第2章-变频器主电路

变频器及应用技术上海电机学院王侃夫变频器及应用技术第2章变频器主电路变频变压的实现

SPWM

交—直—交变频器主电路矢量变频控制变频器的选型 变频器及应用技术变频变压的实现一、变频基本原理1.单相逆变桥原理a）单相逆变桥电路b）负载所得电压波形变频器及应用技术变频变压的实现2.变频方法a）频率较高b）频率较低变频器及应用技术变频变压的实现3.三相逆变桥a）三相逆变电路b）输出电压波形变频器及应用技术变频变压的实现二、交－直－交变频器1.组成框图变频器及应用技术变频变压的实现2.变压方法在逆变器输入端调节整流电压，称为脉幅调制PAM，逆变器只调节频率。

可控整流，通过对触发脉冲的相位控制获得可调直流电压。但电网侧功率因数低，特别是低压时更为严重。

不可控整流器整流，在直流环节增加斩波器以实现调压，电网侧的功率因数得到改善。变频器及应用技术SPWM一、变压又变频的方法1.交—直—交a）电路框图b）频率较高c）频率较低输出电压为方波，电流为正弦波（1）电压型脉宽调制（PWM）（2）电流型输出电压为正弦波，电流为方波变频器及应用技术SPWM串联二极管式电流型变频器主电路及电流波形2.电压型正弦波脉宽调制（SPWM）变频器及应用技术SPWM3.SPWM的实现（1）单极性调制a）频率较高b）频率较低采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果，输出电流近似正弦波。变频器及应用技术SPWM（2）双极性脉宽调制变频器及应用技术SPWM二、控制芯片

DSP－电机控制专用CPUTI公司产品实时控制，快速处理数据同一机器周期同时处理多条指令

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控制线路板变频器及应用技术SPWM三、功率器件电机控制算法功率器件V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSPIGBT大容量IPM更高速率和容量如，矩阵式变频器大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波，PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP专用芯片2000年代超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化更大容量更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用变频器及应用技术SPWMａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形串联二极管式电流型变频器主电路1.晶闸管（SCR）变频器及应用技术SPWMａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形2.GTRGTR模块（单桥）变频器及应用技术SPWMａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形3.IGBT单管IGBT单桥IGBT模块全桥IGBT模块变频器及应用技术SPWM变频器及应用技术SPWM5.IGBT的驱动模块C1C2EXB850教材P39图1-38IGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护IPM（智能功率模块）PIM（功率集成模块）6.IPM模块和PIM模块变频器及应用技术SPWM变频器及应用技术交—直—交变频器主电路主电路组成变频器及应用技术交—直—交变频器主电路1）整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。三相线电压为380V时，整流后峰值为电压537V，平均电压为515V，最高不能超过760V，整流器件一般采用整流二极管或模块。2）整流桥与滤波电容之间，有Rs为充电（限流）电阻，当变频器刚拉入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，使整流桥可能因此而受到损坏。如果电容量很大，不会使电源电压瞬间下降而形成对电网的干扰；Ks为短路开关或晶闸管组成的并联电路，充电电阻如长期接在电路内，会影响直流母线电压UD和变频器输出电压的大小。所以，当UD增大到一定程度时，Ks接通把Rs切出电路。Ks有用晶闸管也有用继电器触点构成。3）C1和C2应是并联、串联的电容器组，由于C1和C2的电容量不能完全相等（承受电压较高一侧电容器组容易损坏），因此并联一个阻值相等的均压电阻R1和R2，使得UD1、UD2电压相等。整流与滤波变频器及应用技术交—直—交变频器主电路1）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。在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于转子惯性的原因，电动机的转速未变，当同步转速低于转子转速时，转子绕组切割磁力线的方向相反了，转子电流的相位几乎改变180º，使电动机处于发电状态，也称为再生制动状态。2）电动机再生的电能经续流二极管（D1～D6）全波整流后反馈到直流电路中，由于直流电路的电能无法回输给电网，只能由C1和C2吸收，使直流电压升高。过高的直流电压将使变流器件受到损害。因此，直流电压超过一定值时，就要提供一条放电回路。3）能耗电路由制动电阻RB和制动单元VB构成。当直流回路电压UD超过规定值时，VB导通，使直流电压通过RB释放能量，降低直流电压。而当UD在正常范围内时VB截止，以避免不必要的能量损失。制动电路变频器及应用技术交—直—交变频器主电路1）逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，根据确定的时间相应功率开关器件导通和关断，从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互相差120°的三相交流电压。2）逆变电路由开关器件V1～V6构成，目前大部分使用IGBT管，最新技术是智能功率模块IPM。3）续流电路由D1～D6组成。作用是为电动机绕组的无功电流提供返回通道；为再生电能反馈提供通道；为寄生电感在逆变过程中释放能量提供通道。4）缓冲电路。逆变管在截止和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损伤。因此每个逆变管旁还应接入缓冲电路，以减缓电压和电流的变化率。逆变电路变频器及应用技术交—直—交变频器主电路一、整流与滤波电路1．滤波电容要均压整流桥变频器及应用技术交—直—交变频器主电路2．充电过程要限流合上电源时的充电过程a）直接充电b）加入限流电阻变频器及应用技术交—直—交变频器主电路3．直流电源指示为安全直流电路的电源指示变频器及应用技术交—直—交变频器主电路二、逆变电路1．逆变电路的结构与输出电压变频器及应用技术交—直—交变频器主电路2.功率管旁反并联二极管电动机状态时的电流路径发电机状态时的电流路径变频器及应用技术交—直—交变频器主电路3.缓冲电路缓冲电路的主要作用是减小IGBT从饱和转为截止时，C-E之间的电压变化率。当VI1从饱和状态转为截止状态时，C-E间的电压将有接近于0迅速上升为直流电压（≈513V），过高的电压变化将使IGBT损坏。1）电容C1的作用。当VI1从饱和转为截止时，C-E间电压UCE的上升速率减缓。2）电阻R1的作用。当VI1从截止转为饱和导通时，C1放电，RI可以减小放电电流。3）二极管VD1额作用。克服R1影响C1减缓电压变化率的作用。变频器及应用技术交—直—交变频器主电路4.逆变桥输出的禁忌（1）主电路的输入、输出不允许接错a）电源接至输出侧b）接错的后果变频器及应用技术交—直—交变频器主电路（2）输出侧不能接电容器适用于小功率（<5.5KW)适用于中大功率（5.5kW以上）变频器及应用技术交—直—交变频器主电路220V键盘控制板·5.主电路220V/380V键盘控制板适用于小功率（＜5.5kW）变频器内部组成控制线路板逆变器输出三相电源（U、V、W）线棒电网三相电源（R、S、T）接线端子U、V、W及接地等接线端子电流传感器大功率晶体管模块整流元件变频器及应用技术交—直—交变频器主电路正弦波脉宽调制（SPWM）着眼于对电压进行控制，使输出电压尽可能等效成正弦波。实际上，对电动机电流的控制更为重要，电流跟踪型PWM直接控制输出电流，使之跟踪正弦给定电流的变化。1.电流跟踪型PWM（滞环电流跟踪）在电流跟踪型PWM方法中，将电流波形作为指令信号，将实际电流作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路相关功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号的变化。以U相为例，逆变电路U相上桥VT1导通、下桥VT4关断时，电流上升。当实际电流上升到滞环上限时，U相下桥VT4导通、上桥VT1关断，电流开始衰减；当电流达到滞环下限时，VT4关断，VT1又导通，以次类推。以这样的方式获得的PWM使VT1和VT4通断，实际电流在所设定的上下误差范围（滞环宽度）内变化，以跟踪指令电流。滞环宽度（HB）M3~逻辑控制－＋R1R2－＋i*iVT1VT4＋Ud－U电流检测电流指令电流反馈VccVT3VT2VT5VT6滞环比较器滞环上限滞环下限变频器及应用技术SPWM四、PWM的其他方式2.空间矢量PWM（SVPWM）空间矢量PWM（SVPWM，Space-VectorPWM）是一种先进的、计算机高度介入的PWM方法，也是交流电动机变频驱动PWM最好的方法。SPWM着眼于使输出电压尽可能等效于正弦波，而电流跟踪型PWM直接控制输出电流，使之跟踪正弦给定电流。SVPWM则是以形成圆形旋转磁场为控制目的，使三相对称正弦电流在电动机定、转子气隙中形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的转矩。在SPWM和电流跟踪型PWM控制中，因为一个周期内逆变器的工作状态只切换6次，因此，生成的驱动电源在电动机中产生的旋转磁场为正六边形的磁链轨迹，由此产生的转矩肯定是脉动的。ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ在SVPWM中，逆变器的一个工作周期被划分成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ六个扇区，每个扇区插入新的电压矢量（图中所示为4个电压矢量），以获得逼近圆形的旋转磁场。这样，就必须在逆变器每隔60°状态切换之间附加功率开关器件通断次数，从而获得期望的PWM波形。在SVPWM中，因为涉及到矢量变换等复杂的计算，必须借助DSP（数字信号处理器）来完成。变频器及应用技术SPWM一、矢量控制基本概念矢量控制理论上世纪70年代西门子公司工程师F.Blaschke首先提出，用来解决交流电动机控制问题。磁场定向原理：分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转距的目的。利用“等效”的概念，将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅度和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。变频器及应用技术矢量变频控制1.控制策略不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机的转距。异步电动机上需同轴安装编码器，用于转子角位移测量和转速测量。矢量变频器具有异步电动机参数自动检测、辩识和自适应等功能。在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对异步电动机进行有效的矢量控制。变频器及应用技术矢量变频控制2.矢量控制的性能特点二、电动机参数的自动测量（1）电动机的铭牌数据——电压、电流、转速、磁极对数、效率等。（2）电动机的绕组数据——定子电阻、定子漏磁电抗、转子等效电阻、转子等效漏磁电抗、空载电流等。1．矢量控制需要的参数功能码功能含义数据码及含义T1—00电动机1∕2选择1：电动机1；2：电动机2T1—01自动测量模式0：旋转自测量；1：停止自测量T1—02电动机额定功率T1—03电动机额定电压T1—04电动机额定电流T1—05电动机额定频率T1—06电动机的磁极数T1—07电动机额定转速T1—08自测量的脉冲数自动测量相关功能（安川CIMR—G7A）变频器及应用技术矢量变频控制2．自动测量的操作（1）旋转自测量（相当于空载试验）电动机脱离负载。变频器通电，按下RUN键，先让电动机停止1分钟，再让电动机旋转1分钟（转速约为额定转速的一半）。按下STOP键，中止自测量。（2）停止自测量（相当于堵转试验）电动机不脱离负载。变频器通电，按下RUN键，让电动机停止1分钟。按下STOP键，中止自测量。变频器及应用技术矢量变频控制静止三相交流绕组在三相交流绕组U、V、W中通入电流iU、iV、iW，产生合成磁动势F，并以同步转速ω1旋转。在两相静止绕组α、β中通入电流iα、iβ，也可以产生大小和转速相同的旋转磁动势F，则两相绕组与三相绕组是等效的。从α、β轴变换到d、q轴需借助θ的运算。在以ω1旋转的两相绕组d、q中通入直流电流id、iq，则产生的磁动势F与静止三相和两相绕组是等效的。其中，id相当于直流电动机中的励磁电流，iq相当于与转矩成正比的电枢电流。θ为α轴与d轴的夹角，随时间而变化，通过检测定子电压、电流和转速实时计算获得。3.矢量等效变换WiβiααβdUViViwiUFω1ω1idiqisqω1θ静止两相交流绕组旋转直流绕组3/2变换VR变换FFα变频器及应用技术矢量变频控制变频器及应用技术矢量变频控制4.矢量控制框图三、有速度反馈/无速度反馈矢量控制变频器及应用技术矢量变频控制1.有速度反馈矢量控制a）有反馈矢量控制电路图b）机械特性曲线簇变频器及应用技术矢量变频控制功能码功能码名称数据码及含义（或范围）Fb．00编码器每转脉冲数0～9999p∕rFb．01编码器旋转方向0—正方向；1—反方向Fb．02编码器断线后处理方法0—以自由制动方式停机；1—切换为开环V∕F控制方式有反馈矢量控制的相关功能（艾默生TD3000）

为了满足高精度转速闭环控制及磁场定向的需要，常规的方法就是在电动机轴上安装速度传感器，如光电编码器等。所谓无速度传感器矢量控制是指取消调速系统中的速度检测装置，通过间接计算的方法求出电动机运行的实际转速值作为转速反馈信号。nUVW电流传感器电压传感器iU、iV、iWuU、uV、uWM3~转速推算器变频器及应用技术矢量变频控制2.有速度反馈矢量控制a）无反馈矢量控制示意图b）机械特性曲线簇4、矢量变频调速的适用范围a）带多台电动机b）容量差两档以上c）8极以上d）特殊电机不宜采用的场合（1）矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下。（2）电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能相差一个档次。（3）磁极数一般以２、４、６极为宜。（4）特殊电动机不能使用矢量控制功能。变频器及应用技术矢量变频控制四、直接转矩控制直接转矩控制DTC（DirectTorqueControl）是继矢量控制VC之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，于1985年由德国M.Depnbrock首先提出来。直接转矩控制是因为利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩而得名。直接转矩控制是建立在定子静止两相坐标基础上的，采用定子磁场定向方法，这与矢量控制不同，矢量控制采用转子磁场定向方法。直接转矩控制在低速时转矩有脉动现象，且调速范围不够宽。变频器及应用技术矢量变频控制变频器及应用技术变频器的选型一、变频器容量的选择1．电动机与变频器额定电流的比较

电动机容量（ｋW）22.030.037.045.055.075.0

电动机额定电流

IMN（A）2ｐ＝242.256.970.483.9102.7140.12ｐ＝442.556.969.884.2102.5139.72ｐ＝644.659.572.085.4104.9142.42ｐ＝847.663.078.293.2112.1152.8

变频器额定电流康沃45.060.075.091.0112.0150.0森兰45.060.075.091.0115.0150.0英威腾45.060.075.090.0110.0150.0安邦信61.090.0150.0艾默生45.060.075.090.0110.0152.0三菱43.057.071.086.0110.0富士45.060.075.091.0112.0150.0安川G752.065.080.097.0128.0165.0ABB－80055.072.086.0103.0141.0166.0瓦萨CX48.060.075.090.0110.0150.0丹佛士44.061.073.090.0106.0147.0变频器及应用技术变频器的选型2．变频器的额定电流与载波的关系

载波频率/kHz46810121416额定电流/A62.058.955.849.643.437.231.0百分数（%）100959080706050西门子440系列变频器不同载波频率时的额定电流（22kW）载波频率越高，电动机的电磁噪音越低，但电流降低，输出转矩减小，变频器升温。建议，变频器容量≤7.5kW，载波频率不大于7kHz，大功率不大于6kHz。变频器及应用技术变频器的选型1．变频器容量和电动机负载的关系a）电动机发热，变频器跳闸b）电动机不发热，变频器不跳闸（1）变频器的容量与电动机的运行电流无关。（2）加大变频器的容量，可防止过电流跳闸。二、负载工况与变频器容量的关系

变频器及应用技术变频器的选型a）连续不变负载b）连续变动负载c）断续负载2.负载工况及温升变频器及应用技术变频器的选型3．一台变频器带多台电动机

（1）多台电动机同时起动和运行IN＞1.05～1.1×ΣIMN

变频器及应用技术变频器的选型（2）多台电动机分别起动、制动

K1——安全系数。后起动电动机都从停止状态起动时，K1=1.2；后起动电动机有可能从自由制动状态下重新起动时，K1=1.5~2；K2——变频器的过载能力，K2=1.5；IST——电动机起动电流，为额定电流的5~7倍。变频器及应用技术变频器的选型变频器类别常见型号举例主要特点通用变频器普通型康沃：CVF－G1、G2森兰：SB40、SB61安邦信：AMB－G7英威腾：INVT－G9时代：TVF2000只有V∕F控制方式，故：机械特性略“软”；调速范围较小；轻载时磁路容易饱和。高性能型康沃：CVF－V1森兰：SB80英威腾：CHV台达：VFD－A、B艾默生：VT3000富士：5000G11S安川：CIMR－G7ABB：ACS800A－B：PowerFlex700瓦萨：VACONNX丹佛士：VLT5000西门子：440具有矢量控制功能，故：机械特性“硬”；调速范围大；不存在磁路饱和问题。如有转速反馈，则：机械特性很“硬”；动态响应能力强；调速范围很大；可进行四象限运行。专用变频器风机水泵用康沃、富士、安川等：P系列森兰：SB12三菱：FR－A140艾默生：TD2100西门子：430只有V∕F控制方式，但增加了节能功能；工频的切换功能；睡眠和唤醒功能等。起重机械用三菱：FR241EABB：ACC600电梯用艾默生：TD3100安川：VS－676GL5注塑机用康沃：CVF－ZS∕ZC英威腾：INVT－ZS5∕ZS7张力控制用艾默生：TD3300三垦：SAMCO－vm05常见变频器的类别及应用特点变频器及应用技术变频器的选型使用通用变频器的行业和设备使用矢量变频器的行业和设备纺织绝大多数设备纺织有张力控制场合需使用冶金辅助风机水泵、辊道、高炉卷扬冶金各种主轧线、飞剪石化用风机、泵