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1、变频器原理及应用,河南理工大学郑征,2,河南理工大学简介,河南理工大学始建于1909年、我国第一所矿业高等学府河南省建立最早的高等学校河南省重点建设的骨干高校多学科协调发展的教学研究型大学具有博士学位授予权,学校安全、地矿特色鲜明，多学科协调发展设有75个本科专业。拥有5个博士后科研流动站、4个一级学科博士点、32个二级学科（方向）博士点、18个一级学科硕士点全日制在校生规模38000余人占地面积4千余亩,河南理工大学简介,一、变频器原理,变频器：变频器是利用电力电力电子技术，将工频电源变换为另一频率/电压的电能控制装置。,特点：安全、节能、自动化只要有电机存在的地方，就会有变频器大展身手的之
2、地。,1）间接变频电路交-直-交2）直接变频电路 交-交,变频器结构,一、变频器原理,变频器结构,一、变频器原理,把交流变换成直流电，再把直流变化成可调节的交流电能，可调节频率范围宽，通用变频器广泛采用此方式。,一、变频器原理,一、变频器原理,1.交-直-交变频器主电路结构,一、变频器原理,1.交-直-交变频器主电路结构,一、变频器原理,四象限变频器电路原图图,一、变频器原理,1.交-直-交变频器主电路结构,一、变频器原理,1.交-直-交变频器主电路结构,一、变频器原理,1.交-直-交变频器主电路结构,一、变频器原理,1.交-直-交变频器主电路结构,智能IPM模块包括了开关元件和与其反向并联的
3、续流二极管，以及驱动、保护、报警电路等多个单元，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平，IPM以其完善的功能和高可靠性创造了很好的应用条件。利用IPM的控制功能，与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。,从储能元件分电流型、电压型,一、变频器原理,1.交-直-交变频器主电路结构,一、变频器原理,1.交-直-交变频器主电路结构,2.交-直-交变频器原理,单相逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,逆变电路及其波形,2.交-直-交变频器原理,5-19,两对
4、桥臂交替导通180改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。,2.交-直-交变频器原理,方波控制方式,方波控制方式谐波,单相逆变电路方波控制方式谐波分析,2.交-直-交变频器原理,谐波丰富，最低次谐波为3次,5-21,应用最广的是三相桥式逆变电路,2.交-直-交变频器原理,方波控制方式,三相逆变电路方波控制方式谐波分析,方波控制方式谐波,2.交-直-交变频器原理,方波控制方式,谐波丰富，最低次谐波为5次,PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。,3. PWM (Pu
5、lse Width Modulation) 脉宽调制技术,6-24,1）重要理论基础面积等效原理,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。,3. PWM (Pulse Width Modulation) 脉宽调制技术,具体的实例说明“面积等效原理”,u (t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i (t)输出电流，是电路的响应。,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。,3. PWM (Pulse Width Modulation) 脉宽调制技术,6-26,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,3. PWM (Pulse Width Mo
6、dulation) 脉宽调制技术,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,3. PWM (Pulse Width Modulation) 脉宽调制技术,SPWM单极性调制,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛,3. PWM (Pulse Width Modulation) 脉宽调制技术,SPWM双极性调制,1）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）,单极性PWM控制方式波形,表示uo的基波分量,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,4. SPWM 逆变技术,调制法,规则采样法实现SPWM波,2）双极性PWM控制方式（单相桥逆
7、变）,双极性PWM控制方式波形,4. SPWM 逆变技术,3）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,4. SPWM 逆变技术,6-32,1）单相的分析结果,PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。,SPWM 逆变电路谐波分析,6-33,2）三相的分析结果公用载波信号时的情况,公用载波信号时的情况。,SPWM 逆变电路谐波分析,6-34,三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc2wr和2wcwr。SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。,谐波分析小结,S
8、PWM 逆变电路谐波分析,SPWM控制的逆变器输出的谐波取决与PWM开关频率，采用IGBT，开关频率可达5-20kHz,输出波形非常逼近正弦波。,高性能的双PWM交-直-交变频器结构,双PWM电路输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行，是一种性能理想、绿色环保的变频器。,2.交-直-交变频器原理,二、变频器的应用,全世界的用电量中有60% 左右是通过电动机来消耗的，变频器主要用于交流电动机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。,二、变频器的应用,广泛应用于冶金、造纸、石油天然气、风力发电、纺织、橡胶塑料等众多行业。在金属轧机、起重机、
9、石油钻机、压缩机、挤出机、拉丝机、风机、泵类等应用中，传动设备都起着提高精度控制、实现高效节能的重要作用。,二、变频器的应用,交流电机调速的应用,二、变频器的应用,交流电机调速的应用,二、变频器的应用,交流电机调速的应用,2017/12/30,6-41,按交流电动机的调速方法分类,二、变频器的应用,2017/12/30,6-42,串电阻机械特性（绕线型）,二、变频器的应用,2017/12/30,6-43,调压机械特性,二、变频器的应用,感应电动机的转速可表示为,变频调速原理,二、变频器的应用,变频调速的基本要求,希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对
10、电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折。,二、变频器的应用,2017/12/30,6-46,二、变频器的应用,定子每相电动势,式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；,2017/12/30,6-47,二、变频器的应用,常值,2017/12/30,6-48,恒压频比控制时变频调速的机械特性,可见最大转矩 Tmax 是随着的 1 降低而减小的。频率很低时，Tmax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压U1，可以增强带载能力.,二、变频器的应用,变频调速机械特性曲线
11、,2017/12/30,自动控制系统国家精品课程,6-49,变频调速机械特性曲线,TMmax,矢量控制时变频调速的机械特性,最大转矩不变特性平行和直流调速机械特性一样优越。,基速以下调速,二、变频器的应用,2017/12/30,自动控制系统国家精品课程,6-50,恒功率调速,当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，最大转矩减小，特性稍微变软。,基频以上变频调速机械特性,基速以上变频调速机械特性曲线,二、变频器的应用,1.风机、泵类变频调速、软启动,具有变频与工频自动切换功能,二、变频器的应用,2.多台电机同步,二、变频器的应用,二、变频器的应用,2.多台电机并联同步,主机拉拔，从机收卷。主机低频高转矩输出，速度稳定，从机收线线速度准确跟踪主机拉丝线速度。从机自动根据收卷卷径变化调整转速，保证张力平衡杆基本维持在中间位置，拉丝收卷过程张力恒定。无论空盘、半盘、满盘，启动、加速、停机不断线，过程平滑无冲击。无论低速、中速、高速，张力始终恒定。主机独立点动运行，低速穿线速度平稳。,3.在拉丝机上应用,二、变频器的应用,二、变频器的应用,3.在拉丝机上应用,谢谢！祝学习、生活愉快！,
