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1、2-1 变频器的发展及应用2-2 变频器的组成原理一、变频器的概述 直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标，因此，在过去很长时期内，调速传动领域大多为直流电动机调速系统。 如今，由于全控型电力电子器件（如BJT、IGBT）的发展、SWPM专用集成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算机的应用，使得交流调速的性能获得极大的提高，在许多方面已经可以取代直流调速系统，特别是各类通用变频器的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流。目人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合
2、器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。二、二、 变频器的发展变频器的发展 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直
3、指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。流电动机调速系统所垄断。 直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。 1. 1.直流电动机与交流电动机的比较直流电动机与交流电动机的比较 交流电动机的优点交流电动机的优点 容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；结构简单、造价低；坚固耐用，事故率低，容易维受限制；结构简单、造价低；坚固耐用，事故率低，容易维护。护
4、。 6060年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统（包括不属变频方案管变频器的笼型异步电动机调速系统（包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统）等先后实现了实的绕线转子异步电动机的串级调速系统）等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调速的主流。用化，使变频调速开始成为交流调速的主流。 2. 2. 通用变
5、频器的发展通用变频器的发展 此后的此后的2020多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。异的进步。 这种进步，突出表现在：这种进步，突出表现在： （1 1）变频装置的大容量化）变频装置的大容量化 对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。造上都已十分困难。 为了适应大容量的高压电动机，
6、采用直接高压型为了适应大容量的高压电动机，采用直接高压型PWMPWM变变频器来控制高压电动机，发展较迅速。频器来控制高压电动机，发展较迅速。 （2 2）主开关器件的自关断化）主开关器件的自关断化 近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速，其中速，其中“门极关断晶闸管（门极关断晶闸管（GTOGTO）、双极晶体管（）、双极晶体管（BJTBJT）/ /电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）、绝缘栅双极型晶体管（）、绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）”的发的发展最快，实用化的程度也最高。展最快，实用化的程度也最高。 采用自关断器件省去了线路复杂
7、、体积较大的强迫换采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，既可以减小装置体积，又降低了开关损耗提高了相电路，既可以减小装置体积，又降低了开关损耗提高了效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可采用效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可采用PWMPWM控制，控制，既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功率因数。优点是很多的。善功率因数。优点是很多的。 据统计，目前变频器中的开关器件，容量为据统计，目前变频器中的开关器件，容量为 1500kW1500kW以以下的采用下的采用IGBTIGBT；100010007500kW7
8、500kW的采用的采用GTOGTO。 （3）变频装置的高性能化装置的高性能化早期的早期的变频调速系速系统，基本上是采用，基本上是采用U/F控制，无法得到快速的控制，无法得到快速的转矩响矩响应，低速特性也不，低速特性也不好（好（负载能力差）。能力差）。1971年德国西年德国西门子公司子公司发明了所明了所谓“矢矢量控制量控制”技技术。一改。一改过去去传统方式中方式中仅对交流交流电量的量量的量值（电压、电流、流、频率的量率的量值）进行控制行控制的方法，的方法，实现了在控制量了在控制量值的同的同时也控制其相位也控制其相位的新控制思想。使用坐的新控制思想。使用坐标变换的的办法，法，实现定子定子电流的磁流
9、的磁场分量和分量和转矩分量的解耦控制，可以使矩分量的解耦控制，可以使交流交流电动机像直流机像直流电动机一机一样具有良好的具有良好的调速性速性能。能。 （4）PWM技技术的的应用用PWM：（：（Pulse Width Modulation）脉）脉宽调制技制技术。自关断器件的自关断器件的发展展为PWM技技术铺平了道路。平了道路。目前几乎所有的目前几乎所有的变频调速装置都采用速装置都采用这一技一技术。PWM技技术用于用于变频器的控制，可以改善器的控制，可以改善变频器的器的输出波形，降低出波形，降低电动机的机的谐波波损耗，并耗，并减小减小转矩脉矩脉动，同，同时还简化了逆化了逆变器的器的结构，加构，加快
10、了快了调节速度，提高了系速度，提高了系统的的动态响响应性能。性能。PWM技技术除了用于逆除了用于逆变器的控制，器的控制，还用于整流器的控制。用于整流器的控制。PWM整流器整流器现已开已开发成功，成功，利用它可以利用它可以实现输入入电流正弦和流正弦和电网功率因数网功率因数为1。人人们称称PWM整流器是整流器是对电网无网无污染的染的“绿色色”交交流器。流器。三、变频器的组成与分类三、变频器的组成与分类1、变频器的基本器的基本组成成变频器由主器由主电路（整流器、中路（整流器、中间直流直流环节（中（中间直流直流储能能环节）、逆）、逆变器）和控制器）和控制电路路组成。成。2、变频器的基本分器的基本分类变
11、频器器总体分体分为“交交-交交变频器器”与与“交交-直直-交交变频器器”两两种：种： 交交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节中间直流储能环节”、或、或“中间滤波环节中间滤波环节”），来自电网的交流），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接式变电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接式变频器。频器。 交交-直直-交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过自电网的交流电变换为直
12、流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接式变频逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接式变频器。器。 交交-直直-交变频器（间接式变频器）可按不同角度进行如下分类：交变频器（间接式变频器）可按不同角度进行如下分类：按直流电源的性质分类按直流电源的性质分类 交交- -直直- -交变频器中间直流环节是电容性还是电感性，可交变频器中间直流环节是电容性还是电感性，可以将其划分为电压（源）型或电流（源）型。以将其划分为电压（源）型或电流（源）型。 当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间
13、将有无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中间直电源之间将有无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。电压型变频器和电流型变频器两大类。 电流型变频器主电路的典型构成方式如图。其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。图图 电流型变频器的主电路电流型变频器的主电路电流型变频器电流型变频器 “电流型变频器电流型变频器”的名称由来：的名称由来： 由于电感的作用，直流电流由于电感的作用，直流电流IdId趋于平稳，电动机的电趋于平稳，电动机的电
14、流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。直流电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或电流型变频器。电流型变频器。 优点：优点： 电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备，只要利用馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备，只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角网侧的不可逆变流器改
15、变其输出电压极性（控制角a900a900）即可。即可。 应用场合：应用场合： 电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。 电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图所示。电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图所示。其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。 变频器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个变频器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个不控器件（二极管）反并联组成。晶闸管不控器件（二极管）反并联组成。晶闸管VT1
16、VT1VT6VT6称为主称为主开关器件，开关器件，VD1VD1VD6VD6称为回馈二极管。称为回馈二极管。 电路的特点是，中间直流环节的储能元件采用大电容，电路的特点是，中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲负载的无功功率将由它来缓冲。电压型变频器电压型变频器图图 电压型变频器的主电路电压型变频器的主电路 “电压型变频器电压型变频器”的名称由来的名称由来： 由于大电容的作用，主电路直流电压由于大电容的作用，主电路直流电压EdEd比较平稳，电比较平稳，电动机端的电压为方波或阶梯波，电流波形与负载的阻抗角动机端的电压为方波或阶梯波，电流波形与负载的阻抗角有关。直流电源内阻比较
17、小，相当于电压源，故称为电压有关。直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压源型变频器或电压型变频器。源型变频器或电压型变频器。 按输出电压调节方式分类按输出电压调节方式分类 变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两以保证电动机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式：种方式： PAMPAM：脉冲幅值调节（：脉冲幅值调节（Pulse Amplitude ModulationPulse Amplitude Modulation） PWMPWM：脉冲宽度调制（：脉冲宽度调制（Pulse
18、Width ModulationPulse Width Modulation） 脉冲幅值调节方式是通过改变直流电压的幅值进行调脉冲幅值调节方式是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。压的方式。 在在PAM变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压流电压Ed去实现去实现。 （1）相控整流器：可控整流器调压、逆变器调频。（图2-14）图图 电压型变频器的主电路电压型变频器的主电路 （2）直流斩波器：二极管整流、斩波器调压、逆变器调频。（图2-15）图图 采用直
19、流斩波器的采用直流斩波器的PAMPAM方式方式 交一直一交变频器主电路四、变频器的基本原理四、变频器的基本原理以单相相桥式逆式逆变电路路为例说明最基本的工作原理图 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合合时，负载电压uo为负。直流电交流电逆逆变电路路最最基基本本的的工工作作原原理理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电电阻阻负负载载时，负载电流i
20、 io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻阻感感负负载载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同。换流流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路,应用最广的是三相三相桥式逆式逆变电路路图 三相电压型桥式逆变电路基本工作方式180导电方式方式图图 电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 。任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流纵向换流。波形分析负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。负载线电压负载相电压图图 电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3
