变频器工作原理

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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1 1一、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。2 2 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

2、系统，是交流调速的 主要 发展方向。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。3 3 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

3、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。4 4一、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。5 5 VVVF(Variation V

4、oltage Variation Frequency)频率可变、电压可变。6 6变频器概述 （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！ 7 7 （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

5、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。8 8 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

6、 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，其方便准确精度高。9 9二、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。1010一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

7、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。1111（二）变频调速的基本要求 为了充分利用铁心材料，在设计电动机时 ，总是让电动机在额定频率和额定电压下 工作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此， 在电动机调速时，希望保持每极磁通量为 额定值不变。如果过分增大磁通又会使铁 心过分饱和，从而导致励磁电流急剧增加 ，绕组过分发热，功率因数降低，严重时 甚至会因绕

8、组过热而损坏电动机。故而希 望在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现 恒磁通变频调速，这样，调速时才能保持 电动机的最大转矩不变。12121313 （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。1414 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

9、电压的大小通过改变输出脉冲的占空 比来进行调制。 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。1515 3. 按直流环节的储能方式分（对交直交）: (1)电流型 直流环节的储能元件是电感线圈LF,如图所 示。 (2)电压型 直流环节的储能元件是电容器CF,如图所示 。1616（四）交-交与交-直-交变频器 4.1交-交变频器工作原理 4.2交-直-交变频器工作原理 4.3交-交与交-直-交变频器的比较1717交交变频u交交变频电路，也称周波变流器u 把电网频率的交流电变成可调频率 的交流电的变流电路，属于直接变频 电路。u 广泛用于大功率交流电动机调速传 动系统，实际

10、使用的主要是三相输出 交交变频电路。（由三组输出电压相位 各差120的单相交交变频电路组成）。1818 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 1919 三相输入单相输出的交交变频电路由P组和N组反 并联的晶闸管变流电路构成，其结构如图1(a)所示 . 结合图1(a)，下面分析三相输入单相输出的交交变 频电路的工作原理： P组工作时，负载电流io为正；N组工作时，io为负 ；两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到 该频率的交流电；改变切换频率，就可改变输出频 率wo；改变变流电路的控制角 ，就可以改变交流 输出电压幅值；为使uo波形接近正弦，可按正弦规 律对 角进

11、行调制，在半个周期内让P组 角按正 弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个 控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至 最高，再减到零。uo由若干段电源电压拼接而成， 在uo一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波 形就越接近正弦波如图1(b)。 2020 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。2121 交-直-交变频器主电路 目前，通用型变频器绝大多数是交直 交型变频器，通常尤以电压器变频器为通 用，其主电路图（见图1.1），它是变频器 的核心电路，由整流电路（交直交换） ，直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路 （直交变换）组成。22222323 一、交直变

12、换部分 1、VD1VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。 2、滤波电容器CF作用： （1）滤除全波整流后的电压纹波； （2）当负载变化时，使直流电压保持平衡。 因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个 电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中 的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每 组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。 3、限流电阻RL和开关SL RL作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作 用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击 电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。 SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短

13、路 。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。 4、电源指示HL 作用：除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电 后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能进行拆线等操作 ）。2424 二、能耗电路部分 1、制动电阻RB 变频器在频率下降的过程中，将处于再 生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF 中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危 险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能 量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都 有外接端子（如DB，DB）。 2、制动单元VB 由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其 作用是为放电电流IB流经RB提供通路。2525 三、直交变换部分 1、逆变管V1V6 组成逆变桥，把

14、VD1VD6整流的直流电逆 变为交流电。这是变频器的核心部分。 2、续流二极管VD7VD12 作用：（1）电机是感性负载，其电流中有无 功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”； （2）频率下降，电机处于再生制动状态时， 再生电流通过VD7VD12整流后返回给直流电路 ； （3）V1V6逆变过程中，同一桥臂的两个 逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相 过程中，也需要VD7VD12提供通路。2626 四、缓冲电路 缓冲电路如图2所示。2727 逆变管在导通和判断的瞬间，其电压和电流的变化率是比 较大的，可能全逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁边 还要接入缓冲电路，其作用就是减缓电压和电流

15、的变化率 。 1、C01C06 逆变管V1V6每次由导通到截止的判断瞬间，集电 极C和发射极E间的电压将迅速地由0V上升为直流电压UD 。过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。C01C06的 作用就是减小逆变管由导通到截止时过高的电压增长率， 防止逆变损坏。 2、R01R06 逆变管V1V6由导通到截止的瞬间，C01C06所充 的电压（等于UD）将V1V6放电。此放电电流的初值很 大，并且叠加在负载电流上，导致逆变管的损坏。R01 R06的作用就是限制逆变管在导通瞬间C01C06的放电 电流。 3、VD01VD06 R01R06的接入，又会影响到C01C06在V1V6 关断时减小电压增长率的效果。VD01VD06接入后，在 V1V6关断过程中，使R01R06不起作用；而在V1 V6接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01 R06。 2828 交-直-交变频器控制电路 控制电路由运算电路、检测电路、控制信 号的输入/输出电路和驱动电路等构成，其 主要任务是完成对逆变器的开关控制、对 整流器的电压控制以及各种保护功能等， 可采用模拟控制或数字控制。 高性能的变压器目前已采用嵌入式微型计 算机进行数字控制，采用尽可能的硬件电 路，主要靠软件来完成各种功能。2929 按照不同的控制方式