变频器原理与应用1

1、HONGHE变频器原理与应用变频器原理与应用HONGHE一、变频器的工作原理一、变频器的工作原理1.1.变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式1160 fnP异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为：异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为：1n 同步转速（同步转速（r/minr/min）1f 定子电源频率（定子电源频率（H HZ Z）p 磁极对数磁极对数HONGHE116011fnnSSp异步电动机的轴转速为：异步电动机的轴转速为：11/nnns异步电动机的转差率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：感应电机定子每相电动势的有效值为：1114.44mEf Nm

2、 m的值是由的值是由E1E1和和f1f1共同决定的，对共同决定的，对E E1 1和和f f1 1进行适当进行适当的控制，就可以主磁通的控制，就可以主磁通m m保持额定值不变。保持额定值不变。E E1 1 旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势（旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势（V V）；）； f f1 1 定子电流频率（定子电流频率（H HZ Z）; ; N N1 1 定子相绕组有效匝数；定子相绕组有效匝数； m m 每极磁通量每极磁通量; ;感应电机转子中产生的电磁转矩为：感应电机转子中产生的电磁转矩为：COSIKMmm2K Km m 电机转矩常数；电机转矩常数； I I2 2 转子感应电

3、流；转子感应电流；COS COS 转子电路的功率因数；转子电路的功率因数；HONGHE（1 1）基频以下的恒磁通变频调速）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，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，实现所谓的实现所谓的VVVF(Variable Voltage Variadle Freqency)VVVF(Variable Voltage Variadle Freqency)调速控调速控制。制。（2 2）基频以上的弱磁变频调

4、速）基频以上的弱磁变频调速1114.44mEf N1UU1Of1恒转矩调速f1N 恒功率调速U1N m m m n（基本控制方法）11/ fUmrFMMP恒转矩调速方式：恒转矩调速方式：恒功率调速方式：恒功率调速方式：HONGHE3MACAC3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变流器中间直流环节2.变频器的基本构成变频器的基本构成交交直直交变频器、由主电路和控制电路组成。交变频器、由主电路和控制电路组成。 （1）整流器）整流器 电网侧的变流器电网侧的变流器I是整流器，它的作用是将三相（单相）交流是整流器，它的作用是将三相（单相）交流电转换成直流电。电转换成直流电。HONGH

5、E3MACAC3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变流器中间直流环节 （2）逆变器）逆变器 负载侧的变流器为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。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。关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。HONGHE3MACAC3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变流器中间直流环节 （3）中间直流环节）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

6、。无论电动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机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，。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）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。来缓冲。HONGHE3MACAC3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变流器中间直流环节 （4）控制电路）控制电路 控制电路通常由运算电路、检测电路、控制信号输入控制电路通常由运算电路、检测电路、控

7、制信号输入/输出输出电路和驱动电路等构成。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。制或数字控制。HONGHEUAKiA电力二极管（电力二极管（PD）KAiAUAK+-不可控整流：不可控整流：U UAKAK0.5V0.5V时导通，时导通，0.5V0.5V关断。关断。KAGiAUAKiG+-普通晶闸管（普通晶闸管（SCR）UAKiAiG2iG1可控制导通；可控制导通；U UAKAK0.5V0.5V且

8、且iG iG 0时导通，导通后，时导通，导通后，iA iA 维持电流，维持电流，保持导通。保持导通。HONGHEUCEiCiB 0iB= 0BCE电力晶体管（电力晶体管（GTR）iCUCEiB+-当当U UCECE0 0，且，且i iB B 0 时导时导通，通， i iB B 0 0时关断。时关断。当当U UCECE 0 0时关断。时关断。UDSiDUGS UTUGS= UTGDS电力电力MOSFETUDS+-UGS+-iD当当U UDSDS0 0， U UGSGS U UT T 时导时导通，通， U UGSGS U UT T 时关断。时关断。当当U UDSDS 0 0时关断。时关断。UCEi

9、CUGE= 0GCEIGBTiCUCE+-UGE-+当当U UCECE0 0， U UGEGE U UGETGET 时时导通，导通， U UGEGE U UGET GET 时关断。时关断。当当U UGEGE 0 0时关断。时关断。HONGHE（1）按直流电源的性质分类）按直流电源的性质分类1）电流型变频器）电流型变频器R RL LS ST TU UV VW W2）电压型变频器）电压型变频器R RC CS ST TU UV VW W3.变频器的分类变频器的分类HONGHE（2）按输出电压的调制方法分类）按输出电压的调制方法分类 1 1） 脉冲幅值调制方式（脉冲幅值调制方式（Pulse Ampli

10、tude Pulse Amplitude ModulationModulation）,简称简称PAMPAM方式，是通过改变直流电压的幅值进方式，是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。行调压的方式。Edt-EdEdt-EdM33Ed斩波器斩波器HONGHEM33Eduructtt 2 2） 脉冲宽度调制方式（脉冲宽度调制方式（Pulse Width ModulationPulse Width Modulation）,简简称称PWMPWM方式。方式。 利用参考电压波利用参考电压波U Ur r，与载频三角波，与载频三角波U Uc c互相比较来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

11、宽度的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。简称改变来得到幅值不同的正弦基波电压。简称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样控制理论中有一个重要的结论：即冲量相等而形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。状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。 4.4.脉宽调制技术脉宽调制技术HONGHE0ut 这种脉冲的这种脉冲的宽度按正弦规宽度按正弦规律变化而和正律变化而和正弦波等效的弦波等效的PWM波

12、形，也波形，也称为称为SPWM波波形。形。0tu（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晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路 HONGHEuructtuuo00uoududuof单极性单极性SPWM控制方式控制方式 HONGHEuructtuuo00uoudud双极性双极性SPWM控制方式控制方式 HONGHE调制控制电路urUucUd/2U三相负载V1V2VD1VD2V6V5VD5VD6V4V3VD3VD4Ud/2NurVurWNVWCC 在在SPWM型逆变电路中，使用最多的是图所示的三相桥式型逆变电路中，使用最多的是图所示的三相桥式逆变电路，其控制

13、方式一般都采用双极性方式。逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。HONGHEurtu0uduauctua0Ed/2-Ed/2t0Ed-EduabHONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 1 1）由整流二极管）由整流二极管VD1VD1VD6VD6组成三相整流桥，将三相交流电组成三相整流桥，将三相交流电转换成直流电。转换成直流电。 （1）交）交 - 直部分直部分5

14、.5.脉宽调制（脉宽调制（SPWMSPWM）型变频器）型变频器 HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 2）滤波电容器）滤波电容器CF的功能是消除整理后的电压纹波；当负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。载变化时，使直流电压保持平稳。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6V

15、D7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 3）变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器）变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器CF的充电电流的充电电流很大，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，将电容器CF的充电电流限制在允许范围以内。的充电电流限制在允许范围以内。HONGHEUV1VD1UdVW

16、CFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 4）电源指示灯）电源指示灯HL有两个功能，一是表示电源是否接通；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上的电荷是否上的电荷是否已经释放完毕。已经释放完毕。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8

17、VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 1）逆变三极管）逆变三极管VT1VT6是变频器实现变频的具体执行元是变频器实现变频的具体执行元件，是变频器的核心部分。如图所示由件，是变频器的核心部分。如图所示由VT1VT6组成的三相组成的三相逆变桥，将逆变桥，将VD1VD6整流所得的直流电，再转换为频率可调整流所得的直流电，再转换为频率可调的交流电。的交流电。 （2）直）直 - - 交部分交部分HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6

18、VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 2）续流二极管）续流二极管VD7VD12的主要功能有：的主要功能有： 电动机是电感性负载，其电流具有无功分量。电动机是电感性负载，其电流具有无功分量。VD7VD12为无功电流返回直流电源时提供通道；为无功电流返回直流电源时提供通道；HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R

19、05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过流将通过VD7VD12返回直流电源；返回直流电源； 在在VT1VT6进行逆变的基本工作过程中，同一桥臂的两个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，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，需要需要VD7VD12提供通路。提供通路。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD1

20、1VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 3）缓冲电路）缓冲电路 每次逆变管每次逆变管VT1VT6由导通状态切换成截止状态瞬间，集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电极和发射极间的电压Uce将迅速地由将迅速地由0V上升至直流电压值上升至直流电压值Ud。这过高的电压增长率将有可能导致逆变管的损坏。为减小这过高的电压增长率将有可能导致逆变管的损坏。为减小VT1VT6在每次关断时的电压增长率，在电路中接入了电容在每次关断时的电压增长率，在电路中接入了电容器器C01C0

21、6。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 每次每次VT1VT6由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，C01C06上所充的电压将向上所充的电压将向VT1VT6放电。此放电电流的初始放电。此放电电流的初始值很大，将叠加到负载电流上，导致值很大，将叠加到负载电流上，导致VT1VT6的损坏。的损坏。R01R06的功能就是限制逆变管在接通瞬间的功能就是限制逆变管在接通瞬间C01C06的放电电流。的放电电流。HONGHEUV1VD1UdVWCFRSTRLSLV2V3V5V4V6VD2VD3VD2VD4VD6VD7VD9VD11VD8VD10VD12C01C02C03C05C04C06R01R03R05R02R04R06VD01VD03VD05VD02VD04VD06RBRHHL 当当R01R06接入时，会影响在接入时，会影响在VT1VT6关断时减小电压增关断时减小电压增长率的效果。为此接入长率的效果。为此接入VD