项目3 变频器结构与原理

《通用变频器结构与原理》

——PPT项目3项目3通用变频器结构与原理【教学目标】知识目标：1.熟悉变频器的主体结构框图2.熟悉通用变频器的主电路3.了解变频器主电路和控制电路的基本工作原理4.了解变频器的控制方式和分类技能目标：1.能用正确的方法拆装变频器2.能正确地对变频器进行接线3.能识读变频器的电路图4.能分析变频器出现故障的原因3.1变频器的类别和结构

主开关器件采用IGBT时，开关频率可达20kHz以上，输出波形已经非常接近正弦波，因而又称之为正弦脉宽调制(SPWM)逆变器。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，改善变频后，电动机的特性等方面都具有明显的优势，有利于扩大变频器的频率调节范围。

目前迅速普及应用的主要是这种变频器1.根据变频器主开关器件变频器IGBT变频器SCR变频器BJT变频器GTO变频器3.1.1变频器的分类2.根据变流环节不同分类：

3.1变频器的类别和结构3.1.1变频器的分类（1）交-直-交变频器工频交流电源（三相或两相）通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电源，又称间接式变压变频器。可调节频率范围较宽,低压变频器通常采用这种方式（2）交-交变频器把频率固定的交流直接变换成频率和大小连续可调的交流电源，又称直接式变压变频器。没有中间环节，变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，主要用于低速大容量的调速系统。3.1变频器的类别和结构3.1.1变频器的分类3.根据直流电路的储能环节（滤波方式）分类：（1）电压源型变频器在交-直-交变频器装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，中、小容量变频器以电压型变频器为主。电压源型变频器电路在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压，如果能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全。为解决这个问题，可采用措施有：①主电路中设置泵升电压限制电路。②将不可控整流电路改为可控整流电路，利用可控变流器实现再生反馈。3.1变频器的类别和结构3.1.1变频器的分类（2）

电流源型变频器

当交-直-交变频装置中的中间直流环节采用大电感滤波时，这类变频装置称为电流源型变频器，适用于大容量变频器。整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧。为使电路具备再生反馈电力的能力，整流电路同样可采用晶闸管可控整流电路，负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间直流电压反极性，3.1变频器的类别和结构3.1.1变频器的分类4.按电压等级的分类：（1）低压变频器(110V，220V，380V)（2）中压变频器(500V，660V，1140V)（3）

高压变频器(3KV，3.3KV，6KV，6.6KV，10KV)5.

根据电压的调制方式分类：

（1）正弦波脉宽调制（SPWM）变频器——中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。

（2）脉幅调制（PAM）变频器——比较少用。6.根据输入电源的相数分类：

（1）

三进三出变频器（2）单进三出变频器8.按照用途分类：(1)通用变频器——用于机械传动调速，功能齐全、性能好、价格贵。(2)高性能专用变频器——为具体应用而设计，使用面窄、价格低、操作简单。(3)高压变频器——适用于高压电动机。7.按照工作原理分类：（1）

V/f控制变频器；（2）

矢量控制变频器；(3)直接转矩控制型变频器3.1.2部分常用术语中英文对照变频器：inverter

(日本常用)，AC

Drive

(欧美常用)，Frequency

Converter

(欧州常用)

变流器converters

整流rectifying-rectification

整流器rectifier

逆变inverting-inversion

逆变器inverter

转矩脉动torque

pulsation

脉宽调制

(PWM)

pulse

width

modulation

谐波harmonic

矢量控制(VC)

vector

control

直接转矩控制(DTC)

direct

torque

control

四象限运行Four

quadrant

operation

再生(制动)

Regeneration

直流制动d.c

braking

漏电流leak

current

滤波器filter

电抗器reactor

电位器potentiometer

编码器encoder,

PLG

(pulse

generator)

定子stator

转子rotor

3.2变频器的结构与原理

低压通用变频器的输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路类型几乎都采用交—直—交电路，而其逆变电路一般采用正弦脉宽调制(SPWM)控制方式。不同系列变频器的结构与原理基本相同。变频器总体介绍：三部分构成整流电路中间环节电路逆变电路3.2普通变频器的结构与原理

变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上由三部分构成：3.2.1普通变频器的主电路1.整流电路

当输入为交流380V时，整流后的峰值电压为537V，平均电压为515V

某些具有大量再生能量的场合可用晶闸管变流器，由于其功率方向可逆，可以实现能量的回馈3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路2.中间环节电路

中间环节电路主要包括：滤波电路、均压电路、限流电路、泵升电压限制电路、直流信号检测保护电路等

3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路（1）滤波电路

由若干个电容并联成CF1和CF2，CF1和CF2串联抑制电压波动，并起到储能作用。由电容滤波的变频器属于电压型变频器。对于较大容量的变频器可增加电感滤波。逆变器前级为电感滤波的为电流型变频器。3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路

两组电容相串联，即可降低耐压等级，又可提供中心点。（2）均压电路

在CF1和CF2旁备并联一个阻值相等的均压电阻R1和R2

3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路

电容阻抗具有分散性，很难做到正负电压对称，而大电阻的阻值精度较容易控制。（3）限流电路

串接在整流桥和滤波电容器之间，是由限流电阻RL和短路开关SL（或晶闸管）组成的并联电路。

3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路

刚通电瞬间，由于电容两端电压为零，必须限流。（4）电源指示

电源指示灯HL除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，即在变频繁器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路（5）能耗制动（泵升电压限制）

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。当同步转速低于转子转速时，电动机处于发电状态，也称为再生制动状态，容易使直流电压升高。当直流回路的电压UD超过规定的限值时，VTB导通，使直流回路通过RB释放能量，降低直流电压。3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路3.逆变电路3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路

与整流电路相反，逆变主电路是将直流电源变换为所要求频率的交流电源，由三部分组成：①逆变主电路②续流电路

③缓冲电路(1)逆变主电路

由VT1～VT6组成6个开关器件轮流导通、关断就可以得到3相交流输出。3.2变频器的结构与原理3.2.1普通变频器的主电路（2）逆变续流电路

续流电路由右图中的VD7～VD12构成其功能是：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（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。3.2变频器的结构与原理（3）逆变缓冲电路由（R01～R06、C01～C06、VD01～VD06）构成

逆变管在关断和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损害。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。3.2变频器的结构与原理3.2.1变频器的主电路（4）逆变电路的SPWM控制方式

把正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。把这N个脉冲序列用同样数量的、等幅、不等宽、中点重合、面积（冲量）相等、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲来代替单相逆变电路的SPWM控制规律：单极性控制方式双极性控制方式（4）逆变电路的SPWM控制方式3.2.1变频器的主电路（4）逆变电路的SPWM控制方式单极性控制方式：在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud，当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0。Ur负半周，V2保持通，V1保持断当ur>uc时使V3通，V4断，uo=-Ud，当ur<uc时使V3断，V4通，uo=0。3.2.1变频器的主电路双极性SPWM控制方式：在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断，ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。3.2.1变频器的主电路（4）逆变电路的SPWM控制方式

当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud

当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号，如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。uc为三相SPWM控制公用信号，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°。3.2.1变频器的主电路（5）三相桥式逆变电路的SPWM控制以U相为例分析其控制规律：

当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN´=Ud/2，当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN´=-Ud/2；当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。uUN´、uVN´和uWN´的SPWM波形只有±Ud/2两种电平，uUV波形可由uUN´-uVN´得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。（5）三相桥式逆变电路的SPWM控制3.2.1变频器的主电路

输出线电压SPWM波由±Ud和0三种电平构成，负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。

同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。3.2.1变频器的主电路（5）三相桥式逆变电路的SPWM控制3.2.2高压变频器的主电路1.高压变频器需要解决的主要问题①串并联器件的静态和动态均压电路会导致系统复杂，损耗增加，效率下降；②输出只有2个电平，电压波动大，产生较大的谐波和过高的电压变化率du/dt；③开关器件的串并联在技术上的不确定因素会使逆变器的可靠性明显下降；④双电平逆变器实现高压输出，存在着输出电压波动大的问题。（1）如果将变频器的SPWM逆变主电路，单纯依靠开关器件的串并联来实现，会出现这样的问题：（2）采用高-低-高方式：存在中间低压环节电流大、效率低、占地面积大等缺点（3）将多个低压大容量逆变器通过变压器采用多重化技术获得高压大功率，输出电压波形可以接近正弦波，但是也存在着效率低、动态性能不高和占地面积大等缺点。

希望高压逆变器在实现直接高压变换的同时，又能使输出电压波形接近正弦波，这就是高压变频器需要解决的主要问题。3.2.2高压变频器的主电路1.高压变频器需要解决的主要问题

三相二极管钳位三电平逆变器主电路

3.2.2高压变频器的主电路2.多电平电压源型逆变器

在高电压、大容量变频系统中，为了减少开关损耗和每个开关承受的电压，进而改善输出电压波形，减少转矩脉动，多采用增加直流侧电平的方法3.2.2高压变频器的主电路2.多电平电压源型逆变器

当VTl、VT2导通和VT3、VT4关断时，逆变器U相输出电压为+E/23.2.2高压变频器的主电路2.多电平电压源型逆变器

线电压则有五个电平即±E/2、±E和0，

电平的增加可使输出电压波形接近正弦波。3.2.2高压变频器的主电路2.多电平电压源型逆变器（五电平）3.2.2高压变频器的主电路电容钳位式五电平逆变器开关状态

五电平逆变器相、线电压波形2.多电平电压源型逆变器（五电平）3.2.3变频器的控制电路单片机---产生SPWM信号驱动电路---SPWM信号进行放大信号检测保护电路---变频器的电压、电流、温度等的保护CPU---大量运算存储电路、显示电路、隔离电路等控制电路3.2.3变频器的控制电路分立元件组成的驱动电路集成化的驱动电路按照驱动电路元件的组成划分1.驱动电路

M57962L型IGBT集成驱动器分立元件驱动电路驱动电路的作用是根据控制单元的指令对IGBT进行驱动3.2.3变频器的控制电路2.变频器的控制方式恒压频比控制具有恒定磁通功能的v/f通用变频器矢量控制通用变频器直接转矩控制控制方式（2）变频器的控制方式

（1）恒压频比控制

对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制

适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合

普通控制型v/f通用变频器是转速开环控制方式，无速度传感器，控制电路简单，采用通用标准异步电动机，通用性强，性价比高。缺点有以下几点：①不能恰当地调整电动机转矩，不能补偿适应转矩的变化。②无法准确地控制电动机的实际转速。③转速极低时，由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力。

主要用于风机水泵的节能的调速设备，以及调速范围要求不高场合。（2）变频器的控制方式

（1）

恒压频比控制（2）变频器的控制方式（2）具有恒定磁通功能的v/f通用变频器恒定磁通的控制方法仍然属于v/f控制方式。在普通控制型V/F通用变频器基础上增加了恒磁通功能。如何实现恒磁通功能？

增加磁通检测器，将测得的磁通信号与速度设定值转换后的磁通信号比较，用比较结果控制PWM驱动，改善了普通控制型V/F通用变频器的缺点。

增加磁通检测器太麻烦，用的不多。（2）变频器的控制方式

三相交流二相交流矢量控制的基本思路定子三相坐标系RST(ABC)定子两相坐标系αβ三相-两相变换矢量回转直流异步电动机