变频技术部分讲义电器仪表.docx

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变频技术部分讲义电器仪表

炼化装置骨干培训班（变频技术部分）讲义

第一部分UPS电源基础知识

第一章UPS电源概述及基本工作原理

一、不间断电源概况

1、什么是UPS电源

UPS是UninterruptiblePowerSystem的缩写，即不间断电源系统。

2、UPS的基本工作原理

UPS是一种利用整流原理，先将市电交流转换为直流电，对蓄电池充电储存电能，同时利用逆变原理将直流电转变成交流电的供电系统。

当市电交流停电时，利用蓄电池的电能为负载供电，从而达到不间断供电的目的。

对于在线式（online）UPS电源来说，当市电电网供电正常时，它是首先将市电交流电源变成直流电源，然后UPS电源中的逆变器在机内的脉宽调制（PWM）控制信号的作用下将直流电源在逆变器中变成被功率放大的脉宽调制驱动电源信号，再经逆变器的输出滤波器重新变成我们所需要的正弦波电源来向用户供电。

按照现有的UPS电源制造技术，UPS电源的逆变器可以向用户提供稳压精度高（220伏土l％／380伏土l％）、稳频（50Hz／60Hz0.01～0.001％）、波形失真度小（<3％）和无干扰的瞬态响应特性很好的高质量的正弦波电源。

在线式UPS电源的典型瞬态响应特性为：

当UPS电源的输出端承受到100％的加载或减载时，它的输出电压波动不但小于土5％，而且这种瞬态电压波动可在20毫秒（50Hz电源的一个周波）内恢复到它的正常稳压电压值。

这样一来，原来存在于市电电网上电压幅度不稳、频率飘移、波形畸变及噪音干扰等不利因素都随着市电交流．电源被整流滤波成直流电源而被全部解决了。

显然，这种高质量的交流电源是十分有利于用户设备维持正常工作的。

当市电供电中断时；UPS电源中的逆变器利用机内的蓄电池所提供的直流电源来维持正常工作。

由于这时并不存在市电供电逆变器转换操作动作，它的转换时间当然为零。

因此．，只要不发生UPS电源因蓄电池被长时间放电而出现电池电压过低自动关机状态，UPS电源可以一直向用户提供高质量的无任何时间中断的正弦波电源，它与市电供电中断与否毫无关系。

所以，从某种意义上讲，我们可以把一台在线式UPS电源看成为一台静止式（无任何机械动作）的高性能发电机组。

二、UPS电源的基本构成

一台设计良好的UPS电源应包括如下部分：

（1）交流输入滤波回路及整流回路；

（2）蓄电池及充电回路；

（3）PWM脉冲宽度调制型的逆变器；

（4）各种保护（过流和限流，过压，空载保护，电池电压过低，电池极性和交流极性检测）电路及相关指示灯和喇叭；

（5）交流市电供电与UPS逆变器供电之间的自动切换装置及与它相配套的锁相同步电路和静态开关装置。

（6）逻辑控制回路。

近年来利用微处理芯片作UPS电源中关键部件的工作状态的监控控制系统已被广泛采用。

三、UPS的分类

、按输出波形分类可分为方波输出和正弦波输出两大类。

、按操作方式分类可分为在线式和后备式。

第二章UPS电源基本电路分析

交—直—交变频器的主电路

交—直—交变频器的主电路如图所示。

一、交—直部分

整流管VD1～VD6组成三相整流桥，将三相交流电全波整流成直流电。

如果电源的线电压为UL，则三相全UD的大小是

UD=1.35UL

我国三相电源的线电压为380V，全波整流后的电压为

UD＝1.35×380V＝513V

1．滤波电容器CF的功能

（1）、滤平全波整流后的电压纹波；

（2）、当负载变化时，使直流电压保持平稳。

由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，CF1、CF2，另外，CF1、CF2的离散值较大，为了使UD1和VD2两端的电压相等，并联一个均压电阻RC1和RC2。

2．限流电阻RL与开SL

当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器CF的充电电流是很大的。

过大的冲击电流将可能使三项整流桥的二极管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。

为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路中串入限流电阻RL，将CF的充电电流限制在允许的范围内。

3．电源指示HL

HL除了表示电源是否接通以外，还个十分重要的功能，在变频器切断电源后，表示滤波电CF上的电荷是否已经释放完毕。

由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时往长达数分钟。

又由于CF上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。

在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。

二、直－交部分

1．逆变管V1～V6

Vl～V6组成逆变桥，把VDl~VD6流所得的直流电再“逆变”成频率可调的交流电。

这是变频器实现变频的具体执行环节，是变频器的核心部分。

当前常用的逆变管有绝缘栅双扳型晶体管（IGBT），电力晶

体管（GTR）、门极关断（GTO）晶闸管以及电力MOS场效应晶体管（MOSFET）等。

2．续流二极管VD7～VD12

、电动机的绕组是电感性的，电流具有无功分量。

VD7～VD12为无功电流返回直流电源时提供通道。

（2）、当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD7～VD12整流后返回给直流电路。

（3）、Vl～V6进行逆变的基本工作过程是，同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和截止的状态。

在这交替导通和截止的换相过程中，，也不时地需要VD7～VD12提供通路。

逆变桥的工作原理

三、单相逆变桥

1、电路结构

如图所示，由4个逆变管V1～V4构成。

A、B为电源端，输入直流电压UD；a、b为输出端，输出交变电压。

2、工作原理

（1）、设定输出电压的正方向规定当a端为“+”、b端为

“—”时，输出电压Uab为“+”；反之，当a端为“—”、b端为

“十”时，输出电压Uab为“—”。

（2）、各逆变管的控制信号．如图中V1～V4的信号输入端旁的波形所示。

由图可知，控制信号为矩形波。

（3）、逆变过程

1）、在前半周期，控制信号使V1、V4导通，V2、V3截止。

这时，输出端的电压Uab的特点是

极性：

a为“十”、b为“—”，为“+”

振幅：

Um＝UD

2）、在后半周期，控制信号令V1、V4截止，V2、V3导通。

这时，输出电压Uab的特点是

极性：

a为“—”、b为“+”，Uab为“—”

振幅：

Um＝UD，．

如此周而复始地交替下去，则a、b两端输出的便是交流电压Uab了，其波形如图b所示。

由图可知，Uab是方波。

四、三相逆变桥

1．电路结构与工况

三相逆变桥的电路结构如图所示。

各管的信号输入端旁，．画出了各自的控制信号。

A、B为直流电源端，U、V、W为逆变桥的输出端。

在每个周期中，各逆变管的工作情况如图所示。

图中阴影部分为各逆变管的导通时间。

2、逆变桥的输出线电压

（1）、U、V之间（uUV）

1）、在t1、t2时间内，Vl、V4同时导通U为“+”、V为“—”，UUV为“十”，且Um=UD。

2）在t4～t5，时间内，V2、V3同时导通，U为“—”、V为“+”，UUV为“—”，Um＝UD。

（2）、V、W之间（UVW）

1）、在t3～t4时间内，V3、V6同时导通，V为“+”W为“—”，UVW为“+”Um=UD

2）在t6～t1时间内V4、V5同时导通，V为“—”、W为“+”UVW为“－”Um=UD

（3）W、U之间（UWU）

1）、在t5～t6时间内，V5、V2同时导通，W为“十”、U为“—”，UWU为“+”，Um=UD。

2）、在t2～t3时间内，V1、V6同时导通，W为“－”、U为“＋”，UWU为“－”，Um=UD。

UUV、UVW、UWU的波形如图所示。

由图可知三者之间的相位互差1200，它们的振幅值都与直流电压UD相等。

可见，只要按照千定的规律来控制六个逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电；而逆变后的屯流频率，则可以在上述导通规律不变的前提下，通过改变控制信号的变化周期来进行调节。

五、脉宽调制技术

1、概述

脉宽调制（PulseWidthModulation——PWM）。

控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波状，所获得的输出平滑且低次谐波少。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。

图示的是电压型交一直一交型变频电路。

为了使输出电压和输出频率都到控制，变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成

，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路来改变输出频率。

这种PWM型变频电路的主要特点为：

1）、可以得到相当接近正弦波的输出电压；

2）、整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数；

3）、电路结构简单；

4）、通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应。

基于上述原因，在自关断器件出现并成熟后，PWM控制技术获得了很快的发展，已成为电力电子技术中一个重要的组成部分。

2、PWM方法与控制技术

、PWM控制的基本原理

在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指该环节的输出响应波形基本相同。

如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

脉冲越窄，输出的差异越小。

把图所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半彼看成由，N个彼此相连的脉冲所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π／N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图所示的脉冲序列，这就是PWM波形。

可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。

根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM，波形。

像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。

在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。

因此在图示的交一直一交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。

根据上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。

按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值等变化时，结果都要变化。

较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。

一般采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制电路中开关器件有通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。

当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

这种情况使用最广，当调制信号不是正弦波时，也能得到与调制信号等效的PWM波形。

控制V4或V3通断的方法如图示，载波UC在信号波UR的正半周为正极性的三角彼，在负半周为负极性的三角：

波。

调制信号UR为正弦波。

在UC和UR的交点时刻控制晶体管V3或V4的通断，在UR的正半周，V1保持导通当UR>UC时，使V4导通，负载电压U0=UD。

i叽，”当URUC时，使V3关断，U0=0；这样，就得到了SPWM波形

第三章UPS中的蓄电池

蓄电池概述

目前在．UPS不间断电源中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置，蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能而储存起来。

当市电供应中断时，UPS电源将依靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作。

此时，蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给UPS电源使用，因此蓄电池是一种可逆电池。

目前在中小型UPS电源中被广泛使用的是所谓无需维护的密封式铅酸蓄电池，它的价格比较贵。

一般大约占UPS电源总生产成本的1／4～2／5左右。

在返修的UPS电源中，由于蓄电池故障而引起UPS电源不能正常工作的比例大约占l／3左右，对于长延时（4或8小时）UPS电源而言，蓄电池的成本甚至超过UPS电源主机的成本。

由此可见，正确地使用维护好蓄电池组，这对延长蓄电池使用寿命并非小事，不能掉以轻心。

如果维护使用正确，蓄电池的寿命一般可达3～5年。

德国阳光牌，A400系列dryfit蓄电池，在20℃环境条件下，使用寿命可达10年左右。

一、蓄电池的工作原理

近年来，多采用密封型铅酸电池，这一技术使定期补水的时间间隔延长到五年以上。

当电池组被充电时，在阳极就产生水被电离分解的电化学反应为：

H2O→2H++½O2↑+2e—

新生成的氧气在电场作用下移向电池组的阴极，氧气在阴极催化剂的作用下，首先在阴极形成氧气层而被吸附，随后产生氧气在催化剂的作用下，重新与氢结合生成水的一系列化学反应，随着电化学反应的不断进行，在蓄电池阴极上，将积累越来越多的负电荷，这样蓄电池组就被逐步充电了。

Pb+½O2→PbO

PbO+H2SO→PbSO4+H2O

PbSO4+2H++2e→Pb+H2SO4

在理想的工作状态下，它可维持蓄电池的电解液中水的含量保护不变。

为了使得电池内部的这种气体阴极吸收方式能够充分进行，它要求在电解过程中．水的电解分解反应要尽可能地进行得缓慢些，还要求电池内部的阳极、阴极及中间隔离板的结构必须易于气体透过和传输。

因此，要想提高电池的使用寿命，必须严格遵循充电电流不得超过电池所允许的最大充电电流的规定。

过大的充电电流会导致蓄电池使用寿命的缩短。

目前常用的小型．UPS电源中的蓄电池的规格特性见表l—3（a）和表l—3㈤．）o，

1、初充电方式

新的蓄电池在安装完毕后，一般要进行一次较长时间的充电，这叫做初充电，蓄电池的初充电电流大小应按说明书规定值，或按额定容量l／10的电流来进行初充电。

蓄电池在放电终了后可进行再充电，这叫正常充电；正常充电时，最好采用分级定流充电方式。

即在充电初期用较大电流，充电一定时间后，改用较小电流，至充电后期改用更小电流。

这种充电方法的充电效率较高，它所需充电时间较短，充电效果也好，并且对延长电池寿命有利。

2、连续浮充电方式

浮充式是指充电器和蓄电池以并联方式连接供电的运行方式，在浮充过程中，负载电流全部由充电整流器供给，蓄电池只接受充电整流器部分小电流补充局部放电的消耗，蓄电池对负载不输出任何能量，只起平滑滤波作用。

当负荷突增时，蓄电池还可立即提供很大的放电电流，利于UPS的瞬态响应特性，这也是UPS的正常工作方式。

3、均衡充电方式

均衡充电也叫过充电。

蓄电池组在正常使用过程中会产生电解液液面位置、比重、温度、各电池单元的端电压、电池内阻等变化引起的不均衡情况，这种不均衡会导致电池组输出电压过低或电池组内阻过大，严重时有导致蓄电池组无法再次充电使用的危险。

为了防止这种蓄电池的不均衡的不断加剧，在一定时间内对电池组的每个单元进行均衡充电，使每个单元都达到均衡一致的良好状态。

在进行这种操作时所用的充电电压就叫做电池的均充电压。

在对电池进行均充操作时，其充电电流大小必须严格遵循产品说明书要求，否则会大大降低蓄电池的使用寿命。

一般在遇到下述情况之一时，应及时对蓄电池进行均衡充电。

、过量放电使端电压低于蓄电池规定的终了电压。

对12V的小型密封式铅酸蓄电池来说，其放电终了电压＝10.5V；对24V的蓄电池组其终了电压＝21V；对96V的蓄电池组其终了电压＝85V。

、放电后未及时对电池进行过充电的电池。

、市电中断后，连续浮充电池放出近一半容量的电池。

应该指出，电池可释放的容量是与使用条件密切相关的。

这里所说的电池容量是指电池实际可供使用容量，它并非一定是电池组的额定容量值的一半。

、长期闲置不用的电池或蓄电池内阻明显增大的电池。

应该注意：

若蓄电池内部电解液液面过低或者甚至干涸时，则不能通过均衡充电操作来使电池复活。

这时只有重新更换电池或重换电解液才能解决。

此外，目前在市场可供用户选择的免维护密封电池的型号还有：

额定输出电压为2伏的品种有：

85，100，150，200，250，300，500，1000安时。

额定输出电压为4伏的品种有：

8安时。

额定输出电压为6伏的品种有：

2，6，4，8，10安时

额定输出电压为12伏的品种有：

6，6.5，24，30，50，80，100，150安时。

二、蓄电池的放电

1、蓄电池的20小时放电速率

目前UPS电源中所用的小型铅酸电池的典型容量规格为：

12V，6AH／20HR。

它表明该电池输出电压为12V。

其标称容量为6安时，这一指标是指把该电池组置于以20小时的速率的条件下进行放电，一直放电到电池组输出电压为10.5V时，所测量得到的总安培小时数来计量的。

NP型小型密封铅酸电池的放电特性见图所示。

图中的符号“C”代表蓄电池的放电速率。

蓄电池以“1C”的速率放电，就意味着该蓄电池的放电电流以等于该蓄电池的额定容量的绝对值进行放电。

例如：

对于一个额定容量为24AH的蓄电池若以“1C”速率放电其放电电流应为24安培。

三、蓄电池的使用维护及注意事项

为了使UPS电源所用的M型密封电池的实际可供使用容量尽可能地保持不下降及保持蓄电池的充放电特性不致随时间增长而明显恶化，延长电池组的使用寿命。

在UPS电源的日常使用中，应注意以下事项：

（1）尽量避免使UPS电源中的蓄电池被过电流充电。

因为过度充电易于造成电池内部的正负极板的弯曲和使极板表面上的活性物质脱落。

其后果轻时造成蓄电池可供使用容量下降，严重时会损坏电池。

（2）尽量避免使UPS电源内部的蓄电池产生短路放电或过度放电。

过度放电会造成蓄电池内部极板表面的硫酸盐化，其结果是导致蓄电池的内阻增大。

严重时，甚至会使个别电池产生“反极”现象和电池的永久性损坏。

（3）尽量避免使UPS电源中蓄电池被过电压充电（对于M，型密封电池而言，当充电电压大于14伏时，就应该认为是属于过压充电范围了）。

过压充电往往会造成M型电池中的电解液所含的水被大量电解分离成氢和氧气而逸出。

从而导致电池使用寿命的缩短。

（4）尽量避免使UPS电源内部的蓄电池长期闲置不用或使蓄电池长期处于浮充状态而不放电。

因为这样有可能造成UPS电源内部的蓄电池因超过其储存寿命而引起内阻增大或永久性损坏。

实践发现：

随UPS电源使用时间的增长，总有部分电池的充放电特性会逐渐变坏，即进入恶化状态。

这种变化趋势在后备式UPS电源及部分在线式UPS电源中尤其明显。

这是因为在这种类型UPS电源中所用的蓄电池充电回路是属于恒电压截止型充电电路，加之在后备式UPS电源中，电池组长期处于浮充状态。

经过一段时间运行后，常发现蓄电池的内阻增大，电池组中个别电池的端电压明显下降。

大量实践表明：

这种电池性能的恶化趋势是不可能再依靠UPS电源内部的充电电路来解决的。

第二部分变频技术原理与应用

概述

1、什么是变频技术？

变频技术是一种保持电能不变，而将其频率改变的一种技术。

简单的说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再把直流电变成不同频率的交流电。

2、变频技术的类型主要有以下几种

、交—直变频技术（整流技术）

通过二极管整流、续流或晶闸管、可控硅实现交—直功率转换，多属于工频整流。

、直—直变流技术（斩波技术）

通过改变电力电子器件的通断时间来改变脉冲频率（定宽变频），或改变脉冲的宽度（定频调宽），从而达到调节直流平均电压地目的。

、直—交变流技术（逆变技术）

逆变器利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电如果输出的交流电频率、相位、幅值与输入的交流电相同，称为有源变频技术，否则称为无源变频技术。

、交—交变频技术（移相技术）

通过控制电力电子器件通断时间，实现交流无触点开关、调压、调光、调速等目的。

3、变频技术的发展

随着电力电子器件的发展，变频技术日新月异。

其中应用最广泛的是变频器，将向着高频化、高集成化、高可靠性、低成本的方向发展。

第一章变频器的预备知识

1.1电力拖动系统的工作要点

1.1.1电力拖动系统的构成

由电动机带动生产机械运转的系统，称为电力拖动系统，其基本构成如图所示

1．生产机械是电力拖动系统的服务对象。

对电力拖动系统工作情况的评价，将首先取决于对生产机械的要求是否得到了充分的满足。

2．电动机及其控制系统用于产生拖动生产机械的原动力，决定系统的运行速度。

这是电力拖动系统的主要研究对象。

3．传动机构用于将电动机的转矩传递给生产机械，带动生产机械一起转动。

大多数传动机构都具有变速功能，或在一定范围内进行有级调速。

常见的传动机构有带与带轮、齿轮变速箱、蜗轮与蜗杆和联轴器等。

1.1.2电力拖动系统的稳定运行状态

描述电力拖动系统运行状态的基本物理量是：

1．转速n这是电力拖动系统的工作目标。

事实上，电力拖动系统的根本任务就是根据生产需要，使生产机械在一定的转速下运行。

2．转矩T这是拖动系统得以转动的原因。

对于电动机来说，它是原动力。

由于电动机的转矩是由电流和磁场间相互作用而得的，故称为电磁转矩，用TM表示。

对于负载来说，在大多数情况下呈现为阻转矩，用TL表示。

此外，还有各种损耗转矩；如摩擦转矩、风阻转矩等。

损耗转矩笼统地用T0表示。

为简便起见，在大多数情况下，将T0忽略不计。

当电力拖动系统处于稳定运行状态时，其主要特点是：

（1）系统稳定在某一转速下做等速运行；

（2）系统的各转矩间处于平衡状态。

TM=TL+T0≈TL

稳定运行状态简称为稳态运行，是电动机的电磁转矩克服了各种阻转矩后，使系统在某一转速下作等速运行的状态。

接着要讨论的问题是：

（1）电力拖动系统究竟稳定在多大的转速下运行?

（2）如果转矩之间不平衡，将会出现什么现象?

1.1.3电动机和负载的机械特性

机械特性是用来描述电动机负载的转矩和转速之间关系的一种特性图。

1．机械特性的概念

在他励直流电动机里，电磁转矩与转速之间的关系是，转速降低→电枢绕组的反电动势减小→电枢电流增大→电磁转矩加大。

即：

转速下降，将导致电磁转矩的增大。

在鼓风机里，叶片上的空气阻力所形成的阻转矩大体上与转速的二次方成正比，

TL≈KTnL2

式中KT—比例常数；nL—鼓风机的转速。

即转速低时，叶片上的阻力甚小，而转速升高时，阻转矩将增加得很快。

注意：

不论是电动机的电磁转矩，还是负载的阻转矩，其大小都取决于转速，是转速的函数。

但在电力拖动系统中，人们的思考过程变成：

负载的阻转矩增大→为了保持系统正常工作所需要的电动机的电磁转矩也增大→转速必然下降。

就是说，对应于某一个