变频器的工作原理与应用

1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： 变频器的工作原理与应用 学习中心： 中原油田培训中心 年级专业： 06春网电气工程及自动化 学生姓名： 胡旻隽 学 号： 0681404003 指导教师： 张荣梅 职 称： 高级讲师 导师单位： 中原油田培训中心 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2007 年 11 月 10 日摘 要变频器的发展十分迅速,应用日渐广泛。利用变频器驱动异步电动机调速作用越来越大,应用领域越来越广泛,市场极大。随着变频调速技术及电力电子技术的不断发展，变频器的性能和功能不断提高和充实，应用在生产机械和设备上基本上达到较好的目的，收到了相

2、应理想效益。随着电力电子技术和微电子技术的发展，以及计算机控制控制的应用，交流电机变频调速技术日益成熟，交流调速正逐步取代原有的直流调速。变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得到广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了重要手段。矢量控制是其中一种高性能的交流电动机传动控制策略，它在当今工业生产中得到了普遍应用。矢量控制技术解决了交流电机解耦与转矩控制问题，使交流电动机达到了直流电机的控制效果。本文介绍了变频调速系统，数据计算、产品选型原则和不部分应用，最后指出了变频调速技术的发展趋势。关键词：变频器的工作原理；变频调速技术；矢量控制技术； 前言近10

3、年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命即交流调速取代直流调速和计算机控制技术取代模拟控制技术并以成为发展趋势。电机交流变频技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速技以其优良的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的应用范围及其它许多优点而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力落后于发达国家。自今自行开发生产的变频调速产品大体相当于国际上80年代的产品，随着改革开放、经济高速发展，形成了一个巨大的市场，很多最先进的产品从发达国家进口，在

4、我国运行良好，满足了我国生产和生活的需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内外自行开发、产生产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。从总体上看，我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1015年。在大功率交交、交直交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当大的差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，品种与质量还不能满足市场的

5、需要，每年需要大量进口。在大功率交交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达30KW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为60KW的设备用于抽水储能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10-2600KVA和Simovert PGTO PWM变频调速设备单机容量为100-900KVA，其控制系统以实现全数字化。国外交流变频调速技术的发展有以下特点：（1）市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛的用于机械、纺织、造纸

6、、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得显著的经济效益。（2）功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。（3）控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速度微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频调速高精度、多功能化提供了硬件手段。第一章 变频调速原理1.1 设计依据1 变频调速原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的

7、电能控制装置。先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、 中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、 直流储能和缓冲无功功率。由电机学可知，异步电动机的电势方程为 （1-1）式中，为电机线圈的总串联匝数，为电机绕组的绕组系数。当此电势较高时，忽略定子电压，有 （1-2）式中为电势常数。电机调速时，一个重要的因素是保持每极磁通量为额定值不变。磁通如果太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会

8、使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。可知，只要控制好和便可达到控制的目的，对此应考虑基频以上和基频以下两种情况。将基频以上和基频以下两种情况结合起来，可得下图所示的变频调速控制特性。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a线。图1-1 异步电动机变频调速控制特性在基频以下属于恒转矩调速，而在基频以上基本上属于恒功率调速。因此在变频调速情况下，交流电机调速范围可显著扩大。1 转差频率控制根据电机拖动原理，任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式 (1-3) 当电机稳态运行时转矩,在s值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通

9、不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率成正比。这就是说，在异步电机中控制，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表控制转矩,这就是转差频率控制的基本概念。1 矢量控制原理以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流、，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流、，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流和。异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制

10、系统就叫做矢量控制系统（Vector Control System），控制系统的原理结构如图1-2所示。图1-2 矢量控制系统原理结构图1.2 实现方案及选择1 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统图1-3 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图1.1 工作原理（1）频率控制:转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定，与实测转速信号相加，即得定子频率给定信号，即 （2）电压控制:由和定子电流反馈信号从微机存储的函数中查得定子电压给定信号，用和 控制PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。1.2 优点与不足转差角频率与实测转速信号相加后得到定子频率输入信号 这一关系是

11、转差频率控制系统突出的特点或优点。它表明，在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳定。同时，由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于的限幅转矩进行控制，保证了在允许条件下的快速性。由此可见，转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统能够象直流电机双闭环控制系统那样具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。然而，它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距的原因有以下几个方面：（1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的“保持磁通恒定”的结论也只在稳态情况

12、下才能成立。在动态中如何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。（2）函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。（3）在频率控制环节中，取，使频率得以与转速同步升降，这本是转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。因此如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须从异步电机的动态数学模型出发。1 带转矩内环的转速磁

13、链闭环矢量控制系统图1-4 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统1.1 工作原理（1）转速正、反向和弱磁升速。（2）磁链给定信号由函数发生程序获得。（3）转速调节器ASR的输出作为转矩给定信号，弱磁时它还受到磁链给定信号的控制。（4）在转矩内环中，磁链对控制对象的影响相当于一种扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而改造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响。1.2 优点与不足采用这种直接矢量控制方式,具有动态性能好,调速范围宽的优点,已在实践中获得普遍的应用。动态性能受电机参数变化的影响是起主要不足之处为了解决这个问题,在参数识别和自适应控制等方面都做过许多研究工作,获得了不少的成果,但迄今尚

14、未得到实际应用。近年来,尝试了用智能控制的方法来提高控制系统鲁棒性,有很好的应用前景。1.3 本次的设计方案原理框图综合比较上述两种方案，方案二在静态和动态都具有很好的表现能力,因此选择方案二。在选定方案后将其硬件电路用如下方框图主电路由二极管、CHBPWM逆变器和中间直流电路三部分组成，采用大电容和滤波，同时兼有无功功率转换的作用。为了避免大电容在合上电源开关后通电的瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻，刚通上电流时，由限制充电电流，然后延时用开关将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的

15、通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。各种故障的保护由电压、电流、等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据。图1-5 原理框图第二章 主回路设计本系统电动机参数：2.1 变频器的选择变频器的重要任务就是把恒压恒频（constant voltage

16、 constant frequency，CVCF）的交流电转换为变压变频（variable voltage frequency，VVVF）的交流电，以满足交流电动机调速的需要。2 变频器类型按直流测电源性质分有：电压源型变频器和电流源型变频器。变频器的负载通常是交流电动机，由于功率因数的关系，在中间直流环节和电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子器件无法储能，所以无功功率只能靠直流环节中的储能元件来缓冲。如果采用电容器作为无功功率的缓冲环节，直流侧电源相当于一个低阻抗的电压源，因此称为电压源型变频器；如果采用电抗器作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个高阻抗的电流源，则称为

17、电流源变频器。2 电压源型和电流源型变频器的差异图2-1 电压源型和电流源型交直交变频器（a）电压源型 (b)电流源型从主电路来看，电压源型变频器和电流源型变频器的区别仅仅在于中间直流环节滤波器的形式不同，但是这样一来，却造成两类变频器在性能上相当大的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲:对于变压变频调速来说，变频器的负载是交流电动机，属于感性负载，在中间直流环节和电动机之间，除了有功率的传送外，还存在无功功率的交换。逆变器中的开关器件无法储能，无功能量只能靠直流环节中作为滤波器的储能元件来缓冲，使它不致影响到交流电网。因此也可以说两类变频器的主要区别在于用什么作为储能元件来缓冲无功能量。

18、（2）回馈制动:如果把不可控整流器该为可控整流器，虽然电力电子器件具有单向导电性，电流不能反向，而可控整流器的输出电压是可以迅速反向的，因此，电流源型变压变频调速系统容易实现回馈制动，从而便于四象限运行，适用于需要制动和经常正、反转的机械。与此相反，采用电压源型变频器的调速系统要实现回馈制动和四象限运行却比较困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压，使之不能迅速的反向，而电流也不能返向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只好采用在直流环节中并联电阻的能耗制动，或者与可控整流器反并联设置另一组反向整流器，工作在有源逆变状态，以通过反向的制动电流，而维持电压保持极性不变，实现回馈制动。

19、（3）调速时的动态响应:由于交直交电流源型变频装置的直流电压可以迅速的改变，所以由它供电的调速系统响应比较快，而电压源型变频器调速系统的响应就慢得多。由于电机的变频调速已广泛用于高精度的柔性控制系统、机器人、办公自动化、数控机床以及多机拖动的现代工业生产中。 通过对两种变频器的特点和差异的比较以及现代工业生产中两类频器所起的作用以及地位，我选用电容器作为无功功率缓冲环节，即我选用电流滞环跟踪控制CHBPWM变频器，其主电路接线如图2-2：图2-2 主电路图22 变频器的主电路参数计算及元件选取2 交一直变换电路交一直变换电路就是整流和滤波电路，其任务是把电源的三相交流电变换成平稳的直流电。本系

20、统整流采用二极管全桥不控全桥整流模块。（1） 整流器件参数选择通过二极管的峰值电流及电机最大负载时的峰值电流，为电机额定电流的5-6倍，取，则流过二极管的电流有效值为 （2.1）二极管电流额定电流值为: （2.2）考虑到实际工况，需要有一定的电流余量，选用IN= 30A。二极管电压额定值为: (2.3)根据以上计算的电压和电流，并考虑到市场价位情况，所以选择使用富士公司的二极管整流模块6RI30-120 (30A, 1200V)。（2） 滤波电路参数计算及元件选取 经二极管整流输出的直流电压含有脉动成分，此外逆变器部分产生的脉动电流及负载变化也会引起电流的脉动，因此需要加入大电容滤波。未加滤波

21、电容时三相整流输出的平均电压为: (2.4)其中为三相电源的线电压。加入滤波电容后可以达到交流线电压的峰值: (2.5)中间直流滤波电容从限制电压波动的角度来选择，使用下面的经验公式: (2.6)其中: 电机空载运行时定子电流基波分量有效值; : 逆变器输出电压基波角频率; : 整流器输出的直流电压平均值; 本系统取值按低速空载状态最严重的情况考虑,由式(2.6)有K取0.06:(2.7)其中是系统要求的最低输出频率电容器的耐压值取1.5-2.0倍安全裕量为: (2.8)滤波电容值理论上大些好，但由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，及考虑到价格与体积，选用两个电解电容串联，总的耐压为90

22、0V，电容容量为。滤波电路由两个电容器串联而成，如图2.2中的和，并且在和旁边各并联一个阻值相等的均压电阻和,和取值为30K/5W。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，电容器和的电容量常不能完全相等，这特使它们承受的电压不相等。（3） 限流电阻选取主电路合闸瞬间滤波稳压电容和对电源相当短路会产生很大的电流，而且电机在启动时，启动电流也很大，使整流桥可能因此而受到损坏;同时也可能使电源的瞬间电压明显下降，形成干扰。为了保护整流模块及抗干扰，在主电路上设计了限流电路，如图2.2中，串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻和短路开关组成的并联电路。限流电阻反就是为了削弱该冲击电流而串接在整流桥和滤

23、波电容之间的。限流电阻如长期接在电路内，会影响直流电压和变频器输出电压的大小。所以，当增大到一定程度时，令短路开关接通，把切除出电路。本试验由接触器构成，当电压达到电机正常运行的90%时合接触器将该电路短路，结束限流启动过程。限流电阻流过的电流受整流桥二极管额定电流IDN的限制，最小值为: （2.9）是根据充电时间而定的，充电过程是按指数规律变化的，若充电时间为则 (2.10)系统要求充电时间为1s，那么 (2.11)因此的实际值可以取之间的数值。综合考虑后选择50电阻。电阻上消耗的平均功率为: (2.12)实选限流电阻为为50/658W。2 直一交变换电路（1） IGBT的参数计算与元件选取

24、三相逆变桥的功能是把直流电变换成频率可调的三相交流电。其基本结构如图2.2，由开关器件构成的电路，称为逆变桥。的工作接受控制电路中PWM调制信号的控制，将直流电压UDC逆变成三相交流电。IGBT的电压： (2.13)其中，-3的范围。取=2，并将=537V代入式子(2.13)得 (2.14)IGBT的电流：系统在=2倍的过载状态下工作时，流过IGBT的最大电流为 (2.15)IGBT的额定电流： (2.16)其中，-IGBT电流的安全裕量，一般取23的范围，这样有 (2.17)所以选IGBT为SK 40 GB 123,其电压为1200V，电流为40A。所选IGBT上都有配套续流二级管构成续流电

25、路。其作用:为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路;当频率下降、从而同步转速下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路;为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。（2） 能耗制动单元选取在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。这时从电动机的角度来看，处于再生制动状态。从变频调速系统的角度来看，属于能耗制动状态。用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。能耗制动单元其基本结构如图2.2，由开关器件和电阻构成。图2.2中的就是制动电阻，用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。的阻值估算:的大小以使制动电流不超过系统额定电流的一半为宜，即 (2.18

26、)从而 (2.19)的功率估算:由于的工况属于短时工作，故其标称功率可以比长期通电时消耗的功率小很多。根据经验容量为总功率的5%20%: (2.20)根据以上计算，选取能耗电阻:40,800W。制动单元的功能是，当直流回路的电压。超过规定的限值时，接通耗能电路使直流回路通过释放能量。功率管IGBT.用于接通与关断能耗电路，是制动的主体。通过电压取样与比较电路给出的指令信号控制导通或截止的指令信号。其主要参数的选择:电压和电流分别为: 所以实选用SK 30 GAL 123。第三章 检测与保护电路的设计3.1 转速检测由于本系统需要检测转子转速的瞬时值送入单片机中再加上通过电流互感器所测得的三相定

27、子电流来计算转子磁链的电流模型。本次设计采用75CYB0型永磁直流测速发电机进行转速检测。测速发电机的工作原理类似于发电机的工作原理，两者都是将转动的机械能转换为电信号输出。当测速发电机工作时，在某一瞬间其输出电压跟角速度成正比，而极性有旋转方向确定。输出电压为： (3-1）式中为灵敏系数。测速发电机适合于测量转速较高的旋转物体转速。测速发电机的输出特性推倒如下：已知直流电势 （3-2）当每极总磁通为常数时，则，即输出电势与转速成正比。测速发电机电刷两端接上负载电阻后，两端的电压才是输出电压。由图3-1可知，负载时测速发电机的输出电压等于感应电势减去它的内阻压降，即 （3-3）图3-1 直流测

28、速发电机电路图此式称为直流发电机电压平衡方程式。式中，为电枢回路的总电阻，它包括电枢绕组的电阻，电刷和换向器之间的接触电阻；为电枢总电流，且有 （3-4）将式（3-4）代入（3-3）得 （3-5）经简化后为 （3-6）式（3-6）是负载时输出电压与转速的关系。如果式中，和都能保持为常数，则与之间仍呈线形关系，只不过随着负载电阻的减小，输出特性的斜率变小而已，如图3-2所示：图3-2 不同负载电阻时的理想输出特性但该图是理想情况下，即，不变，为一定时的输出特性。实际上，测速发电机的输出特性不是严格地呈线形特性，实际特性与要求的线形特性之间存在误差。本题目选择75CYB0型永磁直流测速发电机进行转速检测。其技术数据如表3-1所示：表3-1 75CYB01型永磁直流测速发电机技术数据型 号75CYB01线性误差(%)最大输出功率(W)输