变频器的原理与应用课程设计Word下载.docx

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除此之外，外部部件还有：

制动单元、输入电抗器、输出电抗器、直流电抗器、标准键盘、远控键盘、远控电源、远控电缆、自动控制专用接口板、RS232/RS485总线适配器、RS232总线分配器、RS232总线电缆、RS485通信电缆、机壳、机箱、机柜、变频器说明书等。

变频器主要是由主电路、控制电路组成。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

（1）整流器：

最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

（2）平波回路：

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。

装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

（3）逆变器：

同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（1）运算电路：

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。

（2）电压、电流检测电路：

与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路：

驱动主电路器件的电路。

它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

（4）速度检测电路:

以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路:

检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，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

1）整流电路

如图1.2所示，通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。

它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。

三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。

网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。

当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为1200—1600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。

2）滤波电路

逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。

同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。

为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。

通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。

另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们随的电压不相等。

因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。

3）逆变电路

逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。

逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。

最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。

通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。

智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。

如三菱公司生产的IPMPM50RSA120，富士公司生产的7MBP50RA060，西门子公司生产的BSM50GD120等，内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。

模块的典型开关频率为20KHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。

逆变电路中都设置有续流电路。

续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。

为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。

在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。

另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。

所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护

一、变频器的基本原理

1．变频器组成原理

（1）变频器的基本结构

调速用变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。

其基本结构和各部分的基本功能如图6－2所示。

图6－2变频器基本结构

一个典型的电压控制型通用变频器的原理框图如图6－3所示。

图6-3变频器的原理框图

（2）变频器主电路工作原理

目前已被广泛地应用在交流电动机变频调速中的变频器是交－直－交变频器，它是先将恒压恒频（CVCF：

ConstantVoltageConstantFrequecy）的交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控交流电的间接型变频电路。

在交流电动机的变频调速控制中，为了保持额定磁通基本不变，在调节定子频率的同时必须同时改变定子的电压。

因此，必须配备变压变频（VVVF：

VariableVoltageFrequency）装置。

它的核心部分就是变频电路，其结构框图如图6-4所示。

图6-4VVVF变频器主电路结构框图

按照不同的控制方式，交－直－交变频器可分成以下三种方式：

1）采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式，其结构框图如图6-5所示。

在这种装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，在控制电路上协调配合，结构简单，控制方便。

但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因数较低。

而输出环节多用由晶闸管组成多拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大，因此这类控制方式现在用的较少。

图6-5可控整流器调压、逆变器结构框图

2）采用不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式，其结构框图如图6-6所示。

整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压，这种方法克服功率因数较低的缺点，；

但输出逆变环节未变，仍有谐波较大的缺点。

图6-6不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器结构框图

3）采用不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图如图6-7所示。

在这类装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；

用（PWM）逆变，则输出谐波可以减小。

这样图6-7装置的两个缺点都消除了。

PWM逆变器需要全控型电力半导体器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。

采用绝缘双极型晶体管IGBT时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为SPWM逆变器，成为当前最有发展前途的一种装置形式。

图6-7不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器结构框图

在交－直－交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电压型变频器，见图6-8（a），当交－直－交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电流型变频器，见图6-8（b）。

（a）（b）

图6-8变频器结构框图

（a）电压型变频器（b）电流型变频器

下面给出几种典型的交－直－交变频器的主电路。

①交－直－交电压型变频电路

图6-9是一种常用的交—直—交电压型PWM变频电路。

它采用二极管构成整流器，完成交流到直流的变换，其输出直流电压Ud是不可控的；

中间直流环节用大电容C滤波；

电力晶体管V1～V6构成PWM逆变器，完成直流到交流的变换，并能实现输出频率和电压的同时调节，VD1～VD6是电压型逆变器所需的反馈二极管。

图6－9交—直—交电压型PWM变频电路

从图中可以看出，出于整流电路输出的电压和电流极性都不能改变，因此该电路只能从交流电源向中间直流电路传输功率，进而再向交流电动机传输功率，而不能从直流中间电路向交流电源反馈能量。

当负载电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入直流中间电路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。

为了限制泵升电压，如图6-10所示，可给直流侧电容并联一个由电力晶体管V0和能耗电阻R组成的泵升电压限制电路。

当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，能量消耗在R上。

这种电路可运用于对制动时间有一定要求的调速系统中。

图6-10带有泵升电压限制电路的变频电路

在要求电动机频繁快速加减的场合，上述带有泵升电压限制电路的变频电路耗能较多，能耗电阻R也需较大的功率。

因此，希望在制动时把电动机的动能反馈回电网。

这时，需要增加一套有源逆变电路，以实现再生制动。

如图6-11所示。

图6-11可以再生制动的变频电路

②交－直－交电流型变频电路

图6-12给出了一种常用的交－直－交电流型变频电路。

其中，整流器采用晶闸管构成的可控整流电路，完成交流到直流的变换，输出可控的直流电压U，实现调压功能；

中间直流环节用大电感L滤波；

逆变器采用晶闸管构成的串联二极管式电流型逆变电路，完成直流到交流的变换，并实现输出频率的调节。

图6-12交－直－交电流型变频电路

由图可以看出，电力电子器件的单向导向性，使得电流Id不能反向，而中间直流环节采用的大电感滤波，保证了Id的不变，但可控整流器的输出电压Ud是可以迅速反向的。

因此，电流型变频电路很容易实现能量回馈。

图6－13给出了电流型变频调速系统的电动运行和回馈制动两种运行状态。

其中，UR为晶闸管可控整流器，UI为电流型逆变器。

当可控整流器UR工作在整流状态（

＜90°

）、逆变器工作在逆变状态时，电机在电动状态下运行，如图6-13（a）所示。

这时，直流回路电压Ud的极性为上正下负，电流由Ud的正端流入逆变器，电能由交流电网经变频器传送给电机，变频器的输出频率

1>

电机处于电动状态，如图6－13（b）所示。

此时如果降低变频器的输出频率，或从机械上抬高电机转速

，使

1<

，同时使可控整流器的控制角

>

90°

，则异步电机进入发电状态，且直流回路电压Ud立即反向，而电流Id方向不变。

于是，逆变器UI变成整流器，而可控整流器UR转入有源逆变状态，电能由电机回馈给交流电网。

（a）（b）

图6-13电流型变频调速系统的两种运行状态

（a）电动状态（b）发电状态

图6-14给出了一种交－直－交电流型PWM变频电路，负载为三相异步电动机。

逆变器为采用GTO作为功率开关器件的电流型PWM逆变电路，图中的GTO用的是反向导电型器件，因此，给每个GTO串联了二极管以承受反向电压。

逆变电路输出端的电容C是为吸收GTO关断时所产生的过电压而设置的，它也可以对输出的PWM电流波形而起滤波作用。

整流电路采用晶闸管而不是二极管，这样在负载电动机需要制动时，可以使整流部分工作在有源逆变状态，把电动机的机械能反馈给交流电网，从而实现快速制动。

图6-14交－直－交电流型PWM变频电路

③交－直－交电压型变频器与电流型变频器的性能比较

电压型变频器和电流型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同，但是这样一来，却造成两类变频器在性能上相当大的差异，主要表现列表6-1比较如下：

表6-1电压型变频器与电流型变频器的性能比较

特点名称

电压型变频器

电流型变频器

储能元件

电容器

电抗器

输出波形的特点

电压波形为矩形波

电流波形近似正弦波

电流波形为矩形波

电压波形为近似正弦波

回路构成上的特点

有反馈二极管

直流电源并联大容量

电容（低阻抗电压源）

电动机四象限运转需要再生用变流器

无反馈二极管

直流电源串联大电感

（高阻抗电流源）

电动机四象限运转容易

特性上的特点

负载短路时产生过电流

开环电动机也可能稳定运转

负载短路时能抑制过电流

电动机运转不稳定需要反馈控制

适用范围

适用于作为多台电机同步运行时的供电电源但不要求快速加减的场合

适用于一台变频器给一台电机供电的单电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求