变频器工作原理.docx

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变频器工作原理

直流—>振汤电路—>变压器（隔离、变压）—>父流输出

方波信号发生器使直流以50Hz的频率突变，用正弦和准正弦的振荡器，波形类似于长城的

垛口，一上一下的方波，突变量约为5V;再经过信号放大器使突变量扩大至12V左右；经

变压器升压至220V输出

怎样将直流电转换成交流电？

有三种方法：

1、用直流电源带动直流电动机----机械传动到交流发电机发出交流电；这是一种最古老的方法，但现在仍有人在用，特点是成本低，易维护。

目前在大功率转换中还在使用。

2、用振荡器（就是目前市场上的逆变器）；这是比较先进的方法，成本高，多用于小功率变换；

3、机械振子变换器，其原理就是让直流电流断断续续，通过变压器后就能在变压器的次级输出交流电，这是一种比较老的方法，目前基本上已被淘汰。

现在日本发现一种有机物可以转换

2交流电是指电压或电流的幅值在0值附近震荡，也就是有正有负，方向会发生变化，而并

不一定是正弦的。

直流电也并不是恒定不变的，它的幅值也是可以变化的，但不会改变方向。

也就是说恒为正

或恒为负。

在逆变器中不能单独应用可控硅，它仅仅是起一个开关作用，必须要由振荡电路来控制可控

硅的开/关状态，得到方波形的交流电，再经变压、滤波，得到较纯的正弦波交流电。

UPS电源（UninterruptiblePowerSystem不间断电源系统）利用逆变电路，即用直流电驱动

一个振荡器，产生交流振荡，一般得到的是方波。

如果经过滤波电路去除50Hz的谐波，就

能得到比较纯的50Hz交流电。

变频器1

1.1变频技术的概念

2.变频技术的概念成不同频率的交流电，电能不变，只有频率变。

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逆变

或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电等技术的总称。

特点:

3.变频技术的发展应交流电机无级调速的需要而诞生的。

自20世纪60年代以来，

电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场革命，即

交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为发展趋势。

电机变

频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、失去技术进步的一种主

要手段。

变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到广泛应用。

变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆

变），又要处理信息的收集、交换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。

前者要解决与高电压大电流有关的技术问题，后者要解决控制模块的硬、软件开发问题

4.变频调速的主要发展方向

（1）实现高水平的控制

（2）开发清洁电能的变流器

（3）缩小装置的尺寸

（4）高速度的数字控制

（5）模拟器与计算机辅助设计（CAD）技术

1.2变频技术的类型及用途

1.变频技术的类型主要有以下几种

（1）交-直变频技术（即整流技术）通过整流元件实现功率转换。

（2）直-直变频技术（即斩波技术）通过改变电力电子器件的通断时间即改变脉冲频率

或宽度，从而达到调节直流平均电压的目的

（3）直-交变频技术（即逆变技术）利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电。

（4）交-交变频技术（即移相技术）通过控制电力电子器件的导通与关断时间，实现

交流无触点的开关、调压、调光、调速等的目的

2.变频技术的主要用途

（1）标准50HZ电源对频率、电压波形和幅值及电网干扰等有较高要求的。

（2）不间断电源（UPS）停电时，将蓄电池的直流电逆变成50HZ的交流电，对设备临时供

电。

（3）中频装置广泛应用于金属熔炼、感应加热及机械零件的淬火。

（4）变频调速产生频率、电压可调的电源。

（5）节能降耗

1.3常用电力电子器件简介

1）晶闸管（SCR）没有自关断能力，逆变时需要另设换流电路，造成电路结构复

杂，增加变频器成本。

但由于元件容量大，在1000KVA以上的大容量变频器中得到广泛的

应用。

2）门极可关断晶闸管（GTO）可通过门极信号控制导通和关断。

它是利用门极反向电流而获得自关断能力，属于全控器件，无需换流电路。

已经逐步取代SCR。

3）电力晶体管（GTR）是一种高反压晶体管，具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压

降低和安全工作区宽等优点。

它被广泛用于交直流电机调速、中频电源等电力变流装置中。

主要用作开关，工作于高电压大电流的场合，一般为模块化。

4）功率场效应管（MOSFET）根据门极电压的电场效应进行导通与关断的单极晶

体管。

具有自关断能力强、驱动功率小、工作速度高、无二次击穿现象、安全工作区宽等。

用于小容量变频器中。

3）电力晶体管（GTR）主要特点:

输出电压可以采用脉宽调制方式

载波频率较低（开关时间较长）1.2-1.5KHZ

电流波形高次谐波成分较大，噪声大。

输出转矩与工频运行时相比，略有下降

5）绝缘栅双极晶体管（IGBT）集GTR和P-MOSFET的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点。

目前中小容量变频器

新产品中都采用它。

适于高压的为HV-IGBT。

6）智能功率模块（IPM）是一种将功率开关器件及其驱动电路、保护电路等集成在同一封装内的集成模块。

目前采用较多的是IGBT作为大功率开关器件的模块，器件模块内集成了电流传感器，可以检测过电流及短路电流。

具有过电流保护、过载保护以及驱动电流电压不足时的保护功能。

7）集成门极换流晶闸管（IGCT）是一种中压、大功率半导体开关器件。

它是将门极驱动电

路与门极换流晶闸管GCT集成于一体，集GTO和IGBT的优点于一身。

2.1变频器的基本结构

主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。

整流器将三相交流电转换成直流电。

中间直流环节中间直流储能环节，在它和电动机之间进行无功功率的交换。

控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路组成。

主

要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等，其控制

方法可以采用模拟控制或数字控制。

目前许多变频器已经采用微机来进行全数字控制，采用

尽可能简单的硬件电路，靠软件来完成各种功能。

1.主控电路

2.控制电源、采样及驱动电路

3.整流电路和逆变电路

2.1.1变频器的主控电路

（1）基本任务

1）接受各种信号

2）进行基本运算

3）输出计算结果

（2）其他任务

1）实现各项控制功能

2）实现各项保护功能

2.1.2变频器的控制电源、采样及驱动电路

（1）控制电源提供稳压电源

1）主控电路0~+5V

2）外控电路

⑵采样电路

1）提供控制用数据

2）提供保护采样

（3）驱动电路

.1.3整流电路和逆变电路

1.整流电路

将交流电转换为直流电，应用最多的是三相桥式整流电路。

分为不可控整流和可控整流电路。

2.逆变电路

将直流电转换为交流电，应用最多的也是三相桥式逆变电路。

2.2变频器的分类

的调制方式分

（1）PAM（脉幅调制）在整流电路部分对输出电压幅值进行控制，而在逆变电路部

分对输出频率进行控制的控制方式。

（2）PWM（脉宽调制）保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，在改变输出频

率的同时，通过改变输出脉冲的宽度，来达到改变等效输出电压的一种方式。

1.按电压

（2）按工作原理分

V/F控制对变频器的频率和电压同时进行调节

转差频率控制为V/F控制的改进方式

矢量控制将交流电机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以

控制的方式

直接转矩控制把转矩作为控制量，直接控制转矩，是继矢量控制变频调速技术之

后的一种新型的交流变频调速技术。

（3）按用途分

通用变频器能与普通的笼式电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多

种可供选择功能

高性能专用变频器对控制要求较高的系统（电梯、风机水泵等），大多采用矢量控

制方式

高频变频器高速电动机配套使用

（4）按变换环节分

交-交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率和电压连续可调的交流电。

无

中间环节，效率高，但连续可调的频率范围窄。

交-直-交变频器先把交流电变成直流电，再把交流电通过电力电子器件逆变成直

流电。

优势明显，目前广泛采用的方式

（5）按直流环节的储能方式分

电流型中间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。

再生电

能直接回馈到电网。

电压型中间环节采用大电容作为储能环节，负载的无功功率将由它来缓冲。

无功

能量很难回馈到交流电网。

2.3变频器的额定值与频率指标

1、输入侧的额定值

主要是电压和相数小容量有

380V/50HZ，三相，用于国内设备；

230V/50HZ或60HZ，三相，主要用于进口设备；

（200-230V）/50HZ，主要用于家用电器。

2、输出侧的额定值

（1）输出电压最大值UN

（2）输出电流最大值IN长时间通过

⑷配用电动机容量PN=SnMcos$

（5）超载能力是指输出电流额定值的允许范围和时间。

大多数变频器规定为

150%IN、60S，180%IN、0.5S

3、频率指标

（1）频率范围最高频率和最低频率之差。

最低0.1~1HZ，最高为120~650HZ

（2）频率精度指变频器输出频率的准确程度。

（3）频率分辨率指输出频率的最小改变量。

2.4变频器的主电路

变频器的主电路主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三部分组成

交-直部分

（1）整流电路由VD1~VD6组成三相不可控整桥。

（2）滤波电容CF除滤波外，还有在整流电路与逆变电路之间去耦作用，以消除相

互干扰。

（3）限流电阻RL与开关SL限制CF的充电电流，正常时通过开关短接电阻。

直-交部分

（1）逆变管VT1~VT6组成逆变桥，是变频器实现变频的环节，是核心部分。

⑵续流二极管VD7~VD12作用：

电动机为感性负载，无功分量返回直流电源提供通道”（频率下降时，再生制动状态）

（3）缓冲电路

由C01~C06，R01~R06及VD01~VD06构成。

R01~R06是限制逆变管在接通瞬

间C01~C06的放电电流。

而VD01~VD06使得逆变管在判断过程中R01~R06不起作用。

制动电阻和制动单元

制动电阻RB把再生到直流电路的能量消耗掉

制动单元VTB控制流经RB的放电电流IB

三相交流异步电动机的转速为

可见，在转差率S变化不大的情况下，可以认为，调节电动机定子电源频率时，电动机的

转速大致随之成正比变化。

若均匀改变电动机电源的频率f，则可以平滑地改变电动机的转

速。

将直流电变换为交流电的过程称为逆变，完成逆变功能的装置叫逆变器，它是变频器的重要组成部分

补充：

逆变器件的工作条件

1.能承受足够大的电压和电流

电压U线=380V，三相全波整流后UL=513V,UM=537V。

考虑到电感及负载动能反馈能量的效应，开关器件的耐压应在1000V以上。

电流当PN=150KW时，IN=250A,IM=353A，考虑过载能力，要求开关器件允许承受的电流应大于700A。

2.允许频繁地接通和断开

逆变过程实际上是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点

开关器件无法做到的，必须依赖无触点开关（即半导体开关器件），而无触点开关要做到承

受足够大的电压和电流并非易事。

因此，变频器的出现比异步电动机晚了长达百年之久。

3.接通和关断的控制必须十分方便

最基本的控制如频率的上升和下降、改变频率的同时还要改变电压等。

半导体开关器件详见课件第一讲或教材P6-9

2.5调速的基本控制方式

对异步电动机进行调速控制时对主磁通的要求希望主磁通保持额定值不变

太弱铁心利用不充分，同样定子电流下电磁转矩小，电动机负载能力下降。

太强则处于过励磁状态，为防电机过热，负载能力也下降。

1.基频以下的恒磁通变频调速

E1=4.44f1N1①m

要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=C。

而E1难于直接测量和直接控制，当E1和fl较高时，可忽略漏抗，让定子相电压U1和频率fl的比值保持常数.即

为V/F控制方式。

当频率较低时，V/F控制需要人为提高定子电压以补偿定子电压降的影响。

2.基频以上的弱磁变频调速

频率由额定值向上增大，但电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变。

使主磁通随着fl的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况属于近似的恒功率调速方式。

3.异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即

必须通过变频装置获得电压和频率均可调节的供电电源，实现VVVF调速控制。

（即V/F

控制）

VVVF（VariableVoltageVariableFreqency）

2.6脉宽调制技术

1.概念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，其脉冲宽度随正弦规律变化。

2.相控交-直-交型变频电路为使输出电压和输出频率都得到控制，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。

3.PWM交-直-交型变频电路的组成及电路特点

（1）输出接近正弦波。

（2）整流电路采用二

极管，cos0~1（3）电路简单。

⑷控制输出脉宽来改变输出电压，加快变频过程的动态响应。

4.PWM控制的基本原理采样控制理论的结论冲量（窄脉冲的面积）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。

如图1-38PWM波形和正弦半波是等效的。

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（正弦脉宽）。

调制方法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。

载波UC采用等腰三角波，因为它的上下宽度与高度呈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的通断，就

可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制要求

调制波Ur为正弦波

经正弦调制后的脉冲系列中，各脉冲的上升沿与下降沿是由正弦波和三角波的交点

来决定的。

5.电压型单相桥式逆变电路

负半周VT2通VT3交替通断输出为-Ud或0

（1）单极性PWM控制方式

PWM波形只在一个方向变化的控制方式。

输出有三种电平（0,土Ud）

（2）双极性PWM控制方式

三角波在每个半周其内，都是在正负两个方向变化。

PWM波形也是在两个方向变化。

输出只有两种电平。

（±Jd）

Ur>UC时开关通

UrvUC时开关断

⑶三相逆变电路

6.PWM型逆变电路的控制方式

（1）载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比。

N=fc/fr

（2）异步调制载波信号与调制信号不保持同步关系的调制方式。

当调制信号频率变

化时，通常保持载波频率固定不变，因此N是变化的。

特点：

输出脉冲的个数不固定，脉

冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称。

在异步调制方式中，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。

（3）同步调制N=C在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式。

在三

（4）

相PWM逆变电路中，通常公用一个三角载波信号，取N为3的整数倍且为奇数。

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万用示波表在变频器分析过程中的应用

来源:

CEChina作者：

2006年1月8日

导读:

关键字:

1引言

变频器作为一种智能调速装置以其多用途、高可靠性和明显的节电效果迅速广泛地应用于各种马达控制上，如冶金、造纸、电子产品装配等生产线。

生产当中变频器内部一旦发生故障尤其是板件级故障，单凭经验有时很难去判断，这时候有必要借助高性能的测试仪器进行分析。

Fluke192B便携式万用示波器集示波器、万用表、无纸记录仪于一体，具有足够的带宽（60MHz）,是现代电力电子装置的理想测试工具。

2通用变频器工作原理

通用变频器采用了先把频率、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，即交-直-交方式。

所谓通用”包含着两方面的含义：

一是可以和通用的笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可

供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。

图1绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。

图1典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图

现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号,如图2所示。

图2驱动逆变器工作的PWM信号

3Fluke佃2B万用示波表检测分析变频器逆变（UI）部分的门极PWM驱动信号以及输出电压波形。

（以芬兰VACONCX系列变频器为例）

（1）首先将专用的门极适配器（GS1）连接至示波器的CH-A,如图3所示。

点击看原图图3门极适配器（GS1）连接至示波器的CH-A

（2）再将GS1的3个门极接头（X9,X11,X13）连至功率板上对应的门极插槽（X9,X11,X13），如图4所示。

图4GS1的3个门极接头（X9,X11,X13）连至功率板上对应的门极插槽

（X9,X11,X13）

（3）用DCpowersupply给待测功率板和控制板供电，连接示波器至PC,通过flukeview4.2监视软件观察U、V、W相的SPWM波。

当DC-link的电压达到额定值时,IGBT的三相上下半桥的门极电压应为-12V左右，以使IGBT截止，如图5所示。

Ji15x「一厂也

A：

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：

A^SUlOms积网：

fUProbe1:

图5IGBT截止的门极电压

（4）然后使其运行在』Hz,观察每相上下半桥的SPWM波的调制频率是否正常（不同的功率板此频率不同，此板显示为733.7Hz）,如图6所示。

图6每相上下半桥的SPWM波的调制频率（OHz时）

（5）供给变频400V交流电源，调节给定频率至50Hz,观察PWM输出电压波形，如图7所示，从该波形可以看出纹波比较少，输出比较稳定。

图7PWM输出电压波形（50Hz）

（6）最后利用Flukeview4.2提供的测试报告应用宏（QreportMacro）模板自动生成一份极具价值的测试分析报告，以图表8为示例。

点击看原图

4结束语

以上波形全部在Fluke独特的即触即测’（Connect-and-/iewTM）自动触发模式下测试的，方便快捷。

另外还可以用该示波器的万用表’功能对变频器的整流桥二极管和逆变桥IGBT进行精确测量，限于篇幅在此不再赘述。

参考资料:

[1]曾毅等•调速控制系统的设计与维护•山东科学技术出版社,2002年1月。

[2]VACONDrivesCo.,Ltd.CXUsermanual.Finland.

[3]Fluke电气电子测试工具样本。

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