变频调速应用技术.ppt

中海油南海西部石油变频调速应用技术培训 FR-A500变频器,第3讲 变频器基本构成、工作原理及PWM控制技术,变压变频器,异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。,变压变频器,交-直-交变频器：先将恒压恒频(CVCF)的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调(VVVF)的交流，称作间接变频。交-交变频器：将恒压恒频(CVCF)的交流电直接变换为电压与频率均为可调(VVVF)的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。,变压变频器,a）交-直-交变频器b）交-交变频器,脉冲宽度调制技术,现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。,3.1 PWM变频器主回路,交-直-交变频器主回路结构图,3.1 PWM变频器主回路,左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。右边是逆变器(Inverter，Inv)，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。,3.1 PWM变频器主回路,主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。,直流母线供电,采用直流母线供电给多台逆变器，可以减少整流装置的电力电子器件，逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。当某个电动机工作在回馈制动状态时，直流母线能将回馈的能量送至其他负载，实现能量交换，有效地抑制泵升电压。,直流母线供电,直流母线方式的变频器主回路结构图,3.2正弦波脉宽调制技术,1.PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。,3.2正弦波脉宽调制技术,以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。,补充知识点,所谓SPWM波形：就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效原则：每一区间的面积相等。具体做法：如果把一正弦半波分成n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所围面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的幅值不变（只改变宽度），各脉冲的中心点与正弦波每一等份的中心点相重合。这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。称为SPWM波形。特点：两边窄，中间宽。同样，正弦波的负半周也可用同样方法得到一系列的负脉冲波等效。,单极性SPWM调制波形,单极性SPWM调制规律表,U相的输出电压uUo主要取决于VT1与VT4两个功率开关管的通断状态。按照表中指示的调制规律，控制信号在正半周时，在正弦波urU载波ut的时间段，应设法使VT1闭合、VT4断开，U对0点来讲相当于获得直流电压的正一半，为Ud/2；在正弦波urU载波ut的时间段，应使VT1、VT4都断开，对0点来讲认为U点获得电压为零；于是整个正半周的输出电压由一系列恒幅且不等宽（宽度受urU控制的正弦规律窄宽窄变化）的脉冲波列组成。,而当控制信号在负半周时，在正弦波urU载波ut的时间段，控制使VT4闭合、VT1断开，U对0点来讲又相当于获得直流电压的负一半，为-Ud/2；在正弦波urU载波ut的时间段，使VT1、VT4都断开，对0点来讲也认为U点获得电压为零；于是整个负半周的输出电压也由一系列恒幅且不等宽（宽度受urU控制的正弦规律窄宽窄变化）的负脉冲波列组成。由此可见，采用SPWM控制的逆变器输出的交流电压uUo脉冲宽度基本上呈正弦分布，各脉冲与正弦曲线下对应的面积近似成正比，对三相异步电动机来讲，这是一种可实现且比较理想的交流供电波形。,实现了接近正弦规律的基本电压输出波形，调节控制波可以控制它的调频与调压。从图中可以看出，如果加大（或减小）控制波urU的幅值，必然引起输出脉冲的宽度整体变宽，从而使得输出电压uUo的有效值增大（或减小）；如果改变控制波urU的频率，必然改变输出脉冲的正、负半周交替周期，从而改变U相输出电压uUo的频率，使得输出的新交流电既可变压又可变频（VVVF）。V、W两相交流电的合成方法与U相原理相同。,（2）双极性脉宽调制 使用双极性脉宽调制时，控制信号与载波信号都是双极性弱电信号。对于双极性SPWM调制波形图，这种调制方式中，U、V、W三相控制信号均为互差120的普通正弦波urU、urV、urW，载波为双极性高频三角波ut，三相双极性控制信号本身有正负，不需要倒向信号来区分正负；图中的uUo、uVo、uWo即为负载U、V、W三相的交流输出信号（相对于0点）。,以U相为例，双极性SPWM的调制规律为不分正负半周，在正弦波urU载波ut的时间段，使VT1闭合、VT4断开，对0点来讲相当于获得直流电压的正一半，为Ud/2；在正弦波urU载波ut的时间段，使VT1断开、VT4闭合，对0点来讲认为点获得直流电压的负一半为-Ud/2。由图可知，采用双极性SPWM控制的输出交流电uUo尽管在正半周会出现-Ud/2，负半周又会出现Ud/2，但脉冲宽度仍基本上呈正弦分布。,双极性脉冲宽度调制方式控制的逆变器，其调压调频方式与单极性相同。如要改变输出交流电压uUo的大小，则需要调节弱电控制电压urU的幅值；而对输出交流电压uUo的变频，则要靠改变控制波urU的频率来实现。在实际的变频器控制中，各控制波信号及载波信号的产生及VT1VT6功率开关的开关点实时控制均由微机程序配合大规模专用集成电路来完成。变频器的变频范围越大，分辨率越高，计算机存储的曲线数值就越多，实时计算就越困难。通用变频器产品的输出频率调节范围一般从零点几赫兹到几百赫兹。,双极性SPWM调制波形,3.2 正弦波脉宽调制技术,三相PWM逆变器双极性SPWM波形,a)三相正弦调制波与双极性三角载波b）、c）、d）三相电压e）输出线电压f）电动机相电压,补充知识点,1、调制度M正弦波（调制波）幅值 M 三角波（载波）幅值若以单位量1代表三角载波的幅值，则正弦调制波的幅值就是调制度M。,补充知识点,2、载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N=fc/fr 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,（1）异步调制,异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的；在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；,当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。,（2）同步调制,同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称；,为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。,3.3 消除指定谐波PWM,普通的SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终了相位的方法，以消除指定次数的谐波。在SPWM的基础上衍生出的“消除指定次数谐波PWM”（SHEPWM，Selected Harmonics Elimination PWM）控制技术。参见P131。,3.3 消除指定谐波PWM,变压变频器输出的相电压PWM波形,3.3 消除指定谐波PWM,要消除第k次谐波分量，只须令,基波幅值为所要求的电压值,3.4 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术,电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。,3.4 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术,电流滞环跟踪控制的A相原理图,3.4 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术,电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过h时，经滞环控制器HBC控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。,3.4 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术,电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压PWM波形,电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于实现。但功率开关器件的开关频率不定。,3.4 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术,电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。,三相电流跟踪型PWM逆变电路,三相电流跟踪型PWM逆变电路,3.5 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术,把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。,空间矢量的定义,交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。定义三相定子电压空间矢量,k为待定系数,空间矢量的合成,三相合成矢量,电压空间矢量,的合成矢量,空间矢量的定义,定子电流空间矢量,定子磁链空间矢量,空间矢量表达式,空间矢量功率表达式,共轭矢量,空间矢量表达式,考虑到,三相瞬时功率,按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则,空间矢量表达式,空间矢量表达式,当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量,空间矢量表达式,以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值,在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。,电压与磁链空间矢量的关系,合成空间矢量表示的定子电压方程式,忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为,或,电压与磁链空间矢量的关系,当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。,定子磁链矢量,定子电压矢量,电压与磁链空间矢量的关系,旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹,电压矢量圆轨迹,电压空间矢量,直流电源中点O和交流电动机中点O的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。,主电路原理图,三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图,8个基本空间矢量,PWM逆变器共有8种工作状态,当,8个基本空间矢量,依此类推，可得8个基本空间矢量。,当,8个基本空间矢量,2个零矢量,6个有效工作矢量,幅值为,空间互差,基本电压空间矢量图,基本电压空间矢量图,正六边形空间旋转磁场,6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率,6个有效工作矢量,每个有效工作矢量作用,顺序分别作用t时间，并使,正六边形空间旋转磁场,k=1,2,3,4,5,6,定子磁链矢量的增量,定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量的幅值等于,正六边形空间旋转磁场,定子磁链矢量的运动轨迹为,定子磁链矢量增量,正六边形空间旋转磁场,正六边形定子磁链轨迹,在一个周期内，6个有效工作矢量顺序作用一次，定子磁链矢量是一个封闭的正六边形。,正六边形空间旋转磁场,正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正比，而与电源角频率成反比。,由正六边形的性质可知：（等腰三角形）,正六边形空间旋转磁场,在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。恒磁通控制若直流侧电压恒定，则1越小时，t越大，势必导致,增大。,正六边形空间旋转磁场,要保持正六边形定子磁链不变，必须使,在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。,正六边形空间旋转磁场,有效的方法是插入零矢量（零电压矢量）当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量,表明定子磁链矢量停留不动。定子磁链为定子电压的积分，故积分值仍不变即定子磁链不变。,正六边形空间旋转磁场,有效工作矢量作用时间,当,零矢量作用时间,定子磁链矢量的增量为,正六边形空间旋转磁场,在时间t1段内，定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。在时间t0段内，零矢量起作用，定子磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量的到来。,正六边形定子磁链的最大值,正六边形空间旋转磁场,在直流电压不变的条件下，要保持,输出频率越低，t越大，零矢量作用时间t0也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。由此可知，零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。,恒定，只要使t1为常数即可。,期望电压空间矢量的合成,六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择。PWM逆变器只有8个基本电压矢量，能否用这8个基本矢量合成出其他多种不同的矢量呢？,期望电压空间矢量的合成,按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWM（SVPWM）的基本思想。按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻的2个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。,开关损耗最小原则决定,期望电压空间矢量的合成,电压空间矢量的6个扇区,按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，每个扇区对应,期望电压空间矢量的合成,基本电压空间矢量,期望输出电压矢量的合成,期望输出电压矢量与扇区起始边的夹角,的线性组合构成期望的电压矢量,期望电压空间矢量的合成,在一个开关周期 T0,期望输出电压矢量的合成,的作用时间,的作用时间,合成电压矢量,期望电压空间矢量的合成,由正弦定理可得（三角形中，各边与它所对的角的正弦之比相等）,解得,零矢量的作用时间,期望电压空间矢量的合成,两个基本矢量作用时间之和应满足,当,输出电压矢量最大幅值,时，,期望电压空间矢量的合成,当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值,基波相电压最大幅值,基波线电压最大幅值,期望电压空间矢量的合成,SPWM的基波线电压最大幅值为,两者之比,SVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比SPWM逆变器输出电压最多提高了约15%。,SVPWM的实现,通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出波型对称，以减少谐波分量。,下面以第扇区为例，介绍两种常用的SVPWM实现方法。1、零矢量集中的方法；2、零矢量分散的方法。,零矢量集中的实现方法,按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。在一个开关周期内，有一相的状态保持不变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，因而开关次数少，开关损耗小。,零矢量集中的实现方法,零矢量集中的SVPWM实现,零矢量分散的实现方法,将零矢量平均分为4份，在开关周期的首、尾各放1份，在中间放两份。将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，插在零矢量间。按开关次数最少的原则选择矢量。,零矢量分散的实现方法,零矢量分布的SVPWM实现,零矢量分散的实现方法,每个周期均以零矢量开始，并以零矢量结束。从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化。在一个开关周期内，三相状态均各变化一次，开关损耗略大于零矢量集中的方法。,SVPWM控制的定子磁链,将占据/3的定子磁链矢量轨迹等分为N个小区间，每个小区间所占的时间,定子磁链矢量轨迹为正6N边形，轨迹更接近于圆，谐波分量小，能有效减小转矩脉动。,SVPWM控制的定子磁链,在每个小区间内，定子磁链矢量的增量为,期望的定子磁链矢量轨迹,非基本电压矢量，必须用两个基本矢量合成。,SVPWM控制的定子磁链,为了产生,定子磁链矢量的增量为,7步完成的定子磁链（P142）,定子磁链矢量的运动的7步轨迹,SVPWM控制的定子磁链,弧度内N=4实际的,N=4时，实际的定子磁链矢量轨迹,定子磁链矢量轨迹,定子磁链矢量轨迹在,SVPWM控制的定子磁链,02弧度的定子,定子旋转磁链矢量轨迹,磁链矢量轨迹,定子磁链矢量轨迹,SVPWM控制的定子磁链,实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链圆周围波动。N越大，磁链轨迹越接近于圆，但开关频率随之增大。由于N是有限的，所以磁链轨迹只能接近于圆，而不可能等于圆。,*总结SVPWM控制的特点,8个基本输出矢量，6个有效工作矢量和2个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6边形的旋转磁链，谐波分量大，导致转矩脉动。用相邻的2个有效工作矢量，合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁场越接近于圆，但功率器件的开关频率将提高。,*总结SVPWM控制的特点,用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。与一般的SPWM相比较，SVPWM控制方式的输出电压最多可提高15%。,*3.6 交流PWM变频器-异步电动机系统的特殊问题,PWM变频器的输出电压为等幅不等宽的脉冲序列，该脉冲序列可分解为基波和一系列谐波分量。基波产生恒定的电磁转矩，而谐波分量则带来一些负面效应。,转矩脉动,一般使PWM波正负半波镜对称和1/4周期对称，则三相对称的电压PWM波可用傅氏级数表示,转矩脉动,当谐波次数k是3的整数倍时，谐波电压为零序分量，不产生该次谐波电流。因此，三相电流可表示为,转矩脉动,三相感应电动势近似为正弦波,单相等效电路,转矩脉动,基波感应电动势与k次谐波电流传输的瞬时功率,转矩脉动,k次谐波电流产生的电磁转矩,转矩脉动,k次谐波电流产生的电磁转矩,转矩脉动,5次和7次谐波电流产生6次的脉动转矩，11次和13次谐波电流产生12次的脉动转矩。在PWM控制时，应抑制这些谐波分量。当k继续增大时，谐波电流较小，脉动转矩不大，可忽略不计。,电压变化率,当电动机由三相平衡电压供电时，线电压的变化率,电压变化率,采用PWM方式供电时，线电压的跳变在瞬间完成，幅值为,因此，,很大,在电动机绕组的匝间和轴间产生较大的漏电流，不利于电动机的正常运行。采用多重化技术，可有效降低电压变化率，但变频器主回路和控制将复杂得多。,能量回馈与泵升电压,采用不可控整流的交-直-交变频器，能量不能从直流侧回馈至电网，交流电动机工作在发电制动状态时，能量从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压上升，称为泵升电压。电动机储存的动能较大、制动时间较短或电动机长时间工作在发电制动状态时，泵升电压很高，严重时将损坏变频器。,泵升电压的限制,在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压。在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采用PWM可控整流，当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。,泵升电压的限制,带制动电阻的交-直-交变频器主回路,泵升电压的限制,直流侧并晶闸管有源逆变器的交-直-交变频器主回路,泵升电压的限制,PWM可控整流的交-直-交变频器主回路,对电网的污染,由于直流侧存在较大的滤波电容，只有当输入交流线电压幅值大于电容电压时，才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便终止。电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。,对电网的污染,电网侧输入电流波形,通用变频器,一 通用变频器发展史 第一节 通用变频器发展历史及特点 第二节 新型变频器发展趋势二 通用变频器结构与原理 第一节 通用变频器的类别结构 第二节 通用变频器的工作原理,一 通用变频器发展史,第一节 通用变频器发展历史及特点 随着微机技术、电力电子技术和调速控制理论的不断发展，变频器作为一种智能调速“电源”也在不断地更新。从变频器问世以来，通用变频器主要经历以下几个发展阶段：80年代初期的模拟式、80年代中期的数字式、90年代初期的智能式、90年代中期的多功能型及现在的集中型通用变频器。通用变频器发展主要有以下特点：、功率器件不断更新换代 双极晶体管BJT、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、巨型晶体管GTO 2、应用范围不断扩大 在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造纸、食品、装卸搬运等行业都有着广泛应用 3.控制理论不断成熟,第二节 新型通用变频器发展趋势 1、低电磁噪音、静音化 新型通用变频器采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化2、专用化 新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。3、系统化 通用变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。,一 通用变频器发展史,一 通用变频器发展史,4、网络化 新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP、Interbus-S、Device Net、Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通讯5、操作傻瓜化 新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。6、内置式应用软件 新型通用变频器可以内置多种应用软件，有的品牌可提供多达130余种的应用软件，以满足现场过程控制的需要，如PID控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通讯软件等,一 通用变频器发展史,7、参数自调整 用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置，通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态（矢量型变频器可对电机参数进行自整定）。8、功能设置软件化 通用变频器的功能可以在WINDOWS95/98环境下设置并下装，并可以进行数据通讯。,二 通用变频器结构与原理,第一节、通用变频器的类型 从结构上可分为：1、交交变频器 2、交直交变频器 从变频电源的性质分（见图3）1、电流源型：中间直流滤波环节采用大电感滤波，电源内阻抗为零的恒压源，输出电流波形为矩形波。2、电压源型：中间直流滤波环节采用大电容滤波，电源内阻抗为无穷大的恒流源，输出电压波形为矩形波。两者性能差别：无功能量的缓冲回馈制动调速时的动态响应适用范围,通用变频器主回路图,VD1,VD3,VD5,VD4,VD6,VD2,R,S,T,RB,VB,C1,C2,V1,V3,V5,V4,V6,V2,D1,D3,D5,D4,D6,D2,RS,P,N,KS,RC1、2,IB,整流电路,滤波电路,制动电路,逆变电路,二 通用变频器结构与原理,（一）、变频器的主回路 电压型变频器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组，交-直-交型变频器结构见图21、整流电路：VD1VD6组成三相不可控整流桥，220V系列采用单相全波整流桥电路；380V系列采用桥式全波整流电路。若电源线电压为UL，三相全桥整流后平均直流电压UD=1.35UL，直流母线电压为535V2、中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容CF除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰给电机感性负载提供必要的无功功率，由于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。3、限流电路：由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在上电瞬间滤波电容C12的充电电流很大，过大的电流会损坏整流桥二极管，为保护整流桥上电瞬间将充电电阻Rs串入直流母线中以限制充电电流，当C12充电到一定程度时由开关Ks将Rs短路。,二 通用变频器结构与原理,4、逆变电路：逆变管V1V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电，是变频器的核心部分。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元5、续流二极管D1D6：其主要作用为：（1）电机绕组为感性具有无功分量，D1D6为无功电流返回到直流电源提供通道（2）当电机处于制动状态时，再生电流通过D1D6返回直流电路。（3）V1V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1D6提供通路。,二 通用变频器结构与原理,6、制动电阻RB和制动单元VB 电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压UD不断上升（即所说的泵升电压），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的放电电流IB,二 通用变频器结构与原理,（二）变频器的控制回路 变频器控制部分一般有：CPU单元、显示单元、电流检测电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源等（见图）。1、CPU单元：采用16位单片机或DSP，变频器专用单片机如：INTEL 87C196MH，速度为几十ns级。矢量控制型采用双CPU。2、开关电源单元：变频器控制电源为开关电源：有24V，15V，+5V等输出，其输入在主电路直流母线侧取得。3、电流检测单元：采用HALL元件检测变频器输出侧电流。对于加速、减速、运行中过流、变频过载及电机过载的检测是：由CPU通过检测输入的脉冲频谱来区分的。4、显示单元：其功能为人机界面、参数设定、状态/故障显示、远距离操作等、控制端子：模拟输入、输出端子；开关量输入输出端子；故障输出端子；6、驱动电路：产生的PWM波经专用驱动芯片、驱动放大电路后给IGBT。,通用变频器的内部结构,在实际的变频主电路中，功率开关VT1VT6并不使用有触点开关，而是使用各种被称为现代功率器件的无触点功率开关，本图中所示为绝缘栅晶体管，文字符号为IGBT。这种管子的开通和关断受其栅极的电压控制，属于全控型功率器件，目前其耐压可达到一千多伏，电流达到几百安。主开关反并联的二极管为续流二极管，用于上下开关高速切换时为负载提供电流通路，防止电感性负载电流突变引起高压造成元件击穿。,给定电路用来选择变频器的运行频率，一般由键盘设定，也可以用电位器设定。微机控制系统根据用户所要求的运行频率，在内部进行图示的恒磁通补偿运算，算出与频率相匹配的电压数值，产生各相控制电压、载波电压，并进行SPWM开关点运算，给主电路的六个功率元件发出弱电的通断信号。隔离驱动电路的作用是将微机控制系统计算发出的弱电信号加以强弱电隔离，并进行功率放大，送往功率开关VT1VT6的控制电极。通用变频器具有多种检测及保护电路，如过电流、过电压、功率器件的温度过高等。,出现故障后，微机系统必须进行正确快速的判断、处理和报警。显示电路也需要进行多种显示，如对用户设置的电机参数、运行频率、运行模式等进行参数或模式显示，运行时显示当前的频率、电压、电流等数据，故障时显示故障代码等。,二 通用变频器结构与原理,第二节 变频器工作原理通用变频器的基本控制方式（V/F控制）由n=60f/P（1-S）（P为极对数）可知通过改变频率f可改变电机速度，由三相异步电机定子相电动势有效值：E=4.44kfn，知：当f大于电机额定频率fN时，气隙磁通将会小于额定磁通量N，结果使电机的铁心没有得到充分利用而造成浪费；当f小于电机额定频率fN时，气隙磁通将会大于额定磁通量N，电机铁心饱和，导致过大的励磁电流严重时会因绕组过热而损坏电机，因而要实现变频调速，最好在变频时保持每极磁通量不变。基频以下（恒转矩调速）：当频率较低时认为定子相电压UE，要使不变则：U/f=常数即可。低频时U和E都较小，定子绕组阻抗不能再忽略，这时可将电压U抬高一些以补偿定子电压，基频以下控制属于“恒转矩调速”。基频以上控制（恒功率调速）：基频以上调速时电压U不能超过额定压Un，最多只能保持在额定电压Un。频率上升电压不变将使磁动势减弱、转矩减小，但由于同步转速上升可认为输出功率基本不变。故基频以上变频调速属于“弱磁恒功率调速”,