变频器的原理和应用介绍

变频器的原理和应用介绍

编制：祝广场彭绍伟

校核：高水华日期：2012-4-13变频器的原理和应用介绍变频器原理和特点变频器的组成变频器的控制方式变频器的应用变频器常用电力电子器件一、变频器的原理和特点1、变频器的原理变频器是把恒压恒频的交流电源(50Hz或60Hz)变换成各种电压等级和频率的交流电源的装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。2、变频器的特点（1）无极调速（2）启动平稳，速度平稳上升，停止平稳，速度平滑下降，没有冲击（3）它具备多种信号输入输出端口，接收和输出模拟信号、数字信号，电流、电压信号一、变频器的原理和特点1、变频器的结构图二、变频器的组成～整流部分中间电路逆变部分M控制系统交流直流直流交流图1变频器的结构图2、变频器的组成二、变频器的组成（1）整流器，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。图2三相桥式可控硅整流电路T1RLuoT6T3T5T4T2ioTSR+–2、变频器的组成二、变频器的组成（2）中间电路，有以下三种作用：滤波，使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。通过开关电源为各个控制线路供电。可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。2、变频器的组成二、变频器的组成（3）逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。图3单相桥式逆变电路S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1特点：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序2、变频器的组成二、变频器的组成（3）逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。图4三相桥式逆变电路缺点：输出电压的谐波分量太大电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612123234345456561612Ed电机2、变频器的组成二、变频器的组成将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：利用信号来开关逆变器的半导体器件。提供操作变频器的各种控制信号。监视变频器的工作状态，提供保护功能（4）控制电路1、功率二极管（D）三、变频器常用电力电子器件功率二极管的内部是P-N或P-I-N结构，图示为功率二极管的电路符号和外形。

（a）（b）（c）

图5功率二极管的符号和外形

a)功率二极管的符号b)螺旋式二极管的外形c)平板式二极管的外形2、晶闸管（SCR）三、变频器常用电力电子器件晶闸管是四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其符号和外形如图所示。

（a）（b）（c）

图6晶闸管的外形及符号（a）晶闸管的符号（b）螺栓式外形（c）带有散热器平板式外形3、门极可关断晶闸管（GTO）三、变频器常用电力电子器件GTO也是四层PNPN结构、三端引出线器件。和晶闸管不同的是，GTO内部由许多四层结构的小晶闸管并联二乘，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通的晶闸管是独立元件结构。

（a）

（b）

图7GTO的结构与符号（a）GTO的结构剖面（b）

图形符号4、功率晶体管（GTR）三、变频器常用电力电子器件GTR的结构

（a）（b）（c）

图8GTR摸块（a）GTR的结构示意图（b）GTR摸块的外形（c）GTR摸块的等效电路5、功率场效应晶体管（P-MOSFET）

三、变频器常用电力电子器件功率场效应管的结构

（a）

（b）图9P-MOSFET的结构与符号（a）P-MOSFET的结构（b）P-MOSFET符号6、绝缘栅双极晶体管（IGBT）三、变频器常用电力电子器件IGBT具有场效应管高速、高输入阻抗的特性，又具有晶体管饱和电压低、电压大、反压高的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。

（a）（b）（c）

图10IGBT结构示意图、电路符号和等效电路（a）IGBT模块（b）IGBT结构示意图（c）电路符号（d）等效电路1、U/f控制四、变频器的控制方式U/f控制原理在进行电机调速时，通常是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱就等于没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电机。

U/f控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使U/f为常数，这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。1、U/f控制四、变频器的控制方式U/f控制的优点：控制电路结构简单、成本较低。机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。U/f控制的缺点：在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能稍差。系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化。转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差。2、转差频率控制（SF控制）四、变频器的控制方式转差频率控制原理转差频率与转矩的关系为图11所示的特性，在电动机允许的过载转矩以下，大体可以认为产生的转矩与转差频率成比例。另外，电流随转差频率的增加而单调增加。所以，如果我们给出的转差频率不超过允许过载时的转差频率，那么就可以具有限制电流的功能。U/f控制的特点：为了控制转差频率需要检出电动机的速度，增加成本。系统的加减速特性和稳定性比开环的U/f控制提高很多，过电流的限制效果也变好。图11转差频率与转矩的关系2、转差频率控制（SF控制）四、变频器的控制方式转差频率控制系统图图12为转差频率控制系统构成图。速度调节器通常采用PI控制。它的输入为速度设定信号ω2*和检测的电机实际速度ω2之间的误差信号。速度调节器的输出为转差频率设定信号ωs*。变频器的设定频率即电动机的定子电源频率ω1*为转差频率设定值ωs*与实际转子转速ω2的和。当电动机负载运行时，定子频率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。图12转差频率与转矩的关系3、矢量控制(VC控制)四、变频器的控制方式矢量控制示意图图13矢量控制示意图3、矢量控制(VC控制)四、变频器的控制方式矢量控制中的反馈：电流反馈用于反映负载的状态，使iT*能随负载而变化。速度反馈反映出拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，从而以最快的速度进行校正，提高了系统的动态性能。速度反馈的反馈信号可由脉冲编码器PG测得。现代的变频器又推广使用了无速度传感器矢量控制技术，它的速度反馈信号不是来自速度传感器，而是通过CPU对电动机的各种参数，如I1、r2等经过计算得到的一个转速的实在值，由这个计算出的转速实在值和给定值之间的差异来调整iM*和iT*，改变变频器的输出频率和电压。3、矢量控制(VC控制)四、变频器的控制方式选择矢量控制模式，对变频器和电动机有如下要求：一台变频器只能带一台电动机。电动机的极数要按说明书的要求，一般以4极电动机为最佳。电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在30m以内。如果超过30m，需要在连接好电缆后，进行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。3、矢量控制(VC控制)四、变频器的控制方式矢量控制系统的优点动态的高速响应低频转矩增大控制灵活矢量控制系统的应用范围要求高速响应的工作机械适应恶劣的工作环境高精度的电力拖动四象限运转4、直接转矩控制四、变频器的控制方式直接转矩控制系统是继矢量控制之后发展起来的另一种高性能的交流变频调速系统。直接转矩控制把转矩直接作为控制量来控制。直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。4、直接转矩控制四、变频器的控制方式图14所示为按定子磁场控制的直接转矩控制系统的原理框图，采用在转速环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变化对转子系统的影响，因此，转速与磁链子系统也是近似独立的。图14直接转矩控制系统原理图4、直接转矩控制四、变频器的控制方式直接转矩控制的优势

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动机参数变化鲁棒性好；所引入的定子磁链观测器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制也称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制要依赖于精确的电动机数学模型和对电动机参数的自动识别(ID)。矢量控制系统的应用范围要求高速响应的工作机械适应恶劣的工作环境高精度的电力拖动四象限运转恒压供水系统五、变频器的应用1、阀门控制法通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。阀门控制法的