变频技术的基本类型.ppt
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1、变频技术的基本类型,1整流技术:通过晶体二极管组成的不可控或者晶闸管组成的可控整流器,将工频交流电变换成频率为零的直流电,称为整流技术。2直流斩波技术:通过改变电力半导体器件的通断时间,也就是脉冲频率(定宽变频),或者改变脉冲的宽度(定频调宽)达到调节直流平均电压的目的。3逆变技术:在变频技术中,逆变器是利用半导体器件的开关特性,将直流电变换成不同频率的交流电。4交-交变频技术:通过控制电力半导体器件的导通与关断时间,将工频交流电变换成频率连续可调的交流电。5交-直-交变频技术:先将交流电经过整流器变换成直流电,再将直流电逆变成频率可调的交流电。,变频器发展趋势,1智能化2专业化3模块化4环保
2、化变频器功能与应用 1节能2自动控制3.提高产品质量,PWM变频调速控制技术,脉宽调制技术(Pulse Width Modulation PWM)是变频器的控制技术之一。各种逆变电路多采用PWM技术,这种技术也是自动控制中常用的技术手段之一。PWM控制方式,就是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同的方波脉冲。通过控制这些方波脉冲的宽度和占空比来调节平均电压。,目前,较普遍的变频调速系统是恒幅脉宽调制(PWM)变频电路。三相或单相交流电压经整流器整流滤波后得到直流电压,将这个恒定的直流电压输入逆变器,调节逆变器的脉冲宽度和输出频率来实现调压调频的双重任务。在频率
3、一定时如果可调宽度增加则电压平均值增加。也就是增大了占空比如图3-1所示为单相逆变电路,其实质是直流斩波器,电路以IGBT为逆变管。通过控制逆变管VT1、VT4和VT2、VT3的交替导通和关断时间,达到控制逆变电器的输出波形与频率的目的。图3-2所示为单相逆变器输出波形,由图3-2可以看出逆变管VT1,VT4在基波频率的正半周多次重复(图中画出7次导通关断)导通与关断,而逆变管VT2、VT3在负半周内也同样导通和关断同样次数,如果使逆变管导通的时间间隔象正弦函数一样变化,逐渐增大,再逐渐减小;而等幅不等宽的脉冲电压面积,接近于所对应正弦波电压面积,则逆变器的输出电压将很接近基波电压,高次谐波电
4、压将大为减小。若采用高速开关器件和计算机控制,使逆变器的输出脉冲次数增多,逆变器输出电压则更为理想,因此PWM型逆变电路广泛用于交流异步电动机变频调速。,SPWM调制技术,PWM方法源于无线电中的载波调制技术。在交流异步电动机变频调速中,通常采用正弦波脉冲宽度调制(Sinusoidal PWM)方法,简称SPWM。在PWM中,如果脉冲宽度和占空比的大小,按正弦规律分布,则为正弦波脉宽调制(SPWM)。从脉宽调制的极性来看,有单极性调制和双极性调制两种方法。,单极性调制原理,三角波单极性调制SPWM原理如图3-3所示。以正弦波USi 作为参考调制信号,用三角波Uti 作为载波信号。如果正弦波信号
5、和三角信号都是正极性信号,称为单极性SPWM调制。图3-3中,在比较器A的“+”端输入正弦波参考调制信号电压USi,在A的“-”端输入三角波载频信号电压Uti。当 USi Uti时,电压比较器A输出高电平。当USi Uti时,电压比较器A输出低电平。在电压比较器A输出端就得到了SPWM电压脉冲序列。在SPWM脉冲序列中,各脉冲的幅度相等,而脉冲宽度不等。,由图3-4可知,脉冲宽度也就是开关器件的导通关断时间,它取决于两个比较电压USi和Uti 的交叉点及交叉点之间的距离(时间)。在这个序列脉冲中,占空比是按正弦规律变化的。所以脉冲序列的瞬时电压平均值也是正弦规律。但采集两个比较电压USi和Ut
6、i 的交叉点及交叉点之间的距离是非常困难的。只有采用计算机技术,才能在较短的时间内,计算出正弦波与三角波的所有的交叉点,并且使逆变器的功率开关器件按各交叉点所规定的时刻有序导通或关断。,将上述SPWM波形应用到图3-1所示的电路中,在正弦参考调制信号和三角波载波信号的交叉点时刻控制IGBT的导通与关断。正半周时,将SPWM信号加到VT1和VT4基极,使VT1和VT4按照脉冲电平及规律进行通断工作。此时,VT2和VT3关断。负载电流由“a”到“b”。在负半周时,将SPWM信号加到VT2和VT3基极,使VT2和VT3按照脉冲电平及规律进行通断工作,此时,VT1和VT4关断。负载电流由”b”到“a”
7、。可见,流经负载的电流是正负交替的交流电。,变频器的组成,变频器按变换方式可分两大类,即交交变频器和交直交变频器。交交变频器交交变频器是将电网工频交流电变换成为频率和电压连续可调的交流电。图3-6所示为单相交交变频器主电路原理示意图。由图中可以看出,控制正组桥和反组桥交替的导通,在负载上就可以产生新的电压和频率的交流电。因为没有中间直流环节,所以,能量转换效率高。但输出频率较低,一般为025HZ,它广泛应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机低速下变频调速。但由于交交变频器输出频率低和功率因数低,其应用受到制约。,交交变频器可分为1、方波型交交变频器2、正弦波型交交变频器,交直交变频器的组成,
8、交直交变频器是先将电网工频交流电经过整流器变换成直流电,再经过逆变器变换成电压和频率任意可调的交流电。交直交变频器是应用最为广泛的变频器。它由主电路和控制电路组成,主电路包括整流器,中间直流环节和逆变器,其基本组成如图3-7所示。,变频器主电路,1.交直变换环节交直变换电路就是整流滤波电路。其任务是将工频电源的三相或单相交流电变换成稳恒的直流电。因整流后的直流电压比较高,其电路结构具有特殊性。交直变换电路如图3-8所示。,限流电路,均压电阻,指示电路,整流电路,在SPWM变频器中,大多采用桥式全波整流电路。在中小型变频器中,整流器件采用不可控的整流二极管式或二极管整流模块。图3-6中VD1VD
9、6组成了三相桥式不可控全波整流电路。通常小功率变频器多采用单相220V整流。大功率变频器通常采用380V整流。当输入交流电压为380V时,整流后的脉动直流峰值电压可达537V,平均电压可达515V。,滤波电路,整流电路输出是脉动直流电压。要想得到稳恒的直流电压,必须加以滤波。CF1和CF2为滤波电容。滤波电路的作用是滤除整流后的电压纹波。此外,还具有在整流器和逆变器之间的去耦作用,消除相互干扰。由于电解电容器的容量和耐压值的限制,滤波电容通常采用多个电容器串并联成一组。因为大电解容器的电容量存在着离散性,所以CF1和CF2的容量不一定完全相等。其结果是两组电容器所承受的电压Ud1和Ud2不平衡
10、,使得承受电压较高的一组电容器容易击穿。为使CF1和CF2两端电压相等,在CF1和CF2各并联一只阻值相等的电阻R1和R2,以均衡CF1和CF2两端电压。,串联在整流桥和滤波电容之间的,由限流电阻RL和短路开关SL组成的并联电路称为限流电路。由于滤波电容的容量较大,在接通电源之前,滤波电容两端直流电压为零(Ud=0)。在接通电源瞬间,滤波电容CF1和CF2的充电电流很大,(此时整流桥相当于短路)有可能因此而损坏。为了保护整流桥,在滤波电容CF1和CF2的充电过程中,电路中串接限流电阻RL用以限制电容的充电电流。当滤波电容CF1和CF2的充电完成后,如果限流电阻仍存于电路中,必然有一定的压降,使
11、得直流电压Ud减小,同时也增大电路损耗,影响变频器的输出电压。因此,当电容器充电到一定程度时,令SL接通,将RL短接,将电阻RL从电路中切除。通常变频器中的短路开关SL采用晶闸管代替,小容量的变频器有的采用接触器或继电器的触点代替。,电源指示电路,HL为电源指示灯,RH为指示灯的限流电阻。指示灯除了显示变频器电源的是否接通外,还有一个重要功能,当变频器切断电源后,表示滤波电容CF1和CF2上的电荷是否已经放电完毕。由于CF1和CF2的容量较大,充电电压很高,因此,变频器停止工作切断电源后,CF1和CF2的放电时间长达数分钟,存在电容器中的电荷如不全部释放,将对人身安全构成威胁,在维修变频器时,
12、必须等HL完全熄灭后,方能工作.,中间直流环节,交流电动机是感性负载,作为逆变器的负载,功率因数不可能为1。所以,在中间直流环节和电动机之间存在着无功功率的交换,这种无功能量需要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。中间直流环节采用大容量电容器作为缓冲元件,其直流电压比较平稳。在理想情况下具有恒压源的特点,且输出电压波形为矩形波,这种变频器称为电压型变频器。如图3-9(a)所示。目前,在中小容量变频器中应用最为广泛的就是电压型变频器。中间直流环节采用大容量电感作为缓冲元件,负载为异步电动机时,输出电压波形近似正弦波,且输出电流波形为矩形波,这种变频器称为电流型变频器,如图3-9(b)所示,直-交变换
13、环节,直-交变换电路即逆变电路,其功能是将直流电逆变成电压和频率连续可调的三相交流电,直交变换电路,如图3-10所示。,三相桥式逆变电路,三相逆变桥电路原理,如图3-11所示。图中VT1VT6以IGBT为逆变管,组成三相桥式逆变电路。其工作原理与单相逆变电路工作原理相同,只是输出三相交流电互差T/3,U相超前V相T/3、V相超前W相T/3、W相超前U相T/3,各逆变管在SPWM信号的控制下交替导通与截止。,图3-12所示为三相逆变桥控制电路框图。一组三相对称正弦调制波信号USIU、USIV、USI W由正弦波信号发生器提供,其频率大小决定逆变桥输出的基波频率,在所要求的频率范围内可调;幅值可在
14、一定范围内变化,以决定逆变桥输出电压的大小。三角波信号发生器产生的三角形载波信号是共用的,分别与每相正弦波信号相比较,产生SPWM信号Udu、Udv、Udw,以驱动逆变管VT1VT6。,续流电路,图3-10中,由二极管VD7VD12构成续流电路,其作用有三:一是当电动机处于再生发电状态时,再生电流将通过续流二极管,回馈到直流电源;二是由于电动机是感性负载,功率因数必然小于1。因此,电流中存在无功分量,续流二极管为无功分量的回馈提供通道;三是为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供必要的通道。,缓冲电路,图3-13是具有代表性的缓冲电路。图中C01C06、R01R06及VD01VD06构成了缓冲
15、电路。其主要功能是,逆变管在导通和关断瞬间,电压和电流的数值是很大的,有可能击穿逆变管。因此,每个逆变管旁边接入由电阻、电容和二极管组成的缓冲电路,减缓电流和电压的变化率对逆变管的冲击,从而保护逆变管安全工作。,电容C01C06的作用,在逆变管VT1VT6每次由导通状态转换到截止状态过程中,集电极C和发射极E之间的电压Uce,将由0迅速上升至直流电压Ud,这个过程中电压增长率很大,极容易导致逆变管击穿。因此,逆变管VT1VT6在由导通到关断过程中给电容充电,从而减小了电压变化率,电阻R01R06、二极管VD01VD06的作用,在逆变管VT1VT6每次由截止状态转换到导通状态过程中,电容C01C
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