《变频器原理与应用》课件-第3章.ppt

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1、变频器原理与应用变频器原理与应用 第第3章章 变频技术变频技术教学重点教学重点 交交直直交变频技术。交变频技术。SPWM控制技术。控制技术。教学难点教学难点 SPWM控制技术。控制技术。在交流电动机的变频调速控制中，为了保持额定磁通基本不变，在调节定子频率时必须同时改变定子的电压。因此，必须配备变压变频装置。这种静止式的变压变频装置统称为变频器，它的核心部分就是变频电路。交直交变频器是先把恒压恒频的交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变交流电的间接型变频电路，它已被广泛地应用在交流电动机的变频调速中。3.1 交交直

2、直交变频技术交变频技术3.1.1 交交直直交变频技术的原理交变频技术的原理 交直交变频电路结构框图如图3-1所示。图3-1 交直交变频电路结构框图 按照不同的控制方式，交直交变频电路可分成可控整流器调压、逆变器调频，不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频，不可控整流器整流、PWM（脉宽调制）逆变器调频三种控制方式如图3-2所示。图3-2 交直交变频器的三种控制方式 根据中间直流环节采用滤波器的不同，变频电路又分为电压型变频电路和电流型变频电路，如图3-3所示。其中，Ud为整流器的输出电压平均值。图3-3 变频电路原理图3.1.2 电压型变频技术电压型变频技术 1.电压型逆变电路的主要特点电压

3、型逆变电路的主要特点 电压型逆变电路的主要特点有：（1）直流侧并联有大电容，相当于直流电压源，内阻很小，直流电压波形比较平直，基本无脉动。（2）由于直流电压源的钳位作用，逆变器的交流输出电压被钳位为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的变化而变化，其波形接近三角波或正弦波。（3）当交流侧为电电感性负载时需要提供无功功率，直流侧电容是缓冲负载无功能量的储能元件。为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，各臂都并联了续流二极管。（4）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故传送功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。2.电压型逆变电路的基本电路电压型逆变

4、电路的基本电路 交直交电压型变频电路不仅被广泛地应用于电力拖动调速系统中，而且也被普遍用于高精度稳频稳压电源和不间断电源。最简单的电压型变频器由可控整流电路和电压型逆变电路组成，用可控整流电路调压，逆变电路调频，如图3-4所示。图3-4 三相电压型变频器的基本电路 在三相电压型逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用功率晶体管作为可控元件的电压型三相桥式逆变电路如图3-5所示。图3-5 三相电压型桥式逆变电路 当负载电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流人直流中间电路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。从图3-4中可以看出

5、，由于整流电路输出的电压和电流极性都不能改变，因此功率只能从交流电网输送到直流中间电路，进而再向交流电动机传输功率，反之则不行。图3-6 带泵升电压限制电路的变频电路 如图3-7所示为可再生制动的变频电路，此时，Ud的极性仍然不变，但Id可以借助于反并联三相桥(工作在有源逆变状态)改变方向使再生电能反馈到交流电网。图3-7 可再生制动的变频电路 3.电压型逆变电路输出电压的调节 调节电压型逆变电路输出电压的方式有三种，即调节直流侧电压、移相调压和脉宽调制调压。1）调节直流侧电压 （1）采用可控整流器整流，通过对触发脉冲的相位控制直接得到可调直流电压，见图3-2（a）。（2）采用二极管整流桥不可

6、控整流，在直流环节增加斩波器，以实现调压，见图3-2（b）。图3-8 单相桥式逆变电路及其波形 3）脉宽调制调压 脉宽调制控制方式是把逆变电路输出波形半个周期内的脉冲分割成多个，通过对每个脉冲的宽度进行控制，来控制输出电压并改善波形。脉宽调制是一种非常重要的控制方式，获得了广泛的应用。3.1.3 电流型变频技术电流型变频技术 1.电流型逆变电路的主要特点 电流型逆变电路的主要特点有：（1）直流侧串联大电感滤波，由于电感的限流作用，直流电流波形平直基本无脉动，相当于电流源，直流回路呈现高阻抗。（2）因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而输出的交流

7、电压波形和相位因负载的变化而变化，其波形常接近正弦波。（3）直流侧电感是缓冲负载无功能量的储能元件，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。（4）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，由于直流电流无脉动，故传送功率的脉动是由直流电压的脉动来体现的。（5）当用于交直交变频电路且负载为电动机时，若交-直变换为可控整流，可方便地实现再生回馈制动，不需要另加一套逆变电路。2.电流型逆变电路的基本电路电流型逆变电路的基本电路 三相电流型逆变电路的基本电路如图3-9所示。图3-9 三相电流型逆变电路的基本电路 常见的电流型逆变电路主要有单相桥式和三相桥式逆变电路。如图3-10所示为电流型单相桥式

8、逆变电路的一个例子。图3-10 电流型单相桥式逆变电路及其波形 交直交电流型变频电路如图3-11所示，负载为三相异步电动机。图3-11 交直交电流型变频电路 3.交交直直交电流型变频电路与电压型变频电路交电流型变频电路与电压型变频电路的性能比较的性能比较 从主电路上看，电流型变频电路和电压型变频电路的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同，却造成两类变频电路在性能上存在较大地差别。1）无功能量的缓冲 对于变频调速系统来说，变频电路的负载是异步电动机，属电感性负载，在中间直流环节与电动机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。逆变器中的电力电子开关器件无法储能，无功能量只能靠直流环节中

9、作为滤波器的储能元件来缓冲，使它不致影响到交流电网。因此，也可以说两种变频电路的主要区别在于用什么储能元件(电容器或电抗器)来缓冲无功能量。2）回馈制动 根据对交直交电压型与电流型变频电路的分析可知，用电流型变频电路给异步电动机供电的变频调速系统，最显著的特点是容易实现回馈制动，从而便于四象限运行，适用于需要制动和经常正/反转的机械，如图3-12所示。图3-12 电流型变频调速系统的两种运行状态 3）适用范围 电压型变频电路属于恒压源，电压控制响应慢，所以适用于作为多台电动机同步运行时的供电电源但不要求电动机快速加减速的场合。电流型变频电路则相反，由于滤波电感的作用，系统对负载变化的反应迟缓，

10、不适用于多电动机传动，而更适用于一台变频器给一台电动机供电的单电动机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。3.1.4 脉宽调制型变频技术脉宽调制型变频技术 脉宽调制型变频简称PWM调频，其设计思想来源于通信技术中的载波调制技术，基本原理是通过控制变频电路中开关元件的导通、关断时间比来控制交流电压的大小和频率。在异步电动机恒转矩变频调速系统中，在变频电路输出频率变化时，必须同时调节其输出电压。为了补偿电网电压和负载变化所引起的输出电压波动，在变频电路输出频率不变的情况下，也应适当调节其输出电压，具体实现调压和调频的方法有很多种，但一般从变频电路的输出电压和频率的控制方法分为脉幅调制和脉宽调

11、制。脉幅调制(Pulse Amplitude Modulation，简称PAM)是一种通过改变直流电压的幅值进行输出电压调节的方式。在变频电路中，逆变电路部分只负责调频，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压Ud去实现。采用相控整流器调压时，功率因数随调节深度的增加而变低。而采用直流斩波器调压时，功率因数在不考虑谐波影响时可以接近1。脉宽调制(Pluse Width Modulation，简称PWM)型变频，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制频率来控制其输出频率。脉宽调制的方法很多，按调制脉冲的极性可分为单极性调制和双极性调制两种；按载频信号与参考信号频率之间的关

12、系可分为同步调制和异步调制两种。如图3-13所示为PWM变频电路的主电路。由图可知，PWM变频电路中，整流器采用不可控的二极管整流电路，可使电网侧的功率因数大大改善。图3-13 PWM变频电路的主电路3.1.5 谐振型变频技术谐振型变频技术 1.直流环节谐振型逆变电路的基本原理直流环节谐振型逆变电路的基本原理 通过在原来的开关电路中增加很小的电感Lr、电容Cr等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关管关断或开通前其电流或电压为零，零电流关断或零电压开通。三相谐振直流环节逆变电路的原理电路如图3-14所示。图3-14 三相谐振直流环节逆变电路原理图 将图3-14电路中的每

13、一个谐振周期中对应的电路加以简化，可得到如图3-15所示的一个谐振周期对应的等效电路。图3-15 一个谐振周期对应的等效电路 2.直流环节谐振型逆变电路举例直流环节谐振型逆变电路举例 如图3-16所示为具有并联谐振电路的直流环节逆变电路，其等效电路如图3-17所示。如图3-18所示为一个工作周期中电容电压ucl、uc2及电感电流iL的波形，对应于波形图中的t1、t2、t3、t4、t5、t6各阶段，相应的等效电路分别如图3-19（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示。图3-16 并联谐振直流环节逆变电路图3-17 并联谐振直流环节逆变电路等效电路图3-18 电容电压与电感电流的波形图

14、3-19 并联谐振直流环节逆变电路工作各阶段等效电路3.1.6 交交直直交变频技术的应用实例交变频技术的应用实例 如图3-20所示为无刷电动机的基本电路。图中的逆变电路直流侧串有大电感，为电流型逆变电路，直流电源由三相可控整流桥提供。这种电路方式可以方便地实现再生制动。逆变电路为三相桥式，采用120导通方式，晶闸管VTlVT6依次导向角度为120。换相时利用电动机线电压来实现，例如，从VTl向VT3换相时，因V相电压比U相高，VT3导通时VTl被关断。图3-20中BQ是霍尔位置传感器，由它来检测定子与转子间的相对位置以控制变频电路。图3-20 无刷电动机的基本电路 如图3-21所示给出了在电动

15、状态下的电动机电压、电流的波形。当电动机工作在再生制动状态时，逆变电路部分工作在整流状态，而整流电路部分则工作在逆变状态。图3-21 无刷电动机基本电路波形 脉宽调制(PWM)控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲列，用这些脉冲列代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波状，由此所获得的输出平滑且低次谐波较少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。3.2 PWM技术技术3.2.1 PWM技术原理概述技术原理概述 1.PWM控制的基本原理控制的基

16、本原理 采样控制理论有这样一个结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量是指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。将如图3-22所示的形状不同而冲量相同的电压窄脉冲，分别加在如图3-23（a）所示的一阶惯性环节RL电路上。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3-23（b）所示。图3-22 形状不同而冲量相同的电压窄脉冲图3-23 冲量相同的电压窄脉冲的响应波形 如图3-24（a）所示，将一个正弦半波分成N等份，每一份可看作是一个脉冲，很显然这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，脉冲顶部为曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。若把上述

17、脉冲序列用同样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替，并使矩形脉冲的中点和相应正弦等分脉冲的中点重合，且使二者的面积（冲量）相等，就可以得到如图3-24（b）所示的脉冲序列，即PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。图3-24 PWM控制的基本原理 2.单极性单极性PWM和双极性和双极性PWM PWM调制按调制脉冲的极性可分为单极性脉冲调制和双极性脉宽调制两种。1）单极性脉冲调制 电压型单相桥式PWM逆变电路如图3-25所示。E为恒值直流电压，V1V4为功率晶体管GTR，VDlVD4为电压型逆变电路必需的反馈二极管。图3-25 单相桥式PWM逆变电路 如图3-26所示为单极性PWM波

18、形。图中uc为载波三角波，ur为正弦调制信号，由ur和uc波形的交点形成控制脉冲。uglug4分别为功率开关器件V1V4的驱动信号，高电平使之接通，低电平使之关断。若ugl 和ug3根据倒相信号分别在正半周和负半周进行脉冲调制，则ug2和ug4根据输出电流过零时所作的波形见图3-26（c），输出电压u0和电流i0波形见图3-26（d）。负载为电感性负载，在脉冲作用下，电流为相位滞后于电压的齿状准正弦波。图3-26 单极性PWM波形 2）双极性PWM 负载为电感性负载时双极性脉宽调制控制波形如图3-27所示图3-27 电感性负载时双极性PWM控制波形3.2.2 PWM控制技术控制技术 在PWM逆

19、变电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比定义为载波比N，即 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM逆变电路可以有异步调制和同步调制两种控制方式。1.同步调制同步调制 载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定不变的，脉冲相位也是固定不变的，如图3-28所示。在三相PWM逆变电路中，通常共用一个三角波载波信号，且取载波比N为3的整数倍，以使三相输出波形严格对称，而为了使一相的波形正负半周镜对称，N应取为奇数。图3-28 同步调制 2.异步调制异步调制 载

20、波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调制方式中，调制信号频率fc变化时，载波频率fr保持固定不变，因此载波比N是变化的，如图3-29所示。这样，在调制信号的半个周期内，输出的矩形脉冲数是不固定的，脉冲相位也不固定，正负半个周期的脉冲不对称，甚至半个周期内前后l/4周期的脉冲也不对称，很难保持波形的对称关系，不利于谐波的消除。图3-29 异步调制 3.其他控制方式其他控制方式 对于BJT等一些开关频率不高的器件，使用同步调制或异步调制都各有优缺点，综合两种方法的优点，可以采用分段同步调制的方法，当调制频率降低较多时，分段有级的增加载波比。如图3-30给出了分段同步调制的一

21、个例子，各频率段的载波比标在图中。图3-30 分段同步调制 同步调制方式与异步调制方式相比复杂一些，但在使用微机控制时可以较容易的实现。也可采用在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，如图3-31所示。这种方式可把同步调制方式和异步调制方式的优点结合起来，和分段同步调制方式的效果接近。图3-31 异步和同步分段调制3.2.3 SPWM控制技术控制技术 为了减小谐波影响，提高电动机的运行性能，三相交流电动机的供电一般要求采用对称三相正弦波电源，因此，PWM逆变器采用正弦波作为调制信号。这种正弦波脉宽调制型逆变器称为SPWM逆变器。目前广泛应用的PWM型逆变器皆为SPWM逆

22、变器。1.SPWM的模拟控制的模拟控制 按照SPWM逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关的通断进行控制，即可生成SPWM波形，图3-32为其原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号urU、urV、urW由调制信号发生器提供，其频率和幅值都可调。三角载波信号uc由三角波发生器提供，各相公用。它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出“正”或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波udU、udV、udW作为逆变器功率开关的驱动信号。图3-32 SPWM模拟控制电路原理图 2.SPWM的数字控制的数字控制 数字控

23、制是SPWM目前最常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出；或者通过软件实时生成SPWM波形；或通过专用大规模集成电路芯片产生SPWM信号。下面对几种常用的方法进行介绍。1）等效面积法 前面已指出，正弦脉宽调制的基本原理就是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。如图3-33所示为单极性SPWM波形，其等效正弦波为Umsint（图中虚线所示）。图3-33 单极性SPWM波形 2）自然采样法 移植模拟控制的载波调制原理，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇时间，生成SPWM波形的方法，叫做自然采样法（Nat

24、ural Sampling)。该方法与采用模拟电路由硬件自然确定SPWM脉冲宽度的方法很相似，因此称为自然取样法。只是，计算机是采用计算的方法，寻找三角载波uc与正弦调制波ur的交点，从而确定SPWM脉冲宽度的。图3-34 自然采样法SPWM模式3）规则采样法图3-35 规则采样法SPWM调制模式 3.用于用于SPWM控制的专用芯片及微处理器控制的专用芯片及微处理器 1）用于SPWM控制的专用芯片 HEF4752V是全数字化生成三相SPWM波的集成电路。这种芯片既可以用于有换流电路的三相晶闸管变频电路，也可用于由全控型开关器件构成的变频电路。对于后者，可输出三相对称的SPWM波控制信号，调频范

25、围为0200 Hz。HEF4752V的内部原理框图和引脚图，如图3-36所示。图3-36 HEF4752V内部原理框图及引脚排列3.2脉宽调制技术脉宽调制技术 2）用于SPWM控制的微处理器 （l）新型SPWM专用微处理器的主要性能。基本指令数。中断功能及中断通道数。PWM波形生成硬件及调制范围。A/D接口。通信接口。如图3-39所示为8xCl96MC系列中 80C196MC的引脚排列。如图3-40所示为8xCl96MC系列的结构原理图。它包括时钟部分、定时部分、算术逻辑运算部件RLU、寄存器集、内部A/D转换器、PWM发生器、事件处理阵列EPA、三相互补SPWM输出发生器以及看门狗、中断控制

26、等电路。图3-39 80C196MC的引脚排列图3-40 8xC196MC系列的结构原理图 SLE4520系列。通过前述的分析可知HEF4752V三相SPWM集成电路能提供开关频率较低的SPWM波，因此不适合于工作频率较高的IGBT变频电路，一种新的三相PWM集成电路可以解决这一问题。3.3 交交交变频技术交变频技术3.3.1 交交交变频技术的概述交变频技术的概述 交交变频电路是指不通过中间直流环节，而把电网工频交流电直接变换成不同频率的交流电的变频电路。一般交交变频电路的输出频率小于工频频率，是一种直觉变频的方式，交交变频电路也称为周波变流器或相控变频器.其原理框图如图3-41所示。图3-4

27、1 交交变频原理框图 1.交交交变频器的特点交变频器的特点 与交直交变频器相比，交交变频器有以下优点：（1）因为是直接变换，没有中间环节，且使用电网换相，提高了变流效率。（2）和交直交电压型逆变器相比，可以方便地实现四象限工作。（3）由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好，低频时输出波形接近正弦波。（4）由于变频器按电网电压过零自然换相，故可采用普通晶闸管。此外，交交变频器也存在以下缺点：（1）接线复杂，使用的晶闸管较多。由三相桥式变流电路组成的三相交交变频器至少需要36支晶闸管。（2）受电网频率和变流电路脉波数的限

28、制，输出频率较低，最高输出频率为电网频率的1/3或1/2。（3）采用相控方式，功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。（4）交流输入电流谐波严重且情况复杂，难于控制。2.交交交变频器工作原理交变频器工作原理 在无环流晶闸管直流可逆调速系统中，采用两组具有相同特征的整流电路反并联构成的装置，可在负载端得到电压极性和大小都能改变的直流电压，从而实现直流电动机的四象限运行。只要对正、反两组变流器的切换频率进行适当的控制，就可以在负载上获得交变的输出电压u0，从而实现交交直接变频。如图3-42所示为单相桥式可控整流电路。图3-42 单相桥式可控整流电路及其输出波形 交交变频电路中的两组电路

29、都有整流和逆变两种工作状态。以变频电路接电感性负载，负载阻抗角为60的情况为例，工作过程中输出电压u0和电流i0的波形如图3-43所示。图3-43 交交变频器的工作状态3.3.2 交交交变频技术电路交变频技术电路 1.三相输入三相输入单相输出交单相输出交交变频电路交变频电路 1）三相输入单相输出交交变频电路原理 三相输入-单相输出交交变频电路的原理电路如图3-45所示，它由正、反两组反并联的晶闸管整流电路组成。只要适当对正反组的切换进行控制，在负载上就能获得交变的输出电压u0。输出电压u0的幅值是通过改变整流电路的控制角来进行调节的，u0的频率取决于两组整流电路的切换频率，变频和调压均由变频器

30、完成。图3-44 三相输入单相输出交交变频电路原理图图3-45 单相交交变频电路的输出波形 交交变频器多由三相电网供电，如图3-46所示为由两组三相半波可控整流电路接成反并联的形式供给单相负载的无环流单相交交变频电路，它形式上与三相零式可逆整流电路完全一样。图3-46 单相交交变频器主电路 2）三相输入-单相输出交交变频电路实例 如图3-47（a）所示电电感性负载有最大输出电压时的波形，其周期为电网周期的五倍，电流滞后电压，正反组均出现逆变状态。图3-47 电感性负载时的输出波形 2.三相输入三相输入三相输出交三相输出交交变频电路交变频电路 三相交交变频电路由三套输出电压彼此互差120的单相输

31、出交交变频器组成，它实际上包括三套可逆电路。如图3-48所示为三相零式交交变频主电路。如图3-49和图3-50所示为三相桥式交交变频器主电路的公共交流母线进线和输出星形连接两种方式，每相由反两组晶闸管反并联三相零式和三相桥式电路组成。它们分别需要18只和36只晶闸管元件。图3-48 三相零式交交变频主电路图3-49 三相桥式交交变频主电路(公共交流母线进线)图3-50 三相桥式交交变频主电路(输出星形联结)三相桥式交交变频电路接电感性负载时的u相输出波形如图3-51所示。图3-51 电感性负载时的u相输出波形3.4 实实 训训1.实训目的实训目的2.实训电路实训电路3.实训设备实训设备4.实训内容及步骤实训内容及步骤5.实训注意事项实训注意事项6.实训报告要求实训报告要求