概述 变频器工作原理课件

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1、变频器原理与应用（第2版）,第一章 概述,变频器的概念 变频器是将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的装置。,变频器原理与应用（第2版）,变频器原理与应用（第2版）,1.1 变频器的发展,1.1.1 电力电子器件是变频器发展的基础 第一代是由SCR（晶闸管）组成的变频器功能差、频率低。 第二代是GTO和GTR ，变频器开关频率在2kHz以下，PWM技术开始应用，可输出正弦波电压和电流，但载波频率和最小脉宽受限，噪声大。 第三代是MOSFET和IGBT，开关频率可达20kHz以上，PWM调制的逆变器谐波噪声大大降低。变频器功率大， 应用广泛。 第四代是IPM，具有保护功能

2、有过流、短路、过压、欠压和过热等，还可以实现再生制动。使变频器的体积、重量和连线大为减少，而功能和可靠性大为提高。,变频器原理与应用（第2版）,1.1.2 计算机技术和控制理论是变频器发展的支柱,1. 没有采用计算机技术，由分立电子元件组成变频电路，可靠性差、频率低，输出的电压和电流的波形是方波。 2. 采用8位微处理器，压频比U/F控制原理：逆变电路能够得到相当接近正弦波的输出电压和电流，工作性能有了很大提高。 3. 采用16位甚至32位微处理器 ，推出了矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等多种模式理论：变频器已经内置有参数辨识系统、PID调节器、PLC控制器和通讯单元等，根据需要

3、可实现拖动不同负载、宽调速和伺服控制等多种应用。,变频器原理与应用（第2版）,1.1.3 市场需求是变频器发展的动力,变频器的问世为交流电机的调速提供了契机，不仅要取代结构复杂、价格昂贵的直流电机调速，而且能节省大量的能源 据调查统计，全国各类电动机耗电量约占全国发电量的70%。其中80%为异步电动机，大多数电动机长时间处于轻载运行状态，特别是风机、泵类负载的电动机。若在此类负载上使用变频调速装置，将可节电30%左右。 目前，变频器作为商品在国内的销售额呈逐年增加趋势，销售前景十分看好，据有关资料报道，在过去几年内中国变频器市场保持着12%15%的增长率，这一速度远远超过了近几年GDP的增长速

4、度，变频器全面推广应用的时代已经不远了。,变频器原理与应用（第2版）,1.1.4 变频器的发展趋势,今天，电力电子的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）进入到高电压大容量化、高频化、组件模块化、微小型化、智能化和低成本化，多种适宜变频调速的新型电机正在开发研制之中 ，IT技术的迅猛发展，以及控制理论的不断创新，这些与变频器相关的技术将影响其发展的趋势。 变频器技术的发展趋势是朝着网络智能化 、专门化 、一体化 、操作简便、功能健全、安全可靠、环保低噪、低成本和小型化的方向发展。,变频器原理与应用（第2版）,1.2 变频器的分类,1.2.1 按变频的原理分类 1）交-交变频器 2）交-直-交

5、变频器 1.2.2 按变频器的控制方式分类 1）压频比控制变频器 （ V/f ） 2）转差频率控制变频器 （SF） 3）矢量控制 （VC） 4）直接转矩控制,变频器原理与应用（第2版）,1.2 变频器的分类,1.2.3 按用途分类 1） 通用变频器 简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而简化了一些系统功能的通用变频器。它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统调速性能要求不高的场合，并具有体积小、价格低等方面的优势。 高性能通用变频器在设计过程中充分考虑了在变频器应用中可能出现的各种需要，并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备。 2）专用变频器 高性能专用变频器 高频变频器 高压

6、变频器,变频器原理与应用（第2版）,1.3 变频器的应用,1.3.1 变频器在节能方面的应用 风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可以达到20%60% 1.3.2 变频器在自动化系统中的应用 化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制等。 1.3.3 变频器在提高工艺水平和产品质量方面的应用 物料传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域，它可以提高工艺水平和产品质量，减少设备的冲击和噪声，延长设备的使用寿命。,变频器原理与应用（第2版）,本节小结,1.变频器的发展 电力电子器件是变频器发展的基础，计

7、算机技术和自动控制理论是变频器发展的支柱。电力电子器件由最初的半控器件SCR，发展为全控器件GTO、GTR、MOSFET、IGBT，近年来又研制出智能功率模块IPM，单个器件的电压和电流的定额越来越大，工作速度越来越高，驱动功率和管耗越来越小。变频器内部的核心控制由CPU完成，最初是8位机，后来发展为16位机甚至32位机和DSP控制，这些新技术和自动控制新理论使变频器的容量越来越大，功能越来越强。 市场需求也是变频器发展的动力，据测算我国潜在变频调速市场在1亿kW 以上。 变频器技术的发展趋势为：智能化 、专门化 、一体化 、环保低噪。,变频器原理与应用（第2版）,2.变频器的基本类型 1)

8、按变频的原理分类 : 交-交变频器 交-直-交变频器。 2) 按变频器的控制方式分类 ： 压频比控制变频器 （ V/f ）、转差频率控制变频器 （SF）、矢量控制 （VC）、直接转矩控制。 3）按用途分类： 通用变频器、专用变频器。 3. 变频器的应用 变频调速已被公认为最理想、最有发展前途的调速方式之一，它的应用主要在节能、自动化系统及提高工艺水平和产品质量等方面。,变频器原理与应用（第2版）,变频器工作原理,变频器原理与应用（第2版）,交-直-交变频技术,交-直-交变频器的主电路框图如图3-1所示。主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。 图3-1 交-直-交变频器的主电路框

9、图,变频器原理与应用（第2版）,变频器原理与应用（第2版）,3.1 整流电路,3.1.1 不可控整流电路 不可控整流电路使用的元件为功率二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。 三相桥式整流电路如图3-2所示。 图3-2 三相桥式整流电路,变频器原理与应用（第2版）,三相不可控整流电路分析,三相桥式整流电路共有六只整 流二极管，其中VD1、VD3、VD5三只 管子的阴极连接在一起，称为共阴 极组；VD4、VD6、VD2三只管子的阳 极连接在一起，称为共阳极组。 共阴极组三只二极管VD1、VD3、 VD5在t1、t3、t5换流导通；共阳极 组三

10、只二极管VD2、VD4、VD6在t2、 t4、t6换流导通。一个周期内，每 只二极管导通13周期，即导通角 为120。通过计算可得到负载电阻 RL上的平均电压为 Uo = 2.34U2 (3-1) 图3-3 三相桥式电路的电压波形,变频器原理与应用（第2版）,3.1.2 可控整流电路,3.1.2 可控整流电路 三相桥式全控整流电路，如图3-4所示。 图3-4 三相桥式可控整流电路,变频器原理与应用（第2版）,可控整流电路工作原理,三相交流电源电压uR、uS、uT正半 波的自然换相点为1、3、5，负半波的 自然换相点为2、4、6。 当0时，让触发电路先后向各 自所控制的6只晶闸管的门极(对应自然

11、 换相点)送出触发脉冲，即在三相电源 电压正半波的1、3、5点向共阴极组晶闸 管VT1、VT3、VT5 输出触发脉冲；在三相 电源电压负半波的2、4、6点向阳极组晶 闸管VT2、VT4、VT6 输出触发脉冲，负载 上所得到的整流输出电压ud波形如图3-5b 所示的由三相电源线电压uRS、uRT、uST、 uSR、uTR和uRS的正半波所组成的包络线 。 图3-5b 三相桥式全控电路电压波形,变频器原理与应用（第2版）,可控整流电路控制原则,1) 三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。 2) 整流输出电压ud波形是由电源线电压

12、uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序为：（VT6和VT1）（VT1和VT2）（VT2和VT3）（VT3和VT4）（VT4和VT5）（VT5和VT6）。 3) 六只晶闸管中每管导通120，每间隔60有一只晶闸管换流。 4）触发方式：可采用单宽脉冲触发，也可采用双窄脉冲触发。,变频器原理与应用（第2版）,不同控制角时输出电压波形,60时的电压波形 图3-6 60时的电压波形 三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算 三相桥式可控整流电路所带负载为电感性时，输出电压平均值可用下式计算 Ud=2.34U2cos (3-2),变频器原理与应用（第2版）,3.2

13、 中间电路,变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。 3.2.1滤波电路 虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，则逆变后的交流电压、电流也产生纹波。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。,变频器原理与应用（第2版）,1. 电容滤波,通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电解电容。 二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图3-7给出几种抑制浪涌电流的方式。 a)接入交流电抗

14、b)接入直流电抗 c)串联充电电阻 图3-7 抑制浪涌电流的方式,变频器原理与应用（第2版）,变频器原理与应用（第2版）,采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的电路框图如图3-8所示。电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图3-9所示。 图3-8 电压型变频器的电路框图 图3-9 电压型变频器的电压和电流波形,变频器原理与应用（第2版）,2. 电感滤波,采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值

15、稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图3-10所示为电流型变频器的电路框图。图3-11所示为电流型变频器输出电压及电流波形。 图3-10 电流型变频器的电路框图 图3-11 电流型变频器输出电压及电流波形,变频器原理与应用（第2版）,3. 制动电路,利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。图3-12为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，图中的制动单元包括晶体管VB、二极管VDB和制动电阻RB。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于H、G两点上的外接制动电阻REB。 图3-12为制动电路的原理图,变频器原理与应用（第2版）,3.3 逆变电路的工作原理及基本形式,3.3.1 逆变电路的工作原理 逆变电路也简称为逆变器，图3-13a 所示为单相桥式逆变器，四个桥臂由开关构成，输入直流电压E，逆变器负载是电阻R。当将开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，电阻上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合，电阻上得到右正左负的电压。我们以频率f交替切换S1、S4和S2、S3，在电阻上就可以得到图3-13b所示的电压波形。 a) 单相桥式逆变电路 b) 工作电压波形 图3-13 逆变器工作原理,