项目2任务二：变频器的分类

1、任务二任务二 变频器的分类变频器的分类知识与能力目标知识与能力目标了解主流变频器的内部结构了解主流变频器的内部结构 1熟悉变频器的分类熟悉变频器的分类 2345交交- -直直- -交变频器交变频器 整流电路。整流电路。整流电路由整流电路由VD1VD6组成三相不可控整流桥，它们将电源组成三相不可控整流桥，它们将电源的三相交流全波整流成直流。的三相交流全波整流成直流。小功率的变频器，小功率的变频器，其输入电源多用单相其输入电源多用单相220V220V，整流电路为，整流电路为单相全波整流桥单相全波整流桥；功率较大的变频器功率较大的变频器则一般用三相则一般用三相380V380V电源，整流电路为电源，整

2、流电路为三相桥式全波整流电路三相桥式全波整流电路。交交-直部分直部分交交- -直部分直部分交交- -直直- -交变频器交变频器 CF的作用：的作用：除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，给作为感性负载的电动机提供必要的起去耦作用，以消除相互干扰，给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。中间直流电路电容器的电容量必须大，起到储能作用，所无功功率。中间直流电路电容器的电容量必须大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容器又称以中间直流电路的电容器又称储能电容器。储能电容器。 滤波电容器滤波电容器CF 交交

3、- -直部分直部分交交- -直直- -交变频器交变频器 HL 的作用：的作用：除了除了表示电源是否接通以外表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后显示在变频器切断电源后显示滤波电容器滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕上的电荷是否已经释放完毕 电源指示灯电源指示灯HL 交交- -直部分直部分交交- -直直- -交变频器交变频器 VT1VT6组成逆变桥，组成逆变桥，把把VD1VD6整流后的直流电再整流后的直流电再“逆变逆变”成频率、成频率、幅值都可调的交流电。幅值都可调的交流电。这是变频器实现变频的执行环节，因而是变频器的这是变频器实现变频

4、的执行环节，因而是变频器的核心部分。核心部分。 逆变管逆变管VT1VT6 直直- -交部分交部分交交- -直直- -交变频器交变频器 续流二极管续流二极管VD7VD12的主要功能有：的主要功能有：续流二极管续流二极管VD7VD12 直直- -交部分交部分 当频率下降、电动机处于当频率下降、电动机处于再生制动再生制动状态时，再生电流将通过状态时，再生电流将通过VD7VD12返回直流电路。返回直流电路。同一桥臂的同一桥臂的两个逆变管两个逆变管处于不停的处于不停的交替交替导通导通和截止和截止的状态，在的状态，在这这交替交替导通导通和截止和截止的的换相过程中换相过程中，也不时地需要，也不时地需要VD7

5、VD12提供提供通路。通路。 交交- -直直- -交变频器交变频器 交交- -直直- -交变频器交变频器 缓冲电路包括缓冲电路包括：C01C06 ，R01R06和和VD01VD06 组成的电路。组成的电路。其其作用：作用：缓冲电路缓冲电路 直直- -交部分交部分R01R06的功能是限制逆变管在接通瞬间的功能是限制逆变管在接通瞬间C01C06的放电的放电电流。电流。 R01R06的接入又会影响的接入又会影响C01C06在在VT1VT6关断时降低关断时降低电压增长率的效果。电压增长率的效果。VD01VD06接入后，在接入后，在VT1VT6的关断过的关断过程中使程中使R01R06不起作用；而在不起作

6、用；而在VT1VT6的接通过程中，又迫的接通过程中，又迫使使C01C06的放电电流流经的放电电流流经R01R06。交交- -直直- -交变频器交变频器 交交- -直直- -交变频器交变频器 制动电阻制动电阻制动电阻和制动单元制动电阻和制动单元 制动单元制动单元 制动电阻制动电阻RB。电动机在电动机在制动制动过程中，过程中，转子转速转子转速将超过此时的将超过此时的同步同步转速转速处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈的直流电路中，处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈的直流电路中，使使直流电压直流电压UD不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将将

7、再生到直流电路的能量消耗掉再生到直流电路的能量消耗掉，使，使UD保持在允许范围内，保持在允许范围内，制动制动电阻电阻RB就是用来消耗这部分能量的就是用来消耗这部分能量的。 制动单元制动单元VB。制动单元制动单元VB由由大功率晶体管大功率晶体管GTR及其驱动电路构及其驱动电路构成成，其功能是控制流经其功能是控制流经RB的放电电流的放电电流IB。 交交- -直直- -交变频器交变频器 交交-交变频器交变频器 交交- -交变频器交变频器又称又称直接变频装置，直接变频装置，它只有它只有一个变换环节一个变换环节就可以把就可以把恒恒压恒频压恒频（CVCF）的交流电源变换成）的交流电源变换成VVVF电源，因

8、此称之为电源，因此称之为直直接接变频器，变频器，或称或称交交- -交变频器交变频器。 常用的常用的交交- -交变频器交变频器输出的输出的每一相每一相都是一个都是一个两组晶闸管整流装置反并联两组晶闸管整流装置反并联的的可逆线路，见上图所示。正反向两组按一定可逆线路，见上图所示。正反向两组按一定周期相互切换周期相互切换，在负载上就获，在负载上就获得交变的得交变的输出电压输出电压u0。u0的幅值取决于各组整流装置的的幅值取决于各组整流装置的控制角控制角，u0的的频频率率取决于两组整流装置的取决于两组整流装置的切换频率切换频率。如果控制角。如果控制角一直不变，则输出平均一直不变，则输出平均电压就是方波

9、。电压就是方波。交交-交变频器交变频器 对于对于三相负载三相负载，其它，其它两相也各用一套反并联的可逆线路，两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相输出平均电压相位依次相差位依次相差120120度。度。这样，如果每个整流器都用桥式电路，三相交这样，如果每个整流器都用桥式电路，三相交- -交变频交变频器需用器需用三套反并联桥式线路，三套反并联桥式线路，共需共需3636个晶闸管个晶闸管。 这个电路因为无环这个电路因为无环流运行，电流必须流运行，电流必须过零才能触发反组过零才能触发反组工作，因此最高输工作，因此最高输出频率大约允许在出频率大约允许在15Hz15Hz以下。以下。 采用有采用有环流

10、运行环流运行，要加装要加装6 6只环流电只环流电抗器，抗器，输出频率可输出频率可以提高到以提高到202025Hz25Hz。 交交-交变频器交变频器 交交- -交变频器交变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所用器件的用器件的数量更多，数量更多，总设备投资巨大。总设备投资巨大。 交交- -交变频器交变频器的的最大输出频率为最大输出频率为30Hz30Hz，使其应用受到限制，一般，使其应用受到限制，一般只用于只用于低速度、大容量的调速系统低速度、大容量的调速系统. . 例如例如轧钢机、球磨机、水泥回转窑轧钢机、球磨机、水泥回转

11、窑等。等。 根据输出电压波形的不同，交根据输出电压波形的不同，交- -交变频器可分为交变频器可分为120120度导通型的度导通型的方波电方波电流源变频器流源变频器和和180180度导通型的度导通型的正弦波电压源变频器正弦波电压源变频器。交交-交变频器交变频器 交交- -交变频器与交交变频器与交- -直直- -交变频器的性能比较交变频器的性能比较 类别类别比较项目比较项目交交- -直直- -交变频器交变频器交交- -交变频器交变频器换能形式换能形式两次换能，效率略低两次换能，效率略低一次换能，效率较高一次换能，效率较高换流方式换流方式强迫换流或负载谐振换流强迫换流或负载谐振换流电源电压换流电源电

12、压换流装置元器件数量装置元器件数量元器件数量较少元器件数量较少元器件数量较多元器件数量较多调频范围调频范围频率调节范围宽频率调节范围宽一般情况下，输出最高频率为一般情况下，输出最高频率为电网频率的电网频率的1/31/31/21/2电网功率因素电网功率因素用可控整流调压时，功率用可控整流调压时，功率因素在低压时较低；用斩因素在低压时较低；用斩波器或波器或PWMPWM方式调压时，功方式调压时，功率因素高率因素高较低较低适用场合适用场合可用于各种电力拖动装置、可用于各种电力拖动装置、稳频稳压电源和不停电电稳频稳压电源和不停电电源源特别适用于低速大功率拖动特别适用于低速大功率拖动矢量控制变频器矢量控制

13、变频器 直流电动机的调速特征直流电动机的调速特征 直流电动机直流电动机只需要调节只需要调节励磁磁场励磁磁场和和电枢磁场电枢磁场两个磁场中的一个就可以对直流两个磁场中的一个就可以对直流电动机调速。这种调速方法使直流电动机具有良好的控制性能电动机调速。这种调速方法使直流电动机具有良好的控制性能 异步电动机的调速特征异步电动机的调速特征异步电动机异步电动机的定子电流应包括的定子电流应包括两个分量，两个分量，即即励磁分量励磁分量和和负载分量负载分量。励磁分量励磁分量用于建立磁场；用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电流磁场负载分量用于平衡转子电流磁场。矢量控制变频器矢量控制变频器 直流电动机直流电动机的

14、励磁回路、电枢回路相互独立，而的励磁回路、电枢回路相互独立，而异步电动机异步电动机将两者都将两者都集中于定子回路。集中于定子回路。直流电动机直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互相垂直，互不影响。的主磁场和电枢磁场在空间互相垂直，互不影响。直流电动机直流电动机是通过独立地调节两个磁场中的一个来进行调试的，而是通过独立地调节两个磁场中的一个来进行调试的，而异异步电动机步电动机则做不到。则做不到。直流电动机直流电动机与与异步电动机异步电动机的比较的比较矢量控制变频器矢量控制变频器 矢量控制矢量控制的基本思想就是的基本思想就是仿照直流电动机的调速特点，仿照直流电动机的调速特点，使异步电动机的转速使异步

15、电动机的转速也能通过也能通过控制两个互相独立控制两个互相独立的直流磁场进行调节。的直流磁场进行调节。这个思想的提出，是在人这个思想的提出，是在人们研究了三相异步电动机的数学模型，并和直流电动机比较后，发现经过坐们研究了三相异步电动机的数学模型，并和直流电动机比较后，发现经过坐标变换后，可以像控制直流电动机那样去控制交流异步电动机。标变换后，可以像控制直流电动机那样去控制交流异步电动机。矢量控制矢量控制的基本思想的基本思想 异步电动机异步电动机 通入通入三相平衡的正弦电流，可以产生旋转磁场；在空间位置上互相垂直的两三相平衡的正弦电流，可以产生旋转磁场；在空间位置上互相垂直的两项绕组，通入两相相位

16、差为项绕组，通入两相相位差为9090度平衡的正弦电流，也会产生旋转磁场；度平衡的正弦电流，也会产生旋转磁场； 矢量控制变频器矢量控制变频器 直流电动机直流电动机能够转动，是因为其能够转动，是因为其定子绕组定子绕组与与转子导体转子导体分别通入直流电流后，分别通入直流电流后，产生的产生的两个互相垂直磁场两个互相垂直磁场相互作用的结果。尽管相互作用的结果。尽管电枢在转动电枢在转动，但，但整流子整流子的电的电刷位置不动，才保证了刷位置不动，才保证了电枢磁场电枢磁场在空间位置上与在空间位置上与定子绕组定子绕组磁场磁场互相垂直互相垂直。 矢量控制矢量控制的基本思想的基本思想 如果以如果以直流电动机直流电动

17、机的的转子转子为参照物，那么为参照物，那么定子定子所产生的磁场就是所产生的磁场就是旋转磁动势旋转磁动势 矢量控制变频器矢量控制变频器 矢量控制矢量控制的基本思想的基本思想 三相旋转磁场三相旋转磁场 两相旋转磁场两相旋转磁场 直流电动机内两直流电动机内两等效磁场等效磁场以产生同样的以产生同样的旋转磁动势旋转磁动势为准则，为准则，三相交流电绕组三相交流电绕组、两相交流电绕组两相交流电绕组和和两组直两组直流绕组流绕组可以可以彼此等效彼此等效。 结结论论三相交流电磁场三相交流电磁场可以分解等效为可以分解等效为两相互相垂直两相互相垂直的交流电磁场。这的交流电磁场。这两相交流电两相交流电磁场磁场，又和，又

18、和两组直流绕组磁场两组直流绕组磁场等效，两者仅相差一个等效，两者仅相差一个相位角相位角 矢量控制变频器矢量控制变频器 为了对三相系统进行简化，就必须对电动机的参考坐标进行变换，这为了对三相系统进行简化，就必须对电动机的参考坐标进行变换，这就叫就叫坐标变换。坐标变换。 矢量控制矢量控制中的坐标变换中的坐标变换定义定义 矢量控制的三种坐标系矢量控制的三种坐标系 三相静止坐标系三相静止坐标系（3s） 两相静止坐标系两相静止坐标系（2s） 两相旋转坐标系两相旋转坐标系（2r）矢量控制变频器矢量控制变频器 坐标变换的概念坐标变换的概念 交流电动机交流电动机三相对称绕组三相对称绕组A、B、C通入通入三相平

19、衡三相平衡的的正弦电流正弦电流iA、iB、iC时，所产生的合成磁动势是时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势旋转磁动势F F，它在空间呈，它在空间呈正弦分布正弦分布，并，并以同步转速以同步转速1顺顺A-B-C相序旋转，其等效模型如下图所示相序旋转，其等效模型如下图所示 矢量控制变频器矢量控制变频器 坐标变换的概念坐标变换的概念 两相静止绕组两相静止绕组和和，它们在，它们在空间相差空间相差90度度，再通以，再通以时间上互差时间上互差90度度的两相平衡交流电流，也能产生的两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势旋转磁动势F与三相等效与三相等效。 矢量控制变频器矢量控制变频器 坐标变换的概念坐标变换的概念

20、如果如果两个两个匝数相等匝数相等且且互相垂直互相垂直的绕组的绕组M和和T，在其中分别通以，在其中分别通以直流直流电流电流im和和it，在空间也能产生在空间也能产生合成磁动势合成磁动势F。 矢量控制变频器矢量控制变频器 坐标变换的概念坐标变换的概念 如果如果两个两个匝数相等匝数相等且且互相垂直互相垂直的绕组的绕组M和和T，在其中分别通以，在其中分别通以直流直流电流电流im和和it，在空间也能产生在空间也能产生合成磁动势合成磁动势F。 如果让如果让包含两个绕组包含两个绕组在在内的内的铁心铁心（图中以圆表（图中以圆表示）以示）以同步转速同步转速1 1旋旋转，转，则则磁动势磁动势F也随之也随之旋转成为

21、旋转成为旋转磁动势旋转磁动势；如果能把这个如果能把这个旋转磁动旋转磁动势的大小和转速势的大小和转速也控制也控制成成A、B、C和和、坐坐标系中的磁动势一样，标系中的磁动势一样，那么，那么，这套旋转的直流这套旋转的直流绕组也就和这两套交流绕组也就和这两套交流绕组等效了。绕组等效了。矢量控制变频器矢量控制变频器 3相相/ /2相变换（相变换（3s/2s） 三相静止坐标系三相静止坐标系A、B、C和两相静止坐标系和两相静止坐标系、之间的变换，之间的变换，称为称为3s/2s变换变换。变换原则变换原则是保持变换前的是保持变换前的功率不变功率不变。 设设三相对称绕组三相对称绕组（各相匝数相等、电阻相同、互差（

22、各相匝数相等、电阻相同、互差120120度空间角）度空间角）通入通入三相对称电流三相对称电流iA、iB、iC，形成，形成定子磁动势定子磁动势，用，用F3表示，如下图表示，如下图所示。所示。 矢量控制变频器矢量控制变频器 3相相/ /2相变换（相变换（3s/2s） 两相对称绕组两相对称绕组（匝数相等、电阻相同、互差（匝数相等、电阻相同、互差9090度空间角）内通入度空间角）内通入两相电流后两相电流后产生产生定子旋转磁动势定子旋转磁动势，用，用F2表示，如下图所示。表示，如下图所示。 矢量控制变频器矢量控制变频器 3相相/ /2相变换（相变换（3s/2s） 适当选择和改变两套绕组的匝数和电流适当选

23、择和改变两套绕组的匝数和电流，即可使，即可使F3和和F2的幅值相等的幅值相等。若将两种绕组产生的磁动势置于同一图中比较，并使若将两种绕组产生的磁动势置于同一图中比较，并使Fa和和FA重合，如下重合，如下图所示，图所示，完成完成3 3相相/2/2相（相（3s/2s）变换。）变换。矢量控制变频器矢量控制变频器 2相相/ /2相（相（2s/2r）旋转旋转变换变换 2s/2r又称为矢量旋转变换器（又称为矢量旋转变换器（VR），），因为因为、两相绕组是在静两相绕组是在静止的直角坐标系上（止的直角坐标系上（2s），而），而M、T绕组则在旋转的直角坐标系绕组则在旋转的直角坐标系( (2r），），变换的运算功

24、能由矢量旋转变换器来完成，下图所示为旋转变换矢量图。变换的运算功能由矢量旋转变换器来完成，下图所示为旋转变换矢量图。 矢量控制变频器矢量控制变频器 从整体上看，从整体上看，A、B、C三相输入三相输入iA、iB、iC，输出为转速，输出为转速的一台异步电动的一台异步电动机机，从内部看，从内部看，经过经过3/2坐标变换坐标变换，和，和VR（同步矢量旋转）（同步矢量旋转）坐标变换坐标变换（指（指同步矢量旋转同步矢量旋转角，角，是等效两相交流磁场与直流电动机磁场的两者磁通是等效两相交流磁场与直流电动机磁场的两者磁通轴的瞬时夹角），轴的瞬时夹角），变成一台由变成一台由im1和和it1输入、输入、输出的直流

25、电动机输出的直流电动机，如下图，如下图所示。所示。变频器矢量控制的基本方法变频器矢量控制的基本方法 异步电动机的坐标变换结构图异步电动机的坐标变换结构图 矢量控制变频器矢量控制变频器 异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，模仿直流电动机的控制方模仿直流电动机的控制方式求得直流电动机的控制量式求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换就可以控制异步电动机经过相应的坐标反变换就可以控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以通过坐标变。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以通过坐标变换实现的控制系统就叫做换

26、实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统矢量变换控制系统，或称，或称矢量控制系统矢量控制系统，所设想的，所设想的结构如下图所示。结构如下图所示。变频器矢量控制的基本方法变频器矢量控制的基本方法 矢量控制变频器矢量控制变频器 矢量控制的优点与应用范围矢量控制的优点与应用范围优点优点 动态的高速响应。动态的高速响应。速度响应快，一般可达到毫秒级，在快速性方面已超过速度响应快，一般可达到毫秒级，在快速性方面已超过直流电动机。直流电动机。 低频转矩增大。低频转矩增大。一般通用变频器（一般通用变频器（VVVF控制）在低频时转矩常低于额定控制）在低频时转矩常低于额定转矩，在转矩，在5Hz以下不能带满负载工作。以下不能带满负载工作。矢量控制技术的变频器，在矢量控制技术的变频器，在1 1至至50Hz50Hz范范围内，所驱动电动机的输出转矩均可保持为围内，所驱动电动机的输出转矩均可保持为150%150%额定转矩额定转矩。 控制的灵活性。控制的灵活性。在异步电动机矢量控制系统中，可使同一台电动机输出不在异步电动机矢量控制系统中，可使同一台电动机输出不同的特性。在系统内用不同的函数发生器作为磁通调节器，即可获得他励和串同的特性。在系统内用不同的函数发生器作为磁通调节器，即