變頻器工作原理

關(guān)于變頻器工作原理第一頁，共七十七頁，2022年，8月28日一、變頻器概述三相交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、運(yùn)行可靠、價(jià)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(jī)來代替直流電機(jī)，從而降低成本，提高運(yùn)行的可靠性。如果實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速，每臺電機(jī)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(jī)效率，又可獲得節(jié)能效果。第二頁，共七十七頁，2022年，8月28日異步電機(jī)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(dòng)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)展方向。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電機(jī)供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)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。第三頁，共七十七頁，2022年，8月28日隨著電力電子技術(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(dòng)功率小、開關(guān)頻率高等特點(diǎn)，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(jī)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(qiáng)了功能。以上三種技術(shù)的應(yīng)用，使電機(jī)基本能夠平穩(wěn)運(yùn)行、無噪聲、無抖動(dòng)。交流變頻調(diào)速已成為電氣調(diào)速傳動(dòng)的主流。目前變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且已擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，以及空調(diào)器、洗衣機(jī)、電冰箱等家電中。第四頁，共七十七頁，2022年，8月28日一、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(diǎn)(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(jī)。第五頁，共七十七頁，2022年，8月28日VVVF(VariationVoltageVariationFrequency)頻率可變、電壓可變。第六頁，共七十七頁，2022年，8月28日變頻器概述（二）變頻器主要功能一、軟啟動(dòng)馬達(dá)二、調(diào)頻調(diào)壓調(diào)電流三、空（輕）載時(shí)能在維持轉(zhuǎn)速的時(shí)候減少電流（節(jié)能）變頻器總體來說用在啟動(dòng)頻繁的馬達(dá)上，節(jié)能效果明顯！第七頁，共七十七頁，2022年，8月28日（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(jià)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(jìn)入了第四代，如高壓IGBT,IGCT,IEGT,SGCT、智能功率模塊IPM等。第八頁，共七十七頁，2022年，8月28日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?？刂品绞酱篌w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?，F(xiàn)在矢量控制可以實(shí)現(xiàn)與直流機(jī)電樞電流控制相媲美，直接轉(zhuǎn)矩控制直接取交流電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行控制，其方便準(zhǔn)確精度高。第九頁，共七十七頁，2022年，8月28日二、變頻器基本原理（一）變頻調(diào)速的構(gòu)成要實(shí)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(jī)組，但由于存在許多缺點(diǎn)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(jī)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)。第十頁，共七十七頁，2022年，8月28日一個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由靜止式變頻裝置、交流電動(dòng)機(jī)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)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(dòng)機(jī)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(jī)承擔(dān)。第十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日（二）變頻調(diào)速的基本要求為了充分利用鐵心材料，在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)，總是讓電動(dòng)機(jī)在額定頻率和額定電壓下工作時(shí)的氣隙磁通接近磁飽和值。因此，在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，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(huì)使鐵心過分飽和，從而導(dǎo)致勵(lì)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(shí)甚至?xí)蚶@組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。故而希望在頻率變化時(shí)仍保持磁通恒定，即實(shí)現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速，這樣，調(diào)速時(shí)才能保持電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變。第十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日第十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日（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(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。第十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(jìn)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(jìn)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。第十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日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。第十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日（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-交變頻器的比較第十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日交交變頻交交變頻電路，也稱周波變流器

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。廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)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）。第十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日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第十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(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(shí)，負(fù)載電流io為正；N組工作時(shí)，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α，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α角進(jìn)行調(diào)制，在半個(gè)周期內(nèi)讓P組α角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個(gè)值，再增加到90°，每個(gè)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(gè)周期內(nèi)，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)。第二十頁，共七十七頁，2022年，8月28日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。第二十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日交-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。第二十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日第二十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日一、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(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平衡。因?yàn)槭茈娙萘亢湍蛪旱南拗?，濾波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由兩個(gè)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(gè)阻值相等的分壓電阻RC1和RC2。

3、限流電阻RL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(shí)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(jìn)行拆線等操作）。第二十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日二、能耗電路部分

1、制動(dòng)電阻RB變頻器在頻率下降的過程中，將處于再生制動(dòng)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(xiǎn)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(dòng)單元VB由GTR或IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。其作用是為放電電流IB流經(jīng)RB提供通路。第二十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日三、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?。這是變頻器的核心部分。

2、續(xù)流二極管VD7～VD12

作用：（1）電機(jī)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(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(gè)逆變管不停地處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。在這個(gè)換相過程中，也需要VD7～VD12提供通路。第二十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日四、緩沖電路緩沖電路如圖2所示。第二十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日逆變管在導(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(gè)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(dǎo)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(dǎo)致逆變管的損壞。C01～C06的作用就是減小逆變管由導(dǎo)通到截止時(shí)過高的電壓增長率，防止逆變損壞。

2、R01～R06逆變管V1～V6由導(dǎo)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(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C01～C06的放電電流。

3、VD01～VD06

R01～R06的接入，又會(huì)影響到C01～C06在V1～V6關(guān)斷時(shí)減小電壓增長率的效果。VD01～VD06接入后，在V1～V6關(guān)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(jīng)R01～R06。

第二十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日交-直-交變頻器控制電路控制電路由運(yùn)算電路、檢測電路、控制信號的輸入/輸出電路和驅(qū)動(dòng)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(hù)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(jì)算機(jī)進(jìn)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。第二十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日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。第三十頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)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(shí)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(gè)電能變換環(huán)節(jié)——斬波器，該方法仍有諧波較大的問題。第三十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(jìn)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(shí)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。第三十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(qiáng)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第三十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日（五）PWM控制技術(shù)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(shí)時(shí)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(diǎn)。由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，因此在交流傳動(dòng)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(jī)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(shù)，在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢；優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)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(dòng)最小及其他特定優(yōu)化目標(biāo)；隨機(jī)PWM原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)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(qiáng)度大大削弱。第三十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器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(diǎn)是：(1)主電路只有一個(gè)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)頻的同時(shí)實(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，大大擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速范圍，并提高了系統(tǒng)的性能。第三十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日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。第三十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日如果把一個(gè)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(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的中點(diǎn)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(gè)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。第三十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日第三十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日

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?，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(shí)，驅(qū)動(dòng)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。第三十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日5.2異步調(diào)制和同步調(diào)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(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)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(shí)，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(shí)，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頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N=fc/fr1）異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式第四十頁，共七十七頁，2022年，8月28日5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2）

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(shí)使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud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(shí)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(gè)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(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。fr很高時(shí)，fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。第四十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制3）分段同步調(diào)制——異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)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。為防止fc在切換點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，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(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近。圖6-11分段同步調(diào)制方式舉例

第四十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法2）規(guī)則采樣法工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。第四十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日5.3規(guī)則采樣法三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波(負(fù)峰點(diǎn))重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，使計(jì)算大為減化。如圖所示確定A、B點(diǎn)，在tA和tB時(shí)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ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法第四十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日6.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號波三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(6-7)a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號波角頻率從圖6-12得,(6-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法第四十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(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d′U、d′

V和d′

W，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由式(6-6)得

由式(6-7)得利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計(jì)算(6-8)(6-9)第四十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日（六）變頻器的四種控制方式變頻器對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性參數(shù)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，進(jìn)行對電動(dòng)機(jī)提供電壓、電流、頻率進(jìn)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(jī)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(dòng)機(jī)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。第四十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日1、U/f恒定控制

U/f控制是在改變電動(dòng)機(jī)電源頻率的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)電源的電壓，使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的效率，功率因數(shù)不下降。因?yàn)槭强刂齐妷号c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(shí)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)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(dòng)機(jī)的實(shí)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(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)的實(shí)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(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

第四十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(shí)，異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。因此，控制ws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w1=wr+ws

，則w1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速wr增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調(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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制，還達(dá)不到良好的動(dòng)態(tài)性能。

第四十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日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(jī)和交流電機(jī)比較的方法闡述了這一原理。由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)和等效直流電動(dòng)機(jī)的先河。矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，It1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的控制。矢量控制方法的出現(xiàn)，使異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)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。

第五十頁，共七十七頁，2022年，8月28日4、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(jī)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(shí)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。

第五十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與

矢量控制系統(tǒng)的比較直接轉(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(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：100;

按定向時(shí)受電機(jī)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(jìn)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(dòng)，降低了調(diào)速性能，因此只適用于風(fēng)機(jī)、水泵以及牽引傳動(dòng)等對調(diào)速范圍要求不高的場合。第五十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與

矢量控制系統(tǒng)的比較特點(diǎn)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(dòng)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)?/p>

較寬第五十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日（七）四象限變頻器

普通的變頻器大都采用二極管整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)化成直流，然后采用IGBT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(dòng)機(jī)。這種變頻器只能工作在電動(dòng)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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，所以沒有辦法將電機(jī)回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)。在一些電動(dòng)機(jī)要回饋能量的應(yīng)用中，比如電梯，提升，離心機(jī)系統(tǒng)，只能在兩象限變頻器上增加電阻制動(dòng)單元。將電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，如果采用IGBT做整流橋，用高速度、高運(yùn)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，讓變頻器真正成為“綠色產(chǎn)品”。另一方面可以將電動(dòng)機(jī)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。

第五十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日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第五十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日2.2工作原理

當(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)的時(shí)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(gè)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6K±1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(shí)能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機(jī)，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。第五十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日圖2輸入電壓和輸入電流的波形第五十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候，電機(jī)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(dòng)，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(shí)能量由電機(jī)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。回饋電流和電網(wǎng)電壓波形如圖3所示：第五十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日圖3回饋電流和電網(wǎng)電壓波形第五十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日三、變頻器的保護(hù)功能1.過電流保護(hù)功能1.1過電流的原因（1）外部故障引起的過電流。如電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)、變頻器輸出側(cè)短路等。（2）運(yùn)行過電流。如加速或減速時(shí)間過短引起的過電流等。（3）變頻器自身故障引起的過電流。第六十頁，共七十七頁，2022年，8月28日變頻器的保護(hù)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(yùn)行過電流，則首先進(jìn)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(shí)，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(shí)，工作頻率再逐漸恢復(fù)。第六十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日變頻器的保護(hù)功能2.過載保護(hù)功能過載保護(hù)功能是保護(hù)電動(dòng)機(jī)過載的。從根本上說，對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)的目的，是使電動(dòng)機(jī)不因過熱而燒壞。因此，進(jìn)行保護(hù)的主要依據(jù)便是電動(dòng)機(jī)的溫升不應(yīng)超過其額定值。2.1發(fā)熱保護(hù)的反時(shí)限特性電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)功能應(yīng)該具有反時(shí)限特性。即，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流越大，保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間越短。第六十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日變頻器的保護(hù)功能2.2溫升與頻率的關(guān)系電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，如沒有外部強(qiáng)迫通風(fēng)，散熱情況將變差。2.3變頻器中的電子熱保護(hù)功能。電子熱保護(hù)功能主要特點(diǎn)有：（1）具有反時(shí)限特性。（2）在不同的運(yùn)行頻率下有不同的保護(hù)曲線，頻率越低，允許連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間越短。第六十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日變頻器的保護(hù)功能3.電壓保護(hù)功能3.1過電壓的原因和保護(hù)（1）電源過電壓。當(dāng)電源過電壓時(shí)，可利用變頻器的“自動(dòng)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(dòng)機(jī)側(cè)電壓脈沖的幅值過高，對電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣不利，必須跳閘，進(jìn)行保護(hù)。降速過電壓。即降速過快引起的過電壓，變頻器將首先進(jìn)行自處理，如自處理后電壓仍偏高，則跳閘。第六十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日變頻器的保護(hù)功能3.2欠電壓的原因及保護(hù)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(yùn)行頻率低于50Hz，變頻器可在一定范圍內(nèi)通過“自動(dòng)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(jìn)行保護(hù)。第六十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日變頻器的保護(hù)功能4.其他保護(hù)功能4.1模塊的過熱保護(hù)逆變模塊除是關(guān)鍵器件外還因?yàn)樗塾?jì)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(jìn)行發(fā)熱保護(hù)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)溫度超過一定值，變頻器將跳閘。第六十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日變頻器的保護(hù)功能4.2軟件的自檢保護(hù)由于變頻器軟件系統(tǒng)的運(yùn)算錯(cuò)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(yùn)算出錯(cuò)，將立即跳閘。4.3接受外部故障信號的保護(hù)。變頻器的輸入控制端中，有1~2個(gè)專門接受外部故障信號的端子，拖動(dòng)系統(tǒng)中任何需要保護(hù)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(shí)，將立即跳閘，進(jìn)行保護(hù)。第六十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日四、變頻器的干擾及防止在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械對拖動(dòng)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(huì)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。第六十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日1、變頻器產(chǎn)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(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SP