变频器技术全套课件361P.docx

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变频器技术全套课件361P

变频器技术（全套课件361P）

第一章通用变频器的基本工作原理第1章通用变频器的基本工作原理§1.1交-直-交变频器的基本工作原理

§1.2交-交变频器的工作原理§1.3变频器的分类§1.4通用变频器的面板结构§1.5通用变频器的接线端子第一章通用变频器的基本工作原理第1章通用变频器的基本工作原理

变频器的功能就是将频率、电压都固定的交流电源变

成频率、电压都连续可调的三相交流电源。

按照变换环节

有无直流环节可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。

§1.1交-直-交变频器的基本工作原理交-直-交变频器就是先把频率、电压都固定的交流电

整流成直流电,再把直流电逆变成频率、电压都连续可调

的三相交流电源。

由于把直流电逆变成交流电的环节比较

容易控制,并且在电动机变频后的特性方面比其它方法具

有明显的优势,所以通用变频器一般采用交-直-交变频

器。

第一章通用变频器的基本工作原理1.1.1交-直-交变频器的主电路交-直-交变频器的主电路如图所示。

+

VT1VT3VT5

Z

A

A

三

相Z

B

B

O

电

U

d

源

Z

C

C

VT4VT6VT2

-

整流电路滤波电路逆变电路

变频器的主电路第一章通用变频器的基本工作原理

1、整流电路?

?

交-直部分整流电路通常由二极管或可控硅构成的桥式电路组成。

根

据输入电源的不同,分为单相桥式整流电路和三相桥式整流

电路。

我国常用的小功率的变频器多数为单相220V输入,较

大功率的变频器多数为三相380V（线电压）输入。

由二极管构成的桥式整流电路的输出电压的平均值U不变,

d

而由可控硅构成的桥式整流电路的输出电压的平均值U连续

d

可调。

第一章通用变频器的基本工作原理2、中间环节?

?

滤波电路根据贮能元件不同,可分为电容滤波和电感滤波两种。

由

于电容两端的电压不能突变,流过电感的电流不能突变,所

以用电容滤波就构成电压源型变频器,用电感滤波就构成电

流源型变频器。

3、逆变电路――直-交部分逆变电路是交-直-交变频器的核心部分,其中6个三极

管按其导通顺序分别用VT1~VT6表示,与三极管反向并联

的二极管起续流作用。

按每个三极管的导通电角度又分为120°导通型和180°导通

型两种类型。

第一章通用变频器的基本工作原理

（1）120°导电型负载Z接成Y型（见右

图）,给6个三极管的基极

加上合适的控制电压,使其

按下表的要求导通,设三相

负载完全对称,即Z=Z=

ABZ=Z,并设逆变器的换相

C

在瞬间完成,忽略功率器件

的管压降。

第一章通用变频器的基本工作原理

（1）120°导电型在0°~60°范围内VT、VT导通,其等效电路如图所示。

16

U

由图可以求得:

d

UUAAO

2

U

d

UU?

BBO

2

UU0

CCO根据U、U、U可以求得各

ABC

UU

线电压:

dd

U?

U-U?

?

U

ABABd

22

UU

dd

U?

U-U0?

BCBC

22

UU

dd

U?

U-U0

CACA

22第一章通用变频器的基本工作原理在60°~120°范围内VT、VT导通,其等效电路如图所示。

12

由图可以求得:

U

d

U?

UAAO

2

U?

U?

0

BBO

U

d

U?

U?

CCO

2根据U、U、U可以求得各线电压:

ABC

UU

dd

U?

U-U?

0ABAB

22

UU

dd

U?

U-U?

0?

BCBC

22

UU

dd

U?

U-U?

U

CACAd

22第一章通用变频器的基本工作原理同理,可以求得其它各范围的相电压和线电压,根据这些

电压可以画出相电压和线电压的波形图如图所示。

UU

ABd第一章通用变频器的基本工作原理

U

d

UU?

BCCA

2若把负载Z接成△型

（见右图）,6个三极管仍

按上述的要求导通。

则在

0°~60°范围内VT1、VT6

导通的等效电路如右下图

所示。

由图可以求得线电

压为:

U?

U

ABd

U

d

U?

U?

BCCA

2第一章通用变频器的基本工作原理同理,可以求得其它各范围的线电压,画出线电

压的波形图如下图所示:

第一章通用变频器的基本工作原理

（2）180°导通型若把负载Z按右图接

成Y型,6个三极管按

下表的要求导通180°,

则在各范围内都有3个

三极管同时导通。

第一章通用变频器的基本工作原理在0°~60°范围内VT1、VT5、

VT6导通,其等效电路如图1.1.8所

示。

由图可以求得相电压为:

1

UUUU

ACAOd

3

2

UU?

U

BBOd

3根据UA、UB、UC可以求得各线电压:

12

U?

U?

UU?

U?

U

ABABddd

33

21

U?

U-U?

UU?

U

BCBCddd

33

11

U?

U-UUU?

0

CACAdd

33第一章通用变频器的基本工作原理同理,可以求得其它各范围的相电压和线电压,根据这

些电压可以画出相电压和线电压的波形图如图所示。

第一章通用变频器的基本工作原理若把负载Z接成△型,6个三极管仍按上述要求导通180°,

读者可自行分析负载两端的电压波形,不再赘述。

由上述可以看到,逆变电路的输出电压为阶梯波,虽然

不是正弦波,却是彼此相差120°的交流电压,即实现了从

直流电到交流电的逆变。

输出电压的频率取决于逆变器开

关器件的切换频率,达到了变频的目的。

实际逆变电路除了基本元件三极管和续流二极管外,还

有保护半导体元件的缓冲电路,三极管也可以用门极可关

断晶闸管代替。

第一章通用变频器的基本工作原理

1.1.2SPWM控制技术原理我们期望通用变频器的输出电压波形是纯粹的正弦

波形,但就目前技术而言,还不能制造功率大、体积小、

输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆

变器。

目前技术很容易实现的一种方法是:

逆变器的输

出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,这些波型

与正弦波等效。

第一章通用变频器的基本工作原理

u

δδ

δ

1t

2

Usinωt

m

ωt

θθθ

12tn

单极式SPWM电压波形第一章通用变频器的基本工作原理

等效的原则是每一区间的面积相等。

如果把一个正弦半

波分作n等份（图中n等于12,实际n要大得多）,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

的矩形脉冲来代替,脉冲幅值不变,宽度为δt,各脉冲的中

点与正弦波每一等份的中点重合。

这样,有n个等幅不等宽的

矩形脉冲组成的波形就与正弦波的正半周等效,称为SPWM

（SinusoidalPulseWidthModulation?

?

正弦波脉冲宽度调制）

波形。

同样,正弦波的负半周也可以用同样的方法与一系列

负脉冲等效。

这种正、负半周分别用正、负半周等效的

SPWM波形称为单极式SPWM波形。

第一章通用变频器的基本工作原理虽然SPWM电压波形与正弦波相差甚远,但由于

变频器的负载是电感性负载电动机,而流过电感的电

流是不能突变的,当把调制频率为几kHz的SPWM电

压波形加到电动机时,其电流波形就是比较好的正弦

波了。

第一章通用变频器的基本工作原理1.1.3通用变频器电压与频率的关系U为了充分利用电机铁

额定电压

心,发挥电机转矩的最

L

佳性能,适合各种不同

种类的负载,通用变频

n

器电压与频率之间的关

P

系如右图所示。

f

基频

电压与频率之间的关系第一章通用变频器的基本工作原理

1、基频以下调速

在基频（额定频率）以下调速,电压和频率同时变化,但变化

的曲线不同,需要在使用变频器时,根据负载的性质设定。

（1）曲线n对于曲线n,U/f常数,属于恒压频比控制方式,适合于恒

转矩负载。

（2）曲线L曲线L也适合于恒转矩负载,但频率为零时,电压不为零,

在电机并联使用或某些特殊电机选用曲线L。

（3）曲线P曲线P适合于可变转矩负载,主要用于泵类负载和风机负载。

第一章通用变频器的基本工作原理

2、基频以上调速在基频以上调速时,频率可以从基频往上增高,但电

压U却始终保持为额定电压,输出功率基本保持不变。

所

以,在基频以上变频调速属于恒功率调速。

由此可见,通用变频器属于变压变频VVVF装置,其

中VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的缩写。

这是通用变频器工作的最基本方式,也是设计变频器时所

满足的最基本要求。

第一章通用变频器的基本工作原理

§1.2交-交变频器的工作原理交-交变频器是指无直流中间环节,直接将电网固定频

率的恒压恒频（CVCF）交流电源变换成变压变频（VVVF）

交流电源的变频器,因此称之为“直接”变压变频器或交-交

变频器,亦称周波变换器（Cycloconverter）。

1.2.1交-交变频器的基本原理在有源逆变电路中,若采用两组反向并联的可控整流电

路,适当控制各组可控硅的关断与导通,就可以在负载上得

到电压极性和大小都改变的直流电压。

若再适当控制正反两

组可控硅的切换频率,在负载两端就能得到交变的输出电压,

从而实现交-交直接变频。

第一章通用变频器的基本工作原理单相输出的交-交变频器如图所示。

它实质上是一套

三相桥式无环流反并联的可逆装置。

正、反向两组晶阐

管按一定周期相互切换。

正向组工作时,反向组关断,

在负载上得到正向电压;反向组工作时,正向组关断,

在负载上得到反向电压。

工作晶阐管的关断通过交流电

源的自然换相来实现。

这样,在负载上就获得了交变的

输出电压uo。

第一章通用变频器的基本工作原理要得到正弦波输出,就必须在每一组整流器导通期间不断改

变其控制角。

例如,在正向组导通的半个周期中,使控制角α按

一定规律从π/2（对应于平均电压Uo0）逐渐减小到0（对应于平

均电压U最大）,然后再逐渐增加到π/2,即使α在π/2~0~π

o

/2之间变化,则整流的平均输出电压U就由0变到最大值再变到0,

o

呈正弦规律变化,输出端接有电感负载的交-交变频器的输出电

压和电流波形见下图:

第一章通用变频器的基本工作原理从上图可见,一个周期的波形可以分为6段。

1u>0,i<0,变频器工作于第二象限,反向组逆变。

oo2电流过0,无环流“死时”。

3u>0,i>0,变频器工作于第一象限,正向组整流。

oo4u<0,i>0变频器工作于第四象限,正向组逆变。

oo5电流过0,无环流“死时”。

6u<0,i<0,变频器工作于第三象限,反向组整流。

oo输出电压和电流之间的位相差由负载性质决定。

如果<π/2,能量从电网流向负载;如果>π/2,能量从负?

载流向电网;对于电阻性负载0,负载功率因数cos1,

输出电压、电流同相,第1及第4区域不存在。

对于三相输出的交-交变频器,其它两相也各用一套反

并联的可逆装置,三相输出平均电压的相位依次相差2π/3。

第一章通用变频器的基本工作原理

1.2.2运行方式交-交变频器的运行方式分为无环流运行方式、自

然环流运行方式和局部环流运行方式。

1、无环流运行方式下图是无环流运行方式变频器原理图。

第一章通用变频器的基本工作原理采用无环流运行运行方式的优点是系统简单,成本较低。

缺点是决不允许两组整流器同时获得触发脉冲而形成环流,

因为环流的出现将造成电源短路。

因此,必须等到一组整流

器的电流完全消失后,另一组整流器才允许导通。

切换延时

是必不可少的,而且延时较长。

一般情况下这种结构能提供

的输出电压的最高频率只是电网频率的三分之一或更低。

输出的交流电流是由正向桥和反向桥轮换提供,在进行

换桥时,由于普通晶闸管在触发脉冲消失且正向电流完全停

止后,还需要10~50μs的时间才能够恢复正向阻断能力,所

以在测得电流真正为零后,还需延时500~1500μs才允许另

一组晶闸管导通。

因此这种变频器提供的交流电流在过零时

必然存在着一小段死区。

延时时间愈长,产生环流的可能性

愈小,系统愈可靠,这种死区也愈长。

在死区期间电流等于0,

这段时间是无效时间。

第一章通用变频器的基本工作原理无环流控制的重要条件是准确而且迅速地检测出电

流过零信号。

不管主回路的工作电流是大是小,零电

流检测环节都必须能对主回路的电流作出正确的响应。

过去的零电流检测在输入侧使用交流电流互感器,在

输出侧使用直流电流互感器,它们都既能保证电流检

测的准确性,又能使主回路和控制回路之间得到可靠

的隔离。

近几年,由于光电隔离器件的发展和广泛应用,

已研制成由光电隔离器组成的零电流检测器,性能更

加可靠。

第一章通用变频器的基本工作原理

2、自然环流运行方式如果同时对两组整流器施加触发脉冲,正向组的触

发角α与反向组的触发角α之间保持α+απ,

PNPN

这种控制方式称为自然环流运行方式。

为限制环流,在

正、反向组间接有抑制环流的电抗器。

这种运行方式的

交-交变频器,除有因纹波电压瞬时值不同而引起的环流

外,还存在着环流电抗器在交流输出电流作用下引起的

“自感应环流。

如下页图所示。

图中忽略了因纹波电压引起的环流。

产生自感应环

流的根本原因是因为交-交变频器的输出电流是交流,其

上升和下降在环流电抗器上引起自感应电压,使两组的

自感应电压产生不平衡,从而构成两倍电流输出频率的

低次谐波脉动电流。

第一章通用变频器的基本工作原理

iIsint

iOOO

o

ωt

0

（a

II

OO

i?

sint

i

PO

P

22

（b

ωt

0

i

N

ωt

II

（c0OO

i?

sint

NO

自感应环流原理图

22

II

II

OO

OO

i?

sinti?

sint

COCO

（a输出电流

2222

i

C

ωt

（d

0

（b正组输出电流II

II

OO

（c负组输出电流

OO

i?

sint

i?

sint

PO

NO

22

22

（d自感应环流（e等效电路

iIsint

OOO

~负载~

（e

正组

负组第一章通用变频器的基本工作原理根据分析可知,自感应环流的平均值可达总电流平

均值的57%,这显然加重了整流器的负担。

因此,完

全不加控制的自然环流运行方式只能用于特定的场合。

由上图可见,自感应环流在交流输出电流靠近零点时

出现最大值,这对保持电流连续是有利的。

另外在有

环流运行方式中,负载电压为环流电抗器的中点电压。

由于两组输出电压瞬时值中一些谐波分量抵消了,故

输出电压的波形较好。

第一章通用变频器的基本工作原理

3、局部环流运行方式把无环流运行方式和有环流运行方式相结合,即在负载

电流有可能不连续时以有环流方式工作,而在负载电流连续

时以无环流方式工作。

这样的运行方式既可以使控制简化,

运行稳定,改善输出电压波形的畸变,又不至于使电流过大,

这就是局部环流运行方式的优点。

下页图是局部环流运行方式的控制方案简单原理图。

在

负载电流大于某一规定值时,只允许一组整流器工作,即无

环流运行,而在负载电流小于某一规定值（临界连续电流）

时,则使两组整流器同时工作,即有环流运行。

第一章通用变频器的基本工作原理第一章通用变频器的基本工作原理

1.2.3主电路形式交-交变频器主要用于大容量交流电动机调速,几

乎没有采用单相输入的,主要采用三相输入。

主回路有

三脉波零式电路（有18个晶闸管）、三脉波带中点三角

形负载电路（有12个晶闸管）、三脉波环路电路（有9

个晶闸管）、六脉波桥式电路（有36个晶闸管）、十二

脉波桥式电路等多种。

用的最多的是六脉波桥式电路,又分为分离负载桥

式电路和输出负载Y联结两种型式。

第一章通用变频器的基本工作原理第一章通用变频器的基本工作原理第一章通用变频器的基本工作原理

§1.3变频器的分类

1.3.1按变换的环节分类

1、交-交变频器直接将电网频率和电压都固定的交流电源变换成频率和

电压都连续可调的交流电源。

优点:

是没有中间环节,变换

效率高。

缺点:

是连续可调的频率范围比较窄,且只能在电

11

~网的固定频率以下变化。

一般为电网固定频率的,主

32要用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统中。

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

成频率连续可调的三相交流电。

交?

直?

交变频器频率调节范围宽,变换的环节容易实

现,目前广泛采用。

通用变频器一般都采用交?

直?

交方式。

第一章通用变频器的基本工作原理

1.3.2按直流环节的储能方式分类

1、电压源型变频器在交?

直?

交变压变频装置中,当中间直流环节采用大电

容滤波时,直流电压波形比较平直,在理想情况下是?

个内

阻抗为零的恒压源,叫做电压源型变频器,如图（a）所示。

2、电流源型变频器当交?

直?

交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤

波时,直流电流波形比较平直,对负载来说基本上是一个电

流源,输出交流电流是矩形波或阶梯波,这类变频装置叫做

电流源型变频器,如图（b）所示。

UU

R

R

CVV

S

S

WW

T

T

（a）电压源型变频器（b）电流源型变频器