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1、1,2018/9/19,通用变频器原理及应用,2,2018/9/19,学习情境2：变频器的结构、原理分析-2,学习情境2：变频器的结构、原理分析-2,知识目标：1、了解矢量控制变频器基本原理；2、认识通用变频器在采用不同分类方法的各类型变频器的特性；3、掌握通用变频器的基本结构、原理；4、掌握通用变频器的SPWM控制的实现和优势。,能力目标：1、掌握IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统组成。2、掌握SPWM、矢量调制方式下V/F曲线测定方法。,4,2018/9/19,2.4 通用变频器中的逆变器及其PWM控制,前言：,脉宽调制（PWM）变频的设计思想，源于通信系统中的载波调制技术。PWM变
2、频器的应用，为近代变频技术开辟了新的发展领域，目前PWM已成为现代变频器产品的主导设计思想。本节主要讲解“二极管整流器-IGBT逆变器”构成的“交-直-交变压变频电路”。,5,2018/9/19,2.4.1 PWM电路的组成,由“二极管整流器-IGBT逆变器”构成的“交-直-交变压变频电路”的原理图如图2-21所示。,图2-21 交-直-交变压变频电路的原理图,6,2018/9/19,在交-直-交变压变频器中，又可分为电流源型和电压源型。电流源型的变频器如图2-22 a所示,电压源型的变频器如图2-22 b所示。,图2-22 电流型变频器和电压型变频器 a) 电流型变频器 b) 电压型变频器,
3、7,2018/9/19,2.4.2 PWM电路的工作原理,为使分析简明起见，我们将以单相逆变器来分析电路的工作原理。图2-23为一单相IGBT-PWM(电压型)交流变压变频电路的原理图（图中二极管整流器部分未画出）。主电路V1V4为IGBT开关管，VD1VD4为续流二极管，ZL为负载，RG1RG4为IGBT栅极限流电阻，C为大容量电容器。图中四个IGBT开关管，以V1与V4为一组，V2与V3为另一组，若使两组开关管依次轮流通、断，则在负载上流过的将是正、反向交替的交流电流，从而实现了将直流电变换成交流电的要求。,图2-23 单相IGBT-SPWM(电压型)交流变压变频电路原理图,8,2018/
4、9/19,2.4.3 SPWM脉宽调制原理,PWM脉宽调制的方式很多：由调制脉冲(调制波)的极性可分为单极性和双极性；由参考信号和载波信号的频率关系可分为同步调制方式和异步调制方式。参考信号为正弦波的脉冲宽度调制叫做正弦波脉冲宽度调制（SPWM）。,9,2018/9/19,单极性脉宽调制的特征是：参考信号和载波信号都为单极性的信号。如图2-24、2-25所示。,图2-24 单极性单相SPWM调制波形分析（1）,1单极性脉宽调制,10,2018/9/19,图2-25 单极性单相SPWM调制波形分析（2） a) 正弦波 b) SPWM波,11,2018/9/19,可见，输出的调制波是幅值不变、等距
5、但不等宽的脉冲序列。SPWM调制波的脉冲宽度基本上呈正弦分布，其各脉冲在单位时间内的平均值的包络线接近于正弦波，其调制波频率越高，谐波分量越小。如图2-26所示。,图2-26 单极性单相SPWM调制波形分析（3）,12,2018/9/19,双极性脉宽调制方式的特征是：参考信号和载波信号均为双极性信号。在双极性SPWM方式中，参考信号为对称可调频、调幅的单相或三相正弦波，由于参考信号本身具有正负半周，无需反向器进行正负半波控制。双极性SPWM的调制规律相对简单，且不需分正负半周。仍以单相为例，双极性SPWM的调制规律如图2-27所示：,2. 双极性脉宽调制,13,2018/9/19,图2-27
6、双极性单相SPWM波形分析（1） a) 信号波与载波的比较 b) 双极性SPWM波形,14,2018/9/19,图2-28 双极性三相SPWM波形分析（2）,15,2018/9/19,图2-29 双极性三相SPWM波形分析（3）,16,2018/9/19, 结论：经过对uC和uT的逐点比较，可得到如图2-27所示的调制波形。此波形的特点是：1) 在每半周中，电压的极性有正、有负，所以它是双极性的。2) 它的波形是等幅值、中心线等距离的正、负方波；对应的参考信号(正弦波)瞬时值较大的点，则正、负方波脉冲宽度的差值愈大（在零点处，正、负方波脉冲的宽度将相等），因此，这是调制波。,17,2018/9
7、/19,3) 调制波的基波与参考信号波是同频率的正弦波，而且它的幅值也取决于参考信号波的幅值。4) 综上所述，改变参考信号电压的频率，即可改变逆变器输出基波的频率(频率可调范围一般为0400Hz)；改变参考信号电压的幅值，便可改变输出基波的幅值。5）载波信号的频率比较高(可达15kHz以上)，在负载电感(如电动机绕组的电感)的滤波作用下，可以获得与正弦基波基本相同的正弦电流。采用SPWM控制，逆变器相当一个可控的功率放大器。,18,2018/9/19,2.5 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统,2.5.1 采用模拟电路的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图,模拟式IGBT-S
8、PWM-VVVF交流调速系统原理框图如图2-30所示。系统主电路为由三相二极管整流器-IGBT逆变器组成的电压型变频电路。供电对象为三相异步电动机。IGBT采用专用驱动模块驱动。SPWM发成电路的主体是，由正弦波发生器产生的正弦信号波，与三角波发生器产生的载波，通过比较器比较后，产生正弦脉宽调制波（SPWM波）。以上这此部件的工作原理已在前面中做了介绍，现对其它环节做一简单说明。,19,2018/9/19,图2-30 模拟式IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图,20,2018/9/19,1给定环节S1为正、反运转选择开关。电位器 RP1调节正向转速；RP2调节反向转速。S2为起动、
9、停止开关，停车时，将输入端接地，防止干扰信号侵入。,2给定积分电路它的主体是一个具有限幅的积分环节，以将正、负阶跃信号，转换成上升和下降、斜率均可调的，具有限幅的，正、负斜坡信号。正斜坡信号将使起动过程变得平稳，实现软起动，同时也减小了起动时的过大的冲击电流。负斜坡信号将使停车过程变得平稳。,21,2018/9/19,3U/f函数发生器U/f函数发生器是一个带限幅的斜坡信号发生器。U/f函数发生器其输出特性如图2-31所示：,图2-31 U/f函数发生器其输出特性,22,2018/9/19,因为SPWM波的基波频率取决于正弦信号波的频率，SPWM的基波的幅值取决于在弦信号波的幅值。U/f函数发
10、生器的功能就是在基频以下，产生一个与频率f1成正比的电压，作为正弦信号波幅值的给定信号，以实现恒压频比（U/f恒量）的控制。在基频以上，则使U为一恒量，以实现恒压（弱磁升速）控制。,23,2018/9/19,4开通延时器它是使待导通的IGBT管在换相时稍作延时后再驱动（待桥臂上另一IGBT完全关断。这是为了防止桥臂上的两个IGBT管在换相时，一只没有完全关断而另一只却又导通形成同时导通，造成短路。,5其他环节此系统还设有过电压、过电流等保护环节以及电源、显示、报警等辅助环节（图中未画出）但此系统未设转速负反馈环节，因此是一个转速开环控制系统。,24,2018/9/19, 综上所述，模拟式IGB
11、T-SPWM-VVVF交流调速系统的工作过程大致如下： 由给定信号(给出转向及转速大小) 起动(或停止)信号 给定积分器(实现平稳起动、减小起动电流) U/f函数发生器(基频以下，恒磁恒压频比控制；基频以上，恒压弱磁升速控制) SPWM控制电路(由体现给定频率和给定幅值的正弦信号波与三角波载波比较后产生SPWM波) 驱动电路模块 主电路(IGBT管三相逆变电路) 三相异步电动机(实现了VVVF调速)。,25,2018/9/19,2.5.2 单片微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图,单片微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图如图2-32所示。此系统的特点
12、是采用单片微机来进行控制，主要通过软件来实现变压变频控制、SPWM控制和发出各种保护指令（包含着上例中各单元的功能）。SPWM发生器可采用专用的集成电路芯片，也可由微机的软件来实现。,26,2018/9/19,图2-32 单片微机控制的IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图,27,2018/9/19,1. 限流电阻R0和短接开关S由于中间直流电路并联着容量很大的电容器，在突加电源时，电源通过二极管整流桥对电容充电（突加电压时，电容相当于短路），会产生很大的冲击电流，使元器件损坏。为此在充电回路上，设置电阻R0（或电抗器）来限制电流。待电源合上，起动过渡过程结束以后，为避免R0上继续消
13、耗电能，可延时以自动开关S将R0短接。,28,2018/9/19,2. 电压检检测与泵升限制当异步电动机减速制动时，它相当一个感应发电机，由于二极管不能反向导通，电动机将通过续流二极管向电容器充电，使电容C的电压随着充电而不断升高（称泵升电压），这样的高电压将使元器件损坏。为此，在主电路设置了电压检测电路，当电压过高时，通过泵升限制保护环节，使开关管Vb导通，使电机制动时释放的电能在电阻Rb上消耗掉。,29,2018/9/19,3进线电抗器由于整流桥后面接有一个容量很大的电容，在整流时，只有当整流电压大于电容电压时，才会有电流，造成电流断续，这样电源供给整流电路的电流中会含有较多的谐波成分，对
14、电源造成不良影响（使电压波形畸变，变压器和线路损耗增加），因此在进线处增设进线电抗器Lin。,4温度检测主要是检测IGBT管壳的温度，当通过电流过大，壳温过高时，微机将发出指令，通过驱动电路，使IGBT管迅速截止。,30,2018/9/19,5电流检测由于此系统未设转速负反馈环节，所以通过在交流侧（或直流侧）检测到的电流信号，来间接反映负载的大小，使控制器（微机）能根据负载的大小，对电动机因负载而引起的转速变化，给予一定的补偿。此外，电流检测环节还用于电流过载保护。以上这些环节，在其他类似的系统（如上例所示的系统）中，也都可以采用。,31,2018/9/19,2.6 矢量控制变频器原理简介,前
15、言：,前述的U/f控制类型的通用变频器，其控制方式是建立在异步电机静态数学模型基础上的，动态性能不高。为适应高动态性能的需要，常采用矢量控制方式。交流变频调速的矢量变换控制，涉及电机数学模型的等效变换，其中很多的数学运算将超出本课程的基本要求。因此，这里主要从物理过程上说明矢量控制 VC（Vector Control）的基本思路及其框架结构。,32,2018/9/19,2.6.1 矢量控制的基本思想,前面我们讨论的VVVF交流调速系统解决了异步电动机平滑调速的问题，使系统能够满足许多工业应用的要求，特别对中、小功率的交流调速系统。然而，其调速后的静、动态性能仍无法与直流双闭环调速系统相比。原因
16、在于：他励直流电动机的“励磁电路(If)”和“电枢电路（T=CTIa）”是互相独立的，影响电磁转矩T的控制量If 和Ia是相互独立的，也可以说是自然解偶的。电枢电流Ia的变化并不影响磁场，因此可以用控制电枢电流Ia的大小，去控制电磁转矩。,33,2018/9/19,而异步电动机的“励磁电流”和“负载电流”（转子电流通过电磁耦合，在定子电路中增加的电流）都在定子电路内（定子电流为励磁电流与转子电流折合过来的“负载电流”之和），彼此相互叠加，其电流、电压、磁通和电磁转矩各量是相互关联的，而且属于强耦合状态，从而使交流异步电动机的控制问题变得相当复杂。如果能对异步电动机中的“励磁电流”和“负载电流”分别加以控制，那么，其调速性能就可以和直流电动机相媲美了。这就是矢量控制的基本思想。,34,2018/9/19,异步电动机的矢量控制的目的：就是仿照直流电机的控制方式，利用坐标变换的手段，把交流电动机的定子电流分解为磁场分量电流（相当励磁电流）和转矩分量电流（相当负载电流）分别加以控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。,
