度和占空比来调节平均电压。,目前，较普遍的变频调速系统是恒幅脉宽调制（PWM）变频电路。三相或单相交流电压经整流器整流滤波后得到直流电压，将这个恒定的直流电压输入逆变器，调节逆变器的脉冲宽度和输出频率来实现
3、调压调频的双重任务。 在频率一定时如果可调宽度增加则电压平均值增加。也就是增大了占空比 如图3-1所示为单相逆变电路，其实质是直流斩波器，电路以IGBT为逆变管。通过控制逆变管VT1、VT4和VT2、VT3的交替导通和关断时间，达到控制逆变电器的输出波形与频率的目的。图3-2所示为单相逆变器输出波形，由图3-2可以看出逆变管VT1，VT4在基波频率的正半周多次重复（图中画出7次导通关断）导通与关断，而逆变管VT2、VT3在负半周内也同样导通和关断同样次数，如果使逆变管导通的时间间隔象正弦函数一样变化，逐渐增大，再逐渐减小；而等幅不等宽的脉冲电压面积，接近于所对应正弦波电压面积，则逆变器的输出电
4、压将很接近基波电压，高次谐波电压将大为减小。若采用高速开关器件和计算机控制，使逆变器的输出脉冲次数增多，逆变器输出电压则更为理想，因此PWM型逆变电路广泛用于交流异步电动机变频调速。,SPWM调制技术,PWM方法源于无线电中的载波调制技术。在交流异步电动机变频调速中，通常采用正弦波脉冲宽度调制（Sinusoidal PWM）方法，简称SPWM。在PWM中，如果脉冲宽度和占空比的大小，按正弦规律分布，则为正弦波脉宽调制（SPWM）。从脉宽调制的极性来看，有单极性调制和双极性调制两种方法。,单极性调制原理,三角波单极性调制SPWM原理如图3-3所示。以正弦波USi 作为参考调制信号,用三角波Uti
5、 作为载波信号。如果正弦波信号和三角信号都是正极性信号，称为单极性SPWM调制。图3-3中，在比较器A的“+”端输入正弦波参考调制信号电压USi，在A的“-” 端输入三角波载频信号电压Uti。当 USi Uti时，电压比较器A输出高电平。当USi Uti时，电压比较器A输出低电平。在电压比较器A输出端就得到了SPWM电压脉冲序列。在SPWM脉冲序列中，各脉冲的幅度相等，而脉冲宽度不等。,由图3-4可知，脉冲宽度也就是开关器件的导通关断时间，它取决于两个比较电压USi和Uti 的交叉点及交叉点之间的距离（时间）。在这个序列脉冲中，占空比是按正弦规律变化的。所以脉冲序列的瞬时电压平均值也是正弦规律
6、。但采集两个比较电压USi和Uti 的交叉点及交叉点之间的距离是非常困难的。只有采用计算机技术，才能在较短的时间内，计算出正弦波与三角波的所有的交叉点，并且使逆变器的功率开关器件按各交叉点所规定的时刻有序导通或关断。,将上述SPWM波形应用到图3-1所示的电路中，在正弦参考调制信号和三角波载波信号的交叉点时刻控制IGBT的导通与关断。正半周时，将SPWM信号加到VT1和VT4基极，使VT1和VT4按照脉冲电平及规律进行通断工作。此时，VT2和VT3关断。负载电流由“a”到“b”。在负半周时，将SPWM信号加到VT2和VT3基极，使VT2和VT3按照脉冲电平及规律进行通断工作，此时，VT1和VT
7、4关断。负载电流由”b”到“a”。可见，流经负载的电流是正负交替的交流电。,变频器的组成,变频器按变换方式可分两大类，即交交变频器和交直交变频器。交交变频器 交交变频器是将电网工频交流电变换成为频率和电压连续可调的交流电。图3-6所示为单相交交变频器主电路原理示意图。由图中可以看出，控制正组桥和反组桥交替的导通，在负载上就可以产生新的电压和频率的交流电。因为没有中间直流环节，所以，能量转换效率高。但输出频率较低，一般为025HZ, 它广泛应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机低速下变频调速。但由于交交变频器输出频率低和功率因数低，其应用受到制约。,交交变频器可分为 1、方波型交交变频器 2、
8、正弦波型交交变频器,交直交变频器的组成,交直交变频器是先将电网工频交流电经过整流器变换成直流电，再经过逆变器变换成电压和频率任意可调的交流电。交直交变频器是应用最为广泛的变频器。它由主电路和控制电路组成，主电路包括整流器，中间直流环节和逆变器，其基本组成如图3-7所示。,变频器主电路,1 .交直变换环节 交直变换电路就是整流滤波电路。其任务是将工频电源的三相或单相交流电变换成稳恒的直流电。因整流后的直流电压比较高，其电路结构具有特殊性。交直变换电路如图3-8所示。,限流电路,均压电阻,指示电路,整流电路,在SPWM变频器中，大多采用桥式全波整流电路。在中小型变频器中，整流器件采用不可控的整流二
9、极管式或二极管整流模块。图3-6中VD1VD6组成了三相桥式不可控全波整流电路。通常小功率变频器多采用单相220V整流。大功率变频器通常采用380V整流。当输入交流电压为380V时，整流后的脉动直流峰值电压可达537V，平均电压可达515V。,滤波电路,整流电路输出是脉动直流电压。要想得到稳恒的直流电压，必须加以滤波。 CF1和CF2为滤波电容。滤波电路的作用是滤除整流后的电压纹波。此外，还具有在整流器和逆变器之间的去耦作用，消除相互干扰。由于电解电容器的容量和耐压值的限制，滤波电容通常采用多个电容器串并联成一组。因为大电解容器的电容量存在着离散性，所以CF1和CF2的容量不一定完全相等。其结
10、果是两组电容器所承受的电压Ud1和Ud2不平衡，使得承受电压较高的一组电容器容易击穿。为使CF1和CF2两端电压相等，在CF1和CF2各并联一只阻值相等的电阻R1和R2，以均衡CF1和CF2两端电压。,串联在整流桥和滤波电容之间的，由限流电阻RL和短路开关SL组成的并联电路称为限流电路。由于滤波电容的容量较大，在接通电源之前，滤波电容两端直流电压为零（Ud = 0）。在接通电源瞬间，滤波电容CF1和CF2的充电电流很大，（此时整流桥相当于短路）有可能因此而损坏。为了保护整流桥，在滤波电容CF1和CF2的充电过程中，电路中串接限流电阻RL用以限制电容的充电电流。当滤波电容CF1和CF2的充电完成
11、后，如果限流电阻仍存于电路中，必然有一定的压降，使得直流电压Ud减小，同时也增大电路损耗，影响变频器的输出电压。因此，当电容器充电到一定程度时，令SL接通，将RL短接，将电阻RL从电路中切除。 通常变频器中的短路开关SL采用晶闸管代替，小容量的变频器有的采用接触器或继电器的触点代替。,电源指示电路,HL为电源指示灯，RH为指示灯的限流电阻。指示灯除了显示变频器电源的是否接通外，还有一个重要功能，当变频器切断电源后，表示滤波电容CF1和CF2上的电荷是否已经放电完毕。由于CF1和CF2的容量较大，充电电压很高，因此，变频器停止工作切断电源后，CF1和CF2的放电时间长达数分钟，存在电容器中的电荷
12、如不全部释放，将对人身安全构成威胁，在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后，方能工作.,中间直流环节,交流电动机是感性负载，作为逆变器的负载，功率因数不可能为1。所以，在中间直流环节和电动机之间存在着无功功率的交换，这种无功能量需要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。 中间直流环节采用大容量电容器作为缓冲元件，其直流电压比较平稳。在理想情况下具有恒压源的特点，且输出电压波形为矩形波，这种变频器称为电压型变频器。如图3-9（a）所示。目前，在中小容量变频器中应用最为广泛的就是电压型变频器。中间直流环节采用大容量电感作为缓冲元件，负载为异步电动机时，输出电压波形近似正弦波，且输出电流波形为矩形波，这种变
13、频器称为电流型变频器,如图3-9（b）所示,直-交变换环节,直-交变换电路即逆变电路，其功能是将直流电逆变成电压和频率连续可调的三相交流电，直交变换电路，如图3-10所示。,三相桥式逆变电路,三相逆变桥电路原理，如图3-11所示。图中VT1VT6以IGBT为逆变管，组成三相桥式逆变电路。其工作原理与单相逆变电路工作原理相同，只是输出三相交流电互差T/3，U相超前V相T/3、V相超前W相T/3、W相超前U相T/3，各逆变管在SPWM信号的控制下交替导通与截止。,图3-12所示为三相逆变桥控制电路框图。一组三相对称正弦调制波信号USIU、USIV 、USI W由正弦波信号发生器提供，其频率大小决定
14、逆变桥输出的基波频率，在所要求的频率范围内可调；幅值可在一定范围内变化，以决定逆变桥输出电压的大小。三角波信号发生器产生的三角形载波信号是共用的，分别与每相正弦波信号相比较，产生SPWM信号Udu、Udv 、Udw ，以驱动逆变管VT1VT6。,续流电路,图3-10中，由二极管VD7VD12构成续流电路，其作用有三：一是当电动机处于再生发电状态时，再生电流将通过续流二极管，回馈到直流电源；二是由于电动机是感性负载，功率因数必然小于1。因此，电流中存在无功分量，续流二极管为无功分量的回馈提供通道；三是为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供必要的通道。,缓冲电路,图3-13是具有代表性的缓冲电路
15、。图中C01C06、R01R06及VD01VD06构成了缓冲电路。其主要功能是，逆变管在导通和关断瞬间，电压和电流的数值是很大的，有可能击穿逆变管。因此，每个逆变管旁边接入由电阻、电容和二极管组成的缓冲电路，减缓电流和电压的变化率对逆变管的冲击，从而保护逆变管安全工作。,电容C01C06的作用,在逆变管VT1VT6每次由导通状态转换到截止状态过程中，集电极C和发射极E之间的电压Uce，将由0迅速上升至直流电压Ud，这个过程中电压增长率很大，极容易导致逆变管击穿。因此，逆变管VT1VT6在由导通到关断过程中给电容充电，从而减小了电压变化率,电阻R01R06、二极管VD01VD06的作用,在逆变管
16、VT1VT6每次由截止状态转换到导通状态过程中，电容C01C06所存储的电压将向逆变管放电，且开始放电的电流很大，也很容易损坏逆变管。接入电阻R01R06的目的就是为了限制电容C01C06对逆变管VT1VT6的放电电流 限流电阻R01R06对电容C01C06充电时间是有影响的。在逆变管VT1VT6关断过程中，二极管VD01VD06将电阻R01R06短路，使之不起作用,制动单元,在变频器调速系统中，电动机的降速和停车，是通过逐渐减小频率来实现的。电动机处于工作状态时，在频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降。由于电动机的机械惯性，其转子转速并未立即改变。此时，电动机的同步转速低于转子转速，电动
17、机处于发电制动状态。电动机的再生电能将通过图3-13中的VD7VD12续流二极管进行全波整流回馈到直流电路。与此同时，电动机中的无功分量也要通过续流二极管VD7VD12回馈到直流电路。,由于回馈到直流电路的再生电能无法再回馈到电网，仅靠电容CF1和CF2的吸收是不够的，将导致直流电路电压升高，该电压称为“泵生电压”。泵生电压将对开关器件造成很大损害。因此，当直流电压超过一定限值时，就要提供放电回路，将再生能量消耗掉。这一放电回路，称为能耗制动电路。能耗制动电路由图3-14中的制动电阻RB和制动单元VB组成。制动电阻RB的作用是消耗直流电路中多余的电能。制动单元中的开关器件VB的作用是提供放电通
18、路，当直流电压超过一定限值时，VB导通，使直流回路通过RB消耗电能，降低直流电压。当直流电压在正常范围内时，VB将可靠地截止,制动单元,限流电路,控制电路组成及端子,图3-15所示为变频器控制电路原理框图。控制电路是以计算机为核心的，基本构成如下,1控制电源 控制电源是为控制电路提供稳定的直流电源。 2计算机控制单元 计算机控制单元，包括以CPU为核心的各种硬件电路以及控制软件。它是变频器的控制中心。其主要功能是，处理外部控制信号、内部检测信号和用户对变频器的设定信号，实现对变频器的各种控制。 3检测电路 检测电路包括电压检测电路和电流检测电路。该检测电路在变频器运行过程中检测欠电压和过电流信
19、号，送入计算机进行处理。 4驱动电路 在计算机控制下，为逆变器提供按SPWM控制方式且具有足够功率的驱动控制信号。,5保护及报警电路 变频器的控制软件中有故障自诊断和保护报警程序。当变频器出现故障或输入、输出信号发生异常时，经计算机处理后，控制驱动电路，使变频器停止工作，实现自我保护。 6操作面板 用于设定变频器的各种控制功能，并显示变频器的当前工作状态。 7主电路接线端子 主电路接线端子有三相电源接线端子R、S、T和电动机接线端子U、V、W。 8控制信号端子 控制信号端子有外接输入端子和外接输出端子，用于变频器的外接输入控制信号，故障报警信号的输出等。,1接受信号 （1）接受用户从操作键盘或
20、外接输入端子输入的各种预置信号。如给定频率等。 （2）接受从操作键盘或外接输入端子输入的各种控制信号，如启动、停止、升速、降速、点动等各种控制。 （3）接受从电压检测电路和电流检测电路以及其它传感器输入的各种状态信号。如欠压、过流等,控制电路的作用,2进行各种运算 将各种信号送入计算机进行运算。根据要求为主电路提供各种必要的信号和控制，最主要的运算是： （1）进行矢量控制运算和其它必要的运算。 （2）准确的计算出SPWM波形各交叉点的切换时刻。 3输出各种运算结果 （1）产生符合逆变器要求的SPWM驱动控制信号，输出到逆变器的驱动电路。 （2）经输出单元输出给操作面板上的显示器，显示当前工作状
21、态及错误信息。 （3）向外接输出端子发出控制信号,变频器中的制动,变频调速速系统中，当电机减速或所传动位能负载下降时，异步电机将处于再生发电制动状态，传动系统中所储存的机械能经异步电机转换成电能，逆变器中的6个回馈二极管将这种电能回馈到直流侧，此时逆变器处于整流状态，如不采取措施，该能量将使储能电容两端电压升高，制动过程较慢时，电压升高不明显，一旦电动机恢复到电动状态，该能量被负载重新利用。制动较快时，电容上的电压上升很高，此时制动装置起作用（解决再生电能），以保护变频器。,再生能量的处理方式,耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中。 由并联在直流回路上的其他传动系统吸收。 将
22、再生电能采用一定的方式回馈到电网。 1、2项属于动力制动；3项属于回馈制动。 另外还有一种制动方式：异步电机定子通过直流电，实现电机制动-直流（DC ）制动。,制动单元,一.动力制动：利用设置在直流回路中的制动电阻吸收再生电能。,制动单元由VB、VB、RB构成，若回馈能量较大或要求强制动，还可选用外部制动电阻REB 。 制动时，再生能量回馈到直流侧，电容上的电压升高，当该电压超过设定值时，控制部分给VB加导通信号，使RB与C并联，存在C中的回馈能量经电阻消耗掉。 流经RB的电流信号是间隙的。RB大多放在变频装置外部，只有小容量的放在变频装置内部。,一.回馈制动：将能量回馈到交流电网。,当输出频
23、率为基频fi=fN时，变频器输出电压Uo=UN，且Uo是变频器变频过程中的最大可能输出电压。由基频向下或向上调速，输出电压都不会超过UN，UN是由相应的直流回路电压UC也是电网电压提供的。由此可得出： 电动机一旦选定，即 UN为确定值时，UC也是确定值。（变频器输出电压0-电网电压，电动机电压多高电网电压也取多高） 只要电动机处于电动状态下，无论频率多高，UC的值不变。只有处于制动状态，UC的值才因有功能量向直流侧的回馈而由UCN开始升高。,NGP的控制角90（即Uc作为控制条件。按常规取=30 时，Ud2=0.866*1.35Un2,而UC=1.35Un1,为使Ud2Uc，必须Un2 Un1
24、，因此，升压变压器必不可少。若Un1=UN，则Un2 UN 制动时：UC升高到大于2Un1（电容上直流脉动电压最大值），桥1截止，这时将NGP投入，可以产生逆变电流，将能量回馈到电网。只要控制或就可以控制SCR的工作状态，只有当Ud2Uc才进入逆变状态。否则不产生逆变电流。可以理解为一种等待回馈状态。,直流制动,变频器向异步电动机通入直流电时,即逆变器中有3个桥臂短时间内连续导通,不再换相,电机便处于能耗制动状态.此时变频器输出频率为0.电动机定子磁场不再旋转,转动转子切割这个静止磁场,产生制动转矩,旋转系统存储的动能转换为电能消耗于转子回路. 作用:1.准确停车. 2.制止在起动前电动机由于
25、外因引起的不规则转动.比如风机负载,停车状态时,电机可能由于风筒中风压的作用自由旋转,有时反转,就可以利用直流制动使其静止,保证电机从0速度启动. 通用变频器中,对直流制动功能的控制,主要通过设定DC制动起始频率fDB,制动电流IDB制动时间TDB实现, fDB不能太高,因为fDB太高,异步电机电流频率和幅值都很高,转子铁损很大,导电机发热,但制动转矩却并不大.,V/F控制型通用变频器,1.普通控制型V/F通用变频器:是转速开环控制,无需速度传感器,控制电路比较简单,电机选择通用标准异步电动机,通用性强性价比高,目前使用较多.其缺点: 不能恰当地调整电机转矩,不能补偿适应转矩的变化.普通控制型
26、V/F通用变频器的SPWM注重的是如何使逆变器的输出电压尽量接近正弦波,较少考虑如何针对不同类型电机的特性, 不能保证E/F不变,因此不能保证磁通不变,定子电阻压降随着负载变化,当负载重时压降大,V/F的值可能补偿不足,使电机的机械特性和负载特性没有稳定的运行交点;负载轻时,可能产生过补偿,磁路饱和.两种情况都可能引起变频器过流跳闸.,为了适应不同的电动机和不同的生产机械,转矩提升常有两种方法: 在存储器中存入多种U/F函数的不同曲线图形,由用户根据需要人为地选择最佳曲线. 根据定子电流的大小自动补偿定子电压. 利用选定的曲线,很难恰当地调整电动机的转矩. 由于定子电流不完全与转子电流成正比,
27、所以根据定子电流调节变频器电压的方法,并不反映负载转矩.因此定子电压也不能根据负载转矩的改变而恰当的改变电磁转矩.,无法准确的控制电机的实际转速:由于普通控制型V/F通用变频器是转速开环控制,由电机的机械特性可知,设定值的定子频率对应的是理想空载转速,而电机的实际转速是由转差率决定,所以V/F方式存在的稳态误差不能控制.无法准确控制电机的实际转速. 转速较低时,由于转矩不中而无法克服较大的静摩擦力.,高功能型U/F控制通用变频器,上述缺点,都是由于变频器没有转矩控制功能引起的,为了提高静态稳定性,加大调速范围,改善起动性能,并避免不必要的过流跳闸,人们采取一系列措施,实现转矩控制功能. 所谓高
28、功能型,是指具有转矩控制功能(不用速度传感器)的U/F控制方式通用变频器. 这种控制方式,可使极低速下的转矩过载能力达到或超过150%;频率调节范围达1:30;电机静态特性的硬度高于在工频电网上运行的自然特性硬度.具有挖土机特性和”无跳闸”能力. 这种变频器甚至可以代替某些闭环控制,实现闭环控制的开环化.,转矩控制功能,这种控制方式除需要定子电流传感器外,不再需任何传感器,通用性强,适合于各种型号异步电机. 控制电路包括1.转矩控制和2.对逆变器进行PWM控制两部分. PWM控制保证输出正弦波形,且具有足够响应速度. 转矩控制部分包括有功无功检测器,磁通补偿器,转差补偿器,电流限制控制器. 磁
29、通补偿器,转差补偿器,电流限制控制器的作用是根据定子电流的有功分量和无功分量计算变频器频率参考值和电压参考值,以保证转子磁场恒定,并在负载出现冲击时,适当的补偿异步电机转子磁通.,1.转矩控制,通用变频器驱动不同类型的异步电动机时,根据电动机的特性压频比进行恰当的调整十分困难,一旦电压不足,则不能产生与负载成正比的电磁转矩,出现过载则可能出现跳闸,因此无论多大的负载转矩都必须使电机产生的转矩随负载转矩变化.转矩控制部分利用磁通补偿器和转差补偿器调整变频器频率参考值和电压参考值,保证了磁通恒定. 如果电动机转矩增大到最大允许值以上,电动机将失步,变频器也会跳闸,因此要设置抑制过电流的电流限制器,
30、保证转矩或电流不超出允许值,实现挖土机特性.,变频器控制方式综述,变频器中常用的控制方式可分为:非智能和智能控制方式. 非智能控制方式有:V/F控制,转差率控制,矢量控制,直接转矩控制等. V/F控制:是为了得到理想的转矩-速度特性,基于在 变电源频率进行调速的同时,保证电动机的磁通不变的思想而提出的,通用型变频器基本上都采用这种方式.结构简单,但由于是开环控制,不能达到较高的控制性能.在低频时,必须进行转矩补偿,以改变低频转矩特性.,转差率控制:是一种直接控制转矩的控制方式,是在V/F的基础上按照异步电机的实际转速对应的电源频率,并根据希望得到的转矩来调节变频顺的输出频率,使电机具有对应的输
31、出转矩.这种方式在控制系统中需安装速度传感器,有时还加有电流反馈,对频率和电流时行控制,是一种闭环控制,可以使变频器具有良好的稳定性,对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性. 矢量控制:是通过矢量坐标电路控制电机定子电流的大小和相位,以达到对电动机在3个坐标系中的励磁电流和转矩电流进行控制,进而达到控制电机转矩的目的.,直接转矩控制:是利用空间矢量坐标概念,在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩,通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的,因此省去了矢量控制等复杂的变换计算,系统直观,简洁,计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高,即使在开环的状态下,也能输出100%额定转矩. 智能控制方式:主要有神经网络控制,模糊控制,专家系统,学习控制等.,