交交变频电路ppt课件.ppt

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1、交交变频电路,也称周波变流器(Cycloconvertor)把电网频率的交流电变成可调频率的电路。没有中间环节，所以属于直接变频电路。将交流电整流成直流电,再将直流电逆变成另一种频率的交流电为间接变频电路。直流变频电路提高了系统变换效率，而且由于采用电网电压自然换流，无须强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。,变频器和逆变器的应用是十分广泛的。例如在人造卫星、导弹、核武器、潜艇上把太阳能电池或其他高效化学电池的直流电能转变为交流电能；在工业上，可用于中频感应加热设备，交流电动机的变频调速；在卫星地面站、气象中心、机场等地方，作为交流不停电电源；在铁路运输中作为机车的牵引电源等等

2、。 变频器实现频率变换的电路形式有多种，从能量转换过程的角度出发，可分为两种方式，一种方式是先将频率为fl 的交流电能经过整流器转换为直流电能，再经过逆变器将直流电能重新转换成频率为f2的交流电能。这种方式称为间接变频器，或称交一直一交变频器。另一种变频方式称为直接变频器，或称交一交变频器，是将频率为s,的交流电能直接变成频率为.f2的交流电能，没有中间直流环节。,广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速传动，也 用于电力系统无功补偿、感应加热用电源、交流励磁变速恒频发电机的励磁电源等。实际使用的多为三相输入-三相输出电路，基础是三相输入-单相输出电路，所以首先介绍单相输出电路的构成，工作原理，

3、控制方法及输入输出特性。然后再介绍三相输出电路。最后介绍新型的绿色变频电路-矩阵式交交变换器，以了解交交变频技术的最新发展动向。,单相交交变频电路,单相交交变频电路的构成和输出电压波形,由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流器P和N都是相控整流电路。,单相交交变频电路的基本工作原理,P组工作时，负载电流io为正；N组工作时，io为负；两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电：改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo；改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值；,在半个周期内让P组a 角按正弦规律从90减到0或

4、某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制；uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。,整流与逆变工作状态,阻感负载为例把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成图4-19a所示的正弦波交流电源和二极管的串联设负载阻抗角为 ，则输出电流滞后输出电压 角两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲,工作状态,t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁 t1 t2： uo和io均为正，正组整流，输

5、出功率为 t2 t3 ： uo反向， io仍为正，正组逆变，输出功率为负t3 t5期间： io负半周，反组工作，正组被封锁 t3 t4 ：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正 t4 t5 ： uo反向， io仍为负，反组逆变，输出功率为负 哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关 工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定,理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,交交变频电路中如果正反两组变流器同时导通，将经过晶闸管形成环流。为了避免这一情况，可在两组之间接入限制环流的电抗器，或合理安排触发电路，当一组有电流时，另一组不发触发脉冲不工作，这就是有环流和无环流控制。,单相交交变

6、频电路输出电压和电流波形,波形图解释,考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段：第1段io 0，反组逆变第2段电流过零，为无环流死区第3段io 0， uo 0，正组整流第4段io 0， uo 0，正组逆变第5段又是无环流死区第6段io 0， uo 0，为反组整流uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态,输出正弦波电压的调制方法,设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压，则有 每次控制时a角不同， uo表示每次控制间隔内uo的平均值

7、期望的正弦波输出电压为 比较上两式，应使 称为输出电压比：余弦交点法基本公式,余弦交点法图解,线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示相邻两个线电压的交点对应于a=0u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应以a=0为零时刻，则us1us6为余弦信号希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定,输入输出特性,输出上限频率 输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重； 电压波形畸变及其导致的电

8、流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素； 就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限； 当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。,输入功率因数由于交交变频电路采用移相触发控制，晶闸管换流时需要从电网吸收感性无功，致使输入电流相位滞后于输入电压，输入功率因数滞后，需要电网提供无功功率，一周期内，a角以90为中心变化输出电压比g越小，半周期内a的平均值越靠近90负载功率因数越低，输入功率因数也越低不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后,输出电压谐波输出电压的

9、谐波频谱非常复杂，既和输入频率fi和输出频率fo有关，还和变流电路的脉波数有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo，6fi5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，采用无环流控制方式时，由于确保正反两桥安全切换所需死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波,输入电流谐波输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制，所以与可控整流电路相比，其输入电流频谱要复杂得多。采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率 和 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,三相交交变频电路,交交变频电路主要应用于低速、大功率交流电机调速系

10、统，使用的是三相交交变频电路由三组输出电压相位各差120的单相输出交交变频电路按一定方式连接组成1电路接线方式主要有两种：公共交流母线进线方式和输出星形联结（Y接）方式,公共交流母线进线方式,由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变频电路构成电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开主要用于中等容量的交流调速系统,公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）,输出星形联结方式,三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可,因为三组的输出联接

11、在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电；由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流；和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通；两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。,输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的输入电流总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低谐波频率为 和 式中，k =1,2,3,；l =0,1,2,。,输入输出特性,采用三相桥式电路时，输入谐波电流

12、的主要频率为fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大,交交变频电路的输入电流波形,三相总输入功率因数应为 三相电路总的有功功率为各相有功功率之和但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路,输入功率因数,基本思路各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因而也加不到负载上。利用

13、这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。直流偏置负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的a角都在90附近，因此输入功率因数很低给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a将减小，但变频器输出线电压并不改变,改善输入功率因数和提高输出电压,交流偏置梯形波输出控制方式使三组单相变频器的输出均为梯形波（也称准梯形波） ，主要谐波成分是三次谐波在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（即梯形波的平顶区），a角较小，因此输入功率因数可提高15%左右图4-20正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值为Ud0在同样幅值的情况下，梯

14、形波中的基波幅值可提高15%左右,梯形波控制方式的理想输出电压波形,8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路和交直交变频电路比较，交交变频电路的优点：只用一次变流，效率较高可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波缺点是：接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低 输入功率因数较低 输入电流谐波含量大，频谱复杂,交交变频和交直交变频的比较,主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路中。目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应

15、用既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动,应用,矩阵式变频电路,直接变频电路 所用开关器件是全控型的 控制方式不是相控方式而是斩控方式,拓扑结构,三相输入电压为ua、 ub和uc 三相输出电压为uu、 uv和uw 9个开关器件组成33矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路(Matrix Converter MC)或矩阵变换器 图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，图4-28b给出了应用较多的一种开关单元,优点输出电压为正弦波输出频率不受电网频率的限制输入电流也可控制为正弦波且和电压同相功率因数为1，也可控制为需要的功率因数能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行不通过中间直

16、流环节而直接实现变频，效率较高,利用单相输入对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压uo为式中，Tc开关周期；ton 一个开关周期内开关导通时间；s 占空比不同的开关周期中采用不同的s，可得到与us频率和波形都不同的uo由于单相交流us波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有如图4-29a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无法得到所需输出波形。,矩阵式变频电路的基本工作原理,利用三相相电压把输入改为三相，就可利用图4-29b所示的三相相电压包络线中所有的阴影部分理论上所构造的uu的频率可不受限制但如uu必须为正弦波，则其最大幅值仅为输入相电压ua幅值的0.5倍

17、利用三相线电压用图4-28a中第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出线电压uuv,可利用图4-29c中6个线电压包络线中所有的阴影部分当uuv必须为正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比,构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相输出构造输出线电压,利用对开关S11、 S12和S13的控制构造输出电压uu为防止输入电源短路，任何时刻只能有一个开关接通负载一般是阻感负载，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，任一时刻必须有一个开关接通u相输出电压uu和各相输入电压的关系为

18、式中 一个开关周期内开关S11、 S12、S13的导通占空比,以相电压输出方式为例分析 矩阵式交交变频电路的控制,对于三相有 (4-27)可缩写为 uo=s ui (4-28)式中uo ,ui , s s称为调制矩阵，s矩阵中各元素确定后，输入电流ia、ib、ic和输出电流iu、iv、iw的关系也就确定了(4-29)(4-30)式中，ii io式(4-27)、(4-29)是矩阵式变频电路的基本输入输出关系式,对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。设为 (4-31)(4-32)式中 Uim、Iom 输入电压和输出电流的幅值；wi、wo 输入电压和输出电流的角频率； jo 相应于输出

19、频率的负载阻抗角。,变频电路希望的输出电压和输入电流分别为(4-33) (4-34)式中Uom、Iim输出电压和输入电流的幅值；ji 输入电流滞后于电压的相位角,当期望的输入功率因数为1时，ji =0。把式(4-31)式(4-34)代入式(4-27)和式(4-29)，可得(4-35) (4-36)如能求得满足式(4-35)和式(4-36)的s，就可得到希望的输出电压和输入电流,s,sT,矩阵式变频电路的优点输出电压为正弦波，输出频率不受电网的限制；输入电流也可以控制为正弦波且和电压同相，功率因数为 1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而

20、直接实现变频，效率高。 因此，这种电路的电气性能是十分理想的。,要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的两个基本问题 如何求取理想的调制矩阵s开关切换时如何实现既无交叠又无死区 现状尚未进入实用化，主要原因：所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低,有十分理想的电气性能和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽多用了6个开关器件，却省去了直流侧大电容，将使体积减小，且容易实现集成化和功率模块化 在器件制造技术飞速进步和计算机技术日新月异的今天，矩阵式变频电路将有很好的发展前景。,十分突出的优点,通过以上分

21、析可知，交一交变频器具有如下的特点： (1)没有直流环节，一次换能，变频器的效率高； (2）采用电网电压换流，不需专门的换流电路； (3)不必使用快速晶闸管，普通晶闸管即可满足要求； (4）用于交流电动机变频调速时便于实现再生制动，将电动机的再生能量 回馈电网。 它的缺点主要是 ： (1)使用的晶闸管数量多，触发电路复杂； (2)输出交流电压的频率较低，一般仅为输人端交流电源频率的1/31/20 (3）在低频时功率因数较低。 交一交变频器主要用于低速大功率交流电动机变频调速，如可逆轧钢机 、矿并提升机、球磨机等。,本章小结,(1) 交流交流变流电路的分类及其基本概念；(2) 单相交流调压电路的

22、电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性；(3) 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；(4) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；(5) 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性；(6) 矩阵式交交变频电路的基本概念；(7) 各种交流交流变流电路的主要应用。,变频器选型宝典,1.负载类型和变频器的选择：变频器不是在任何情况下都能正常使用，因此用户有必要对负载、环境要求和变频器有更多了解电动机所带动的负载不一样，对变频器的要求也不一样。A:风机和水泵是最普通的负载：对变频器的要求最为简单，只要变频器容量等于电动机容量即可（空压机、深水泵、泥沙泵、快速变

23、化的音乐喷泉需加大容量）。B:起重机类负载：这类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器有一定余量。同时，在重物下放肘，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用母线方式。C:不均行负载：有的负载有时轻，有时重，此时应按照重负载的情况来选择变频器容量，例如轧钢机机械、粉碎机械、搅拌机等。D:大惯性负载：如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因此启动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。应该用容量稍大的变频器来加快启动，避免振荡。配合制动单元消除回馈电能。,2.长期低速动转，由于电机发热量较高，风扇冷却能力降低，因此必须采用加大减速比的方式或改用6级电机，使电机运转在较高频率附近。

24、3.变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障或缩短使用寿命；变频器与驱动马达之间的距离一般不超过50米，若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转。,变频调速恒压供水集成系统 - 所属行业 : 环保 发布公司：成都希望森兰变频器制造有限公司关键词：森兰变频器变频器PLC传感器PID变频调速恒压供水具有质量高、灵活性强、耗电省、电机起动平衡、无水锤效应，原材料省耗小等优点，是本公司新开发一种新型的变频调速恒压供水集成系统，该系统采用日本最新研制的 iPF 系列变频器。,一、 传统的变频调速恒压供水系统 1 、传统的变频调速恒压供水系统，主要由压力传感器、 PID

25、调节器， PLC （可编程控制器）， VVVF 变频器，电控单元及多台电泵组成。其中 PID 调节器将压力传感器检测到的出口压力信息转成电信号，分别控制 PLC 变频器，依用水量变化随时调节水泵启停和转速，从而调节供水量，保持管网出口处的压力误差在一定范围之内（ 0.01Mpa ）实现恒流量供水。传统利变频调速恒压供水系统结构算复杂，控制调试繁琐。 PID 参数，在不同的运行条件（流量、压力、转速）对 PID 参数要求不同。现有的许多系统都是将 PLC 、 PID 的功能用简单的单片机电路来实现。由于变频运行中引起的电磁干扰等原因，单片机系统的可靠性相对较差，易出现故障。,2 、新型的变频调速

26、恒压集成供水系统，选用日本最新推出的 iPF 系列变频器。这种变频器只要配套恒压供水系统单元，便可直接控制多个电泵工作，不需外配价格昂贵的 PID 调节器、 PLC 控制器，功能强大且成本较低。这种专用的变频调速恒压供水控制电路，是通过设置指令代码，方便灵活的实现 PLC 、 PID 等控制系统的功能。简化了电路结构，提高了系统的可靠性，设备的成本大副度下降。该系统的功能做一个简单的介绍： （1） 运行的方式选择灵活，系统可选择变频泵固定和循环两种方式。 （2） 可实现辅助泵的自动控制功能，以设置辅助泵的切入或退出，选择是否在主泵以外设置小容量的泵，在用水量非常少的情况下（如深度）进行工频驱动

27、。 （3） 可选择相应的停止顺序。在关闭电泵时，可先关闭先开启的电泵，以便使泵的使用频率相等，这种方式主要用于水泵容量相等的情况，而关闭后开启的泵则适用于电泵容量不等的情况。,（4） 控制方便、安全可靠，系统无需改线，便可实现选择的水泵切入退出，保养检修十分方便，变频器的功能十分完善，设有电流、电压等各种保护及报警措施，一旦变频出现故障，系统会自动切换到工频运行，避免断水，安全可靠。 （5） 直观的人机对话。系统除了面板频率设定，电位器设定，还可以直接用 Mpa 水压单位通过面板进行压力设定，用“ Mpa ”直接设定方式时，在面板上显示压力反馈值 (Mpa), 而整个压力闭环控制可由系统软件

28、( 相应的功能码 ) 来实现 , 且内部参数 , 如比例 (P) 积分 (I) 微分 (D), 加减速斜率 , 滤波的时间常数等可在线修改 , 直观方便 . （6） 自动节能运转 , 在系统中设置了节能运转功能 , 在此功能下运行时 , 变频器能自动搜集电机的工作点 , 不同的负载设置不同的 V/F 参数，实现自动节能运转功能，另外该系统的变频器采用无速度传感器矢量控制，具有强大的保护和通讯功能，可实现远距离集中控制。,总之系统具有优良而完备的性能，将以前的 PID 调节器和 PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器控制板上，通过设置指令代码便可灵活方便地实现 PLC 、 PID 等电控系统的功能简化了电路结构，大大的提高了系统的可靠性，同时设备的成本也大幅度下降。并会带来可观的社会经济效益。,