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1、变频器,一、变频器概述 二、变频器基本原理 三、变频器的保护功能 四、变频器的干扰及预防措施 五、变频器应用,一、变频器概述,三相交流异步电机的结构简单、坚固、运行可靠、价格低廉，在冶金、建材、矿山、化工等重工业领域发挥着巨大作用。人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。如果实现交流调速，每台电机将节能20%以上，而且在恒转矩条件下，能降低轴上的输出功率，既提高了电机效率，又可获得节能效果。,异步电机调速系统的种类很多，但是效率很高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的 主要发展方向
2、。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无级调速。变频器可把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电。,随着电力电子技术的发展，出现了高耐压、大功率、具有自关断的全控型电力电子器件，它具有驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电路中可极大提高变频的 性能。 脉宽调制（PWM)变频就是把通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频中，可使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。 采用全数字微机控制技术，使变频器减小了体积、降低了成本、提高了效率、增强了功能。 以上三种技术的应用，使电机基本能够平稳运行、无噪声、无抖
3、动。交流变频调速已成为电气调速传动的主流。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱等家电中。,一、变频器概述,（一）变频器的功用 变频 器 的 功用是将频率固定(通常为工频50HZ)的交流点(三相的或单相的)交换成频率连续可调的三相交流电源。 如下图 2. 1所示，变频器的输入端(R,S ,T)接至频率固定的三相交流电源，输出端(U,V, W)输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。,VVVF(Variation Voltage Variation Frequency)频率可变、电压可变。,变频器概述,（
4、二）变频器主要功能 一、软启动马达 二、调频调压调电流 三、空（轻）载时能在维持转速的时候减少电流（节能） 变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节能效果明显！,（三）变频器的核心是电力电子器件及控制方式 1.电力电子器件的发展 20 世 纪 80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器件，以晶闸管元件为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。 80年代中期以后采用第二代电力电子器件GTR. CTO, VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。 随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电
5、子器件是20世纪90年代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速装置(1-1000kw)主要采用IGBT，大功率的变频调速装置(1000-10000kW)采用GTO器件。 20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，如高压IGBT, IGCT, IEGT, SGCT、智能功率模块IPM等。,2.控制方式 变频器用不同的控制方式，得到的调速性能 、特性及用途是不同的。 控制方式大体分为开环控制及闭环控制。 开环控制有U/f电压与频率成正比的控制方式 闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。 现在矢量控制可以实现与直流机电枢电流控制相媲美，直接转矩控制直接取交流电动机参数进行控制
6、，其方便准确精度高。,二、变频器基本原理,（一） 变频调速的构成 要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。现代的变频器都是由大功率电子器件构成 的。相对于旋转变频机组，被称为静止式变频装置，是构成变频调速系统的中心环节。,一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路3大部分组成， 静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多，这是由
7、于被控对象感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担。,（三）变频器的分类 1.按变换环节分: (1)交-交变频器 把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电，又称直接式变频器。 (2)交-直-交变频器 先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电，又称间接式变频器。,2.按电压的调制方式分: (1) PAM (脉幅调制) 变频器 输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。 (2) PWM (脉宽调制) 变频器 输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。
8、目前普通应用的是占空比按正弦规律安排的正弦脉宽调制(SPWM)方式。,4.1交-交变频器工作原理 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,4.2 交-直-交变频器 其结构如下，它由主电路和控制电路组成。,4.3交-交与交-直-交变频器之比较 交-交变频器 交-直-交变频器,过载能力强 效率高输出波形好 但输出频率低 使用功率器件多 输入无功功率大 高次谐波对电网影响大,结构简单 输出频率变化范围大 功率因数高 谐波易于消除 可使用各种新型大功率器件,（五）PWM控制技术,PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成 三角调制波和参考正弦波的比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号
9、以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至其他能量交换系统中得到广泛的应用。 PWM控制技术大致可以分为三类：正弦PWM，优化PWM，随机PWM。 正弦PWM具有改善输出电压和电流波形、降低电源系统谐波的多重PWM技术，在大功率变频器中有其独特的优势； 优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率最小、电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小及其他特定优化目标； 随机PWM原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音
10、的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。,正弦波脉宽调制(SPWM)变频器,SPWM变频器结构简单，性能优良，主电路不用附加其他装置，已成为当前最有发展前途的一种结构形式。图3所示为SPWM变频器的电路原理，该电路的主要特点是： (1)主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构； (2)使用了不可控的整流器，使电网功率因数与变频器输出电压的大小无关而接近于1； (3)变频器在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6拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，
11、大大扩展了拖动系统调速范围，并提高了系统的性能。,SPWM变频器的工作原理 所谓正弦波脉宽调制(SPWM)就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图4所示，等效的原则是每一区间的面积相等。,如果把一个正弦半波分作n等份(图中n=12)，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，而宽度是按正弦规律变化的如图4(b)所示。这样，由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效，称作SPWM波形。同样，正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等效。,图4(b)所示的一系列脉冲波形就是所期望的变
12、频器输出SPWM波形。可以看到，由于各脉冲的幅值相等，所以变频器可由恒定的直流电源供电，即这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器即可，变频器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压幅值。当变频器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与图4(b)所示形状相似的一系列脉冲波形。,（六）变频器的四种控制方式,变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，进行对电动机提供电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。因此就是变频器的主电路一样，逆变器件也相同，单片机位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果是不一样的。所以控制方式是很重要的。它代表变频器的水
13、平。目前变频器对电动机的控制方式大体可分为U/f恒定控制 ，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制。,四象限变频器的工作原理,四象限变频器的电路原理图如图1所示。 图1 四象限变频器的电路原理图,2.2 工作原理 当电机工作在电动状态的时候，整流控制单元的DSP产生6路高频的PWM脉冲控制整流侧的6个IGBT的开通和关断。IGBT的开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的正弦电流波形，这样就消除了二极管整流桥产生的6K1谐波。功率因数高达99%，消除了对电网的谐波污染。 此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电机，变频器工作在第一、第三象限。输入电压和输入电流的波形如图2所示。
14、,图2 输入电压和输入电流的波形,当电动机工作在发电状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制部分启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，达到节能的效果。 此时能量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网。变频器工作在二、四象限。输入电抗器的主要功能是电流滤波。回馈电流和电网电压波形如图3所示：,图3 回馈电流和电网电压波形,三、变频器的保护功能,1.过电流保护功能 1.1过电流的原因 （1）外部故障引起的过电流。如电动机堵转、变频器输出侧短路等。 （2）运行过电流。如加速或减速时间过短引起的过电流等。 （3）
15、变频器自身故障引起的过电流。,四、变频器的干扰及防止,在工农业生产中，生产机械对拖动设备的调速性能有了很高的要求， 而变频调速以其优越的调速能在调速系统中占有很大的比重，但变频器在工作过程中会产生高频的谐波电流，这些高次谐波电流不但增加了输入侧的无功功率、降低功率因数，而且这些频率较高的谐波电流将以各种方式把能量传播出去，形成对其它设备的干扰信号。,五、变频器应用,（一）变频器的应用范围已越来越广泛，有 1、在电梯上的应用 2、在水泵、风机控制方面的应用 3、在机床、起重机方面的应用 4、在机电设备中的应用（空调设备，洗衣机、压缩机的变频器控制） 5、在生产线上的应用（冶金、纺织、造纸、总线控制系统中的应用） 西门子系列、富士FRENIC500-G9S,P9S系列 三垦Vsamco-Vm05、安川CIMR-G5A,
