變頻器及應用技術上海電機學院王侃夫變頻器及應用技術第2章變頻器主電路變頻變壓的實現

SPWM

交—直—交變頻器主電路矢量變頻控制變頻器的選型 變頻器及應用技術變頻變壓的實現一、變頻基本原理1.單相逆變橋原理a）單相逆變橋電路b）負載所得電壓波形變頻器及應用技術變頻變壓的實現2.變頻方法a）頻率較高b）頻率較低變頻器及應用技術變頻變壓的實現3.三相逆變橋a）三相逆變電路b）輸出電壓波形變頻器及應用技術變頻變壓的實現二、交－直－交變頻器1.組成框圖變頻器及應用技術變頻變壓的實現2.變壓方法在逆變器輸入端調節整流電壓，稱為脈幅調制PAM，逆變器只調節頻率。

可控整流，通過對觸發脈沖的相位控制獲得可調直流電壓。但電網側功率因數低，特別是低壓時更為嚴重。

不可控整流器整流，在直流環節增加斬波器以實現調壓，電網側的功率因數得到改善。變頻器及應用技術SPWM一、變壓又變頻的方法1.交—直—交a）電路框圖b）頻率較高c）頻率較低輸出電壓為方波，電流為正弦波（1）電壓型脈寬調制（PWM）（2）電流型輸出電壓為正弦波，電流為方波變頻器及應用技術SPWM串聯二極管式電流型變頻器主電路及電流波形2.電壓型正弦波脈寬調制（SPWM）變頻器及應用技術SPWM3.SPWM的實現（1）單極性調制a）頻率較高b）頻率較低采用三角波和正弦波相交獲得的PWM波形直接控制各個開關可以得到脈沖寬度和各脈沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓電壓，能獲得理想的控制效果，輸出電流近似正弦波。變頻器及應用技術SPWM（2）雙極性脈寬調制變頻器及應用技術SPWM二、控制芯片

DSP－電機控制專用CPUTI公司產品實時控制，快速處理數據同一機器周期同時處理多條指令

CPLD－大規模可編程邏輯陣列XILINX產品系統邏輯構成和保護電路簡化數字邏輯

MCU－單片機

ATMEL公司產品顯示與鍵盤

控制線路板變頻器及應用技術SPWM三、功率器件電機控制算法功率器件V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT計算機技術單片機DSPIGBT大容量IPM更高速率和容量如，矩陣式變頻器大功率傳動使用變頻器，體積大，價格高未來發展方向完美無諧波，PWM技術SPWM技術PWM優化新一代開關技術無速度矢量控制電流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP專用芯片2000年代超靜音變頻器開始流行解決了GTR噪聲問題變頻器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法優化更大容量更高開關頻率PWM技術空間電壓矢量調制技術變頻器體積縮小，開始在中小功率電機上使用變頻器及應用技術SPWMａ）逆變電路ｂ）電壓波形ｃ）電流波形串聯二極管式電流型變頻器主電路1.晶閘管（SCR）變頻器及應用技術SPWMａ）逆變電路ｂ）電壓波形ｃ）電流波形2.GTRGTR模塊（單橋）變頻器及應用技術SPWMａ）逆變電路ｂ）電壓波形ｃ）電流波形3.IGBT單管IGBT單橋IGBT模塊全橋IGBT模塊變頻器及應用技術SPWM變頻器及應用技術SPWM5.IGBT的驅動模塊C1C2EXB850教材P39圖1-38IGBT驅動電路過流保護過熱保護欠壓保護IPM（智能功率模塊）PIM（功率集成模塊）6.IPM模塊和PIM模塊變頻器及應用技術SPWM變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路主電路組成變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路1）整流電路的功能是把交流電源轉換成直流電源。三相線電壓為380V時，整流后峰值為電壓537V，平均電壓為515V，最高不能超過760V，整流器件一般采用整流二極管或模塊。2）整流橋與濾波電容之間，有Rs為充電（限流）電阻，當變頻器剛拉入電源的瞬間，將有一個很大的沖擊電流經整流橋流向濾波電容，使整流橋可能因此而受到損壞。如果電容量很大，不會使電源電壓瞬間下降而形成對電網的干擾；Ks為短路開關或晶閘管組成的并聯電路，充電電阻如長期接在電路內，會影響直流母線電壓UD和變頻器輸出電壓的大小。所以，當UD增大到一定程度時，Ks接通把Rs切出電路。Ks有用晶閘管也有用繼電器觸點構成。3）C1和C2應是并聯、串聯的電容器組，由于C1和C2的電容量不能完全相等（承受電壓較高一側電容器組容易損壞），因此并聯一個阻值相等的均壓電阻R1和R2，使得UD1、UD2電壓相等。整流與濾波變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路1）在變頻調速系統中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實現的。在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由于轉子慣性的原因，電動機的轉速未變，當同步轉速低于轉子轉速時，轉子繞組切割磁力線的方向相反了，轉子電流的相位幾乎改變180o，使電動機處于發電狀態，也稱為再生制動狀態。2）電動機再生的電能經續流二極管（D1～D6）全波整流后反饋到直流電路中，由于直流電路的電能無法回輸給電網，只能由C1和C2吸收，使直流電壓升高。過高的直流電壓將使變流器件受到損害。因此，直流電壓超過一定值時，就要提供一條放電回路。3）能耗電路由制動電阻RB和制動單元VB構成。當直流回路電壓UD超過規定值時，VB導通，使直流電壓通過RB釋放能量，降低直流電壓。而當UD在正常范圍內時VB截止，以避免不必要的能量損失。制動電路變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路1）逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，根據確定的時間相應功率開關器件導通和關斷，從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互相差120°的三相交流電壓。2）逆變電路由開關器件V1～V6構成，目前大部分使用IGBT管，最新技術是智能功率模塊IPM。3）續流電路由D1～D6組成。作用是為電動機繞組的無功電流提供返回通道；為再生電能反饋提供通道；為寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通道。4）緩沖電路。逆變管在截止和導通的瞬間，其電壓和電流的變化率是很大的，有可能使逆變管受到損傷。因此每個逆變管旁還應接入緩沖電路，以減緩電壓和電流的變化率。逆變電路變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路一、整流與濾波電路1．濾波電容要均壓整流橋變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路2．充電過程要限流合上電源時的充電過程a）直接充電b）加入限流電阻變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路3．直流電源指示為安全直流電路的電源指示變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路二、逆變電路1．逆變電路的結構與輸出電壓變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路2.功率管旁反并聯二極管電動機狀態時的電流路徑發電機狀態時的電流路徑變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路3.緩沖電路緩沖電路的主要作用是減小IGBT從飽和轉為截止時，C-E之間的電壓變化率。當VI1從飽和狀態轉為截止狀態時，C-E間的電壓將有接近于0迅速上升為直流電壓（≈513V），過高的電壓變化將使IGBT損壞。1）電容C1的作用。當VI1從飽和轉為截止時，C-E間電壓UCE的上升速率減緩。2）電阻R1的作用。當VI1從截止轉為飽和導通時，C1放電，RI可以減小放電電流。3）二極管VD1額作用。克服R1影響C1減緩電壓變化率的作用。變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路4.逆變橋輸出的禁忌（1）主電路的輸入、輸出不允許接錯a）電源接至輸出側b）接錯的后果變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路（2）輸出側不能接電容器適用于小功率（<5.5KW)適用于中大功率（5.5kW以上）變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路220V鍵盤控制板·5.主電路220V/380V鍵盤控制板適用于小功率（＜5.5kW）變頻器內部組成控制線路板逆變器輸出三相電源（U、V、W）線棒電網三相電源（R、S、T）接線端子U、V、W及接地等接線端子電流傳感器大功率晶體管模塊整流元件變頻器及應用技術交—直—交變頻器主電路正弦波脈寬調制（SPWM）著眼于對電壓進行控制，使輸出電壓盡可能等效成正弦波。實際上，對電動機電流的控制更為重要，電流跟蹤型PWM直接控制輸出電流，使之跟蹤正弦給定電流的變化。1.電流跟蹤型PWM（滯環電流跟蹤）在電流跟蹤型PWM方法中，將電流波形作為指令信號，將實際電流作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路相關功率開關器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號的變化。以U相為例，逆變電路U相上橋VT1導通、下橋VT4關斷時，電流上升。當實際電流上升到滯環上限時，U相下橋VT4導通、上橋VT1關斷，電流開始衰減；當電流達到滯環下限時，VT4關斷，VT1又導通，以次類推。以這樣的方式獲得的PWM使VT1和VT4通斷，實際電流在所設定的上下誤差范圍（滯環寬度）內變化，以跟蹤指令電流。滯環寬度（HB）M3~邏輯控制－＋R1R2－＋i*iVT1VT4＋Ud－U電流檢測電流指令電流反饋VccVT3VT2VT5VT6滯環比較器滯環上限滯環下限變頻器及應用技術SPWM四、PWM的其他方式2.空間矢量PWM（SVPWM）空間矢量PWM（SVPWM，Space-VectorPWM）是一種先進的、計算機高度介入的PWM方法，也是交流電動機變頻驅動PWM最好的方法。SPWM著眼于使輸出電壓盡可能等效于正弦波，而電流跟蹤型PWM直接控制輸出電流，使之跟蹤正弦給定電流。SVPWM則是以形成圓形旋轉磁場為控制目的，使三相對稱正弦電流在電動機定、轉子氣隙中形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的轉矩。在SPWM和電流跟蹤型PWM控制中，因為一個周期內逆變器的工作狀態只切換6次，因此，生成的驅動電源在電動機中產生的旋轉磁場為正六邊形的磁鏈軌跡，由此產生的轉矩肯定是脈動的。ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ在SVPWM中，逆變器的一個工作周期被劃分成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ六個扇區，每個扇區插入新的電壓矢量（圖中所示為4個電壓矢量），以獲得逼近圓形的旋轉磁場。這樣，就必須在逆變器每隔60°狀態切換之間附加功率開關器件通斷次數，從而獲得期望的PWM波形。在SVPWM中，因為涉及到矢量變換等復雜的計算，必須借助DSP（數字信號處理器）來完成。變頻器及應用技術SPWM一、矢量控制基本概念矢量控制理論上世紀70年代西門子公司工程師F.Blaschke首先提出，用來解決交流電動機控制問題。磁場定向原理：分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉距的目的。利用“等效”的概念，將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅度和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。變頻器及應用技術矢量變頻控制1.控制策略不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機的轉距。異步電動機上需同軸安裝編碼器，用于轉子角位移測量和轉速測量。矢量變頻器具有異步電動機參數自動檢測、辯識和自適應等功能。在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數進行辨識，并根據辨識結果調整控制算法中的有關參數，從而對異步電動機進行有效的矢量控制。變頻器及應用技術矢量變頻控制2.矢量控制的性能特點二、電動機參數的自動測量（1）電動機的銘牌數據——電壓、電流、轉速、磁極對數、效率等。（2）電動機的繞組數據——定子電阻、定子漏磁電抗、轉子等效電阻、轉子等效漏磁電抗、空載電流等。1．矢量控制需要的參數功能碼功能含義數據碼及含義T1—00電動機1∕2選擇1：電動機1；2：電動機2T1—01自動測量模式0：旋轉自測量；1：停止自測量T1—02電動機額定功率T1—03電動機額定電壓T1—04電動機額定電流T1—05電動機額定頻率T1—06電動機的磁極數T1—07電動機額定轉速T1—08自測量的脈沖數自動測量相關功能（安川CIMR—G7A）變頻器及應用技術矢量變頻控制2．自動測量的操作（1）旋轉自測量（相當于空載試驗）電動機脫離負載。變頻器通電，按下RUN鍵，先讓電動機停止1分鐘，再讓電動機旋轉1分鐘（轉速約為額定轉速的一半）。按下STOP鍵，中止自測量。（2）停止自測量（相當于堵轉試驗）電動機不脫離負載。變頻器通電，按下RUN鍵，讓電動機停止1分鐘。按下STOP鍵，中止自測量。變頻器及應用技術矢量變頻控制靜止三相交流繞組在三相交流繞組U、V、W中通入電流iU、iV、iW，產生合成磁動勢F，并以同步轉速ω1旋轉。在兩相靜止繞組α、β中通入電流iα、iβ，也可以產生大小和轉速相同的旋轉磁動勢F，則兩相繞組與三相繞組是等效的。從α、β軸變換到d、q軸需借助θ的運算。在以ω1旋轉的兩相繞組d、q中通入直流電流id、iq，則產生的磁動勢F與靜止三相和兩相繞組是等效的。其中，id相當于直流電動機中的勵磁電流，iq相當于與轉矩成正比的電樞電流。θ為α軸與d軸的夾角，隨時間而變化，通過檢測定子電壓、電流和轉速實時計算獲得。3.矢量等效變換WiβiααβdUViViwiUFω1ω1idiqisqω1θ靜止兩相交流繞組旋轉直流繞組3/2變換VR變換FFα變頻器及應用技術矢量變頻控制變頻器及應用技術矢量變頻控制4.矢量控制框圖三、有速度反饋/無速度反饋矢量控制變頻器及應用技術矢量變頻控制1.有速度反饋矢量控制a）有反饋矢量控制電路圖b）機械特性曲線簇變頻器及應用技術矢量變頻控制功能碼功能碼名稱數據碼及含義（或范圍）Fb．00編碼器每轉脈沖數0～9999p∕rFb．01編碼器旋轉方向0—正方向；1—反方向Fb．02編碼器斷線后處理方法0—以自由制動方式停機；1—切換為開環V∕F控制方式有反饋矢量控制的相關功能（艾默生TD3000）

為了滿足高精度轉速閉環控制及磁場定向的需要，常規的方法就是在電動機軸上安裝速度傳感器，如光電編碼器等。所謂無速度傳感器矢量控制是指取消調速系統中的速度檢測裝置，通過間接計算的方法求出電動機運行的實際轉速值作為轉速反饋信號。nUVW電流傳感器電壓傳感器iU、iV、iWuU、uV、uWM3~轉速推算器變頻器及應用技術矢量變頻控制2.有速度反饋矢量控制a）無反饋矢量控制示意圖b）機械特性曲線簇4、矢量變頻調速的適用范圍a）帶多臺電動機b）容量差兩檔以上c）8極以上d）特殊電機不宜采用的場合（1）矢量控制只能用于一臺變頻器控制一臺電動機的情況下。（2）電動機容量和變頻器要求的配用電動機容量之間，最多只能相差一個檔次。（3）磁極數一般以２、４、６極為宜。（4）特殊電動機不能使用矢量控制功能。變頻器及應用技術矢量變頻控制四、直接轉矩控制直接轉矩控制DTC（DirectTorqueControl）是繼矢量控制VC之后發展起來的另一種高動態性能的交流電動機變壓變頻調速系統，于1985年由德國M.Depnbrock首先提出來。直接轉矩控制是因為利用轉矩反饋直接控制電動機的電磁轉矩而得名。直接轉矩控制是建立在定子靜止兩相坐標基礎上的，采用定子磁場定向方法，這與矢量控制不同，矢量控制采用轉子磁場定向方法。直接轉矩控制在低速時轉矩有脈動現象，且調速范圍不夠寬。變頻器及應用技術矢量變頻控制變頻器及應用技術變頻器的選型一、變頻器容量的選擇1．電動機與變頻器額定電流的比較

電動機容量（ｋW）22.030.037.045.055.075.0

電動機額定電流

IMN（A）2ｐ＝242.256.970.483.9102.7140.12ｐ＝442.556.969.884.2102.5139.72ｐ＝644.659.572.085.4104.9142.42ｐ＝847.663.078.293.2112.1152.8

變頻器額定電流康沃45.060.075.091.0112.0150.0森蘭45.060.075.091.0115.0150.0英威騰45.060.075.090.0110.0150.0安邦信61.090.0150.0艾默生45.060.075.090.0110.0152.0三菱43.057.071.086.0110.0富士45.060.075.091.0112.0150.0安川G752.065.080.097.0128.0165.0ABB－80055.072.086.0103.0141.0166.0瓦薩CX48.060.075.090.0110.0150.0丹佛士44.061.073.090.0106.0147.0變頻器及應用技術變頻器的選型2．變頻器的額定電流與載波的關系

載波頻率/kHz46810121416額定電流/A62.058.955.849.643.437.231.0百分數（%）100959080706050西門子440系列變頻器不同載波頻率時的額定電流（22kW）載波頻率越高，電動機的電磁噪音越低，但電流降低，輸出轉矩減小，變頻器升溫。建議，變頻器容量≤7.5kW，載波頻率不大于7kHz，大功率不大于6kHz。變頻器及應用技術變頻器的選型1．變頻器容量和電動機負載的關系a）電動機發熱，變頻器跳閘b）電動機不發熱，變頻器不跳閘（1）變頻器的容量與電動機的運行電流無關。（2）加大變頻器的容量，可防止過電流跳閘。二、負載工況與變頻器容量的關系

變頻器及應用技術變頻器的選型a）連續不變負載b）連續變動負載c）斷續負載2.負載工況及溫升變頻器及應用技術變頻器的選型3．一臺變頻器帶多臺電動機

（1）多臺電動機同時起動和運行IN＞1.05～1.1×ΣIMN

變頻器及應用技術變頻器的選型（2）多臺電動機分別起動、制動

K1——安全系數。后起動電動機都從停止狀態起動時，K1=1.2；后起動電動機有可能從自由制動狀態下重新起動時，K1=1.5~2；K2——變頻器的過載能力，K2=1.5；IST——電動機起動電流，為額定電流的5~7倍。變頻器及應用技術變頻器的選型變頻器類別常見型號舉例主要特點通用變頻器普通型康沃：CVF－G1、G2森蘭：SB40、SB61安邦信：AMB－G7英威騰：INVT－G9時代：TVF2000只有V∕F控制方式，故：機械特性略“軟”；調速范圍較小；輕載時磁路容易飽和。高性能型康沃：CVF－V1森蘭：SB80英威騰：CHV臺達：VFD－A、B艾默生：VT3000富士：5000G11S安川：CIMR－G7ABB：ACS800A－B：PowerFlex700瓦薩：VACONNX丹佛士：VLT5000西門子：440具有矢量控制功能，故：機械特性“硬”；調速范圍大；不存在磁路飽和問題。如有轉速反饋，則：機械特性很“硬”；動態響應能力強；調速范圍很大；可進行四象限運行。專用變頻器風機水泵用康沃、富士、安川等：P系列森蘭：SB12三菱：FR－A140艾默生：TD2100西門子：430只有V∕F控制方式，但增加了節能功能；工頻的切換功能；睡眠和喚醒功能等。起重機械用三菱：FR241EABB：ACC600電梯用艾默生：TD3100安川：VS－676GL5注塑機用康沃：CVF－ZS∕ZC英威騰：INVT－ZS5∕ZS7張力控制用艾默生：TD3300三墾：SAMCO－vm05常見變頻器的類別及應用特點變頻器及應用技術變頻器的選型使用通用變頻器的行業和設備使用矢量變頻器的行業和設備紡織絕大多數設備紡織有張力控制場合需使用冶金輔助風機水泵、輥道、高爐卷揚冶金各種主軋線、飛剪石化用風機、泵