变频器工作原理

1、 一、变频器概述 二、变频器基本原理 三、变频器的保护功能 四、变频器的干扰及预防措施 五、变频器应用 三相交流异步电机的结构简单、坚固、运 行可靠、价格低廉，在冶金、建材、矿山、 化工等重工业领域发挥着巨大作用。人们 希望在许多场合下能够用可调速的交流电 机来代替直流电机，从而降低成本，提高 运行的可靠性。如果实现交流调速，每台 电机将节能20%以上，而且在恒转矩条件 下，能降低轴上的输出功率，既提高了电 机效率，又可获得节能效果。 异步电机调速系统的种类很多，但是效率 很高、性能最好、应用最广的是变频调速， 它可以构成高动态性能的交流调速系统来 取代直流调速系统，是交流调速的 主要发 展方

2、向。变频调速是以变频器向交流电机 供电，并构成开环或闭环系统，从而实现 对交流电机的宽范围内无级调速。变频器 可把固定电压、固定频率的交流电变换为 可调电压、可调频率的交流电。 随着电力电子技术的发展，出现了高耐压、大功 率、具有自关断的全控型电力电子器件，它具有 驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电 路中可极大提高变频的 性能。 脉宽调制（PWM)变频就是把通讯系统中的调制技 术推广应用到交流变频中，可使变频器具有良好 的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的 性能。 采用全数字微机控制技术，使变频器减小了体积、 降低了成本、提高了效率、增强了功能。 以上三种技术的应用，使电机基本能

3、够平稳运行、 无噪声、无抖动。交流变频调速已成为电气调速 传动的主流。目前变频器不但在传统的电力拖动 系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业 生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱 等家电中。 （一）变频器的功用 变频 器 的 功用是将频率固定(通常为工频 50HZ)的交流点(三相的或单相的)交换成频率 连续可调的三相交流电源。 如下图 2. 1所示，变频器的输入端(R,S ,T)接 至频率固定的三相交流电源，输出端(U,V, W) 输出的是频率在一定范围内连续可调的三相 交流电，接至电机。 VVVF(Variation Voltage Variation Frequency)频率可变

4、、电压可变。 （二）变频器主要功能 一、软启动马达 二、调频调压调电流 三、空（轻）载时能在维持转速的时候减少 电流（节能） 变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节 能效果明显！ （三）变频器的核心是电力电子器件及控制方式 1.电力电子器件的发展 20 世 纪 80年代中期以前，变频装置功率回路主要 采用第一代电力电子器件，以晶闸管元件为主，这 种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容 量的直流调速装置相比。 80年代中期以后采用第二代电力电子器件GTR. CTO, VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能和价 格比上可以与直流调速装置相媲美。 随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块

5、化 方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年 代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速 装置(1-1000kw)主要采用IGBT，大功率的变频调速 装置(1000-10000kW)采用GTO器件。 20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了 第四代，如高压IGBT, IGCT, IEGT, SGCT、智能功 率模块IPM等。 2.控制方式 变频器用不同的控制方式，得到的调速性 能 、特性及用途是不同的。 控制方式大体分为开环控制及闭环控制。 开环控制有U/f电压与频率成正比的控制方 式 闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转 矩控制。 现在矢量控制可以实现与直流机电枢电流 控制

6、相媲美，直接转矩控制直接取交流电 动机参数进行控制，其方便准确精度高。 （一） 变频调速的构成 要实现变频调速，必须有频率可调的交流 电源，但电力系统却只能提供固定频率的 交流电源，因此需要一套变频装置来完成 变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机 组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。 现代的变频器都是由大功率电子器件构成 的。相对于旋转变频机组，被称为静止式 变频装置，是构成变频调速系统的中心环 节。 一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电 动机和控制电路3大部分组成， 静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压 电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。 至于控制电路，变频调速系统

7、要比直流调速系统 和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对 象感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控 制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务 大多是由微处理机承担。 为了充分利用铁心材料，在设计电动机时， 总是让电动机在额定频率和额定电压下工 作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此，在 电动机调速时，希望保持每极磁通量为额 定值不变。如果过分增大磁通又会使铁心 过分饱和，从而导致励磁电流急剧增加， 绕组过分发热，功率因数降低，严重时甚 至会因绕组过热而损坏电动机。故而希望 在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现恒 磁通变频调速，这样，调速时才能保持电 动机的最大转矩不变。 m emememe （三

8、）变频器的分类 1.按变换环节分: (1)交-交变频器 把频率固定的交流电源直接变换成频率可 调的交流电，又称直接式变频器。 (2)交-直-交变频器 先把频率固定的交流电整流成直流电，再 把直流电逆变成频率连续可调的交流电， 又称间接式变频器。 2.按电压的调制方式分: (1) PAM (脉幅调制) 变频器 输出电压的大小通过改变直流电压的大小 来进行调制。在中小容量变频器中，这种 方式几近绝迹。 (2) PWM (脉宽调制) 变频器 输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空 比来进行调制。 目前普通应用的是占空比按正弦规律安排 的正弦脉宽调制(SPWM)方式。 3. 按直流环节的储能方式分（对交

9、直交）: (1)电流型 直流环节的储能元件是电感线圈LF,如图所 示。 (2)电压型 直流环节的储能元件是电容器CF,如图所示。 4.1交-交变频器工作原理 4.2交-直-交变频器工作原理 4.3交-交与交-直-交变频器的比较 交交变频电路，也称周波变流器 u 把电网频率的交流电变成可调频率 的交流电的变流电路，属于直接变频 电路。 u 广泛用于大功率交流电动机调速传 动系统，实际使用的主要是三相输出 交交变频电路。（由三组输出电压相位 各差120的单相交交变频电路组成）。 4.1交-交变频器工作原理 单相交交变频电路原理图和输出电压波形 三相输入单相输出的交交变频电路由P组和N组反 并联的晶

10、闸管变流电路构成，其结构如图1(a)所示 . 结合图1(a)，下面分析三相输入单相输出的交交变 频电路的工作原理： P组工作时，负载电流io为正；N组工作时，io为负； 两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该 频率的交流电；改变切换频率，就可改变输出频率 wo；改变变流电路的控制角 ，就可以改变交流输 出电压幅值；为使uo波形接近正弦，可按正弦规律 对 角进行调制，在半个周期内让P组 角按正弦 规律从90减到0或某个值，再增加到90，每 个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增 至最高，再减到零。uo由若干段电源电压拼接而成， 在uo一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波 形就越接

11、近正弦波如图1(b)。 o ioi0i0i0i 4.2 交-直-交变频器 其结构如下，它由主电路和控制电路组成。 交-直-交变频器主电路 目前，通用型变频器绝大多数是交直 交型变频器，通常尤以电压器变频器为通 用，其主电路图（见图1.1），它是变频器 的核心电路，由整流电路（交直交换）， 直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路 （直交变换）组成。 一、交直变换部分一、交直变换部分 1、VD1VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。组成三相整流桥，将交流变换为直流。 2、滤波电容器、滤波电容器CF作用：作用： （1）滤除全波整流后的电压纹波； （2）当负载变化时，使直流电压保持平衡。 因为受电容量和

12、耐压的限制，滤波电路通常由若干个 电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中 的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每 组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。 3、限流电阻、限流电阻RL和开关和开关SL RL作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作 用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击 电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。 SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。 一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。 4、电源指示、电源指示HL 作用：除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电 后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能

13、进行拆线等操 作）。 二、能耗电路部分二、能耗电路部分 1、制动电阻、制动电阻RB 变频器在频率下降的过程中，将处于再 生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF 中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危 险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能 量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都 有外接端子（如DB，DB）。 2、制动单元、制动单元VB 由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其 作用是为放电电流IB流经RB提供通路。 三、直交变换部分三、直交变换部分 1、逆变管、逆变管V1V6 组成逆变桥，把VD1VD6整流的直流电逆 变为交流电。这是变频器的核心部分。 2、续流二极管、续流二极管VD7VD12

14、作用：（1）电机是感性负载，其电流中有无 功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”； （2）频率下降，电机处于再生制动状态时， 再生电流通过VD7VD12整流后返回给直流电路； （3）V1V6逆变过程中，同一桥臂的两个 逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相 过程中，也需要VD7VD12提供通路。 四、缓冲电路四、缓冲电路 缓冲电路如图缓冲电路如图2所示。所示。 逆变管在导通和判断的瞬间，其电压和电流的变化率是比 较大的，可能全逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁边 还要接入缓冲电路，其作用就是减缓电压和电流的变化率。 1、C01C06 逆变管V1V6每次由导通到截止的判断瞬间，集电 极C

15、和发射极E间的电压将迅速地由0V上升为直流电压UD。 过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。C01C06的作 用就是减小逆变管由导通到截止时过高的电压增长率，防 止逆变损坏。 2、R01R06 逆变管V1V6由导通到截止的瞬间，C01C06所充 的电压（等于UD）将V1V6放电。此放电电流的初值很 大，并且叠加在负载电流上，导致逆变管的损坏。R01 R06的作用就是限制逆变管在导通瞬间C01C06的放电 电流。 3、VD01VD06 R01R06的接入，又会影响到C01C06在V1V6 关断时减小电压增长率的效果。VD01VD06接入后，在 V1V6关断过程中，使R01R06不起作用；而在V1

16、V6接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01 R06。 交-直-交变频器控制电路 控制电路由运算电路、检测电路、控制信 号的输入/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各种保护功能等， 可采用模拟控制或数字控制。 高性能的变压器目前已采用嵌入式微型计 算机进行数字控制，采用尽可能的硬件电 路，主要靠软件来完成各种功能。 按照不同的控制方式，又可将间接变频装置 分为下图中的(a)、(b)、(c)3种。 1.可控整流器变压、变频器变频 调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控 制电路上协调配合这种装置结构简 ，控制方 便，输出环节用由晶

17、闸管(或其他电子器件)组成的 3相6拍变频器(每周换流6次)，但由于输入环节采 用可控整流器，在低压深控时电网端的功率因数 较低，还将产生较大的谐波成分，一般用于电压 变化不太大的场合 2. 直流斩波器调压、变频器变频 采用不可摔整流器，保证变频器的电网侧有较高 的功率因数，在直流环节上设置直流斩波器完成 电压调节。这种调压方法有效地提高了变频器电 网侧的功率因数，并能方便灵活地调节电压，但 增加了一个电能变换环节斩波器，该方法仍 有谐波较大的问题。 3.变频器自身调压、变频 采用不可控整流器，通过变频器自身的电子 开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变 输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到

18、调节输出 电压的目的。这种方法称为脉宽调制(PWM)。因 采用不可控整流，功率因数高；因用PWM逆变， 谐波可以大大减少。谐波减少的程度取决于开关 频率，而开关频率则受器件开关时问的限制。 若仍采用普通晶闸管，开关的频率并不能有效 地提高，只有采用全控型器件，开关频率才能得 以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的 正弦波，因而又称正弦波脉宽调制(SPWM)变频 器。该变频器将变频和调 功能集于一身，主电路 不用附加其他装置，结构简单，性能优良。成为 当前最有发展前途的一种结构形式。 过载能力强 效率高输出波形好 但输出频率低 使用功率器件多 输入无功功率大 高次谐波对电网影响 大 结构简单

19、 输出频率变化范围大 功率因数高 谐波易于消除 可使用各种新型大功 率器件 PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用 模拟电路完成 三角调制波和参考正弦波的比较，产生正弦脉宽调制SPWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方 案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，PWM在各种应用 场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可 以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动 乃至其他能量交换系统中得到广泛的应用。 PWM控制技术大致可以分为三类：正弦PWM，优化PWM，随机 PWM。 正弦PWM具有改善输出电压和电流波形、降低电源系统谐波 的多重PWM

20、技术，在大功率变频器中有其独特的优势； 优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率最小、电压利用 率最高、效率最优、转矩脉动最小及其他特定优化目标； 随机PWM原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限 带白噪声，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率 为特征的有色噪音强度大大削弱。 SPWM变频器结构简单，性能优良，主电路不用 附加其他装置，已成为当前最有发展前途的一种 结构形式。图3所示为SPWM变频器的电路原理， 该电路的主要特点是： (1)主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构； (2)使用了不可控的整流器，使电网功率因数与变 频器输出电压的大小无关而接近于1； (3)变频器在调频

21、的同时实现调压，而与中间直流 环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应； (4)可获得比常规6拍阶梯波更好的输出电压波形， 能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似 正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，大大扩 展了拖动系统调速范围，并提高了系统的性能。 SPWM变频器的工作原理 所谓正弦波脉宽调制(SPWM)就是把正弦 波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波 形，如图4所示，等效的原则是每一区间 的面积相等。 如果把一个正弦半波分作n等份(图中n=12)， 然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的 面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲 来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份 的中点重合，而宽度

22、是按正弦规律变化的如 图4(b)所示。这样，由n个等幅而不等宽的 矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效， 称作SPWM波形。同样，正弦波负半周也可 用相同方法与一系列负脉冲波来等效。 图4(b)所示的一系列脉冲波形就是所 期望的变频器输出SPWM波形。可以看到， 由于各脉冲的幅值相等，所以变频器可由 恒定的直流电源供电，即这种交一直一交 变频器中的整流器采用不可控的二极管整 流器即可，变频器输出脉冲的幅值就是整 流器的输出电压幅值。当变频器各开关器 件都是在理想状态下工作时，驱动相应开 关器件的信号也应为与图4(b)所示形状相 似的一系列脉冲波形。 变频器工作原理 5.2 异步调制和同步调制

23、根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况， PWM调制方式分为异步调制异步调制和同步调制同步调制。 通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也 不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期 的脉冲也不对称 当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产 生的不利影响都较小 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不 对称的影响就变大 载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 1） 异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式 变频器工作原理 5.2 异步调制和同步

24、调制 2） 同步调制同步调制 载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时 使载波与信号波保持同步，即N等于常数。 uc urUurVurW u uUN uVN O t t t t O O O uWN 2 Ud - 2 Ud 图6-10 同步调制三相PWM波形 基本同步调制方式，fr变化 时N不变，信号波一周期内 输出脉冲数固定。 三相电路中公用一个三角 波载波，且取N为3的整数 倍，使三相输出对称。 为使一相的PWM波正负半 周镜对称，N应取奇数。 fr很低时，fc也很低，由调 制带来的谐波不易滤除。 fr很高时，fc会过高，使开 关器件难以承受。 变频器工作原理 5.2 异步调制和同步调

25、制 3）分段同步调制分段同步调制 异步调制和同步调制的综合应用。 把整个fr范围划分成若干个频 段，每个频段内保持N恒定， 不同频段的N不同。 在fr高的频段采用较低的N， 使载波频率不致过高；在fr低 的频段采用较高的N，使载波 频率不致过低。 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 1020304050607080 201 147 99 69 45 33 21 图6-11 fr /Hz fc /kHz 为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。 同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。 可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步 调制方式，这样把两者

26、的优点结合起来，和分段同步方式效 果接近。 图图6-11 6-11 分段同步调制分段同步调制 方式举例方式举例 变频器工作原理 5.3 规则采样法 1）自然采样法： 按照SPWM控制的基本原理 产生的PWM波的方法，其求 解复杂，难以在实时控制中 在线计算，工程应用不多。 uc u O t ur Tc AD B Ot uo tAtDtB dd d 2 d 2 d 图6-12 规则采样法 2）规则采样法 工程实用方法，效果接近自 然采 样法，计算量小得多。 变频器工作原理 5.3 规则采样法 三角波两个正峰值之间为一个 采样周期Tc 。 自然采样法中，脉冲中点不和 三角波(负峰点)重合。 规则采

27、样法使两者重合，使计 算大为减化。 如图所示确定A、B点，在tA和 tB时刻控制开关器件的通断。 脉冲宽度d 和用自然采样法得 到的脉冲宽度非常接近。 规则采样法原理原理 uc u O t ur Tc AD B Ot uo tAtDtB dd d 2 d 2 d 图6-12 规则采样法 变频器工作原理 6.2.3 规则采样法 规则采样法计算公式推导 正弦调制信号波tau r sin r 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度 )sin1 ( 42 1 Dr c c ta T Tdd- (6-7) a称为调制度调制度，0a1； r为信号波角频率 从图6-12得, 2/ 2 2/ sin1 c Dr T

28、 ta d )sin1( 2 Dr c ta T d (6-6) uc u O t ur Tc AD B Ot uo tAtDtB dd d 2 d 2 d 图6-12 规则采样法 变频器工作原理 5.3 规则采样法 3）三相桥逆变电路三相桥逆变电路的情况 三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120 同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉 冲两边的间隙宽度分别为dU、d V和d W，同一时刻三 相调制波电压之和为零，由式(6-6)得 由式(6-7)得 2 3 c WVU T ddd 4 3 c W V U T ddd 利用以上两式可简化三相SPWM波的计算 (6-8) (6-

29、9) 变频器对电动机进行控制是根据电动机 的特性参数及电动机运转要求，进行对电 动机提供电压、电流、频率进行控制达到 负载的要求。因此就是变频器的主电路一 样，逆变器件也相同，单片机位数也一样， 只是控制方式不一样，其控制效果是不一 样的。所以控制方式是很重要的。它代表 变频器的水平。目前变频器对电动机的控 制方式大体可分为U/f恒定控制 ，转差频率 控制，矢量控制，直接转矩控制。 1、U/f恒定控制 U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变 电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在 较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不 下降。因为是控制电压与频率之比，称为U/f控制。 恒定U/f控

30、制存在的主要问题是（1）低速性能较 差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩 擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应 负载转矩的变化; （2）其次是无法准确的控制电 动机的实际转速。由于恒U/f变频器是转速开环控 制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为 定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际 转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在 的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的 实际转速。 2、转差频率控制 在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电 机电磁转矩近似与转差角频率成正比。因此，控 制s就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频 率控制，使定子频率 1 = r + s

31、 ，则 1随实际 转速r增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保 证了较高的调速范围。 转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩 和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速， 构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率， 然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的 给定频率。与U/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，它有速度调节器， 利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。 然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良 好的动态性能。 3、矢量控制 矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代 初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机 和交流电机比较的方法阐述了这

32、一原理。由此开 创了交流电动机和等效直流电动机的先河。 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在 三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。通过三 相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电 流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换， 等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、 It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流 ， It1相当 于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机 的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相 应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量 控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动 机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是， 矢量控制技术需要对电动机参数进行正

33、确估算， 如何提高参数的准确性是一直研究的话题。 4、直接转矩控制 1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次 提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上 解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流， 磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被 控量来控制。 转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子 磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除 定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所 引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度 信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控 制被称为无速度传感器直接转矩控制。 直接转矩控制系统与矢量控制系统都采用转矩和 磁链分别控制。矢量控制系统强调

34、转矩 与转子 磁链的解耦 ，有利于分别设计转速与磁链调节 器；实行连续控制，调速范围宽，可达1：100; 按 定向时受电机转子参数影响，降低了适应性。 直接转矩控制系统则直接进行转矩砰-砰控制，避 开了旋转坐标变换；控制定子磁链 ，而不是转 子磁链，不受转子参数的影响；不可避免地产生 转矩脉动，降低了调速性能，因此只适用于风机、 水泵以及牵引传动等对调速范围要求不高的场合。 e T 2 2 1 特点与性能直接转矩控制系统矢量控制系统 磁链控制 定子磁链 转子磁链 转矩控制砰-砰控制，脉动连续控制，平滑 旋转坐标变换 不需要 需要 转子参数变化 影响 无 有 调速范围 不够宽 较宽 普通的变频器

35、大都采用二极管整流桥将交流 电转化成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转 化成电压频率皆可调整的交流电控制交流电动机。 这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象 限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥， 无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回 馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量 的应用中，比如电梯，提升，离心机系统，只能在 两象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈 的能量消耗掉。另外，在一些大功率的应用中，二 极管整流桥对电网产生严重的谐波污染。 IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，如 果采用IGBT做整流桥，用高速度、高运算能力的 DSP产生PWM控制脉冲。

36、一方面可以调整输入的 功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正 成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产 生的能量反送到电网，达到彻底的节能效果。 四象限变频器的电路原理图如图1所示。 图1 四象限变频器的电路原理图 2.2 工作原理 当电机工作在电动状态的时候，整流控制单 元的DSP产生6路高频的PWM脉冲控制整流 侧的6个IGBT的开通和关断。IGBT的开通 和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入 电压相位一致的正弦电流波形，这样就消除 了二极管整流桥产生的6K1谐波。功率因 数高达99%，消除了对电网的谐波污染。 此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流 向电机，变频器工作在第一、

37、第三象限。输 入电压和输入电流的波形如图2所示。 图2 输入电压和输入电流的波形 当电动机工作在发电状态的时候，电机产 生的能量通过逆变侧的二极管回馈到直流 母线，当直流母线电压超过一定的值，整 流侧能量回馈控制部分启动，将直流逆变 成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将 能量回馈到电网，达到节能的效果。 此时能量由电机通过逆变侧、整流侧流向 电网。变频器工作在二、四象限。输入电 抗器的主要功能是电流滤波。回馈电流和 电网电压波形如图3所示： 图3 回馈电流和电网电压波形 1.过电流保护功能 1.1过电流的原因 （1）外部故障引起的过电流。如电动机堵 转、变频器输出侧短路等。 （2）运行过电流。

38、如加速或减速时间过短 引起的过电流等。 （3）变频器自身故障引起的过电流。 1.2变频器对过电流的处理 变频器将首先根据电流上升的“陡度”来 判断是否出现短路或接地，如果是，则立 即跳闸；如果不是短路，而属于运行过电 流，则首先进行自处理，在自处理不能使 电流下降的情况下，则跳闸。 自处理方法：当电流超过设定值时，变频 器首先将工作频率适当降低，到电流低于 设定值时，工作频率再逐渐恢复。 2.过载保护功能 过载保护功能是保护电动机过载的。从根 本上说，对电动机进行过载保护的目的， 是使电动机不因过热而烧坏。因此，进行 保护的主要依据便是电动机的温升不 应超 过其额定值。 2.1发热保护的反时限

39、特性 电动机的热保护功能应该具有反时限特性。 即，电动机的运行电流越大，保护动作的 时间越短。 2.2温升与频率的关系 电动机在低频运行时，如没有外部强迫通 风，散热情况将变差。 2.3变频器中的电子热保护功能。 电子热保护功能主要特点有： （1）具有反时限特性。 （2）在不同的 运行频率下有不同的保护曲 线，频率越低，允许连续运行的时间越短。 3.电压保护功能 3.1过电压的原因和保护 （1）电源过电压。当电源过电压时，可利 用变频器的 “自动电压调整” 功能，使输 出的平均电压维持恒定。但电压太高，电 动机侧电压脉冲的幅值过高，对电动机绕 组的绝缘不利，必须跳闸，进行保护。 降速过电压。即

40、降速过快引起的过电压， 变频器将首先进行自处理，如自处理后电 压仍偏高，则跳闸。 3.2欠电压的原因及保护 发生欠电压的原因大致有以下几种情况： （1）电源电压过低或缺相。 （2）变频器的整流桥损坏。 （3）变频器整流后的限流电阻未切除电路。 这是由于和限流电阻并联的晶闸管或继电 器发生故障所致。 对于电源欠电压，如运行频率低于50Hz， 变频器可在一定范围内通过“自动电压调 整” 功能调整其输出电压。对于其他几种 情况，变频器必须跳闸，进行保护。 4.其他保护功能 4.1模块的过热保护 逆变模块除是关键器件外还因为它累计损 耗功率较大，是主要的发热器件，因此变 频器内部最需要进行发热保护的部

41、件是逆 变模块，变频器内设置了温度检测环节， 当温度超过一定值，变频器将跳闸。 4.2软件的自检保护 由于变频器软件系统的运算错误有可能导 致十分严重的后果，因此变频器对自身的 软件具有完善的自检系统，一旦软件运算 出错，将立即跳闸。 4.3接受外部故障信号的保护。 变频器的输入控制端中，有12个专门接受 外部故障信号的 端子，拖动系统中任何需 要保护的信号，都可以接到该端子上。变 频器在接到外部故障信号时，将立即跳闸， 进行保护。 在工农业生产中，生产机械对拖动设备的 调速性能有了很高的要求， 而变频调速以 其优越的调速能在调速系统中占有很大的 比重，但变频器在工作过程中会产生高频 的谐波电流，这些高次谐波电流不但增加 了输入侧的无功功率、降低功率因数，而 且这些频率较高的谐波电流将以各种方式 把能量传播出去，形成对其它设备的干扰 信号。 变频器输入和输出电流中具有高次谐波成分， 是变频器产生干扰信号的根本原因。 (1)变频器的输入电流中的高次谐波成分除 了影响功率因数外，也可能对其它设备形成 干扰。 (2)由于绝大多数逆变桥都采用SPWM调制 方式，其输出电压为占空比按正弦