交流變頻調(diào)速2

1、交流變頻調(diào)速 應用技術（2） 變頻基礎理論之一主講：李秋英第第2講講 變頻器與變頻技術概論變頻器與變頻技術概論 2.1 什么是變頻器？ 2.2 變頻器的基本構成與功能 2.3 變頻器的技術發(fā)展史 2.4 變頻器的基本類型 2.5 電力電子和微處理器的進步是變頻器發(fā)展的動力什么是變頻器？ 1.1.1 直流和交流 1、電源電壓/電流的分類： 眾所周知，電源電壓/電流分為直流和交流兩大類。 2、電源電壓/電流的特點： 直流電的特點：電壓恒定且極性不變化。如：干電池、蓄電池和太陽能電池等。 交流電的特點：電壓的極性周期性地變化。如：工頻電源。 代表交流電源的商用電源有：單相交流和三相交流，主要由發(fā)電機

2、（汽輪機或水輪機拖動）產(chǎn)生。什么是變頻器？ 1.1.2 整流和逆變 1、概述 一般的工廠電氣設備和家用電器，其能源大多采用交流電源，但在這些設備的控制部分，也要使用到直流電。至于象電視機、錄音機、計算機等電子設備，它們的主要元器件，如：IC電路、晶體管等，必須使用直流電供電。此外，工業(yè)上的電解池、電鍍用電特別大，是直流供電的大戶。 2、整流和整流器 整流：將交流電變成直流電，稱之為整流。 整流器：實現(xiàn)整流的裝置，稱之為整流器。如：電解池、電鍍廠 必須配備的的整流裝置等。一般情況下，用二極管即可實現(xiàn)整流，二極管是半導體元件中的一種，其特點是只能讓一個方向的電流通過，故稱二極管為整流元件。1.1.

3、2 整流和逆變 3、逆變和逆變器 把直流變?yōu)榻涣鞯淖儞Q，稱為逆變。 用于逆變的裝置，稱之為逆變器。 逆變器是變頻器的核心部件。什么是變頻器？ 二極管為整流元件，由它可以組成各種整流電路，其中最常用的整流電路是“單向橋式整流電路”。EVR 二極管單向?qū)ㄊ疽鈭D什么是變頻器？ 3、逆變和逆變器 逆變：把直流變?yōu)榻涣麟姷淖儞Q，稱之為逆變。 逆變器：用于逆變的裝置，稱之為逆變器。 逆變器是變頻器的核心部件。構成逆變 器的關鍵元件是半導體開關器件。 目前，變頻器中用作逆變的電力半導體器件主要 有：晶閘管（SCR）、門極可關斷晶閘管（GTO）、 電力晶體管（GTR）、功率場效應管（功率MOSFET） 絕緣

4、柵雙極晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM） 等。GTO的控制原理 1.1.3 GTO作為開關器件構成的逆變器 電路及工作原理VS4VS2EReLVS1VS3GTO作為開關器件構成的逆變器電路圖GTO的控制原理 GTO元件是一三端子的半導體整流元件，其陽極為A，陰極為K，控制極為G。從控制極流入正方向電流，則GTO為通態(tài)（ON）；而當加入反方向電流，則GTO為斷態(tài)（OFF）。由于GTO的電流只能從A到K單方向流過，若要滿足變交流的開關功能，則須增加用二極管反并聯(lián)的續(xù)流電路。 GTO元件是一種半導體開關，ON、OFF的開關速度和壽命均比機械開關優(yōu)越得多。此外，由于制造技術的進步，大容量的價格

5、比較低的半導體器件層出不窮，促進了逆變器在各個領域廣泛地得到應用。變頻器的基本構成與功能 1、變頻器的基本結構、變頻器的基本結構 變頻器由整流、濾波、逆變及控制回路等部分組成。交流電源經(jīng)整流、濾波后變成直流電源，控制回路有規(guī)則地控制逆變器的導通與截止，使之向異步電動機輸出電壓和頻率可調(diào)的電源，驅(qū)動電動機運行，整個系統(tǒng)是開環(huán)的。整 流 器儲能元件逆 變 器M3交流電源變頻器電壓、電流、頻率率變頻器的結構方框圖 對于速度、精度和響應快速性要求較高的系統(tǒng)，采用上述的開環(huán)系統(tǒng)還不夠，還需要由變頻器主回路及電機側檢測反饋信號，經(jīng)運算回路綜合后以控制觸發(fā)回路，此時的系統(tǒng)是閉環(huán)的。整體方框圖如圖4所示。 交

6、流電源整流 器儲能元件逆變 器M3電壓、電流、頻率率控制回路變頻器的指令與控制變頻器的指令與控制 以PWM變頻調(diào)速為例，畫出變頻器的指令與控制方框圖如下： 速度檢測器 主 回 路M3P W M生成及驅(qū)動 電壓/電流檢 測 回 路 轉速檢測回路 運算回路 保護回路 控制回路A 控制回路B控制指令U1、I1、f1電源 運行指令控制回路變頻器的基本構成與功能（一）主回路：（一）主回路： 給異步電動機提供調(diào)頻調(diào)壓電源的電力變換部分稱為主電路。圖示主電路由三個部分組成：將工頻電源變換為直流電源的 “整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈動的“濾波回路”,也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的“

7、逆變器”。另外：異步電動機需要制動時，有時要附加“制動單元”。 變頻器的基本構成與功能（二）控制回路： 控制回路向變頻器主回路提供各種控制信號?？?制回路由以下幾部分組成： 決定U/F特性的頻率電壓“運算回路”； 主回路的“電壓/電流檢測回路”； 電動機的“轉速檢測回路”； 根據(jù)運算回路的結果生成相應的PWM脈沖并進行隔 離和放大的“PWM生成及驅(qū)動回路”； 變頻器和電動機的“保護回路”。變頻器的基本構成與功能（三）保護回路 ： 變頻器控制回路中的保護回路，可分為變頻器保護和異步電動機保護兩種。 1、變頻器保護有：瞬時過電流保護、過載保護、再生過電壓保護、瞬時停電保護、對地過電流保護、冷卻風機

8、異常。 2、異步電動機的保護有：過載保護、超載（超速）保護；其他保護有：過電流失速保護、再生過電壓失速保護等。 變頻器的技術發(fā)展簡史 從八十年代第一臺變頻器問世，至今20年來，隨著電力電子器件的更新?lián)Q代，實現(xiàn)異步電動機調(diào)速的變頻器，在性能和品種上出現(xiàn)了巨大的技術進步。大體表現(xiàn)在以下方面： 所用的電力電子器件GTR已基本上為絕緣柵雙極晶體管IGBT所代替，進而廣泛采用性能更為完善的智能功率模塊IPM，使得變頻器的容量和電壓等級不斷地擴大和提高； 8位微處理器基本上為16位微處理器所代替，進而采用功能更強的32位微處理器或雙CPU，使得變頻器的功能從單一的變頻調(diào)速功能發(fā)展為含有邏輯和智能控制的綜合

9、功能； 在改善壓頻比U/f控制特性的同時，推出能實現(xiàn)矢量控制和轉矩直接控制的變頻器，使得變頻器不僅能實現(xiàn)寬調(diào)速，還可進行伺服控制。變頻器的技術發(fā)展簡史 2.2.1 電力電子器件更新 逆變器從采用晶體管半控器件（VS）到采用晶體管GTR全控器件，其輸出波形從交流方波發(fā)展為脈寬調(diào)制PWM波形，大大減小了諧分量，拖寬了異步電動機變頻調(diào)速范圍和減小了轉矩的脈動幅度。然而，GTR工作頻率一般在2kHZ以下，載波頻率和最小脈寬都受到限制，難以得到較為理想的正脈寬調(diào)制波形，使異步電動機在變頻調(diào)速時產(chǎn)生刺耳的噪聲，不受用戶的歡迎。 IGBT的工作頻率可達1020kHZ之間，與GTR相比，不僅工作頻率高出一個數(shù)

10、量級，而且在電壓和電流指標（如：電流浪涌耐量、電壓阻斷峰值、導通電流密度、門極驅(qū)動功耗率等各項指標）均已超出GTR。由于逆變器載波頻率的提高以及可以構成特定的PWM波形，異步電動機變頻器的諧波澡聲大為降低。在新一代的變頻器中，逆變器件基本已被IGBT取代。采用IGBT的低壓變頻器的最大容量在380V級可達540kVA，而600V級的可達700kVA，能對485kW電動機進行變頻調(diào)速，最高輸出頻率達400600HZ，能對中頻電機進行調(diào)頻控制。利用IGBT組合構成的高壓（3 kV/6.3kV）變頻器也已有系列產(chǎn)品 ，最大容量可達7460 kW 。其特點是：效率高、諧波小。2.2.1 電力電子器件更

11、新 智能功率模塊IPM：是以IGBT為開關器件，同時含有驅(qū)動電路和保護電路，是一種功率集成器件（PIC）。IPM的保護功能有過流、短路、欠壓、過壓和過熱等，還可以實現(xiàn)再生制動。由IPM組成的逆變器只需對橋臂上的各個IGBT管提供隔離的PWM信號即可。簡單的外部電路和控制電路的集成比，使變頻器體積大為減小。其次，由于功率開關器件的故障檢測和保護電路最接近故障點，故可以抑制故障擴大，保證裝置可靠運行。變頻器的技術發(fā)展簡史2.2.2 控制策略的發(fā)展 第一代變頻器采用的是壓頻比標量控制方式。 第二代變頻器的主要特征是采用矢量控制方式。 與矢量控制方式并行發(fā)展的還有直接轉矩控制方式。2.2.2 控制策略

12、的發(fā)展第一代變頻器采用的是壓頻比標量控制方式 它是根據(jù)異步電動機等效電路確定的線性U/f比進行變頻調(diào)速。電壓是指基波的有效值，改變U/f只能調(diào)節(jié)電動機的穩(wěn)態(tài)磁通和轉矩，談不上動態(tài)控制。為提高低頻時電動機產(chǎn)生的轉矩，通常采用提升電壓以及隨負載變化補償定子繞組電壓降的辦法，可以拓寬變頻調(diào)速范圍至 20 ：1左右。2.2.2 控制策略的發(fā)展第二代變頻器的主要特征是采用矢量控制方式 它參照直流電動機的控制方式，將異步電動機的定子電流空間矢量分解為轉子勵磁分量和轉矩分量。首先是要控制勵磁，所以把矢量控制又稱為磁場定向控制。至于轉矩的控制，則是間接的。 矢量控制的主要缺點是：需要復雜的坐標變換運算以及需檢

13、測轉速信號。因此，進一步提出無轉速傳感器矢量控制的方案，它根據(jù)異步電動機實際運行的相電壓和相電流以及定轉子繞組參數(shù)推算出轉速觀測值，進而計算出轉子磁鏈和轉矩電流的觀測值，以實現(xiàn)磁場定向的矢量控制。由于轉速觀測值的精度受到所用計算參數(shù)與電機實際運行參數(shù)之間偏差大小的影響，所以無轉速傳感器矢量控制的調(diào)速精度和調(diào)速范圍，均低于帶速度編碼器的矢量控制方案。一般前者的調(diào)速精度為1，輸出額定轉矩時的最低頻率只能達到1kHZ左右，而后者的調(diào)速精度為0.01,最低頻率為0.1HZ。然而，由于無需安裝速度編碼器，使用方便，無速度傳感器矢量控制變頻器仍受到用戶的歡迎。2.2.2 控制策略的發(fā)展與矢量控制并行發(fā)展的

14、還有直接轉矩控制方式 它是以異步電動機的轉矩作為被控量，強調(diào)轉矩的直接控制效果，并不刻意追求輸出電流為正弦波形。異步電動機的直接轉矩控制是直接在定子坐標上計算磁鏈的幅值和轉矩的大小，對其進行直接跟蹤調(diào)節(jié)，以獲得迅速的動態(tài)響應，其響應速度可小到12ms。從轉矩調(diào)控來看，磁鏈有點誤差，并不會對轉矩控制性能產(chǎn)生重大影響。這種控制方式的優(yōu)點是對電動機參數(shù)變化不敏感。2.2.3 功能綜合化 新一代的變頻器由于有功能很強的微處理器支持，除完成 電動機變頻調(diào)速的基本功能外，還具有內(nèi)置的可編程、參數(shù)辯識及通信等功能。如： 自動加減速； 電動機參數(shù)辯識 程序運行； 通信和反饋功能。 節(jié)電運行；2.3 變頻器的基

15、本類型 變頻起的種類很多，可根據(jù)不同的分類方法對其進行分類及簡單介紹： 2.3.1 按變換頻率的方法分 2.3.2 按主電路的工作方式分 2.3.3. 按變頻器調(diào)壓方法的不同分 2.3.4 按變頻器的工作原理分 2.3.5 按照變頻器的用途分2.3.1 按變換頻率的方法分 2.3.1.1 交直交變頻器 交直交變頻器又稱間接變頻器。它是先將工頻交流電 通過整流器變換成直流電，再經(jīng)過逆變器將直流電變成可控頻 率的交流電。因此又稱為中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置，或稱之為 交直交變壓變頻裝置。 2.3.1.2 交交變頻器 交交變頻器又稱直接變頻器/裝置。它只有一個變換環(huán)節(jié) 就可以把恒壓恒頻的CVCF交流電變

16、換成變壓變頻的VVVF交流 電源。因此稱之為直接變頻器，或稱交交變頻器。 常用的交交變頻器，輸出的每一相都是一個兩組晶閘管 整流裝置反向并聯(lián)的可逆線路。正反兩組按一定的周期相互切換 在負載上就能得到交變的輸出電壓uO,輸出電壓uO的幅值取決于各 組整流裝置的控制角 ，輸出電壓uO的頻率取決于兩組整流裝置 的切換頻率。2.3.2 按主電路的工作方式分 2.3.2.1 電壓型變頻器 在電壓型變頻器中，整流電路產(chǎn)生逆變所需的直流電壓，通過中間環(huán)節(jié)的電容進行濾波后輸出。由于采用大電容濾波，故輸出的電壓波形比較平直，在理想情況下可看成一個內(nèi)阻為零的電壓源。輸出電壓是矩形波或階梯波。 電壓型變頻器多用于不

17、要求正反轉或快速加減速的通用型 變頻器中。 2.3.2.2 電流型變頻器 當交直交變頻器的中間環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而當電源內(nèi)阻很大時，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波。這類變頻器稱之為電流型變頻器。 在電流型變頻器中，電動機定子電壓的控制是通過檢測電壓后，對電流進行控制的方式來實現(xiàn)的。電流型變頻器的最大優(yōu)點是可以進行四象限運行，能將能量回饋給電源，且在出現(xiàn)負載短路等情況時容易處理，故該方式適用于頻率可逆運轉的變頻器和大容量變頻器。2.3.3. 按調(diào)壓方法的不同分 2.3.3.1 PAM 變頻器 PAM （Pulse Amplitude Modulat

18、ion )方式是一種改變電壓源 的電壓Ud或電流源的電流Id的幅值進行輸出控制的方式。故，在逆變器部分只控制頻率，整流部分則控制輸出電壓或電流。 2.3.3.2 PWM/ SPWM變頻器 PWM（Pulse Width Modulation ) 方式是在變頻器輸出波形 的一個周期中產(chǎn)生多個脈沖，其等值電壓為正弦波，波形平滑 且諧波少。 SPWM逆變器的調(diào)壓原理：是將三角波（載波）與正弦波（信號波/調(diào)制波）進行比較，通過運算和邏輯控制就可以得到 相應于信號波幅值的脈寬調(diào)制輸出波形，它與正弦波等效。 適用的逆變元件 晶閘管逆變元件，其換流時間需數(shù)百微秒，故開關頻率低，難以實現(xiàn)PWM控制，通常采用P

19、AM方式。 能自關斷的逆變元件IGBT、GTO等構成的逆變器，因其開關頻率高，一般采用PWM方式。其整流部分用二極管橋式整流即可，簡化了一個功率級可控環(huán)節(jié)。2.3.4 按變頻器的工作原理分 2.3.4.1 U/f 控制變頻器 U/f 控制，又稱VVVF控制，是一種比較簡單的控制方式。它的基本特點是對變頻器輸出的電壓和頻率同時進行控制，通 過保持U/f 恒定使電動機獲得所需的轉矩特性。 這種方式的控制電路成本低，多用于精度要求不太高的通 用變頻器。 2.3.4.2 SF控制變頻器 SF即轉差頻率控制。它是在VVVF控制基礎上的一種改進方式，在這種控制方式的變頻器中，變頻器通過電動機、速度傳感器構

20、成速度反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。變頻器的輸出頻率由電動機的實際轉速與轉差頻率之和來自動設定，從而達到在調(diào)速控制的同時也使輸出轉矩得到控制。該方式是閉環(huán)的，故與VVVF控制相比，調(diào)速精度和轉矩動特性較優(yōu)。但是由于這種控制方式需要在電動機軸上安裝速度傳感器，并需依據(jù)電動機特性調(diào)節(jié)轉差，故通用性較差。2.3.4.3 VC控制變頻器 VC即矢量控制，是20世紀70年代由德國Blaschke首先提出來的， 對交流電動機的一種新的控制思想和控制技術，也是異步電動機 的一種理想調(diào)速方法。矢量控制的基本思想是將異步電動機的定 子電流分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和與其相垂直的產(chǎn)生轉矩的電流分量（轉矩電流），并分別加以控制。即控制定子電流矢量，所以這種控制方式被稱為矢量控制（Vectory Control). 矢量控制方式使異步電動機的高性能控制成為可能。矢量控制變頻器不僅在調(diào)速范圍上可以與直流電動機相匹敵，而且