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1、第 8 章 变频装置 28.1 综述 28.1.1 变频器的分类 28.1.2 交直交变频器的分类 38.2 低压通用变频器 48.2.1 工作原理 48.2.2正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器58.2.2.1 工作原理 58.2.2.2 SPWM 逆变器的调制方式78.3 高压变频器 88.4 高压变频器的典型结构88.4.1 高低高”型变频器 88.4.2 功率器件串联型变频器98.4.3 多重化变频器108.4.3.1 单元串联多重化型变频器 108.4.3.2 变压器耦合输出型变频器 118.4.4 多电平变频器128.4.4.1 二极管钳位式多电平逆变器 128.5 金陵电厂高压变频
2、装置138.5.1 凝结水泵变频调速原理148.5.2 凝结水泵变频装置运行148.5.3 凝结水泵变频装置系统参数 15第8章 变频装置8.1 综述变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 是运动 控制系统中的功率变换装置。 交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向， 随着新型大 功率半导体器件的推出，控制理论不断发展，微电子技术不断完善，各种通用的和高性能的交流传 动控制系统相继诞生，多种交流调速技术已趋于成熟，变频器的控制精度和动态特性也趋于完善。变频器主要用于交流电动机转速的调节，是公认的交流电动机最理想的、最有前途的调速方案，除了 具有卓越
3、的调速性能之外，变频器还具有显著地节能作用，是企业技术改造、产品更新换代的理想调速装 置。自 20 世纪 80 年代被引进我国以来，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。在电力、纺织、与化纤、建材、石油、化工、冶金、市政、造纸等行业以 及公共工程（中央空调、供水等）中，变频器都发挥着重要的作用。在我国的发电能源构成中，火电占70%以上，而火力发电厂虽然是电能的生产者，其厂用电却又是电 能的消耗者，特别是拖动大容量风机、水泵类辅机的高压厂用电动机的耗电量要占厂用电的80%左右。随 着厂网分开，发电企业市场化程度加剧，电厂的发电煤耗、厂用电率的高低
4、直接关系到电厂的经济效益和 竞争力，更关系到是否节能的大问题。因此，提高风机、水泵类辅机的节能效果即可显著地降低厂用电率， 减少发电成本。8.1.1 变频器的分类结构上看，变频装置可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交流电源通过直流环节 的变频装置。直接变频装置则将工频交流一次换成可控制的交流，没有中间直流环节。目前应用较多的还 是间接变频装置。间接变频装置根据结构的不同，按照控制方式的不同，它又可以分成三种，如图中8-2（a）、（b）、（e）所 示。图8-1 间接变频装置结构图（交直交变频）1、用可控整流器变压、逆变器变频的交一直一交变频装置(图8-2 (a),调压和调频分别在
5、两个环 节上进行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置结构简单、控制方便。但是，由于输入环节采用可控 整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较小；输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器 (每周换流六次)，输出谐波较大。这是这类变频装置的主要缺点。2、用不控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交一直一交变频装置(图8-2 (b)。整流环节采 用二极管不控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输入因数高，克服了图 8-2(a)装置的第一个缺点。输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。3、用不控整流器整流、PWM逆变器同时变压变频的交一直一交变频装置(图8-2 (c)用不
6、控整流， 则功率因数高；用PWM逆变，则谐波可以减少。这样，图8-2(a)装置的两个缺点都解决了。谐波能够 减小的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。如果仍采用普通晶闸管，开关频率比 六拍逆变器也高不了多少。只有采用可控关断的全控式器件以后，开关频率才得以大大提高，输出波形几 乎可以得到非常逼真的正弦波，因此又称正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器，它是当前最有前途的一种结构 形式。直接变频装置的结构见图8-3。它只用一个变换环节就可以把恒压恒频的交流电源变换成VVVF电源， 因此又称周波变换器(cycloConverter)。交交变频图8-3 直接变频装置结构图8.1.2 交直
7、交变频器的分类根据变频器的性质，又可分为电压源和电流源变频器两类。1、电压源变频器 对于间接变频器，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想的情况下 是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这叫做电压源变频器或称电压型变频器见图 8-4( a )。逆逆U变变器器(a)电压源变频器(b)电流源变频器图8-4 间接变频装置2、电流源变频器当间接变频器的中间环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较平直，对负载来说基本上是 一个恒流源，输出交流电流是矩形或阶梯波，这叫做电流源变频器见图8-4 (b),或称电流型变频器。对于变频调速系统来说，由于异步电动机属
8、于感性负载，无论它处于电动还是发电状态，功率因数都 不会等于 1.0，故在中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子开关无 法储能，所以无功能量只能靠直流环节中的储能元件(电压源变频器中的电容器或电流源变频器中的电抗器) 来缓冲。因此也可以说，电压源和电流源变频器的主要区别在于不同的储能元件来缓冲无功功率。8.2 低压通用变频器一般电压等级低于 690V 的可调输出频率交流电机驱动装置，就归类为低压变频器。低压变频 器一般为电压源型变频器。其典型的结构图如图 8-5 所示。图8-5 低压变频器结构图8.2.1 工作原理变频器的整流侧采用六脉波二极管整流桥，当某一对二极
9、管导通时，交流侧线电压向电容充电，也向 负载供电，当没有二极管导通时，电容向负载放电。整流侧输出为直流电压。变频器输入电网电流谐波次 数主要为 6k1 次。变频器逆变侧采用 SPWM 逆变技术，由三相正弦调制波和三角载波相比较产生触发信号，使逆变侧 IGBT 按一定的规律导通，输出基波频率和幅值均可调制的电压波形。逆变器输出电压的基波分量可由幅 值调制因数m控制，频率可以由频率调制因数m控制。afVm = aVcrfm = cr式中V和V分别为调制波和载波的峰值，/和/分别为调制波和载波的频率。m cr cr m8.2.2正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器1964年，德国的A.Schonung等
10、提出了脉宽调制变频的思想，并推厂应用于交流变频，为交流调速系 统开辟了新的发展领域，图8-6示出了变频器的原理图。由图可知，这仍是一个间接变频装置，只是整流 器是不可控的，它的输出电压经电容滤波(附加小电感限流)后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器上。 控制逆变器中的功率开关器件导通或断开，其输出端即获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，而决定开关 器件动作顺序和时间分配规律的控制方法称脉宽调制方法。在这里，通过改变矩形脉宽的宽度，可以控制 逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期，可以控制其输出频率，从而在逆变器上可同时进行 输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求
11、。图 8-6 的电路主要有以下特点： 主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构； 使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于1； 逆变器在调频的同时实现调压，而与中间环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应； 输出波形好，能抑制或限制低次谐波，使负载电机可在接近正弦波的交变电压下运行转矩脉动小， 大大扩展了传动系统的调速范围，并提高了系统的性能。图8-6 SPWM间接变频器原理图8.2.2.1 工作原理tut图8-7 等效于正弦波的等幅矩形脉冲序列波(a)正弦波：(b)等效的SPWM波形SPWM逆变器，就是期望其输出电压是纯粹的正弦波。为此，可以把一个正弦波分成N等份
12、，如图8-7 (a)所示，图中N =12；然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高 矩形脉冲来代替，矩形脉冲中点与正弦波每一等份的中点重合，如图8-7 (b)所示。这样由N个等幅不等 宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。负半周用同样的方法等效。由图8-7 (b)可以看到，等效的SPWM哥各脉冲的幅值相等，所以逆变器可以由恒定的直流电源供 电。采用不可控整流就可以达到目的。利用“脉宽调制”的概念，选用三角波作为载波，正弦波作调制波。因为等腰三角波是上下宽度线性 对称变化的波形，当它与正弦曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可获得一组等幅而脉冲 宽度
13、正比于该曲线函数数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需求的结果。主电路控制电路图8-8 SPWM变频器电路原理图(a)单极式SPWM输岀相电压双极式SPWM输出相电压图8-9 SPWM 脉冲序列图8-8(a)是SPWM变频器的主电路。图中VT1vT6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二 极管反并联接，整个逆变器由三个整流器提供的恒值直流电压供电。图8-8(b)是它的控制电路，一组三相 对称的正弦参考电压信号“U、U、U ”由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频 ra rb rc 率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可以在一定的范围内变换，以决定输出电压的 大小。三
14、角波载波信号“U ”是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出， t产生SPWM脉冲序列波U、U、U，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。da db dc控制方式可以是单极式，也可以是双极式。采用单极式控制时，在正弦波的半个周期内，每相只有一 个开关器件开通或关断。采用双极式控制时，在同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方 式。其输出波形如图8-9 所示。由图 8-9 可见，输出相电压波形是等幅不等宽两侧窄中间宽的脉冲，输出基波电压的大小和频率，是 通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的。8.2.2.2 SPWM 逆变器的调制方式载波的频率f与调制波频率f
15、之比为载波比N,即N 厶。根据载波比的变化，分为同步调制与异trfr步调制。1. 同步调制在同步调制方式中，N=常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步变化，因而逆变器输出 电压半波内的矩形脉冲数是不变的。如果取N等于3倍数，则同步调制能保证逆变器输出波形的正、负半 波始终保持对称，并严格保证三相输出波形间具有互差 120的对称关系。但是，当输出频率很低时，由 于相邻二两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大的脉动矩和较强的噪音。这是同步 调制方式的主要缺点。2. 异步调制 为了消除同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。顾名思义，在异步调制中，在逆变器的整个变频范围内，载波比 N 是不等于常数的。一般在改变参考信号频率 f 时保持三角载波频率关不变，因而提高r 了低频时的载波比。这样逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数，可随输出频率的降低而增加，相应地可减 小负载电机的转矩脉动与噪音，改善了低频时的工作特性。3. 分段同步调制 在一定频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，又采纳了异步调制的长处。这就是分段同步调制
