變頻器工作原理(1)

1、 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(yù)防措施 五、變頻器應(yīng)用 三相交流異步電機的結(jié)構(gòu)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(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。人們 希望在許多場合下能夠用可調(diào)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(diào)速，每臺 電機將節(jié)能20%以上，而且在恒轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)的種類很多，但是效率 很高、性能最好、應(yīng)用最廣的是變頻調(diào)速， 它可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)來 取代直流調(diào)速系統(tǒng)，是交流調(diào)速的 主要發(fā) 展方

2、向。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電機 供電，并構(gòu)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(nèi)無級調(diào)速。變頻器 可把固定電壓、固定頻率的交流電變換為 可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高耐壓、大功 率、具有自關(guān)斷的全控型電力電子器件，它具有 驅(qū)動功率小、開關(guān)頻率高等特點，應(yīng)用在逆變電 路中可極大提高變頻的 性能。 脈寬調(diào)制（PWM)變頻就是把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技 術(shù)推廣應(yīng)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(shù)，使變頻器減小了體積、 降低了成本、提高了效率、增強了功能。 以上三種技術(shù)的應(yīng)用，使電機基本能

3、夠平穩(wěn)運行、 無噪聲、無抖動。交流變頻調(diào)速已成為電氣調(diào)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(yīng)用，而且已擴展到了工業(yè) 生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，以及空調(diào)器、洗衣機、電冰箱 等家電中。 （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(diào)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(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相 交流電，接至電機。 VVVF(Variation Voltage Variation Frequency)頻率可變

4、、電壓可變。 （二）變頻器主要功能 一、軟啟動馬達(dá) 二、調(diào)頻調(diào)壓調(diào)電流 三、空（輕）載時能在維持轉(zhuǎn)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(dá)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(jì) 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(diào)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 格比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美。 隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊

5、化 方向繼續(xù)發(fā)展，第三代電力電子器件是20世紀(jì)90年 代制造變頻裝置的主流產(chǎn)品，中小功率的變頻調(diào)速 裝置(1-1000kw)主要采用IGBT，大功率的變頻調(diào)速 裝置(1000-10000kW)采用GTO器件。 20世紀(jì)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(diào)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方 式 閉環(huán)有轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn) 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

6、相媲美，直接轉(zhuǎn)矩控制直接取交流電 動機參數(shù)進行控制，其方便準(zhǔn)確精度高。 （一） 變頻調(diào)速的構(gòu)成 要實現(xiàn)變頻調(diào)速，必須有頻率可調(diào)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(wù)。歷史上曾出現(xiàn)過旋轉(zhuǎn)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(gòu)成 的。相對于旋轉(zhuǎn)變頻機組，被稱為靜止式 變頻裝置，是構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)的中心環(huán) 節(jié)。 一個變頻調(diào)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， 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(diào)的三相交流電。 至于控制電路，變頻調(diào)速系統(tǒng)

7、要比直流調(diào)速系統(tǒng) 和其他交流調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜得多，這是由于被控對 象感應(yīng)電動機本身的電磁關(guān)系以及變頻器的控 制均較復(fù)雜所致。因此變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制任務(wù) 大多是由微處理機承擔(dān)。 為了充分利用鐵心材料，在設(shè)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(diào)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(dǎo)致勵磁電流急劇增加， 繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低，嚴(yán)重時甚 至?xí)蚶@組過熱而損壞電動機。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(diào)速，這樣，調(diào)速時才能保持電 動機的最大轉(zhuǎn)矩不變。 m emememe （三

8、）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(diào)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(diào)的交流電， 又稱間接式變頻器。 2.按電壓的調(diào)制方式分: (1) PAM (脈幅調(diào)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(diào)制。在中小容量變頻器中，這種 方式幾近絕跡。 (2) PWM (脈寬調(diào)制) 變頻器 輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空 比來進行調(diào)制。 目前普通應(yīng)用的是占空比按正弦規(guī)律安排 的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方式。 3. 按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分（對交

9、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。 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 交交變頻電路，也稱周波變流器 u 把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率 的交流電的變流電路，屬于直接變頻 電路。 u 廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳 動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出 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

10、閘管變流電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示 . 結(jié)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(fù)載電流io為正；N組工作時，io為負(fù)； 兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)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 角進行調(diào)制，在半個周期內(nèi)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(nèi)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(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波 形就越接

11、近正弦波如圖1(b)。 o ioi0i0i0i 4.2 交-直-交變頻器 其結(jié)構(gòu)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。 一、交直變換部分一、交直變換部分 1、VD1VD6組成三相整流橋，將交流變換為直流。組成三相整流橋，將交流變換為直流。 2、濾波電容器、濾波電容器CF作用：作用： （1）濾除全波整流后的電壓紋波； （2）當(dāng)負(fù)載變化時，使直流電壓保持平衡。 因為受電容量和

12、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、限流電阻RL和開關(guān)和開關(guān)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(nèi)，電流流經(jīng)RL，限制沖擊 電流，將電容CF的充電電流限制在一定范圍內(nèi)。 SL作用：當(dāng)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、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

13、進行拆線等操 作）。 二、能耗電路部分二、能耗電路部分 1、制動電阻、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(dá)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、制動單元VB 由GTR或IGBT及其驅(qū)動電路構(gòu)成。其 作用是為放電電流IB流經(jīng)RB提供通路。 三、直交變換部分三、直交變換部分 1、逆變管、逆變管V1V6 組成逆變橋，把VD1VD6整流的直流電逆 變?yōu)榻涣麟?。這是變頻器的核心部分。 2、續(xù)流二極管、續(xù)流二極管VD7VD12

14、作用：（1）電機是感性負(fù)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VD7VD12整流后返回給直流電路； （3）V1V6逆變過程中，同一橋臂的兩個 逆變管不停地處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。在這個換相 過程中，也需要VD7VD12提供通路。 四、緩沖電路四、緩沖電路 緩沖電路如圖緩沖電路如圖2所示。所示。 逆變管在導(dǎo)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、C01C06 逆變管V1V6每次由導(dǎo)通到截止的判斷瞬間，集電 極C

15、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(dǎo)致逆變管的損壞。C01C06的作 用就是減小逆變管由導(dǎo)通到截止時過高的電壓增長率，防 止逆變損壞。 2、R01R06 逆變管V1V6由導(dǎo)通到截止的瞬間，C01C06所充 的電壓（等于UD）將V1V6放電。此放電電流的初值很 大，并且疊加在負(fù)載電流上，導(dǎo)致逆變管的損壞。R01 R06的作用就是限制逆變管在導(dǎo)通瞬間C01C06的放電 電流。 3、VD01VD06 R01R06的接入，又會影響到C01C06在V1V6 關(guān)斷時減小電壓增長率的效果。VD01VD06接入后，在 V1V6關(guān)斷過程中，使R01R06不起作用；而在V1

16、V6接通過程中，又迫使C01C06的放電電流流經(jīng)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(qū)動電路等構(gòu)成，其 主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)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(diào)壓和調(diào)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(diào)配合這種裝置結(jié)構(gòu)簡 ，控制方 便，輸出環(huán)節(jié)用由晶

17、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(wǎng)端的功率因數(shù) 較低，還將產(chǎn)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(diào)壓、變頻器變頻 采用不可摔整流器，保證變頻器的電網(wǎng)側(cè)有較高 的功率因數(shù)，在直流環(huán)節(jié)上設(shè)置直流斬波器完成 電壓調(diào)節(jié)。這種調(diào)壓方法有效地提高了變頻器電 網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，并能方便靈活地調(diào)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(diào)壓、變頻 采用不可控整流器，通過變頻器自身的電子 開關(guān)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(dá)到

18、調(diào)節(jié)輸出 電壓的目的。這種方法稱為脈寬調(diào)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(guān) 頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時問的限制。 若仍采用普通晶閘管，開關(guān)的頻率并不能有效 地提高，只有采用全控型器件，開關(guān)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(diào)制(SPWM)變頻 器。該變頻器將變頻和調(diào) 功能集于一身，主電路 不用附加其他裝置，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良。成為 當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種結(jié)構(gòu)形式。 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(wǎng)影響 大 結(jié)構(gòu)簡單

19、 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 PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。從最初采用 模擬電路完成 三角調(diào)制波和參考正弦波的比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM 信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(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(yīng)用 場合仍占主導(dǎo)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(yīng)用。 PWM控制技術(shù)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

20、技術(shù)，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(zhuǎn)矩脈動最小及其他特定優(yōu)化目標(biāo)； 隨機PWM原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限 帶白噪聲，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率 為特征的有色噪音強度大大削弱。 SPWM變頻器結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，主電路不用 附加其他裝置，已成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)； (2)使用了不可控的整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與變 頻器輸出電壓的大小無關(guān)而接近于1； (3)變頻器在調(diào)頻

21、的同時實現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流 環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)； (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(fù)載電動機可在近似 正弦波的交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈動小，大大擴 展了拖動系統(tǒng)調(diào)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(diào)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

22、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(fù)半周也可 用相同方法與一系列負(fù)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(dāng)變頻器各開關(guān)器 件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅(qū)動相應(yīng)開 關(guān)器件的信號也應(yīng)為與圖4(b)所示形狀相 似的一系列脈沖波形。 .40 5.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制 根據(jù)載波

23、和信號波是否同步及載波比的變化情況， PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制同步調(diào)制。 通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比N是變化的 在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也 不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期 的脈沖也不對稱 當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn) 生的不利影響都較小 當(dāng)fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不 對稱的影響就變大 載波比載波比載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N= fc / fr 1） 異步調(diào)制異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式 .41 5.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制 2） 同步

24、調(diào)制同步調(diào)制 載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時 使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)。 uc urUurVurW u uUN uVN O t t t t O O O uWN 2 Ud - 2 Ud 圖6-10 同步調(diào)制三相PWM波形 基本同步調(diào)制方式，fr變化 時N不變，信號波一周期內(nèi) 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(fù)半 周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。 fr很低時，fc也很低，由調(diào) 制帶來的諧波不易濾除。 fr很高時，fc會過高，使開 關(guān)器件難以承受。 .42 5.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制 3）分段同步調(diào)制分段

25、同步調(diào)制 異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。 把整個fr范圍劃分成若干個頻 段，每個頻段內(nèi)保持N恒定， 不同頻段的N不同。 在fr高的頻段采用較低的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 1020304050607080 201 147 99 69 45 33 21 圖 6-11 fr /Hz fc /kHz 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(diào)制比異步調(diào)制復(fù)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(diào)制方式，高頻輸出時切換到同步 調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，和分段

26、同步方式效 果接近。 圖圖6-11 6-11 分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制 方式舉例方式舉例 .43 5.3 規(guī)則采樣法 1）自然采樣法： 按照SPWM控制的基本原理 產(chǎn)生的PWM波的方法，其求 解復(fù)雜，難以在實時控制中 在線計算，工程應(yīng)用不多。 uc u O t ur Tc AD B Ot uo tAtDtB dd 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。 .44 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(fù)峰點)重合。 規(guī)則采樣法使兩者重合，使計 算大為減化。 如

27、圖所示確定A、B點，在tA和 tB時刻控制開關(guān)器件的通斷。 脈沖寬度d 和用自然采樣法得 到的脈沖寬度非常接近。 規(guī)則采樣法原理原理 uc u O t ur Tc AD B Ot uo tAtDtB dd d 2 d 2 d 圖6-12 規(guī)則采樣法 .45 6.2.3 規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法計算公式推導(dǎo) 正弦調(diào)制信號波tau r sin r 三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度 )sin1 ( 42 1 Dr c c ta T Tdd- (6-7) a稱為調(diào)制度調(diào)制度，0a1； r為信號波角頻率 從圖6-12得, 2/ 2 2/ sin1 c Dr T ta d )sin1 ( 2 Dr c ta

28、 T d (6-6) uc u O t ur Tc AD B Ot uo tAtDtB dd d 2 d 2 d 圖6-12 規(guī)則采樣法 .46 5.3 規(guī)則采樣法 3）三相橋逆變電路三相橋逆變電路的情況 三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120 同一三角波周期內(nèi)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(diào)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) 變頻器對電動機進行控制是根據(jù)電動機 的特性參數(shù)

29、及電動機運轉(zhuǎn)要求，進行對電 動機提供電壓、電流、頻率進行控制達(dá)到 負(fù)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(zhuǎn)差頻率 控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)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(diào)速范圍內(nèi)，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，轉(zhuǎn)速極低時，

30、電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法克服較大的靜摩 擦力，不能恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整電動機的轉(zhuǎn)矩補償和適應(yīng) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化; （2）其次是無法準(zhǔn)確的控制電 動機的實際轉(zhuǎn)速。由于恒U/f變頻器是轉(zhuǎn)速開環(huán)控 制，由異步電動機的機械特性圖可知，設(shè)定值為 定子頻率也就是理想空載轉(zhuǎn)速，而電動機的實際 轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)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(zhǔn)確控制電動機的 實際轉(zhuǎn)速。 2、轉(zhuǎn)差頻率控制 在穩(wěn)態(tài)情況下，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時，異步電 機電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。因此，控 制s就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻 率控制，使定子頻率 1 = r + s ，則 1隨實際 轉(zhuǎn)速r增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的

31、調(diào)速，保 證了較高的調(diào)速范圍。 轉(zhuǎn)差頻率控制就是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩 和電流。轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動機的轉(zhuǎn)速， 構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率， 然后以電動機速度與轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器， 利用速度反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差小。 然而要達(dá)到自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制，還達(dá)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)了交流電動機和等效直流電動機的先河

32、。 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在 三相坐標(biāo)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(biāo)系下的交流電 流Ia1、Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換， 等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、 It1(Im1相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流 ， It1相當(dāng) 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(jīng)過相 應(yīng)的坐標(biāo)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(diào)速在電動 機的調(diào)速領(lǐng)域里全方位的處于優(yōu)勢地位。但是， 矢量控制技術(shù)需要對電動機參數(shù)進行正確估算， 如何提高參數(shù)的準(zhǔn)確性是一直研究的話題。 4

33、、直接轉(zhuǎn)矩控制 1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次 提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，該技術(shù)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(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被 控量來控制。 轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于 ，轉(zhuǎn)矩控制是控制定子 磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)都采用轉(zhuǎn)矩和 磁鏈分別控制。矢量控制系統(tǒng)強調(diào)轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)子 磁鏈的解耦 ，有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈

34、調(diào)節(jié) 器；實行連續(xù)控制，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：100; 按 定向時受電機轉(zhuǎn)子參數(shù)影響，降低了適應(yīng)性。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)則直接進行轉(zhuǎn)矩砰-砰控制，避 開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換；控制定子磁鏈 ，而不是轉(zhuǎn) 子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響；不可避免地產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩脈動，降低了調(diào)速性能，因此只適用于風(fēng)機、 水泵以及牽引傳動等對調(diào)速范圍要求不高的場合。 e T 2 2 1 特點與性能直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng) 磁鏈控制 定子磁鏈 轉(zhuǎn)子磁鏈 轉(zhuǎn)矩控制砰-砰控制，脈動連續(xù)控制，平滑 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 不需要 需要 轉(zhuǎn)子參數(shù)變化 影響 無 有 調(diào)速范圍 不夠?qū)?較寬 普通的變頻器大都采用二極管整流橋?qū)⒔涣?電轉(zhuǎn)化成直流，然后采用I

35、GBT逆變技術(shù)將直流轉(zhuǎn) 化成電壓頻率皆可調(diào)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(wǎng)。在一些電動機要回饋能量 的應(yīng)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(yīng)用中，二 極管整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。 IGBT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(chǎn)生PWM控制脈沖。一方面可以調(diào)整輸入的 功率因數(shù)，消除對電網(wǎng)的諧波污染

36、，讓變頻器真正 成為“綠色產(chǎn)品”。另一方面可以將電動機回饋產(chǎn) 生的能量反送到電網(wǎng)，達(dá)到徹底的節(jié)能效果。 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(dāng)電機工作在電動狀態(tài)的時候，整流控制單 元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流 側(cè)的6個IGBT的開通和關(guān)斷。IGBT的開通 和關(guān)斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生了與輸入 電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除 了二極管整流橋產(chǎn)生的6K1諧波。功率因 數(shù)高達(dá)99%，消除了對電網(wǎng)的諧波污染。 此時能量從電網(wǎng)經(jīng)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

37、2 輸入電壓和輸入電流的波形 當(dāng)電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產(chǎn) 生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流 母線，當(dāng)直流母線電壓超過一定的值，整 流側(cè)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(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。 此時能量由電機通過逆變側(cè)、整流側(cè)流向 電網(wǎng)。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?；仞侂娏骱?電網(wǎng)電壓波形如圖3所示： 圖3 回饋電流和電網(wǎng)電壓波形 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(zhuǎn)、變頻器輸出側(cè)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

38、自身故障引起的過電流。 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(dāng)電流超過設(shè)定值時，變頻 器首先將工作頻率適當(dāng)降低，到電流低于 設(shè)定值時，工作頻率再逐漸恢復(fù)。 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(yīng)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(yīng)該具有反時限特性。 即，電

39、動機的運行電流越大，保護動作的 時間越短。 2.2溫升與頻率的關(guān)系 電動機在低頻運行時，如沒有外部強迫通 風(fēng)，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。 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(dāng)電源過電壓時，可利 用變頻器的 “自動電壓調(diào)整” 功能，使輸 出的平均電壓維持恒定。但電壓太高，電 動機側(cè)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

40、處理后電 壓仍偏高，則跳閘。 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。 對于電源欠電壓，如運行頻率低于50Hz， 變頻器可在一定范圍內(nèi)通過“自動電壓調(diào) 整” 功能調(diào)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。 4.其他保護功能 4.1模塊的過熱保護 逆變模塊除是關(guān)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(nèi)部最需要進行發(fā)熱保護的部件是逆 變模塊，變頻器內(nèi)設(shè)置了溫度檢測環(huán)節(jié)， 當(dāng)溫度

41、超過一定值，變頻器將跳閘。 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(dǎo) 致十分嚴(yán)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。 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。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機械對拖動設(shè)備的 調(diào)速性能有了很高的要求， 而變頻調(diào)速以 其優(yōu)越的調(diào)速能在調(diào)速系統(tǒng)中占有很大的 比重，但變頻器在工作過程中會產(chǎn)生高頻 的諧波電流，這些高次諧波電流不但增加 了輸入側(cè)的無功功率、降

42、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(shè)備的干擾 信號。 變頻器輸入和輸出電流中具有高次諧波成分， 是變頻器產(chǎn)生干擾信號的根本原因。 (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(shè)備形成 干擾。 (2)由于絕大多數(shù)逆變橋都采用SPWM調(diào)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(zhì)，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。 2.1電路傳導(dǎo)方式 (1)通過電網(wǎng)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(cè)電流干擾信號的主要傳播 方式。 2.2感應(yīng)耦合方式 當(dāng)變頻器的輸入或輸出電路與其它設(shè)備