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1、变频器逆变电路任务一 认识变频器一、任务描述与目标 变频器是利用电力电子器件的通断作用将工频交流电变换为另一频率的交流电的装置。自上世纪80年代被引进中国以来，其应用已逐步成为当代电机调速的主流。那么，这种装置有什么用途？有哪些类型？它的基本结构又是怎样的？本任务主要介绍变频器的应用和基本结构，任务目标如下。u了解变频器的基本概念u熟悉变频器的应用。u掌握变频器的基本结构。任务一 认识变频器二、相关知识 （一）变频器的用途变频调速器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，具有变频器体积小、重量轻、精度高、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强等优点。变频调速是公认的交流电
2、动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频调速还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速方式。变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。任务一 认识变频器1变频调速的节能变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在2003年的中国电力消耗中，60%70%为动力电，而在总容量为5.8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2 000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析，在中国带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施，并着重
3、推荐了变频调速技术。应用变频调速可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。任务一 认识变频器风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%60%，这是因为风机、泵类的耗用功率与转速的3次方成正比，当需要的平均流量较小时，转速降低其功率按转速的3次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。目前应用较成功的有恒压供水、中央空调、各类风机、水泵的变频调速。任务一 认识变频器2以提高工艺水平和产品质量为目的的应用变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高企业的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，
4、使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。任务一 认识变频器3变频调速在电动机运行方面的优势变频调速很容易实现电动机的正、反转，只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。变频调速系统启动大都是从低速开始，频率较低，加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，启动电流较小，可以进行较高频率的起停。任务一 认识变频器变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制
5、动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。任务一 认识变频器4变频家电除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势，如带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪声、提高控制精度等方面有很大的优势。任务一 认识变频器（二）变频器的基本结构调速用变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。其基本结构如图所示。任务一 认识变频器1主电路主电路包括整流电路、逆变电路和中间环节。（1）整流电路。整流电路的功能是将外部的工频交流电源转换为直流电，给逆变电路和控制电路
6、提供所需的直流电源。（2）中间环节。中间环节的功能是对整流电路的输出进行平滑滤波，以保证逆变电路和控制电路能够获得质量较高的直流电源。（3）逆变电路。逆变电路的功能是将中间环节输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。任务一 认识变频器2控制电路控制电路包括主控制电路、信号检测电路、驱动电路、外部接口电路以及保护电路。控制电路的主要功能是将接收的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据驱动要求为变频器主电路提供必要的驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护、输出计算结果。任务一 认识变频器2控制电路控制电路包括主控制电路、信号检测电路、驱动电路、外部接口电路以及保护电路。控制
7、电路的主要功能是将接收的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据驱动要求为变频器主电路提供必要的驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护、输出计算结果。任务一 认识变频器（1）接收的各种信号。 各种功能的预置信号。 从键盘或外接输入端子输入的给定信号。 从外接输入端子输入的控制信号。 从电压、电流采样电路以及其他传感器输入的状态信号。（2）进行的运算 实时地计算出SPWM波形各切换点的时刻。 进行矢量控制运算或其他必要的运算。任务一 认识变频器（3）输出的计算结果 实时地将计算出SPWM波形各切换点的时刻输出至逆变器件模块的驱动电路，使逆变器件按给定信号及预置要求输出SPWM电压波。
8、将当前的各种状态输出至显示器显示。 将控制信号输出至外接输出端子。任务一 认识变频器（4）实现的保护功能。接收从电压、电流采样电路以及其他传感器输入的信号，结合功能中预置的限值，进行比较和判断，若出现故障，有以下3种处理方式。 停止发出SPWM信号，使变频器中止输出。 输出报警信号。 向显示器输出故障信号。任务一 认识变频器（三）变频器主电路结构目前已被广泛地应用在交流电动机变频调速中的变频器是交直交变频器，它是先将恒压恒频（Constant Voltage Constant Frequency，CVCF）的交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可调的交流电的间接型变频电路。任
9、务一 认识变频器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，在调节定子频率的同时必须同时改变定子的电压。因此，必须配备变压变频（Variable Voltage Frequency，VVVF）装置。它的核心部分就是变频电路，其结构框图如图所示。任务一 认识变频器按照不同的控制方式，交直交变频器可分成以下3种方式。（1）采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式，其结构框图如图所示。在这种装置中，调压和调频在2个环节上分别进行，在控制电路上协调配合，结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网侧功率因数较低。而输出环节多用由晶闸管组成多拍逆变器，每
10、周换相6次，输出的谐波较大，因此这类控制方式现在用得较少。任务一 认识变频器（2）采用不可控整流器整流、斩波器调压，再用逆变器调频的控制方式，其结构框图如图所示。整流环节采用二极管不可控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压，这种方法克服了功率因数较低的缺点，但输出逆变环节未变，仍有谐波较大的缺点。任务一 认识变频器（3）采用不可控制整流器整流，脉宽调制逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图如图所示。在这类装置中，用不可控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变器逆变，则输出谐波可以减小。任务一 认识变频器在交-直-交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，
11、在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电压型变频器，如图（a）所示，当交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电流型变频器，如图（b）所示。任务一 认识变频器下面给出几种典型的交-直-交变频器的主电路。1交直交电压型变频电路下图是一种常用的交-直-交电压型PWM变频电路。它采用二极管构成整流器，完成交流到直流的变换，其输出直流电压UD是不可控的。中间直流环节用大电容C滤波，电力晶体管VT1VT6构成PWM逆变器，完成直流到交流的
12、变换，并能实现输出频率和电压的同时调节，VD1VD6是电压型逆变器所需的反馈二极管。任务一 认识变频器任务一 认识变频器从图中可以看出，由于整流电路输出的电压和电流极性都不能改变，因此该电路只能从交流电源向中间直流电路传输功率，进而再向交流电动机传输功率，而不能从直流中间电路向交流电源反馈能量。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入直流中间电路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。为了限制泵升电压，如下图所示，可给直流侧电容并联一个由电力晶体管VT0和能耗电阻R组成的泵升电压限制电路。当泵升电压超过一定数值时，使VT0导通
13、，能量消耗在R上。这种电路可运用于对制动时间有一定要求的调速系统中。任务一 认识变频器任务一 认识变频器在要求电动机频繁快速加减的场合，上述带有泵升电压限制电路的变频电路耗能较多，能耗电阻R也需较大的功率。因此，希望在制动时把电动机的动能反馈回电网。这时，需要增加一套有源逆变电路，以实现再生制动，如图。任务一 认识变频器2交直交电流型变频电路下图是一种常用的交-直-交电流型变频电路。其中，整流器采用晶闸管构成的可控整流电路，完成交流到直流的变换，输出可控的直流电压U，实现调压功能。中间直流环节用大电感L滤波。逆变器采用晶闸管构成的串联二极管式电流型逆变电路，完成直流到交流的变换，并实现输出频率
14、的调节。任务一 认识变频器任务一 认识变频器由图可以看出，电力电子器件的单向导向性，使得电流ID不能反向，而中间直流环节采用的大电感滤波，保证了ID的不变，但可控整流器的输出电压Ud是可以迅速反向的。因此，电流型变频电路很容易实现能量回馈。下图给出了电流型变频调速系统的电动运行和回馈制动两种运行状态。其中，UR为晶闸管可控整流器，UI为电流型逆变器。当可控整流器UR工作在整流状态（90）、逆变器工作在逆变状态时，电机在电动状态下运行，如图（a）所示。任务一 认识变频器任务一 认识变频器这时，直流回路电压Ud 的极性为上正下负，电流由Ud 的正端流入逆变器，电能由交流电网经变频器传送给电机，变频
15、器的输出频率1，电机处于电动状态，如图（b）所示。此时如果降低变频器的输出频率，或从机械上抬高电机转速，使1uc各区间，控制VT4为通态，输出负载电压uOUD。在uruc各区间，控制VT3为断态，输出负载电压uO0，此时负载电流可以经过VD4与VT2续流。逆变电路输出的uO为PWM波形，如上图所示，uof为uO的基波分量。由于在这种控制方式中的PWM波形只能在一个方向变化，故称为单极性PWM控制方式。任务二 脉宽调制型逆变电路调试2双极性PWM控制方式工作原理调制信号ur仍然是正弦波，而载波信号uC改为正负2个方向变化的等腰三角形波，如下图所示。对逆变桥VT1VT4的控制方法如下。（1）在ur
16、正半周，当uruC的各区间，给VT1和VT4导通信号，而给VT2和VT3关断信号，输出负载电压uOUD。在uruC的各区间，给VT1和VT4导通信号，而给VT2与VT3关断信号，输出负载电压uOUD。双极性PWM控制的输出uO波形，如上图所示，它为2个方向变化等幅不等宽的脉冲列。任务二 脉宽调制型逆变电路调试这种控制方式特点是：同一半桥上下2个桥臂晶体管的驱动信号极性恰好相反，处于互补工作方式；电感性负载时，若VT1和VT4处于通态，给VT1和VT4以关断信号，则VT1和VT4立即关断，而给VT2和VT3以导通信号，由于电感性负载电流不能突变，电流减小感生的电动势使VT2和VT3不可能立即导通，而使二极管VD2和VD3导通续流，如果续流能维持到下一次VT1与VT4重新导通，负载电流方向始终没有变，则VT2和VT3始终未导通。只有在负载电流较小无法连续续流情况
