通用变频器的基本工作原理介绍

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§1.1交－直－交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。1.1.1交－直－交变频器的主电路交－直－交变频器的主电路如图1.1.1所示。可以分为以下几部分：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。VT1VT3VT5VT2VT4VT6OCAB整流电路滤波电路逆变电路图1.1.1变频器的主电路－＋UdZA三相电源ZBZC2、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。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。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，如图1.1.10所示。θ1θ2θtδ1δ2δtωtUmsinωt图1.1.10单极式SPWM电压波形u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。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。1.1.3通用变频器电压与频率的关系为了充分利用电机铁心，发挥电机转矩的最佳性能，适合各种不同种类的负载，通用变频器电压与频率之间的关系如图1.1.11所示。UfnPL额定电压基频图1.1.11电压与频率之间的关系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。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。§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。单相输出的交－交变频器如图1.2.1a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。负载反向组正向组～50Hz～50Hzuo++__a)电路示意图图1.2.1交－交变频器一相电路及波形b)方波型输出电压输出波形正向组反向组Uot1.2.2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、无环流运行方式图1.2.1a是无环流运行方式变频器原理图。采用这种运行方式的优点是系统简单，成本较低。但缺点也很明显，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。由于这一原因，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。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。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αP与反向组的触发角αN之间保持αP+αN=π，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”，如图1.2.3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。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。由图1.2.3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。ioiPiN0000iC（a)（b)（c)（d)图1.2.3自感应环流原理图（a)输出电流（b)正组输出电流（c)负组输出电流（d)自感应环流（e)等效电路tIIiOOOPsin22tIiOOOsintIIiOOONsin22tIIiOOOPsin22tIIiONOOsin22tIiOOOsintIIiOOCOsin22tIIiOOCOsin22（e)正组负组负载～～ωtωtωtωt3、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。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。§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。主要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，且只能在电网的固定频率以下变化。一般为电网固定频率的，主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。在这类装置中，一般用不可控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变，则输出谐波可以减小。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减小的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。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。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，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器，如图1.3.1（a）所示。RSTUVW（b）电流源型变频器RSTUVW（a）电压源型变频器C图1.3.1电压源型变频器与电流源型变频器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，因而电源内阻抗很大，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1.3.1（b）所示。•有的交一交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。•注意几点：从主电路上看，电压源型变频器和电流源型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同，但是这样一来，却造成两类变频器在性能上相当大的差异，主要表现如下：(1)无功能量的缓冲对于变压变频调速系统来说，变频器的负载是异步电机，属于感性负载，在中间直流环节与电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。逆变器中的电力电子开关器件无法储能，无功能量只能靠直流环节中作为滤波器的储能元件来缓冲，使它不致影响到交流电网。因此也可以说，两类变频器的主要区别在于用什么储能元件(电容器或电抗器)来缓冲无功能量。(2)回馈制动如果把不可控整流器改为可控整流器，虽然电力电子器件具有单向导电性，电流不能反向，而可控整流器的输出电压是可以迅速反向的，因此电流源型变压变频调速系统容易实现回馈制动，从而便于四象限运行，适用于需要制动和经常正、反转的机械。与此相反，采用电压源型变频器的调速系统要实现回调制动和四象限运行却比较困难，因为其中