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变频器简介交流变频调速技术发展概况纵观电力传动的发展过程，交、直流两种传动方式共存于各个生产领域，由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统，因此直流调速系统一直在调速领域内居首位。但由于直流电动机具有机械整流器和电刷，因而存在着维护保养工作量大、电动机安装环境受到限制和难以向大容量、高转速及高电压方向发展等缺点。随着电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能电力电子元器件产品的出现，历来阻碍交流调速技术发展的一些因素相继被克服，原直流调速系统领先的一些技术性能,如宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应和四象限运行等方面，交流调速系统都能与直流调速系统相媲美。另外，由于交流电动机本身具有结构简单、坚固耐用、运行可靠和惯性小等优点，还适用于直流调速无法比拟的场合，因此，交流调速在电气传动领域中越来越占有重要的地位，它已成为机电一体化的电气传动技术。一、变频调速器的分类 可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器；交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，目前广泛采用交-直-交变频器。二、变频调速的原理和实现算法变压变频的基本原理根据电机学原理，异步电动机的转速为：n60 f（1s）/ p，在改变供电电源频率时，电机的同步转速也相应的改变。当电机在负载条件下运行时，电机转速低于电机的同步转速，两者的差值就是转差，转差的大小与电机的负载有关。电机定子每相感应电动势的有效值为： Es=4.44fsNksmEs为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值；fs为定子频率 ；N为定子每相绕组串联匝数；Ks为基波绕组系数；m为每极气隙磁通。由异步电机T型等效电路图7-1可知异步电机端电压与感应电动势的关系式为： U1=E1+I1R1 其中，R1，I1分别为定子绕组阻抗及其流过的电流。在电机控制过程中，使每级磁通中m保持为额定值不变是关键的一环。磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；若增大磁通，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。在交流异步电机中，磁通m是定子和转子磁动势合成产生的，因此由式Es=4.44fsNksm 可知，只要同时协调控制Es和fs，就可以达到控制m并使之恒定的目的。对此，需要考虑额定频率以下和额定频率以上两种情况。异步电机T型等效电路图7-1：1.额定频率以下的调速，要保持m不变，当频率fs从额定值介向下调节时，必须同时降低Es，使：m=常数 即采用恒电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当定子频率fs较高时感应电动势的值也增大，因此可以忽略定子阻抗压降，认为定子相电压Us= Es则得：m=K Us/fs=常数，这就是恒压频比(V/F)的控制方式。低频时, Es和Us都较小，定子阻抗压降所占的比率就比较显著，不能再忽略，这时可以人为的对定子阻抗压降进行补偿，适当的提高逆变器的输出电压。2.额定频率以上的调速： 在额定频率以上调速时，频率可以从额定值fsn往上提高，但是端电压Us不能继续上升，只能维持在额定值Usn，这将迫使磁通与频率成反比的下降，相当于直流电机的弱磁升速的情况。在整个电机调速范围内，异步电机的控制特性如图7-2所示。如果电机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许的条件下长期运行。这时电机转矩基本上随磁通变化，因此在额定频率以下为恒转矩调速，在额定频率以上为恒功率调速。 图7-2 异步电机变频调速控制特性三、变频调速系统的硬件实现系统整体结构: 变频调速系统的总体方框图如图7-3所示。主要由整流器、滤波环节、逆变器、检测环节和控制回路组成。系统主电路采用交-直-交电压型变频器结构，采用SPWM变频技术。四、变频器的主电路变频器是将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电器设备，用以驱动交流异步(同步)电动机进行变频调速，不但能满足不同生产工艺需要，而且节能效果显著。图7-3 变频调速的总图处理模块1. 变频调速原理过去传统的调速方式是晶闸管直流电动机传动系统，但直流电动机本身存在一些固有的缺点：直流电动机造价高、维护量大；受使用环境制约条件多；最高速度和容量都有一定限制等。近年来交流调速系统得到了迅速发展。而交流调速系统具有结构简单、成本低廉、节能、高精度和响应快速等突出优点。异步电动机其转速为： 从上式可以看出，改变极对数p、转差率s和调节电源频率f都可以调速。对于同步电动机，运行中改变极对数p会引起失步，对于异步电动机，改变极对数p是有级调速，改变转差率s大部分是耗能调速，唯有改变频率调速是交流电动机较为理想的调速方式。但是只改变频率并不能使电动机得到经济可靠的运行，原因是异步电动机是铁磁结构。对于任何铁磁结构的设备，只有使它的磁通保持为额定磁通，才可使铁磁材料得到充分利用。对于异步电动机，有如下的关系式： UE =4.44fNKW 式中， U 定子电压； E 定子电动势；f 定子频率； N 定子每相绕组的匝数； KW 绕组系数； 每极气隙磁通。在变频调速时，为了得到所需的电磁转矩，使电动机的铁磁材料得到充分利用，则应尽可能地使气隙磁通恒定为额定磁通。由 UE =4.44fNKW 式可知，为保持气隙磁通近似不变，在调节定子频率f时则必须同时改变定子电压U，即U/f =常数。为此，用于交流电动机变频调速的变频器实际上都是变压变频器，即VVVF。由于电机的电压不能超过额定电压，因此，在基频以上调频时，电压U只能保持在额定电压，当电压U一定时，电机的气隙磁通随着频率f的升高成比例下降，类似直流电机的弱磁调速，因此，基频以上的调速属恒功率调速。2.变频器的主电路结构及工作原理变频器的主电路是从整流到逆变的整个功率电路，如图7-4所示。工频电源经整流及逆变后输出，主要针对整流及逆变回路及工作原理说明如下。 图7-4变频器的主电路（1）整流部分电路分析目前应用最为广泛的三相桥式全控整流电路，其原理图如图7-4所示，将其中阴极连接在一起的3个二极管(VD1、VD2、VD3)称为共阴极组；阳极连接在一起的3个二极管(VD4、VD5、VD6)称为共阳极组。对共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流电压值最低(或者说负得最多)的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图7-5所示。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组二极管导通时，整流输出电压Ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压Ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压Ud=Ud1-Ud2，是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的二极管对应的是最大(正得最多)的相电压，而共阳极组中处于通态的二极管对应的是最小(负得最多)的相电压，输出整流电压Ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周期的包络线。由下图7-5知,第阶段，a相电位最高，共阴极组VD3得到导通，b相电位最低，共阳极组VD5导通。电流流通路径为aVD3VD5-b,负载上的电压UdUa-Ub=Uab，变压器在a、b两相工作，共阴极组a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。第阶段，a相电位仍为最高，VD3继续导通，但c相电位最低，VD4导通，电流从b相换至c相。VD5因承受反向电压而关断。这时电流流通路径为：aVD3VD5-c, 负载上的电压Ud=Ua-Uc=Uac第阶段，b相电位最高，VD2导通，则共阴极组换相至VD2，电流从a相换至b相，VD3因为承受反向电压而关断，VD4因为c相电位仍为最低，而继续导通，电流流通路径为：bVD2VD4-c,负载上电压Ud=Ub-Uc=Ubc。以下、段依次类推,以后重复上述过程。图7-5 电容滤波的三相桥式可控整流电路的波形（2）逆变电路由VT1VT6组成三相逆变桥，逆变器件是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。三相逆变桥由计算机控制将直流电逆变为三相SPWM波，驱动电动机工作。VD7VDl2为6只续流二极管。续流二极管的功能如下：1.由于电动机是感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要VD7VD12提供通路。2.降速时电动机处于再生制动状态，VD7VD12为再生电流提供返回直流的通路。3.逆变时VT7VT12快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替工作在导通和截止状态，在切换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。逆变电路的基本工作方式：导电方式每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。三相桥式逆变电路中各开关元件每隔60导通一个，导通180后关断，各元件导通顺序为VT7VT10VT9VT12VT11VT8。一个周期中逆变器输出线电压为矩形波，相电压为六阶梯波的交流电。改变元件导通与关断的频率，就能改变输出交流电频率，改变直流侧电压，就能调节交流输出电压幅值。在上述180导电方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。这一“先断后通”的方法对于工作在上下桥臂通断互补方式下的其他电路也是适用的。 图7-6 VD7-VD12出发控制信号的波形（3）制动电阻和制动单元当变频器停止了输出，但由于电动机的惯性，都使电动机继续转动，此时电动机变为发电机向变频器回馈能量，回馈电流通过VD7VDl2这6只续流二极管给电容C1、C2充电，这时电容上电压在工频整流电压的基础上上升。此时如果不设法将电容上多余的电压释放，电容就会因过载而损坏，电动机也因发出的电能得不到消耗而不能制动。图7-4中的VT7和电阻R5组成制动回路，R5称为制动电阻，由于电阻发热和体积大，安装在变频器外部；VT7为控制器件，当电容两端电压升高到一定程度，由检测电路给出控制信号驱动VT7导通，电容通过制动电阻R5和VT7放电，电流通过R5将电能转换成热能。由于电动机发出的电能得到了消耗，电动机得到了制动力矩而使转动立刻停止。在小功率变频器中VT7都为内置，在大功率变频器中特别是要求制动功率较大时，VT7则作为一个外选件安装在变频器外部，称为制动单元。