课题二、通用变频器的基础知识.doc

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1、 课题二、通用变频器的基础知识第一节、变频器及其分类：（套用老话）1、变频器变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用，将工频交流电变换成频率、电压连续可调的交流电的电能控制装置。图12、变频器的分类：分类方式种类1、按其供电电压分低压变频器（110V、220V、380V）中压变频器（500V、660V、1140V）高压变频器（3.3KV、6KV、10KV）2、按电源相数分单相输入变频器、三相输入变频器按直流电源的性质分电流型、电压型3、按变换环节分交-直-交交-交4、按输出电压调制方式分PAM（脉幅调制）PWM（脉宽调制）5、按控制方式分U/f控制变频器转差频率控制变频器矢量控制变频器6、按输

2、出功率分小中大7、按用途分通用变频器高性能专用变频器高频变频器8、按主开关器件分GTR GTOIGBT和IPM智能电力模块二、通用变频器的基本结构图2目前通用变频器的变换环节大多采用交-直-交变频、变压方式。交-直-交变频器是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后把直流电逆变成频率、电压连续可调的交流电。通用变频器由主电路和控制电路组成，而主电路又包括整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分。1、 变频器主电路：1). 整流部分：把三相交流电压变成脉动的直流电U=1.35*380v；2). 滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电；3). 逆变部分，把直流电又转换成三相交流电，

3、这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的PWM 波，或者正弦脉宽调制 SPWM 波，当这种波形的电压加到负载上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦形波的电流波形。4). 控制电路是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号，这些信号是受外部指令决定的，有频率、频率上升下降速率、外部通断控制以及变动器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等。5).限流电阻RL及开关S：电源接通时，将电容器CF的充电冲击限制在允许的范围内，以保护整流桥。当充电达到一定程度时，令开关S接通（可用晶闸管替代）电源指示灯HL：显示电源是否接通，另外变频器切断后，用于指示电容器CF

4、上的电荷是否已经释放完毕。制动电阻RB和制动三极管VB：当电动机减速、变频器输出频率下降过快时，消耗因电动机处于再生发电制动状态而回馈到直流电路中的能量，以免变频器本身的过电压保护电路动作而切断变频器的正常输出。第二节 变频调速的原理与控制方法在各种异步电机调速控制系统中，目前效率最高、性能最好的系统是变压变频调速控制系统，异步电动机的变压变频调速控制系统一般简称为变频器。由于通用变频器使用方便、可靠性高，所以它成为现代自动控制系统的主要组成元件之一。一、变频器的基本控制方式 由电机学知识可知，定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。其三相异步电机定

5、子每相电动势的有效值为：E1=4.44N1kr1f1M(1)（1）式中，E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为v; f1为定子频率，单位为Hz；N1为定子每相绕组串联匝数；kr1为与绕组结构有关的常数；M为每极气隙磁通量，单位为Wb。 由式(1)可知，如果定子每相电动势的有效值E1不变，改变定子频率时就会出现下面两种情况。 (1)如果f1大于电机的额定频率fN，那么气隙磁通量M就会小于额定气隙磁通量fMN。 其结果是：尽管电机的铁心没有得到充分利用(是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。)(2)如果f1小于电机的额定频率fN，那么气隙磁通量M就会大于额定气隙

6、磁通量fMN。其结果是：电机的铁心产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。要实现变频调速，在不损坏电机的条件下充分利用电机铁心，发挥电机转矩的能力，最好在变频时保持每极磁通量M为额定值不变。对于直流电机，励磁系统是独立的，尽管存在电枢反应，但只要对电枢反应作适当的补偿，保持M不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，如何才能保持磁通基本不变呢?有如下所述四种方式。 1恒比例控制方式 由式(1)可知，要保持M不变，当频率，f1从额定值flN向下调节时，必须同时降E，使E1/fl=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。然而，绕组中的感应

7、电动势是难以直接控制的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压V1El，则得： V1/ f1 =常数 (2) 这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条件下改变频率时，可以证明机械特性基本上是平行下移的，如下图所示。这和他励直流变压调速的特性相似，所不同的是当转矩增大到最大值以后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩也恒定。根据电机与拖动原理，这种调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，V1和E。都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。

8、这时，可以人为地把电压V1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 2恒磁通控制方式由式(1)可知，要在整个调速范围内实现恒磁通控制，必须按式(2)进行控制。 El/f1 =常数 (3) (3)式是维持恒磁通(即维持最大转矩变频调速)的协助控制条件。但是，由于电动机 的感应电动势E1难以测定和控制，所以实际应用中采用一种近似的恒磁通控制方法，具体做法是：当频率较高时，采用恒比例控制方式，当频率较低时，引入低频补偿，也就是通过控制环节，适当提高变频电源输出电压，以补偿低频时定子电阻上的压降，维持磁通不变，实现恒转矩控制。下图所示为各种补偿曲线。下图中，曲线为无补偿时的V1与f1的关系曲线，曲线、为有补

9、偿时的Vl与fl的关系曲线。 3恒功率控制方式 当调速转速超过额定转速时，要求f1flN。若仍按恒磁通控制方式控制，则会使V1 超过V1N(额定电压)，这是不允许出现的。这时必须改用恒功率控制方式，即当f1flN时，应保持Vl=VlN，不进行电压的协调控制。随着频率的升高，气隙磁通会小于额定磁通，导致转矩减小，但频率升高，速度会增加。由P=T*n975可知，当T减小的倍数和n增加的倍数相等时，P维持不变，故称这种方式为恒功率控制方式。不过，T和n不是严格地等比例增减，这只能说是一种近似的恒功率控制方式。 如果要准确地维持恒功率调速，必须按下式的原则，进行电压、频率的协调控制： V1/f1=常数

10、 (4) 与恒比例控制方式比较，在采用恒功率控制时，随着f1的升高，要求V1升高得相对小一些。恒功率控制方式的特点是输出功率不变，它适用于负载随转速的升高而变轻的场合。 4恒电流控制方式 在变频调速时，保持三相异步电动机定子电流，I1为恒值，这种控制方式叫恒流控制。I1的恒定可通过电流调节器的闭环控制来实现。这种系统不仅安全可靠，而且具有良好的工作特性。恒流控制和恒磁通控制的机械特性形状基本相同，均具有恒转矩调速性质。变频时，对最大转矩大小影响不大。但由于恒流控制限制了I1，所以恒流控制时的最大转矩TM要比恒磁通控制时小得多，且过载能力小，因此，这种方式只适用于负载变化不大的场合。二、控制方式

11、的选择 为了使异步电动机变频调速时取得最好的技术和经济效果，不同类型的负载应根据具体要求选择不同的控制方式。控制方式应满足的条件是： (1)电动机的过载能力不低于额定值，以防堵转。 (2)每极磁通不应超过额定值，以免磁路饱和。 (3)电流不应超过额定值，以免引起电动机过热。 (4)电动机的损耗最小。 (5)充分利用电动机的容量，尽可能使磁能保持额定值，以充分利用铁心；尽可能使电流保持额定值，以充分利用绕组导线；尽可能使功率因数保持额定值，以免降低电动机出力。以上条件中，前三条是技术条件，后两条是经济条件。 1额定频率以下控制方式的选择 工程实际中常用的负载有转速平方型负载、恒功率型负载和恒转矩

12、型负载。这些负载类型不同，调速范围不同，所要求的控制方式也不一样，下面按负载的选择类型分别讲述。(1) 转速平方型负载:（采用恒电流控制方式，对风机等）这类负载的性质是转矩和转速的平方成正比，如风机、水泵类负载。恒磁通控制时，磁通不变，由于负载转矩和转速的平方成正比，因此电动机电流也和转速的平方成正比。随着转速的下降，电流急剧减小，使电动机的铜耗大大减小，故转速平方型负载在负载重、电流大、铜耗大的场合采用恒磁通控制方式较合适。但对于轻载的场合，不宜采用这种控制方式，这是因为恒磁通控制时，磁通不变，铁耗较大，对降低轻载时的损耗不利。在负载较轻时，可采用恒电流控制方式。恒流控制时，对风机、水泵类负

13、载，磁通和转速的平方成正比，随着转速的下降，铁耗大大减小，有利于减小电动机损耗。 (2)恒功率型负载：（如造纸圈同上纸表面的恒张力）恒功率型负载的转矩与转速成反比。在决定这类负载的电动机容量时，电动机转矩应由最低速时的负载转矩决定，转速则由最高速时的负载转速决定。对于恒功率型负载，可采用恒磁通控制方式和恒功率控制方式相结合。 恒磁通控制方式的特点是磁通不变和最大转矩不变。采用恒磁通控制方式，可使电动机铁心获得充分利用，另外，恒功率型负载随着转速的增加，负载转矩减小，电流也随之减小，电流和转速成反比。若调速范围为JD，则在额定转速时的电流为额定电流的lID，因而有利于减少铜耗。这种控制方式比较适

14、用于重载的场合，因为负载重、铜耗大，在调速中如果能减少铜耗，则对提高效率有利。恒功率控制方式的特点是输出功率不变。在低速段，磁通和电流均为额定值，随着转速增加，磁通和电流均减小，和磁通不变的控制方式相比，这种方式铁耗要小，而铜耗要大。因此，比较适合于负载较轻的场合。 (3)恒转矩型负载：在电动机满载的条件下，恒转矩负载只有一种控制方式，即恒磁通控制方式。这种控制方式能同时保证磁通不变、电流不变以及过载倍数不变。其他控制方式则不能使这些技术条件得到满足。 2额定频率以上控制方式选择 在额定频率以上，负载皆为恒功率负载，一般采用恒压控制方式，即近似恒功率控制方式。恒压控制方式在保持电压不变的条件下

15、，输出转矩近似和转速成反比，电动机功率因数也随转速的升高而减小，所以它并不能使电动机得到充分利用。其次，这种调速方式的过载倍数和转速成反比，高速时有堵转的危险，iRP,有在负载较轻、调速范围较小的场合才能应用。 第三节变频器的发展概述一、通用变频器的发展过程 上世纪80年代后，变频器更换了五代；第一代为模拟式的，第二代是80年代中期的数字式，第三代是90年代初的智能型变频器，第四代是90年代中期的多功能型的变频器，本世纪产生了第五代集中型变频器。通用变频器具有以下四个特点。 1.通用变频器的应用范围不断扩大（1）向无需调整便能得到最佳的多功能与高性能型方向发展。 (2)向通过简单控制就能运行的

16、小型及操作方便的变频器方向发展。 (3)向大容量、高起动转矩及具有环境保护功能的变频器方向发展。 2通用变频器使用的功率器件不断更新换代 变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT及IPM(Intelligent Power Module，智能模块)，集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体的后两种器件是目前通用变频器中广泛使用的主流功率器件。采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法大幅度降低集电极一发射极之间饱和电压的产品问世，使变频器的性能有了很大的提高。20世纪90年代末还出现了一种新型半导体开关器件集

17、成门极换流晶闸管(Integrated Gate CommutatedThyristor，IGCT)，该器件是GTO和IGBT结合的结果。总之，电力电子器件正朝着发热减少、高载波控制、开关频率提高、驱动功率减小的方向发展。 IPM的投入应用比IGBT晚2年左右，由于IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路，甚至还有的把光耦也集成于一体，因此是一种比较好用的集成型功率器件。目前，在模块额定电流10600A范围内，通用变频器均有采用IPM的趋向，其优点是： (1)开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单。 (2)内含电流传感器，可以高速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故

18、障率大大降低。 (3)由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效地得到控制。 (4)保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全。 (5)IPM的售价已逐渐接近IGBT，在许多场合中其性价比已高过IGBT，有很好的经济性。 为此，当IPM在工业变频器中被大量采用之后，经济型的IPM在近几年内也开始在一些民用品如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用，IPM也在向更高的水平发展。日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电，并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化

19、、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。 3控制方式不断发展 早期通用变频器大多数为开环恒压比(Vf为常数)的控制方式，其优点是控制结构简单、成本较低；缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵的调速场合。具体来说，其控制曲线随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而使性能下降、稳定性变差等。 变频器控制技术主要经历了如下三个阶段： (1)第一阶段：20世纪80年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或称磁通轨迹法)。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被

20、称为电压空间适量控制。如富士公司的FRN5000G5P5、SANKEN公司的MF系列变频器就是采用这种控制技术。 (2)第二阶段：矢量控制，也称磁场定向控制。它是20世纪70年代初由西德FBlasschke等人首先提出来的，他们以直流电动机和交流电动机比较的方法阐述了这一原理，由此开创了交流电动机和等效直流电动机控制的先河。它使人们看到，交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列变频器，通过F

21、C、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制，并于1994年将该系列变频器容量扩展至315kW以上。 (3)第三阶段：1985年，德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control，DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控

22、制。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列变频器(见图)，已达到小于2ms的转矩响应速度，在带PG时的静态速度精度达001；在不带PG的情况下，即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，同样可以达到01的速度控制精度。 4PWM控制技术进一步发展 PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案完成优化的实时在线的PWM信号输出，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。 由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至其

23、他能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类：正弦PWM(包括电压、电流的正弦为目标的各种PWM方案)、优化PWM、随机PWM。正弦波PWM已广为人们所知，前者因具有改善输出电压和电流波形、降低电源系统谐波的多重PWM技术，在大功率变频器中有其独特的优势。优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率(THD)最小、电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小及其他特定优化目标。随机PWM原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。对于载波频率必须限制在较低频率的场

24、合，随机PWM仍然有其特殊的价值(DTC控制即为一例)；另一方面，消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。目前，采用磁通矢量控制技术的变频器，其调速性能已达到了直流电机调速的水平。二、变频器技术的发展趋势 作为交流电动机变频调速用的高新技术产品，各种国产和进口的通用变频器在国民经济的各部门得到了广泛的应用。“通用”一词有两个方面的含义：首先是这种变频器可以用来驱动通用型交流电动机，而不一定使用专用变频电动机；其次是通用变频器具有各种可供选择的功能，能适应许多不同性质的负载机械。通用变频器也是相对于专用变频器而言的，专用变频器是专

25、为某些有特殊要求的负载机械而设计制造的。如某些纺织专用变频器，要求其输出频率在额定频率上、下平滑地作周期性变化，变化的周期和幅度均可调节(俗称横动功能)。又如电梯专用变频器，要求可以回象限运行；要求频率的上升和下降速率呈s形，以使电梯轿厢平稳地加速和减速。专用变频器的价格一般较贵，大部分负载机械都选用通用变频器。 随着电力电子器件的自关断化、模块化，变流电路开关模式的高频率化，以及全数字化控制技术和微型计算机(如单片机)的应用，变频器的体积越来越小，性能越来越高，功能不断加强。目前，中小容量(600kVA以下)的一般用途变频器已经实现了通用化。交流变频器是强、弱电混合，机电一体化的综合性调速装

26、置。它既要进行电能的转换(整流、逆变)，又要进行信息的收集、变换和传输。它不仅要解决与高压、大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用问题，还要解决控制策略和控制理论等问题。目前，变频器主要朝以下五个方向发展。 1高水平的控制 目前，通用变频器的控制技术中比较典型的有：Vf恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。除以上四种之外，还有基于现代控制理论的滑模变频结构技术、模型参考白适应技术、非线性解耦和鲁棒观测器技术、在某种指标意义的最优控制技术、逆奈奎斯陈列技术等，基于智能控制的模糊控制、神经网络、专家系统以及各种自优化和自诊断技术等。 2主电路逐步向集成化、高频化和高效率发展 (1)

27、集成化主要措施是把功率元件、保护元件、驱动元件、检测元件进行大规模的集成，变为一个IPM的智能电力模块，其体积小、可靠性高、价格低。IPM可以说是智能化的IGBT，它把IGBT功能元件、驱动电路和保护电路集成在一个芯片上，以前上千个元件组成的各种电路现在用一个芯片即可替代，这样，变频器的失效率由原来几千个元件的失效率变为一个元件的失效率，而可靠性则提高到原来的几千倍；同时，集成化减少了制造时的大量焊接点，也使可靠性提高，使用寿命延长。目前，用IPM制造的变频器也开始批量生产。 (2)高频化主要是开发高性能的IGBT产品，提高其开关频率。目前，开关频率已提 高到1015kHz，基本上消除了电动机

28、运行时的噪声。 (3)提高效率的主要办法是减少开关元件的发热损耗，通过降低IGBT的集电极一射极 间的饱和电压来实现。其次，用不控二极管整流采取各种措施设法使功率因数增加到1。 现又开发了一种新型的采用PWM控带方式的自换相变流器，已成功地用作变频器中的网 侧变流器，电路结构与逆变器完全相同，每个桥臂均由一个自关断器件和一个二极管并联 组成。其特点是：直流输出电压连续可调，输入电流(网侧电流)波形基本为正弦，功率 因数可保持为l，并且能量可以双向流动，其结构如图所示。 3控制量由模拟量向数字量发展 由变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时要求的采样频率较高，通常高于IkHz，常需

29、要完成复杂的操作控制、数学运算和逻辑判断，所以要求单片机具有较大的存储容量和较强的实时处理能力。全数字控制方式使信息处理能力大幅度地增强。采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已成为现实，使可靠性、可操作性、可维修性功能得以充实。微机和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起到了决定性的作用。 全数字控制具有如下特点： (1)控制精度高。微处理器的精度与字长有关，通用变频器使用16位甚至32位微处理器作为控制器，其精度不断提高。 (2)稳定性好。控制信息为数字量，与模拟控制手法不同，它一般不会因温度和环境条件而发生变化。 (3)可靠性高。由于采用了大规模的集成电路，系统的硬件连线较为简单

30、，硬件数量也大大减少，这样故障率就大大降低。 (4)存储能力强。调速装置大量使用高性能的单片机，系统存储容量增大，存放时间甚至可以不受限制，这一点是模拟系统无法比拟的。利用这一特点，可在存储器中存放大量的数据或表格，应用查表法简化计算，提高运算速度。 (5)适应能力强。调速系统中硬件逐步向标准化、集成化方向发展，同时，可以在硬件尽可能少的情况下，由软件去完成复杂的控制功能。这样，适当修改软件就可以改变系统的功能，以适应不同的控制对象，而修改软件是非常灵活的。 (6)逻辑运算能力强。容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可使用性、可维修性大大提高。 4向多功能化和高性能化发

31、展 多功能化和高性能化电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，以其简单的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。 8位、16位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。32位数字信号处理器(DigitalSignal Processer，DSP)的应用将通用变频器的性能提高了一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸”功能。目前，最新型变频器开始采用新的精简指令集计算机(ReducedInstruction Set Computer，RISC)将指令执行时间缩短到纳秒级。据报道，RISC的运算速度可达10亿次秒，相当于

32、巨型计算机的水平。指令计算时问为lns量级，是一般微处理器所无法比拟的。有的变频器以门RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器的矢量控制算法、转速估计运算、PID调节器的在线实时运算。 正是由于全数字控制技术的实现，并且运算速度不断提高，使通用变频器的性能不断提高，功能不断增加。目前出现了一种“多控制方式”的通用变频器，例如安川公司的VS616G5变频器就有无PG(速度传感器)Uf控制、有PG的Uf控制、无PG矢量控制和有PG矢量控制等4种控制方式。通过控制面板，可以设定上述4种控制方式中的一种，以满足用户的需要。 5向大容量化和高压化发展 目前，高压大容量变频器主要有两种结构，一是采用

33、升降压变压器的“高一低一高”式变频器，也称间接高压变频器；另一种是无输出变压器的“高一高”式变频器，也称直接高压变频器。后者省掉了输出变压器，减小了损耗，提高了效率，同时也减少了安装空间，它是大容量电动机调速驱动的发展方向。随着新型电力电子器件应用技术，如可关断驱动技术、双PWM技术、软开关PWM变流技术及现代控制技术、多变量解耦控制技术、自适应技术等的应用，变频器一定会发展到一个更高、更新的水平。第四节 变频器的基本结构 异步电动机调速运转时，通常由变频器主电路给电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率由控制回路的控制指令进行控制，而控制指令则是根据外部的运转指令进行运算获得。对

34、于需要更精确转速或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号。变频器保护电路的构成，除应防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏时，还应保护异步电动机及传动系统等等。一、变频器的原理 各生产厂家生产的通用变频器，其主电路结构和控制电路并不完全相同，但基本的构造原理和主电路连接方式以及控制电路的基本功能都大同小异。如图所示为通用变频器结构原理示意图。 通用变频器的外观结构也有许多共同性。变频器外观都是尺寸不同的矩形体，正面面板上安装了数字操作器。多数变频器的数字操作器是插接卡件，固定在变频器面板槽口内，拆卸变频器面板时需要先拔下数字操作器。 拆卸掉面板后会看到变频器控

35、制电路板，变频器控制电路的主要部分都在这块印制电路板上。有的变频器也将控制接口驱动板等局部控制电路另外安装在小一些的印制电路板上，然后加装在控制电路板上面。控制电路板的下方是控制接口端子，而主电路的输入输出端子也通常布置在其下方，但不在控制电路板上。 控制电路板与主电路问有驱动触发信号和检测信号等多个信号连接，这些信号线通常是以插接口连接的，拆卸控制电路板之前需要确认所有的插接都安全地拔掉了。拆开控制电路板之后，就能够看见变频器的主电路连接了。 小容量的变频器常常把主电路元器件固定在驱动电路板上，驱动电路板上面有主电路接线的印制电路。在驱动板面上能够看见充电限制电阻、电容器均压电阻、熔断器以及

36、其他主电路的附属元器件，逆变器模块和整流器模块通常是安装在驱动板背面的，因为它们的端面要和底座上的散热片贴合。电容器组、接触器、直流电抗器等体积较大的元器件通常固定在驱动电路板旁边的空间里，用导线或者铜排连接。 大容量变频器的主电路元器件通常是分别单独固定的，彼此以导线或者铜排连接。 逆变器模块及整流器模块与散热片是通过导热胶贴合的，如果拆卸了驱动电路板，就会使模块与散热片分离，此时必须重新涂敷导热胶。 底座通常占有变频器较大比例的体积，但只是一个安装支持构架，上面有散热片、风扇绢和风道等结构部分。 从图中可以看出，变频器的基本外部接线端子主要包括三个部分：一是主电路接线端，包括接工频电网的输

37、入端(R、S、T)，接电动机的频率、电压连续可调的输出端(u、V、W)；二是控制端子，包括外部信号控制端子、变频器工作状态指示端子、变频器与微机或其他变频器的通信接口；三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。二、变频器的基本构成 通用变频器由主电路和控制电路组成，其基本构成如图所示。其中，给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分称为主电路，主电路包括整流器、中间直流环节(又称平波回路)和逆变器等。 (1)整流器。电网侧的变流器为整流器，它的作用是把工频电源变换成直流电源。三相交流电源一般需经过压敏电阻网络引入到整流桥的输入端。压敏电阻网络的作用是吸收交流电网浪涌过电压，从而避免浪涌侵入，导致过电

38、压而损坏变频器。整流电路按其控制方式可以是直流电压源，也可以是直流电流源。电压型变频器的整流电路属于不可控整流桥直流电压源，当电源线电压为380V时，整流器件的最大反向电压一般为1000V，最大整流电流为通用变频器额定电流的2倍。 (2)逆变器。负载侧的变流器为逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所需求频率的交流功率。逆变器最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。通过有规律地控制逆变器中主开关的导通和关断，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 (3)平波回路(中间直流环节)。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动状态还是发电状态

39、，其功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之问总会有有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间直流储能环节。另外，三相不可控整流电路输出的直流电压或电流含有频率为电源频率6倍的电压或电流纹波，而逆变电路也将产生纹波电压和电流，并反过来影响直流电压或电流的波形。因此，为了保证逆变电路和控制电源能够得到较高质量的直流电流或电压，直流中间电路的另一个作用是承担对整流电路输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。此外，由于异步电动机制动的需要，在直流中间电路中还设有制动电阻及其他辅助电路，这就是直流中间电路的作用。对于电流型变频器

40、来说，当负载的异步电动机处于发电状态时，由于直流电路电压的极性将发生变化，电能可以通过适当控制直接将电能回馈给电源，而不需要专门设置制动电路。而对于电压型变频器来说，回馈能量则主要经续流二极管整流后送至直流中间电路，并使直流中间电路的输出电压上升，而当电压过高时，则有可能烧毁换流器件。因此，在电压型变频器中必须根据异步电动机减速的需要专门设置制动电路，以防止上述现象的发生。电压型变频器的直流中间电路的主要元器件是大容量电解电容，而电流型变频器则主要由大容量电感器组成。 (4)控制电路。控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的

41、开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能等。其中，运算电路主要将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率；检测电路与主电路电位隔离，检测电压、电流或速度等；驱动电路主要使主电路器件导通、关断；保护电路的主要作用是，在变频器检测主电路的电压、电流时，当发生过载或过电压等异常，为了防止逆变器和异步电动机损坏使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 控制电路的控制方法有模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，主要靠软件完成各种功能。 通用变频器中的制动电路是为了满足异步电动机制动的需要而设置的。在使用通用变频器的过

42、程中应该正确理解和掌握制动电路的作用和基本工作原理，这对正确地使用通用变频器是至关重要的。在变频调速系统中，异步电动机的降速和停机过程，是通过逐渐减少通用变频器输出频率从而降低异步电动机的同步转速而实现的。在异步电动机减速过程中，由于同步转速低于异步电动机的实际转速，转子电流的相位将反向，使异步电动机处于发电制动状态，负载机械所具有的机械能量将被反馈给异步电动机，并在异步电动机中产生制动力矩。与此同时，异步电动机轴上的转矩变成TN动转矩，使异步电动机的转速迅速下降，从异步电动机的角度看，它处于再生制动状态。对于大、中容量的通用变频器来说，为了节约能源，一般采用电源再生单元将上述能量回馈给供电电

43、源。而对于小容量通用变频器来说，则通常采用制动电路，将异步电动机反馈回来的能量在制动电路上消耗掉。工程上对再生制动能量的处理方法，根据通用变频器的容量及应用场合不同一般有储存、回馈电网、电阻泄放等方法。 新型的通用变频器都有内部制动功能，并有交流制动和直流制动两种方式。直流制动功能是当电动机的速度低于预设的制动速度时，变频器开始给电动机注入直流电压，使电动机停止运转，并在零速时锁定转子。交流制动是种磁通制动方式，是当变频器得到停机命令后立即起动制动功能，使电动机磁通增加而得到足够的制动能量，制动速度快，这时的制动能量将以电动机发热的形式消耗掉。值得注意的是，直流制动使电动机转子电流增加，而磁通

44、制动便电动机定子电流增加，显然，定子散热要比转子散热容易。 一般地，75kW及以下的小容量通用变频器都有内置的制动电阻和制动单元，75kW以上的通用变频器将外接制动电阻、制动单元和电源再生电路作为选配件供用户选择。三、变频器的分类 变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器进行简单介绍，使读者对变频器有一个整体的了解。 通用变频器按其主电路结构形式可分为交一交变频器和交一直一交变频器，如果主电路中没有直流中间环节的称为交一交变频器，有直流中间环节的称为交一直一交变频器。按其工作方式有电压型变频器和电流型变频器；按其逆变器开关方式有PAM(Pulse Amplitude Modulatio

45、n，脉冲振幅调制)控制方式、PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)控制方式和高频载波SPWM(Sinusoidal PWM，正弦脉宽调制)控制方式三种；按其逆变器控制方式有Uf控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式、矢量转矩控制方式和直接转矩控制等。 电压型变频器和电流型变频器主电路的结构因使用的换流器件的不同而有多种形式，下图给出了几种常用的最新电路。 电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源，在电压型变频器中，整流电路产生逆变器所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行滤波后输出。整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变器

46、申被转换为具有所需频率的交流电压。在电压型变频器中，由于能量回馈通路是中间直流电路的电容器，并使直流电压上升，因此需要设置专用直流单元控制电路，以利于能量回馈和防止换流器件因电压过高而被破坏。有时还需要在电源侧设置交流电抗器，以抑制输入谐波电流的影响。通用变频器主回路基本结构大多数采用图2-6(a)所示的结构，即由二极管整流器、直流中间电路与PWM逆变器三部分组成。采用这种电路的通用变频器的成本较低，易于普及应用，但存在再生能量回馈和输入电源产生谐波电流的问题。如果需要将制动时的再生能量回馈给电源，并降低输入谐波电流，则采用图 (b)所示的带PWM变换器的主电路。由于用IGBT代替二极管整流器组成三相桥式电路，因此，可让输入电流变成正弦波，同时功率因数也可以保持为1。这种PWM变换控制变频器不仅可以降低谐波电流，而且还可以将再生能量高效率地回馈给电源。日本富士公司最近采用的新技术是一种称为三相一三相环形直接变换电路，如图 (C)所示。三相一三相环形直接变换电路采用了直流缓冲器(RCD缓冲器、