变频器基础知识概述

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1、变频器基础知识概述,ISBU - EU Technical Center 周耿 2019/10/18,1,变频器基本原理,2,变频器基本结构与组成,3,变频器控制理论与基础,4,变频器分类,5,变频器功能与应用场合,6,变频器选用与使用注意事项,1,变频器基本原理,2,变频器基本结构与组成,3,变频器控制理论与基础,4,变频器分类,5,变频器功能与应用场合,6,变频器选用与使用注意事项,异步电机结构,二部分组成 定子 固定不动部分，固定在电动机的机座上； 由定子铁心和绕组组成，铁心由冲有线槽的矽钢片叠压而成，而绕组均匀地分布在铁心的槽内； 转子 旋转部分，固定在旋转轴上有鼠笼式和绕线式两类转子

2、； 由转子铁心和导体或绕组组成，鼠笼式转子采用铸铝浇注而成，绕线式则由漆包绕组和滑环形成。,接线盒,外壳,定子及绕组,转子,绝缘,异步电机转速公式,式中： n1、n的单位为rpm（转/分钟） f为电源的频率 p为绕组磁场的极数,异步电机定子旋转磁场的转速记为n1，称为同步转速:,异步电机转子的旋转速度记为n，即电机的额定转速:,改变异步电机的供电频率，就可以改变其同步转速，从而实现电机的调速； 对异步电机进行调速时，希望电机的主磁通保持恒定； 在电机的基频以下调速时，在降低供电频率的同时降低供电电压，属于恒转矩调速； 在电机的基频以上调速时，在提高供电频率的同时无法再提高供电电压，这时电机的主

3、磁通随之减少，类似于直流电机的弱磁调速，近似于恒功率调速。,调速原理,整流环节,直流环节,逆变环节,变频器原理图,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压和频率可变的交流电的装置称作“变频器”。,1,变频器基本原理,2,变频器基本结构与组成,3,变频器控制理论与基础,4,变频器分类,5,变频器功能与应用场合,6,变频器选用与使用注意事项,变频器的基本结构,整流桥,整流环节AC-DC,直流滤波,逆变环节DC-AC,逆变桥,EMC滤波器,施耐德变频器普遍标配进线EMC滤波器，用来抑制变频器对周围设备的射频干扰。 在变频器通电时，EMC滤波器通过接地电容产生对地电流，尤其是上电瞬间会产生较大的漏电流。

4、 变频器一般应用于工业场合，用接地的方式进行安全保护。 应用于民用配电场合时，有时无安全接地，而采用漏电开关(RCD)，有时会因此发生RCD误脱扣，这是正常的。解决的办法是将图中的接地断开。,三相全波半控整流： 效率略低，可省去充电限幅电路。 斩控式整流器（PWM整流器）： 效率高，功率因素可调，能量可回馈电网 三相全波桥式二极管整流： 效率高，成本低，控制简单,六脉波整流电路,整流环节,直流电抗器,直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈, 因其通过的电流为直流电流, 故亦成为直流扼流圈. 直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波,从而减少对电网的污染. 通常采用适当大小的直流电抗

5、器,即可使变频器的谐波污染减少到符合标准,这是一种低成本的方案. 如果要将谐波抑制到更低,需要大配合无源滤波器. 直流电抗器对进线浪涌电压没有抑制作用.,也称滤波或储能环节 由电感或电容组成 用于负载与整流器之间的无功功率的缓冲 抑制直流侧电压或电流的脉动,直流滤波环节,制动单元和制动电阻,制动单元是一个或一组晶体管,与制动电阻串联之后,接在直流母线上. 当直流母线电压超过某规定电压时,制动晶体管导通,直流母线电容和电机向制动电阻释放能量.使直流母线电压降低,降低到另一规定电压后,制动晶体管截止.所以制动电阻的作用是能耗制动. 图中Tfr为制动晶体管,PA-PB连接制动电阻,PA-PB之间的二

6、极管为保护用续流二极管. 当变频器驱动负载需要克服惯性快速减速或停车时,或位能性负载持续下降时,需要进行能耗制动.,将直流电压或电流转换成频率、电压可变的交流电 器件工作于开关状态 每个器件并联续流二极管 器件为全控型（GTR，GTO，IGBT，IPM等）,逆变环节,1,变频器基本原理,2,变频器基本结构与组成,3,变频器控制理论与基础,4,变频器分类,5,变频器功能与应用场合,6,变频器选用与使用注意事项,为了产生可变的电压和频率，首先要把交流电变换为直流电（DC），此环节称为Converter（整流器），整流器的控制理论在很早以前就非常成熟了。 把直流电（DC）变换为交流电（AC）的环节称

7、为“Inverter”(逆变器)，逆变器的控制理论随着功率器件、电子元件的发展而不断完善。,变频器控制理论,电路的主要特点是： （1）主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构； （2）使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于1； （3）逆变器调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应； （4）可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制低次谐波，使电机可在正弦的交变电压下运行，转矩脉动小，扩展了调速范围，并提高了系统的性能。,1964年，德国人A.Schnung提出了脉宽调制变频器的思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频，从而优

8、化了变频器的控制理论基础，其后的研究人员在此基础上不断地进行改进。,变频器控制理论,PWM脉宽调制 在每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比 为 电压的平均值和占空比的大小成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。,PWM脉宽调制,SPWM脉宽调制,单极性PWM脉宽调制 像这种在半个周期内三角波载波只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM 控制方式。,SPWM脉宽调制,双极性PWM脉宽调制 像这种在半个周期内三角波

9、载波在正负两个方向变化，所得到的PWM波形也在两个方向变化的控制方式称为双极性PWM 控制方式。,PWM逆变电路的控制方式,异步调制 载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fr变化时，通常保持载波频率fc固定不变，因而载波比N是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。 当调制信号频率较低时，载波比N 较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比

10、N减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。,在PWM逆变电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比值N，称为载波比。,PWM逆变电路的控制方式,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的，脉冲相位也是

11、固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波信号，且取载波比! 为N的整数倍，以使三相输出波形严格对称，同时，为了使一相的波形正负半周镜像对称，N 应取为奇数。,PWM逆变电路的控制方式,分段同步调制 在逆变电路输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目是固定的，所以由PWM产生的fc附近的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声，给电动机的正常工作带来不利影响。 为克服上述缺点，一般都采用分段同步调制的方法，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。在输出频率的高频段

12、采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，在功率开关器件所允许的频率范围内。在输出频率的低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利的影响。各频段的载波比应该都取3的整数倍且为奇数。,SPWM逆变器及其控制模式,为了减小谐波影响，提高电动机的运行性能。要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电，因此，PWM逆变器采用正弦波作为参考信号。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逆变器。 实现SPWM的控制方式有三种： 一、采用模拟电路 二、采用数字电路 三、是采用模拟与数字电路相结合的控制方式。,数字SPWM控制模式,自然取样法,

13、规则取样法,调速控制方法,V/F比恒定控制 保持V/F比恒定控制是异步电动机变频调速最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定，属开环控制。 V/F比恒定控制存在的主要问题是低速性能较差。其原因是低速时异步电动机定子电压降所占比重增大，定子电压和电动机感应电动势已不能近似相等，无法再保持电动机磁通恒定。电动机磁通的减小，势必造成电动机的电磁转矩减小。 变频器桥臂上下开关器件的互锁时间也是影响电动机低速性能的重要原因。由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压降低。互锁时间造成的电压降还会引起转矩脉动，在一定条

14、件下将会引起转速、电流的振荡，严重时变频器不能运行。 可以采用补偿端电压的方法，即在低速时适当提升电压，以补偿定子电阻压降和开关互锁时间的影响。,转差频率控制 转差频率控制属V/F恒压控制的一种改进方法，需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。 由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与V/F控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈速度闭环控制，速度的静态误差小，可以获得良好的动态性能。,调速控制方法,调速控制方法,矢量控制 矢量控制是一种高性能异步电动机控制方法，它基于电动

15、机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，使交流电动机也具有直流电动机相类似的控制性能。 矢量控制的基本出发点是：将异步电动机构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分解成相位互差90o的转矩电流和励磁电流分别进行控制，从而改善了异步电动机的动态控制性能。为了实现矢量控制的目的，需要将电动机的3相电流按坐标变换的方法变换成2相电流，在2相坐标系上确定电动机的转矩电流和励磁电流大小并分别进行控制，再将2相电流变换成3相电流设定值，然后采用电流闭环控制实际电流。,直接转矩控制 与矢量控制系统一样，直接转矩控制也是分别控制异步电机的转速和磁链，而且采用再转速环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变

16、化对转子系统的影响，因此转速与磁链子系统也是近似独立的。 转矩和磁链都采用直接反馈的双位式Bang-Bang控制，从而比开了将定子电流分解成转矩和励磁分量，简化了控制器的结构，但缺点是带来了转矩脉动，因而限制了调速范围。 选择定子磁链作为被控制的对象，而不像矢量控制那样选择转子磁链，这样可使其控制性能不受转子参数变化的影响，PWM逆变器采用磁链跟踪控制方式，性能较好。,调速控制方法,矢量控制与直接转矩控制比较,1,变频器基本原理,2,变频器基本结构与组成,3,变频器控制理论与基础,4,变频器分类,5,变频器功能与应用场合,6,变频器选用与使用注意事项,变频器分类,按主回路结构形式 电流源型 电压源型,按控制方式分 U/F控制 转差频率控制 VC矢量控制 DTC直接转矩控制 矩阵变换器,变频器分类,按输出电压调节方式分类 PAM(脉冲幅值调制方式) PWM(脉冲宽度调制方式),按采用的功率器件分类 BJT(双极晶体管) GTO(门极可关断晶闸管) IGBT(绝缘栅双极晶体管) IPM(智能功率模块 ),变频器分类,按电压等级分类 低压变频器(1000V以下