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1、變頻器 一、變頻器概述 二、變頻器基本原理 三、變頻器的保護功能 四、變頻器的干擾及預防措施 五、變頻器應用 一、變頻器概述 三相交流異步電機的結構簡單、堅固、運 行可靠、價格低廉，在冶金、建材、礦山、 化工等重工業(yè)領域發(fā)揮著巨大作用。人們 希望在許多場合下能夠用可調速的交流電 機來代替直流電機，從而降低成本，提高 運行的可靠性。如果實現(xiàn)交流調速，每臺 電機將節(jié)能 20%以上，而且在恒轉矩條件 下，能降低軸上的輸出功率，既提高了電 機效率，又可獲得節(jié)能效果。 異步電機調速系統(tǒng)的種類很多，但是效率 很高、性能最好、應用最廣的是變頻調速， 它可以構成高動態(tài)性能的交流調速系統(tǒng)來 取代直流調速系統(tǒng)，是
2、交流調速的 主要發(fā) 展方向。變頻調速是以變頻器向交流電機 供電，并構成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，從而實現(xiàn) 對交流電機的寬范圍內無級調速。變頻器 可把固定電壓、固定頻率的交流電變換為 可調電壓、可調頻率的交流電。 隨著 電力電子技術 的發(fā)展，出現(xiàn)了高耐壓、大功 率、具有自關斷的全控型電力電子器件，它具有 驅動功率小、開關頻率高等特點，應用在逆變電 路中可極大提高變頻的 性能。 脈寬調制（ PWM)變頻就是把通訊系統(tǒng)中的調制技 術推廣應用到交流變頻中，可使變頻器具有良好 的輸出波形，降低了噪聲和諧波，提高了系統(tǒng)的 性能。 采用 全數(shù)字微機控制技術 ，使變頻器減小了體積、 降低了成本、提高了效率、增強了功能。
3、 以上三種技術的應用，使電機基本能夠平穩(wěn)運行、 無噪聲、無抖動。交流變頻調速已成為電氣調速 傳動的主流。目前變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動 系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，而且已擴展到了工業(yè) 生產的所有領域，以及空調器、洗衣機、電冰箱 等家電中。 一、變頻器概述 （一）變頻器的功用 變頻 器 的 功用是將頻率固定 (通常為工頻 50HZ)的交流點 (三相的或單相的 )交換成頻率 連續(xù)可調的三相交流電源。 如下圖 2. 1所示，變頻器的輸入端 (R,S ,T)接 至頻率固定的三相交流電源，輸出端 (U,V, W) 輸出的是頻率在一定范圍內連續(xù)可調的三相 交流電，接至電機。 VVVF(Variation Vo
4、ltage Variation Frequency)頻率可變、電壓可變。 變頻器概述 （二）變頻器主要功能 一、軟啟動馬達 二、調頻調壓調電流 三、空（輕）載時能在維持轉速的時候減少 電流（節(jié)能） 變頻器總體來說用在啟動頻繁的馬達上，節(jié) 能效果明顯！ （三）變頻器的核心是電力電子器件及控制方式 1.電力電子器件的發(fā)展 20 世 紀 80年代中期以前，變頻裝置功率回路主要 采用第一代電力電子器件，以晶閘管元件為主，這 種裝置的效率、可靠性、成本、體積均無法與同容 量的直流調速裝置相比。 80年代中期以后采用第二代電力電子器件 GTR. CTO, VDMOS-IGBT等制造的變頻裝置在性能和價 格
5、比上可以與直流調速裝置相媲美。 隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化 方向繼續(xù)發(fā)展，第三代電力電子器件是 20世紀 90年 代制造變頻裝置的主流產品，中小功率的變頻調速 裝置 (1-1000kw)主要采用 IGBT，大功率的變頻調速 裝置 (1000-10000kW)采用 GTO器件。 20世紀 90年代末至今，電力電子器件的發(fā)展進入了 第四代，如高壓 IGBT, IGCT, IEGT, SGCT、智能功 率模塊 IPM等。 2.控制方式 變頻器用不同的控制方式，得到的調速性 能 、特性及用途是不同的。 控制方式大體分為 開環(huán)控制及閉環(huán)控制 。 開環(huán)控制有 U/f電壓與頻率成正比的控制
6、方 式 閉環(huán)有轉差頻率控制、矢量控制和直接轉 矩控制。 現(xiàn)在矢量控制可以實現(xiàn)與直流機電樞電流 控制相媲美，直接轉矩控制直接取交流電 動機參數(shù)進行控制，其方便準確精度高。 二、變頻器基本原理 （一） 變頻調速的構成 要實現(xiàn)變頻調速，必須有頻率可調的交流 電源，但電力系統(tǒng)卻只能提供固定頻率的 交流電源，因此需要一套變頻裝置來完成 變頻的任務。歷史上曾出現(xiàn)過旋轉變頻機 組，但由于存在許多缺點而現(xiàn)在很少使用。 現(xiàn)代的變頻器都是由大功率電子器件構成 的。相對于旋轉變頻機組，被稱為靜止式 變頻裝置，是構成變頻調速系統(tǒng)的中心環(huán) 節(jié)。 一個變頻調速系統(tǒng)主要由靜止式變頻裝置、交流電 動機和控制電路 3大部分組成
7、， 靜止式變頻裝置的輸入是三相式單相恒頻、恒壓 電源，輸出則是頻率和電壓均可調的三相交流電。 至于控制電路，變頻調速系統(tǒng)要比直流調速系統(tǒng) 和其他交流調速系統(tǒng)復雜得多，這是由于被控對 象 感應電動機本身的電磁關系以及變頻器的控 制均較復雜所致。因此變頻調速系統(tǒng)的控制任務 大多是由微處理機承擔。 （二）變頻調速的基本要求 為了充分利用鐵心材料，在設計電動機時， 總是讓電動機在額定頻率和額定電壓下工 作時的氣隙磁通接近磁飽和值。因此，在 電動機調速時，希望保持每極磁通量為額 定值不變。如果過分增大磁通又會使鐵心 過分飽和，從而導致勵磁電流急劇增加， 繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低，嚴重時甚 至會因繞組過
8、熱而損壞電動機。故而希望 在頻率變化時仍保持磁通恒定，即實現(xiàn)恒 磁通變頻調速，這樣，調速時才能保持電 動機的最大轉矩不變。 me （三）變頻器的分類 1.按變換環(huán)節(jié)分 : (1)交 -交變頻器 把頻率固定的交流電源直接變換成頻率可 調的交流電，又稱直接式變頻器。 (2)交 -直 -交變頻器 先把頻率固定的交流電整流成直流電，再 把直流電逆變成頻率連續(xù)可調的交流電， 又稱間接式變頻器。 2.按電壓的調制方式分 : (1) PAM (脈幅調制 ) 變頻器 輸出電壓的大小通過改變直流電壓的大小 來進行調制。在中小容量變頻器中，這種 方式幾近絕跡。 (2) PWM (脈寬調制 ) 變頻器 輸出電壓的大
9、小通過改變輸出脈沖的占空 比來進行調制。 目前普通應用的是占空比按正弦規(guī)律安排 的正弦脈寬調制 (SPWM)方式。 3. 按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分（對交直交） : (1)電流型 直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電感線圈 LF,如圖所 示。 (2)電壓型 直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電容器 CF,如圖所示。 （四）交 -交與交 -直 -交變頻器 4.1交 -交變頻器工作原理 4.2交 -直 -交變頻器工作原理 4.3交 -交與交 -直 -交變頻器的比較 交交變頻 交交變頻電路，也稱周波變流器 把電網頻率的交流電變成可調頻率 的交流電的變流電路，屬于直接變頻 電路 。 廣泛用于大功率交流電動機調速傳 動系統(tǒng)，實際使用的
10、主要是三相輸出 交交變頻電路。（ 由三組輸出電壓相位 各差 120 的單相交交變頻電路組成）。 4.1交 -交變頻器工作原理 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形 三相輸入單相輸出的交交變頻電路由 P組和 N組反 并聯(lián)的晶閘管變流電路構成，其結構如圖 1(a)所示 . 結合圖 1(a)，下面分析三相輸入單相輸出的交交變 頻電路的工作原理： P組工作時，負載電流 io為正； N組工作時， io為負； 兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該 頻率的交流電；改變切換頻率，就可改變輸出頻率 wo；改變變流電路的控制角 ，就可以改變交流輸 出電壓幅值；為使 uo波形接近正弦，可按正弦規(guī)律 對 角進
11、行調制，在半個周期內讓 P組 角按正弦 規(guī)律從 90 減到 0 或某個值，再增加到 90 ，每 個控制間隔內的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增 至最高，再減到零。 uo由若干段電源電壓拼接而成， 在 uo一個周期內，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波 形就越接近正弦波如圖 1(b)。 oi0 4.2 交 -直 -交變頻器 其結構如下，它由主電路和控制電路組成。 交 -直 -交變頻器主電路 目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交 直 交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通 用，其主電路圖（見圖 1.1），它是變頻器 的核心電路，由整流電路（交 直交換）， 直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路 （直 交變換）組成。
12、一、交直變換部分 1、 VD1 VD6組成三相整流橋，將交流變換為直流。 2、濾波電容器 CF作用： （ 1）濾除全波整流后的電壓紋波； （ 2）當負載變化時，使直流電壓保持平衡。 因為受電容量和耐壓的限制，濾波電路通常由若干個 電容器并聯(lián)成一組，又由兩個電容器組串聯(lián)而成。如圖中 的 CF1和 CF2。由于兩組電容特性不可能完全相同，在每 組電容組上并聯(lián)一個阻值相等的分壓電阻 RC1和 RC2。 3、限流電阻 RL和開關 SL RL作用：變頻器剛合上閘瞬間沖擊電流比較大，其作 用就是在合上閘后的一段時間內，電流流經 RL，限制沖擊 電流，將電容 CF的充電電流限制在一定范圍內。 SL作用：當
13、CF充電到一定電壓， SL閉合，將 RL短路。 一些變頻器使用晶閘管代替（如虛線所示）。 4、電源指示 HL 作用：除作為變頻器通電指示外，還作為變頻器斷電 后，變頻器是否有電的指示（燈滅后才能進行拆線等操 作）。 二、能耗電路部分 1、制動電阻 RB 變頻器在頻率下降的過程中，將處于再 生制動狀態(tài)，回饋的電能將存貯在電容 CF 中，使直流電壓不斷上升，甚至達到十分危 險的程度。 RB的作用就是將這部分回饋能 量消耗掉。一些變頻器此電阻是外接的，都 有外接端子（如 DB， DB）。 2、制動單元 VB 由 GTR或 IGBT及其驅動電路構成。其 作用是為放電電流 IB流經 RB提供通路。 三、
14、直交變換部分 1、逆變管 V1 V6 組成逆變橋，把 VD1 VD6整流的直流電逆 變?yōu)榻涣麟姟＿@是變頻器的核心部分。 2、續(xù)流二極管 VD7 VD12 作用：（ 1）電機是感性負載，其電流中有無 功分量，為無功電流返回直流電源提供“通道”； （ 2）頻率下降，電機處于再生制動狀態(tài)時， 再生電流通過 VD7 VD12整流后返回給直流電路； （ 3） V1 V6逆變過程中，同一橋臂的兩個 逆變管不停地處于導通和截止狀態(tài)。在這個換相 過程中，也需要 VD7 VD12提供通路。 四、緩沖電路 緩沖電路如圖 2所示。 逆變管在導通和判斷的瞬間，其電壓和電流的變化率是比 較大的，可能全逆變管受到損害。因
15、此，每個逆變管旁邊 還要接入緩沖電路，其作用就是減緩電壓和電流的變化率。 1、 C01 C06 逆變管 V1 V6每次由導通到截止的判斷瞬間，集電 極 C和發(fā)射極 E間的電壓將迅速地由 0V上升為直流電壓 UD。 過高的電壓增長率將導致逆變管的損壞。 C01 C06的作 用就是減小逆變管由導通到截止時過高的電壓增長率，防 止逆變損壞。 2、 R01 R06 逆變管 V1 V6由導通到截止的瞬間， C01 C06所充 的電壓（等于 UD）將 V1 V6放電。此放電電流的初值很 大，并且疊加在負載電流上，導致逆變管的損壞。 R01 R06的作用就是限制逆變管在導通瞬間 C01 C06的放電 電流。
16、 3、 VD01 VD06 R01 R06的接入，又會影響到 C01 C06在 V1 V6 關斷時減小電壓增長率的效果。 VD01 VD06接入后，在 V1 V6關斷過程中，使 R01 R06不起作用；而在 V1 V6接通過程中，又迫使 C01 C06的放電電流流經 R01 R06。 交 -直 -交變頻器控制電路 控制電路由運算電路、檢測電路、控制信 號的輸入 /輸出電路和驅動電路等構成，其 主要任務是完成對逆變器的開關控制、對 整流器的電壓控制以及各種保護功能等， 可采用模擬控制或數(shù)字控制。 高性能的變壓器目前已采用嵌入式微型計 算機進行數(shù)字控制，采用盡可能的硬件電 路，主要靠軟件來完成各種
17、功能。 按照不同的控制方式，又可將間接變頻裝置 分為下圖中的 (a)、 (b)、 (c)3種。 1.可控整流器變壓、變頻器變頻 調壓和調頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者要在控 制電路上協(xié)調配合這種裝置結構簡 ，控制方 便，輸出環(huán)節(jié)用由晶閘管 (或其他電子器件 )組成 的 3相 6拍變頻器 (每周換流 6次 )，但由于輸入環(huán)節(jié) 采用可控整流器，在低壓深控時電網端的功率因 數(shù)較低，還將產生較大的諧波成分，一般用于電 壓變化不太大的場合 2. 直流斬波器調壓、變頻器變頻 采用不可摔整流器，保證變頻器的電網側有較高 的功率因數(shù)，在直流環(huán)節(jié)上設置直流斬波器完成 電壓調節(jié)。這種調壓方法有效地提高了變頻器電 網
18、側的功率因數(shù)，并能方便靈活地調節(jié)電壓，但 增加了一個電能變換環(huán)節(jié) 斬波器，該方法仍 有諧波較大的問題。 3.變頻器自身調壓、變頻 采用不可控整流器，通過變頻器自身的電子 開關進行斬波控制，使輸出電壓為脈沖列。改變 輸出電壓脈沖列的脈沖寬度，便可達到調節(jié)輸出 電壓的目的。這種方法稱為脈寬調制 (PWM)。因 采用不可控整流，功率因數(shù)高；因用 PWM逆變， 諧波可以大大減少。諧波減少的程度取決于開關 頻率，而開關頻率則受器件開關時問的限制。 若仍采用普通晶閘管，開關的頻率并不能有效 地提高，只有采用全控型器件，開關頻率才能得 以大大提高，輸出波形幾乎可以得到非常逼真的 正弦波，因而又稱正弦波脈寬調
19、制 (SPWM)變頻 器。該變頻器將變頻和調 功能集于一身，主電路 不用附加其他裝置，結構簡單，性能優(yōu)良。成為 當前最有發(fā)展前途的一種結構形式。 4.3交 -交與交 -直 -交變頻器之比較 交 -交變頻器 交 -直 -交變頻器 過載能力強 效率高輸出波形好 但輸出頻率低 使用功率器件多 輸入無功功率大 高次諧波對電網影響 大 結構簡單 輸出頻率變化范圍大 功率因數(shù)高 諧波易于消除 可使用各種新型大功 率器件 （五） PWM控制技術 PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。從最初采用 模擬電路完成 三角調制波和參考正弦波的比較，產生正弦脈寬調制 SPWM 信號以控制功率器件的開關開始，到目前
20、采用全數(shù)字化方 案，完成優(yōu)化的實時在線的 PWM信號輸出， PWM在各種應用 場合仍占主導地位，并一直是人們研究的熱點。由于 PWM可 以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點，因此在交流傳動 乃至其他能量交換系統(tǒng)中得到廣泛的應用。 PWM控制技術大致可以分為三類：正弦 PWM，優(yōu)化 PWM，隨機 PWM。 正弦 PWM具有改善輸出電壓和電流波形、降低電源系統(tǒng)諧波 的多重 PWM技術，在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢； 優(yōu)化 PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率最小、電壓利用 率最高、效率最優(yōu)、轉矩脈動最小及其他特定優(yōu)化目標； 隨機 PWM原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限 帶白噪聲，盡管噪
21、音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關頻率 為特征的有色噪音強度大大削弱。 正弦波脈寬調制 (SPWM)變頻器 SPWM變頻器結構簡單，性能優(yōu)良，主電路不用 附加其他裝置，已成為當前最有發(fā)展前途的一種 結構形式。圖 3所示為 SPWM變頻器的電路原理， 該電路的主要特點是： (1)主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結構； (2)使用了不可控的整流器，使電網功率因數(shù)與變 頻器輸出電壓的大小無關而接近于 1； (3)變頻器在調頻的同時實現(xiàn)調壓，而與中間直流 環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應； (4)可獲得比常規(guī) 6拍階梯波更好的輸出電壓波形， 能抑制或消除低次諧波，使負載電動機可在近似 正弦波的
22、交變電壓下運行，轉矩脈動小，大大擴 展了拖動系統(tǒng)調速范圍，并提高了系統(tǒng)的性能。 SPWM變頻器的工作原理 所謂正弦波脈寬調制 (SPWM)就是把正弦 波等效為一系列等幅不等寬的矩形脈沖波 形，如圖 4所示，等效的原則是每一區(qū)間 的面積相等。 如果把一個正弦半波分作 n等份 (圖中 n=12)， 然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的 面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖 來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等份 的中點重合，而寬度是按正弦規(guī)律變化的如 圖 4(b)所示。這樣，由 n個等幅而不等寬的 矩形脈沖所組成的波形就與正弦半周等效， 稱作 SPWM波形。同樣，正弦波負半周也可 用相同方法與
23、一系列負脈沖波來等效。 圖 4(b)所示的一系列脈沖波形就是所 期望的變頻器輸出 SPWM波形?？梢钥吹剑?由于各脈沖的幅值相等，所以變頻器可由 恒定的直流電源供電，即這種交一直一交 變頻器中的整流器采用不可控的二極管整 流器即可，變頻器輸出脈沖的幅值就是整 流器的輸出電壓幅值。當變頻器各開關器 件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅動相應開 關器件的信號也應為與圖 4(b)所示形狀相 似的一系列脈沖波形。 5.2 異步調制和同步調制 根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況， PWM調制方式分為 異步調制 和 同步調制 。 通常保持 fc固定不變，當 fr變化時，載波比 N是變化的 在信號波的半周期
24、內， PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也 不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后 1/4周期 的脈沖也不對稱 當 fr較低時， N較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產 生的不利影響都較小 當 fr增高時， N減小，一周期內的脈沖數(shù)減少， PWM脈沖不 對稱的影響就變大 載波比 載波頻率 fc與調制信號頻率 fr之比， N= fc / fr 1） 異步調制 載波信號和調制信號不同步的調制方式 5.2 異步調制和同步調制 2） 同步調制 載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變頻時 使載波與信號波保持同步，即 N等于常數(shù)。 u c u rU u rV u rW u u UN u VN O
25、t t t t O O O u WN 2 U d - 2 U d 圖 6-10 同步調制三相 PWM波形 基本同步調制方式， fr變化 時 N不變，信號波一周期內 輸出脈沖數(shù)固定。 三相電路中公用一個三角 波載波，且取 N為 3的整數(shù) 倍，使三相輸出對稱。 為使一相的 PWM波正負半 周鏡對稱， N應取奇數(shù)。 fr很低時， fc也很低，由調 制帶來的諧波不易濾除。 fr很高時， fc會過高，使開 關器件難以承受。 5.2 異步調制和同步調制 3） 分段同步調制 異步調制和同步調制的綜合應用。 把整個 fr范圍劃分成若干個頻 段，每個頻段內保持 N恒定， 不同頻段的 N不同。 在 fr高的頻段采
26、用較低的 N， 使 載波頻率不致過高；在 fr低的 頻段采用較高的 N， 使載波頻 率不致過低 。 0 0. 4 0. 8 1. 2 1. 6 2. 0 2. 4 10 20 30 40 50 60 70 80 2 0 1 1 4 7 9 9 6 9 4 5 3 3 2 1 圖6- 11 f r /Hz f c / k H z 為防止 fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法。 同步調制比異步調制復雜，但用微機控制時容易實現(xiàn)。 可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步 調制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同步方式效 果接近。 圖 6-11 分段同步調制 方式舉例 5.3
27、規(guī)則采樣法 1）自然采樣法： 按照 SPWM控制的基本原理 產生的 PWM波的方法，其求 解復雜，難以在實時控制中 在線計算，工程應用不多。 u c u O t u r T c A D B O t u o t A t D t B d d d 2 d 2 d 圖 6-12 規(guī)則采樣法 2）規(guī)則采樣法 工程實用方法，效果接近自 然采 樣法，計算 量小得多。 5.3 規(guī)則采樣法 三角波兩個正峰值之間為一個 采樣周期 Tc 。 自然采樣法中，脈沖中點不和 三角波 (負峰點 )重合。 規(guī)則采樣法使兩者重合，使計 算大為減化。 如圖所示確定 A、 B點，在 tA和 tB時刻控制開關器件的通斷。 脈沖寬度
28、d 和用自然采樣法得 到的脈沖寬度非常接近。 規(guī)則采樣法 原理 u c u O t u r T c A D B O t u o t A t D t B d d d 2 d 2 d 圖 6-12 規(guī)則采樣法 6.2.3 規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法計算公式推導 正弦調制信號波 tau rs inr 三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度 )s i n1(421 Drcc taTT dd - (6-7) a稱為 調制度 ， 0a1； r為信號波角頻率 從圖 6-12得 , 2/ 2 2/ s i n1 c Dr T ta d )s i n1(2 Drc taT d (6-6) u c u O t u r T
29、c A D B O t u o t A t D t B d d d 2 d 2 d 圖 6-12 規(guī)則采樣法 5.3 規(guī)則采樣法 3） 三相橋逆變電路 的情況 三角波載波公用，三相正弦調制波相位依次差 120 同一三角波周期內三相的脈寬分別為 dU、 dV和 dW，脈 沖兩邊的間隙寬度分別為 dU、 d V和 d W，同一時刻三 相調制波電壓之和為零，由式 (6-6)得 由式 (6-7)得 2 3 c WVU T ddd 4 3 c W V U T ddd 利用以上兩式可簡化三相 SPWM波的計算 (6-8) (6-9) （六）變頻器的四種控制方式 變頻器對電動機進行控制是根據(jù)電動機 的特性參
30、數(shù)及電動機運轉要求，進行對電 動機提供電壓、電流、頻率進行控制達到 負載的要求。因此就是變頻器的主電路一 樣，逆變器件也相同，單片機位數(shù)也一樣， 只是控制方式不一樣，其控制效果是不一 樣的。所以控制方式是很重要的。它代表 變頻器的水平。目前變頻器對電動機的控 制方式大體可分為 U/f恒定控制 ，轉差頻率 控制，矢量控制，直接轉矩控制。 1、 U/f恒定控制 U/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變 電動機電源的電壓，使電動機磁通保持一定，在 較寬的調速范圍內，電動機的效率，功率因數(shù)不 下降。因為是控制電壓與頻率之比，稱為 U/f控制。 恒定 U/f控制存在的主要問題是（ 1）低速性能較 差，
31、轉速極低時，電磁轉矩無法克服較大的靜摩 擦力，不能恰當?shù)恼{整電動機的轉矩補償和適應 負載轉矩的變化 ; （ 2）其次是無法準確的控制電 動機的實際轉速。由于恒 U/f變頻器是轉速開環(huán)控 制，由異步電動機的機械特性圖可知，設定值為 定子頻率也就是理想空載轉速，而電動機的實際 轉速由轉差率所決定，所以 U/f恒定控制方式存在 的穩(wěn)定誤差不能控制，故無法準確控制電動機的 實際轉速。 2、轉差頻率控制 在穩(wěn)態(tài)情況下，當穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時，異步電 機電磁轉矩近似與轉差角頻率成正比。因此，控 制 s就相當于控制轉矩。采用轉速閉環(huán)的轉差頻 率控制，使定子頻率 1 = r + s ，則 1隨實際 轉速 r增加
32、或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調速，保 證了較高的調速范圍。 轉差頻率控制就是通過控制轉差頻率來控制轉矩 和電流。轉差頻率控制需要檢出電動機的轉速， 構成速度閉環(huán)，速度調節(jié)器的輸出為轉差頻率， 然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的 給定頻率。與 U/f控制相比，其加減速特性和限制 過電流的能力得到提高。另外，它有速度調節(jié)器， 利用速度反饋構成閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差小。 然而要達到自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制，還達不到良 好的動態(tài)性能。 3、矢量控制 矢量控制，也稱磁場定向控制。它是 70年代 初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電機 和交流電機比較的方法闡述了這一原理。由此開 創(chuàng)了交
33、流電動機和等效直流電動機的先河。 矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三 相坐標系下的定子交流電流 Ia、 Ib、 Ic。通過三相 -二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流 Ia1、 Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等 效成同步旋轉坐標系下的直流電流 Im1、 It1(Im1 相當于直流電動機的勵磁電流 ， It1相當于直流 電動機的電樞電流 )，然后模仿直流電動機的控制 方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐 標反變換實現(xiàn)對異步電動機的控制。矢量控制方 法的出現(xiàn)，使異步電動機變頻調速在電動機的調 速領域里全方位的處于優(yōu)勢地位。但是，矢量控 制技術需要對電動機參數(shù)進行正確估算，
34、如何提 高參數(shù)的準確性是一直研究的話題。 4、直接轉矩控制 1985年，德國魯爾大學的 DePenbrock教授首次 提出了直接轉矩控制理論，該技術在很大程度上 解決了矢量控制的不足，它不是通過控制電流， 磁鏈等量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被 控量來控制。 轉矩控制的優(yōu)越性在于 ，轉矩控制是控制定子 磁鏈，在本質上并不需要轉速信息，控制上對除 定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好，所 引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度 信息，因而能方便的實現(xiàn)無速度傳感器，這種控 制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。 直接轉矩控制系統(tǒng)與 矢量控制系統(tǒng)的比較 直接轉矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)都采用轉矩
35、和 磁鏈分別控制。矢量控制系統(tǒng)強調轉矩 與轉子 磁鏈的解耦 ，有利于分別設計轉速與磁鏈調節(jié) 器；實行連續(xù)控制，調速范圍寬，可達 1： 100; 按 定向時受電機轉子參數(shù)影響，降低了適應性。 直接轉矩控制系統(tǒng)則直接進行轉矩砰 -砰控制，避 開了旋轉坐標變換；控制定子磁鏈 ，而不是轉 子磁鏈，不受轉子參數(shù)的影響；不可避免地產生 轉矩脈動，降低了調速性能，因此只適用于風機、 水泵以及牽引傳動等對調速范圍要求不高的場合。 eT 2 2 1 直接轉矩控制系統(tǒng)與 矢量控制系統(tǒng)的比較 特點與性能 直接轉矩控制系統(tǒng) 矢量控制系統(tǒng) 磁鏈控制 定子磁鏈 轉子磁鏈 轉矩控制 砰 -砰控制，脈動 連續(xù)控制，平滑 旋轉
36、坐標變換 不需要 需要 轉子參數(shù)變化 影響 無 有 調速范圍 不夠寬 較寬 （七）四象限變頻器 普通的變頻器大都采用二極管整流橋將交流 電轉化成直流，然后采用 IGBT逆變技術將直流轉 化成電壓頻率皆可調整的交流電控制交流電動機。 這種變頻器只能工作在電動狀態(tài)，所以稱之為兩象 限變頻器。由于兩象限變頻器采用二極管整流橋， 無法實現(xiàn)能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機回 饋系統(tǒng)的能量送回電網。在一些電動機要回饋能量 的應用中，比如電梯，提升，離心機系統(tǒng)，只能在 兩象限變頻器上增加電阻制動單元。將電動機回饋 的能量消耗掉。另外，在一些大功率的應用中，二 極管整流橋對電網產生嚴重的諧波污染。 IGBT
37、功率模塊可以實現(xiàn)能量的雙向流動，如 果采用 IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的 DSP產生 PWM控制脈沖。一方面可以調整輸入的 功率因數(shù)，消除對電網的諧波污染，讓變頻器真正 成為“綠色產品”。另一方面可以將電動機回饋產 生的能量反送到電網，達到徹底的節(jié)能效果。 四象限變頻器的工作原理 四象限變頻器的電路原理圖如圖 1所示。 圖 1 四象限變頻器的電路原理圖 2.2 工作原理 當電機工作在電動狀態(tài)的時候，整流控制單 元的 DSP產生 6路高頻的 PWM脈沖控制整流 側的 6個 IGBT的開通和關斷。 IGBT的開通 和關斷與輸入電抗器共同作用產生了與輸入 電壓相位一致的正弦電流波形，這樣
38、就消除 了二極管整流橋產生的 6K 1諧波。功率因 數(shù)高達 99%，消除了對電網的諧波污染。 此時能量從電網經由整流回路和逆變回路流 向電機，變頻器工作在第一、第三象限。輸 入電壓和輸入電流的波形如圖 2所示。 圖 2 輸入電壓和輸入電流的波形 當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產 生的能量通過逆變側的二極管回饋到直流 母線，當直流母線電壓超過一定的值，整 流側能量回饋控制部分啟動，將直流逆變 成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將 能量回饋到電網，達到節(jié)能的效果。 此時能量由電機通過逆變側、整流側流向 電網。變頻器工作在二、四象限。輸入電 抗器的主要功能是電流濾波。回饋電流和 電網電壓波形如圖
39、 3所示： 圖 3 回饋電流和電網電壓波形 三、變頻器的保護功能 1.過電流保護功能 1.1過電流的原因 （ 1）外部故障引起的過電流。如電動機堵 轉、變頻器輸出側短路等。 （ 2）運行過電流。如加速或減速時間過短 引起的過電流等。 （ 3）變頻器自身故障引起的過電流。 變頻器的保護功能 1.2變頻器對過電流的處理 變頻器將首先根據(jù)電流上升的“陡度”來 判斷是否出現(xiàn)短路或接地，如果是，則立 即跳閘；如果不是短路，而屬于運行過電 流，則首先進行自處理，在自處理不能使 電流下降的情況下，則跳閘。 自處理方法：當電流超過設定值時，變頻 器首先將工作頻率適當降低，到電流低于 設定值時，工作頻率再逐漸恢
40、復。 變頻器的保護功能 2.過載保護功能 過載保護功能是保護電動機過載的。從根 本上說，對電動機進行過載保護的目的， 是使電動機不因過熱而燒壞。因此，進行 保護的主要依據(jù)便是電動機的溫升不 應超 過其額定值。 2.1發(fā)熱保護的反時限特性 電動機的熱保護功能應該具有反時限特性。 即，電動機的運行電流越大，保護動作的 時間越短。 變頻器的保護功能 2.2溫升與頻率的關系 電動機在低頻運行時，如沒有外部強迫通 風，散熱情況將變差。 2.3變頻器中的電子熱保護功能。 電子熱保護功能主要特點有： （ 1）具有反時限特性。 （ 2）在不同的 運行頻率下有不同的保護曲 線，頻率越低，允許連續(xù)運行的時間越短。
41、 變頻器的保護功能 3.電壓保護功能 3.1過電壓的原因和保護 （ 1）電源過電壓。當電源過電壓時，可利 用變頻器的 “自動電壓調整” 功能，使輸 出的平均電壓維持恒定。但電壓太高，電 動機側電壓脈沖的幅值過高，對電動機繞 組的絕緣不利，必須跳閘，進行保護。 降速過電壓。即降速過快引起的過電壓， 變頻器將首先進行自處理，如自處理后電 壓仍偏高，則跳閘。 變頻器的保護功能 3.2欠電壓的原因及保護 發(fā)生欠電壓的原因大致有以下幾種情況： （ 1）電源電壓過低或缺相。 （ 2）變頻器的整流橋損壞。 （ 3）變頻器整流后的限流電阻未切除電路。 這是由于和限流電阻并聯(lián)的晶閘管或繼電 器發(fā)生故障所致。 對
42、于電源欠電壓，如運行頻率低于 50Hz， 變頻器可在一定范圍內通過“自動電壓調 整” 功能調整其輸出電壓。對于其他幾種 情況，變頻器必須跳閘，進行保護。 變頻器的保護功能 4.其他保護功能 4.1模塊的過熱保護 逆變模塊除是關鍵器件外還因為它累計損 耗功率較大，是主要的發(fā)熱器件，因此變 頻器內部最需要進行發(fā)熱保護的部件是逆 變模塊，變頻器內設置了溫度檢測環(huán)節(jié)， 當溫度超過一定值，變頻器將跳閘。 變頻器的保護功能 4.2軟件的自檢保護 由于變頻器軟件系統(tǒng)的運算錯誤有可能導 致十分嚴重的后果，因此變頻器對自身的 軟件具有完善的自檢系統(tǒng)，一旦軟件運算 出錯，將立即跳閘。 4.3接受外部故障信號的保護
43、。 變頻器的輸入控制端中，有 12個專門接受 外部故障信號的 端子，拖動系統(tǒng)中任何需 要保護的信號，都可以接到該端子上。變 頻器在接到外部故障信號時，將立即跳閘， 進行保護。 四、變頻器的干擾及防止 在工農業(yè)生產中，生產機械對拖動設備的 調速性能有了很高的要求， 而變頻調速以 其優(yōu)越的調速能在調速系統(tǒng)中占有很大的 比重，但變頻器在工作過程中會產生高頻 的諧波電流，這些高次諧波電流不但增加 了輸入側的無功功率、降低功率因數(shù)，而 且這些頻率較高的諧波電流將以各種方式 把能量傳播出去，形成對其它設備的干擾 信號。 1、變頻器產生干擾的原因 變頻器輸入和輸出電流中具有高次諧波成分， 是變頻器產生干擾信
44、號的根本原因。 (1)變頻器的輸入電流中的高次諧波成分除 了影響功率因數(shù)外，也可能對其它設備形成 干擾。 (2)由于絕大多數(shù)逆變橋都采用 SPWM調制 方式，其輸出電壓為占空比按正弦規(guī)律分布 的系列矩形波，而由于電機定子繞組的電感 性質，其定子電流十分接近正弦波，但其中 與載波頻率相等的諧波分量仍較大。 2、干擾信號的傳播方式 2.1電路傳導方式 (1)通過電網傳播：是變頻器輸入電流干擾 信號的主要傳播方式。 (2)通過漏電流傳播 是變頻器輸出側電流干擾信號的主要傳播 方式。 2.2感應耦合方式 當變頻器的輸入或輸出電路與其它設備的 電路挨得很近時，變頻器的高次諧波信號 將通過感應的方式耦合到
45、其它設備中去。 感應的方式有 2種 (1)電磁感應方式：是電流干擾信號的主要 傳播方式。 (2)靜電感應方式：是電壓干擾信號的主要 傳播方式。 2.3空中輻射方式 頻率很高的諧波分量具有向空中輻射電磁 波的能力，從而對其它設備形成干擾，尤 其對通信設備的干擾更為嚴重。 3、變頻調速系統(tǒng)的抗干擾措施 3.1合理布線 合理布線能夠在相當大程度上削弱干擾信號的強 度，布線時應遵循以下原則 : (1)遠離原則：干擾信號的大小與受干擾控制線 和干擾源之間距離的平方成反比 . (2)相絞原則： 2根控制線相絞，能夠有效地抑制 差模干擾信號。 (3)不平行原則：控制線如果和變頻器的輸入、 輸出線平行，則兩者
46、間的互感越大，分布電容也 越大，故電磁感應和靜電感應的干擾信號也越大， 因此，控制線在空間上，應盡量和變頻器的輸入、 輸出線交叉，最好是垂直交叉。 3.2削弱干擾源 (1)接入電抗器 變頻器在電源輸入側接人電抗器，可使輸入 電流的波形大為改善，不但能夠提高功率因 數(shù)，還可以有效地削弱輸入電流中的高次諧 波成分對其它設備的干擾。 (2)接入濾波器 濾波器主要用于抑制具有輻射能力的頻率很 高的諧波電流，串聯(lián)在變頻器的輸人輸出電 路中，濾波器主要由線圈和電容器組成。必 須注意變頻器輸出側的濾波器中，其電容器 只能接在電機側，且應串入電阻，以防止逆 變管因電容器的充、放電而受到沖擊。 (3)降低載波頻
47、率 變頻器輸出側諧波電流的輻射能力、電磁感應和 靜電感應的能力都和載波頻率有關，適當降低載 波頻率，對于抑制干擾是有利的。 3.3對線路進行屏蔽 屏蔽的主要作用是吸收和削弱高頻電磁場。屏蔽 的主要方式有： (1)主電路的屏蔽主要是吸收和削 弱干擾源向外輻射的能力。變頻器到電機之間的 連接線，應盡量穿人金屬管，金屬管應接地。 (2) 控制電路的屏蔽主要是防止外來的干擾信號竄人 控制電路?？刂齐娐返钠帘?，常用的方法是采用 屏蔽線。當控制線和變頻器相接時，屏蔽層可不 用接地，而只需將其中的一端接至變頻器的信號 公共端即可。 3.4隔離干擾信號 隔離技術主要用于把已經竄人線路的干擾信 號阻隔掉，主要的
48、方式有： (1)電源隔離：對于一些耗電量小的儀表設備， 其電源可通過隔離變壓器和電網進行隔離， 以防止入電網的干擾信號進入儀器。 (2)信號隔離：信號隔離是設法使已經竄人控 制線的干擾信號不進入儀器，隔離器件是采 用線性光電耦合管。 3 5準確接地 設備接地的主要目的是安全，但對于一些 具有高頻干擾信號的設備來說，也具有把 高頻干擾信號引入大地的功能，接地時， 應注意以下幾點： (1)接地線應盡量地粗一些，接地點應盡量 靠近變頻器。 (2)接地線應盡量遠離電源線。 (3)變頻器所用的接地線，必須和其它設備 的接地線分開；必須避免把所有設備的接 地線連接在一起后再接地。 (4)變頻器的接地端子不能和電源的“零線” 相接。 五、變頻器應用 （一）變頻器的應用范圍已越來越廣泛，有 1、在電梯上的應用 2、在水泵、風機控制方面的應用 3、在機床、起重機方面的應用 4、在機電設備中的應用（空調設備，洗衣機、 壓縮機的變頻器控制） 5、在生產線上的應用（冶金、紡織、造紙、 總線控制系統(tǒng)中的應用） 西門子系列、富士 FRENIC500-G9S,P9S系列 三墾 Vsamco-Vm05、安川 CIMR-G5A
變頻器工作原理(含變頻器保護).ppt
