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1、1,通用变频器原理及应用,四川机电职业技术学院.电子电气工程系,2,学习情境2：变频器的结构、原理分析-1,学习情境2：变频器的结构、原理分析-1,知识目标：1、了解矢量控制变频器基本原理；2、认识通用变频器在采用不同分类方法的各类型变频器的特性；3、掌握通用变频器的基本结构、原理；4、掌握通用变频器的SPWM控制的实现和优势。,能力目标：1、掌握IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统组成。2、掌握SPWM、矢量调制方式下V/F曲线测定方法。,4,2.1 概 述,2.1.1 变频调速概述,1.前言 直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标，因此，在过去很长时期内，调速传动领域大多为直流电动机
2、调速系统。如今，由于全控型电力电子器件（如BJT、IGBT）的发展、SWPM专用集成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算机的应用，使得交流调速的性能获得极大的提高，在许多方面已经可以取代直流调速系统，特别是各类通用变频器的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流。,5,通用变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便且便于同其他设备接口等一系列优点，因此应用越来越广泛，社会经济效益十分显著。,2.目前国内主流的变频器 目前,市场主流的变频器种类有:ABB公司ACS系列、西门子公司的MICROMASTER系列和6SE70系列、富士电机公司的F
3、RN-G9S/P9S系列、三菱电机公司的FRA540/FR-F540系列、安川公司的VS-616G5系列、三肯公司的SAMCO-I/IP系列等。,6,（1）西门子,图2-1 MICROMASTER 4(MM4)系列（通用型变频器）,图2-2 SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE7系列（工程型变频器）,7,（2）ABB,图2-3 ACS600、ACS800、ACS1000系列,（3）三菱,图2-4 FR-A540、FR-F540、FR-A241E、FR-F700系列,8,3.交流调速传动概述 目前人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频
4、以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。,9,2.1.2 通用变频器概述,众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动
5、领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。,1.直流电动机与交流电动机的比较,10,（1）直流电动机的缺点 维修工作量大，事故率高；容量、电压、电流和转速的上限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；使用环境受限，特别是在易燃易爆场合难于应用。,（2）交流电动机的优点 容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；结构简单、造价低；坚固耐用，事故率低，容易维护。,11,但交流电动机的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的理论问题的突破和
6、调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。,12,60年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统（包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统）等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调速的主流。,2.通用变频器的发展,13,此后的20多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步，突
7、出表现在：（1）变频装置的大容量化 对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。为了适应大容量的高压电动机，采用直接高压型PWM变频器来控制高压电动机，发展较迅速。如下图2-5所示。,14,图2-5 GTO三电平电压型PWM变频器主电路,15,（2）主开关器件的自关断化 近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速，其中“门极关断晶闸管（GTO）、双极晶体管（BJT）/电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）”的发展最快，实用化的程度也最高。采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，既可以减小装置
8、体积，又降低了开关损耗提高了效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可采用PWM控制，既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功率因数。优点是很多的。据统计，目前变频器中的开关器件，容量为 1500kW以下的采用IGBT；10007500kW的采用GTO。,16,（3）变频装置的高性能化 早期的变频调速系统，基本上是采用U/F控制，无法得到快速的转矩响应，低速特性也不好（负载能力差）。1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。一改过去传统方式中仅对交流电量的量值（电压、电流、频率的量值）进行控制的方法，实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标变换的办法，实现
9、定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制，可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。,17,多年来，人们围绕着矢量控制技术做了大量的工作，如今矢量控制这一新的交流电动机调速原理得到了广泛的实际应用，做到与直流调速系统一样，甚至有所超过，完全可以取代直流调速系统。在一些轧钢厂中，大型初轧机这类快速可逆系统，90年代初采用了“交-交变频”矢量控制系统，到目前又开始采用“交-直-交”电压型变频器的矢量控制系统。实践证明，它完全可以满足生产工艺的要求，达到了已往直流调速系统的性能指标。,18,（4）PWM技术的应用 PWM：（Pulse Width Modulation）脉宽调制技术。自关断器
10、件的发展为PWM技术铺平了道路。目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制。PWM整流器现已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”交流器。,19,（5）控制方式的全数字化等方面。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。微处理机和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起到
11、了决定性的作用。全数字控制具有如下特点：精度高：数字计算机的精度与字长有关，变频器中使用16位乃至32位微型机作为控制机，精度在不断提高。稳定性好：由于控制信息为数字量，不会随时间发生漂移。与模拟控制不同，它一般不会随温度和环境条件发生变化。可靠性高：微型计算机采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，相应的故障率大大降低。,20,灵活性好：系统中硬件向标准化、集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当地修改软件，就可以改变系统的功能或提高其性能。存储能力强：存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的。利用这一特点可在存储器中存放大量的数
12、据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度。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。,21,2.2 变频器的简单原理（U/f控制）,前言：,为负载提供可变交流电源的装置叫变频器。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济、效益显著，所以逐步得到推广。,22,2.2.1 交流调速的基本方案,由电机学的基本公式：,（式2-1）,（式2-2）,（式2-3）,23,可见，异步电动机的调速方案有：改变极对数p，改变转速
13、率s（即改变电动机机械特性的硬度）和改变电源频率f1。交流调速的分类如下：,24,分析：变极对数调速是有级的；变转差率调速，不调同步转速，低速时电阻能耗大、效率较低；只有串级调速情况下，转差功率才得以利用，效率较高。变频调速是调节同步转速，可以从高速到低速都保持很小的转差率，效率高、调速范围大、精度高，是交流电动机一种比较理想的调速方案。在变频控制方式上又可分为变压变频调速，矢量控制变频调速和直接转矩控制变压变频调速等几种。,25,2.2.2 异步电机变频调速的基本控制方式（U/f控制）,为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通m不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1
14、=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。,1.基频以下的恒磁通变频调速,26,说明：由异步电动机转矩公式 T=KmI2cos2（式2-4）（转矩常数Km，转子电流I2，转子电路功率因素cos2）得T，即“恒磁通变频调速”属于“恒转矩调速方式”。但是，E1难于直接检测和直接控制。当频率较高时，E1和f1的值较高，定子的漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）相对较小，如忽略不计，则可以近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1=E1，保持U1/f1=常数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似恒磁通控制。,27,当频率较低时，U1和 E
15、1都变小，定于漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。近似的保持E1/f1=常数的关系。如图2-6所示（参见教材 P67图2-4），其中1为U1/f1=C时的电压、频率关系，2为有电压补偿时（近似的E1/f1=C）的电压、频率关系。,28,图2-6 U1/f1关系1-U1/f1=C 2近似E1/f1=C,这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值f1N向上增大，但电压U1；受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变。必然会使主磁通随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，
16、属于近似的恒功率调速方式。,2.基频以上的弱磁变频调速,29,（1）异步电动机变频调速的基本控制方式（图2-7）,图2-7 异步电动机变频调速时的控制特性,3结论,30,（2）异步电动机变频调速的机械特性（图2-8）,图2-8 异步电动机变频调速的机械特性,31,（3）VVVF（变压变频）异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子的电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Freqency）调速控制。,32,2.2.3 变频器的基本构成,变频器由主电路（整流器、中间直流环节（中间直流储能环节）
17、、逆变器）和控制电路组成，如图2-9所示。,图2-9 变频器的基本构成,33,关于变流器名称的说明：对于交-直-交变频器，在不涉及能量传递方向的改变时，我们常简明地称变流器I为整流器，变流器II为逆变器（见图2-9），而把图中I、II、III总起来成为变频器（日本资料则总称为逆变器）。实际上，对于再生能量回馈型变频器，I、II两个变流器均可能有两种工作状态：整流状态和逆变状态。当讨论中涉及变流器工作状态转变时，I、II不再简称为“整流器”和“逆变器”，而称为“网侧变流器”和“负载变流器”。,34,2.3 变频器的分类,前言：,变频器总体分为“交-交变频器”与“交-直-交变频器”两种，如图2-1
18、0所示。,图2-10 变频器的结构框图a）交-交变频器 b）交-直-交变频器,35,交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接式变频器。交-直-交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接式变频器。交-直-交变频器（间接式变频器）可按不同角度进行如下分类：,36,2.3.1 按直流电源的性质分类,根据图2-10交-直-交变频器中间直流环节是电容性还是电感性，可以将其划分为
19、电压（源）型或电流（源）型。当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将有无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。,37,电流型变频器主电路的典型构成方式如图2-11。其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。,图2-11 电流型变频器的主电路,1.电流型变频器,38,“电流型变频器”的名称由来：由于电感的作用，直流电流Id趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或电流型变频器。优点：电流型
20、变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备，只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角a900）即可。应用场合：电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。,39,电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图2-12所示。其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。变频器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个不控器件（二极管）反并联组成。晶闸管VT1VT6称为主开关器件，VD1VD6称为回馈二极管。电路的特点是，中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率
21、将由它来缓冲。,2.电压型变频器,40,图2-12 电压型变频器的主电路,“电压型变频器”的名称由来：由于大电容的作用，主电路直流电压Ed比较平稳，电动机端的电压为方波或阶梯波，电流波形与负载的阻抗角有关。直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压源型变频器或电压型变频器。,41,优点及应用场合：对负载电动机而言，电压型变频器是一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。缺点：缺点是电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的无功能量难于回馈给交流电网。要实现这部分能量向电网的回馈，必须采用可逆变流器。如图2-13所示，网侧变流器采用两套全控整流
22、器反并联。电动时由电桥I供电，回馈时电桥II作有源逆变运行（a900），将再生能量回馈给电网。,42,图2-13 再生能量回馈型电压型变频器,43,2.3.2 按输出电压调节方式分类,变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式：PAM：脉冲幅值调节（Pulse Amplitude Modulation）PWM：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）,44,脉冲幅值调节方式（Pulse Amplitude Modulation），简称PAM方式，是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在PAM变频器中，逆变器只负
23、责调节输出频率，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压Ed去实现。,1.PAM方式,45,（1）相控整流器：可控整流器调压、逆变器调频。（图2-14）,图2-14 电压型变频器的主电路,46,（2）直流斩波器：二极管整流、斩波器调压、逆变器调频。（图2-15）,图2-15 采用直流斩波器的PAM方式,47,脉冲宽度调制方式（Pulse Width Modulation）简称PWM方式。最常见的主电路如图2-16所示。变频器中的整流器采用不可控的二极管整流电路。变频器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式来完成。利用参考电压波与载频三角波互相比较来决定主开关器件的导
24、通时间而实现调压。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式，称为正弦 PWM 调制，简称 SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）方式。在通用变频器中，采用 SPWM方式调压，是一种最常采用的方案。,2.PWM方式,48,图2-16 PWM变频器主电路,49,这种方式与上述的PWM方式的区别仅在于调制频率有很大的提高。主开关器件的工作频率较高，普通的功率晶体管已经不能适应，常采用开关频率较高的IGBT或MOSFET。因为开关频率达到1020kHZ，可以使电动机的噪声大幅度降低（达到了人耳难
25、于感知的频段）。其主电路（IGBT作逆变器开关器件为例）如图2-17所示。这种采用 IGBT的高载波频率的 PWM通用变频器正在取代以 BJT为开关器件的变频器。,3.高载波频率的PWM方式,50,图2-17 高载波频率PWM变频器（IGBT变频器）,51,按控制方式分类,U/f控制方式前面已经介绍过。基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上则可以实现恒功率调速。U/f方式又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制方式，其简化的原理性框图如图2-18所示。逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f和电压指令U，而f与U之间的关系是由 U/f曲线发生
26、器（U/f模式形成）决定的。这样经PWM控制之后，变频器的输出频率f输出电压U之间的关系，就是 U/f曲线发生器所确定的关系。,1.U/f控制,52,可见，转速的改变是靠改变频率的设定值f来实现的。电动机在f不变条件下，转子转速将随负载转矩变化而变化，故U/f控制常用于速度精度要求不高或负载变动较小的场合。U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。,53,图2-18 U/f控制方式,54,由于U/f控制的静态调速精度显然较差，为提高调速精度，采用转差频率控制方式。根据速度传感器的检
27、测，可以求出转差频率f，再把它与速度设定值f相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值f1，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。与U/f控制方式相比，其调速精度大为提高。但是，使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。,2.转差频率控制,55,转差频率控制方式的原理图如图 2-19所示。经转差补偿后定子频率的实际设定值为f1 f+f，调速精度提高了。,图2-19 转差频率控制方式a)电路结构 b)机械特性,56,上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都建立在异步电动机的静态数学模型上。因此，动态性
28、能指标不高。对于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的应用，可以采用矢量控制变频器。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。,3.矢量控制,57,根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。在矢量控制方式中，磁场电流im；和转矩电流it；可以根据可测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行必要的校正。高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩
29、电流（或称有功电流）的设定值，如图2-20所示。动态频率前馈控制df/dt可以保证快速动态响应。,58,图2-20 矢量控制原理框图,59,2.3.4 按主开关器件分类,逆变器主开关器件的性能，往往对变频器装置的性能有较关键的影响。通用变频器中最常用的主开关器件都是自关断器件，主要有IGBT、GTO和BJT。(目前采用以IGBT为主开关器件的IPM（智能电力模块），也成为一种趋势，但仅在小容量变频器中开始采用。)IGBT的性能优于BJT，且容量范围可以覆盖BJT。实际上，BJT被IGBT取代已成定势。,60,目前生产厂商新出品的通用变频器，大多数都已采用IGBT。短短几年中，IGBT已经发展了
30、三代产品，近两年，日本东芝公司为突破IGBT难于达到4000V以上的难关，开发一种沟道栅结构的IGBT，称为IEGT。GTO的特点是电压高、电流大，已出现6000V/6000A、11000V/10000A的巨型GTO。目前GTO主要用于高压大容量变频器。原来它在中等容量领域的地位，将被IGBT所取代。就通用变频器来看，将来将以 IGBT变频器为主，BJT变频器不会再有新上市的产品，IPM的应用会逐步增加。,61,IGBT变频器有如下特点：(1）可以制成所谓静音式变频器，使负载电动机的噪声降到工频电网供电时的水平。（2）电流波形更加正弦化，有利于减轻电动机转矩的脉动，并增加低速时的转矩。(3）用于矢量控制时，动态响应特性更快。（4）与BJT变频器相比较，更容易制成上限频率较高的变频器。PWM控制方式更简单，可以省去“分段同步调制”的麻烦。（5）与BJT变频器相比较，驱动功率小，驱动电路简单，整机体积小，重量轻。,
