变频器工作原理

发布时间：2023-09-27 04:18:31   来源：体育竞猜bob

　　• • • • • 一、变频器概述 二、变频器基础原理 三、变频器的保护功能 四、变频器的干扰及预防的方法 五、变频器应用

　　• 三相交流异步电机的结构相对比较简单、坚固、运 行可靠、价格低，在冶金、建材、矿山、 化工等重工业领域发挥着巨大作用。人们 希望在许多场合下能够用可调速的交流电 机来代替直流电机，以此来降低成本，提高 运行的可靠性。如果实现交流调速，每台 电机将节能20%以上，而且在恒转矩条件 下，能降低轴上的输出功率，既提高了电 机效率，又可获得节能效果。

　　• 二、能耗电路部分 • 1、制动电阻RB • 变频器在频率下降的过程中，将处于再 生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF 中，使直流电压一直上升，甚至达到十分危 险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能 量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都 有外接端子（如DB＋，DB－）。 • 2、制动单元VB • 由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其 作用是为放电电流IB流经RB提供通路。

　　• 一、交－直变换部分 • 1、VD1～VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。 • 2、滤波电容器CF作用： • （1）滤除全波整流后的电压纹波； • （2）当负载变化时，使直流电压保持平衡。 • 因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个 电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中 的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每 组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。 • 3、限流电阻RL和开关SL • RL作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作 用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击 电流，将电容CF的充电电流限制在一些范围内。 • SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。 一些变频器使用晶闸管代替（如虚线、电源指示HL • 作用：除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电 后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能进行拆线等操 作）。

　　• 逆变管在导通和判断的瞬间，其电压和电流的变化率是比 较大的，可能全逆变管受损。因此，每个逆变管旁边 还要接入缓冲电路，其作用就是减缓电压和电流的变化率。 • 1、C01～C06 • 逆变管V1～V6每次由导通到截止的判断瞬间，集电 极C和发射极E间的电压将迅速地由0V上升为直流电压UD。 过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。C01～C06的作 用就是减小逆变管由导通到截止时过高的电压增长率，防 止逆变损坏。 • 2、R01～R06 • 逆变管V1～V6由导通到截止的瞬间，C01～C06所充 的电压（等于UD）将V1～V6放电。此放电电流的初值很 大，并且叠加在负载电流上，导致逆变管的损坏。R01～ R06的作用就是限制逆变管在导通瞬间C01～C06的放电 电流。 • 3、VD01～VD06 • R01～R06的接入，又会影响到C01～C06在V1～V6 关断时减小电压增长率的效果。VD01～VD06接入后，在 V1～V6关断过程中，使R01～R06不起作用；而在V1～ V6接通过程中，又迫使C01～C06的放电电流流经R01～ R06。

　　• 交-直-交变频器控制电路 • 控制电路由运算电路、检测电路、控制信 号的输入/输出电路和驱动电路等构成，其 主要任务是完成对逆变器的开关控制、对 整流器的电压控制以及各种保护功能等， 可采用模拟控制或数字控制。 • 高性能的变压器目前已采用嵌入式微型计 算机进行数字控制，采用尽可能的硬件电 路，主要靠软件来完成各种功能。

　　一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电 动机和控制电路3大部分组成，

　　静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压 电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。 至于控制电路，变频调速系统要比直流调速系统 和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对 象—感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控 制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务 大多是由微处理机承担。

　　• （三）变频器的核心是电力电子器件及控制方式 • 1.电力电子器件的发展 • 20 世 纪 80年代中期以前，变频装置功率回路主要 采用第一代电力电子器件，以晶闸管元件为主，这 种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容 量的直流调速装置相比。 • 80年代中期以后采用第二代电力电子器件GTR. CTO, VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能和价 格比上可以与直流调速装置相媲美。 • 随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化 方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年 代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速 装置(1-1000kw)主要是采用IGBT，大功率的变频调速 装置(1000-10000kW)采用GTO器件。 • 20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了 第四代，如高压IGBT, IGCT, IEGT, SGCT、智能功 率模块IPM等。

　　把电网频率的交流电变成可调频率 的交流电的变流电路，属于直接变频 电路。

　　 广泛用于大功率交流电动机调速传 动系统，实际使用的主要是三相输出 交交变频电路。（由三组输出电压相位

　　• 三、直－交变换部分 • 1、逆变管V1～V6 • 组成逆变桥，把VD1～VD6整流的直流电逆 变为交流电。这是变频器的核心部分。 • 2、续流二极管VD7～VD12 • 作用：（1）电机是感性负载，其电流中有无 功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”； • （2）频率下降，电机处于再生制动状态时， 再生电流通过VD7～VD12整流后返回给直流电路； • （3）V1～V6逆变过程中，同一桥臂的两个 逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相 过程中，也需要VD7～VD12提供通路。

　　（二）变频器基本功能 • 一、软启动马达 • 二、调频调压调电流 • 三、空（轻）载时能在维持转速的时候减少 电流（节能） • 变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节 能效果明显！

　　• 3. 按直流环节的储能方式分（对交直交）: • (1)电流型 • 直流环节的储能元件是电感线圈LF,如图所 示。 • (2)电压型 • 直流环节的储能元件是电容器CF,如图所示。

　　• 4.1交-交变频器工作原理 • 4.2交-直-交变频器工作原理 • 4.3交-交与交-直-交变频器的比较

　　• 随着电力电子技术的发展，出现了高耐压、大功 率、具有自关断的全控型电力电子器件，它具有 驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电 路中可极大提高变频的 性能。 • 脉宽调制（PWM)变频就是把通讯系统中的调制技 术推广应用到交流变频中，可使变频器拥有非常良好 的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的 性能。 • 采用全数字微机控制技术，使变频器减小了体积、 降低了成本、提高了效率、增强了功能。 • 以上三种技术的应用，使电机基本能够平稳运行、 无噪声、无抖动。交流变频调速已成为电气调速 传动的主流。目前变频器不但在传统的电力拖动 系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业 生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱 等家电中。

　　• （一）变频器的功用 • 变频 器 的 功用是将频率固定(通常为工 50HZ)的交流点(三相的或单相的)交换成频率 连续可调的三相交流电源。 • 如下图 2. 1所示，变频器的输入端(R,S ,T)接 至频率固定的三相交流电源，输出端(U,V, W) 输出的是频率在一些范围内连续可调的三相 交流电，接至电机。

　　• 4.2 交-直-交变频器 • 其结构如下，它由主电路和控制电路组成。

　　• 交-直-交变频器主电路 • 目前，通用型变频器绝大多数是交—直— 交型变频器，通常尤以电压器变频器为通 用，其主电路图（见图1.1），它是变频器 的核心电路，由整流电路（交—直交换）， 直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路 （直—交变换）组成。

　　• 为了充分的利用铁心材料，在设计电动机时， 总是让电动机在额定频率和额定电压下工 作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此，在 电动机调速时，希望保持每极磁通量为额 定值不变。如果过分增大磁通又会使铁心 过分饱和，因此导致励磁电流飞速增加， 绕组过分发热，功率因数降低，严重时甚 至会因绕组过热而损坏电动机。故而希望 在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现恒 磁通变频调速，这样，调速时才能保持电 动机的最大转矩不变。

　　• 2.控制方式 • 变频器用不同的控制方式，得到的调速性 能 、特性及用途是不同的。 • 控制方式大体分为开环控制及闭环控制。 • 开环控制有U/f电压与频率成正比的控制方 式 • 闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转 矩控制。 • 现在矢量控制能轻松实现与直流机电枢电流 控制相媲美，直接转矩控制直接取交流电 动机参数来控制，其方便准确精度高。

　　（三）变频器的分类 1.按变换环节分: (1)交-交变频器 把频率固定的交流电源直接变换成频率可 调的交流电，又称直接式变频器。 • (2)交-直-交变频器 • 先把频率固定的交流电整流成直流电，再 把直流电逆变成频率连续可调的交流电， 又称间接式变频器。

　　• 2.按电压的调制方式分: • (1) PAM (脉幅调制) 变频器 • 输出电压的大小通过改变直流电压的大小 来进行调制。在中小容量变频器中，这种 方式几近绝迹。 • (2) PWM (脉宽调制) 变频器 • 输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空 比来进行调制。 • 目前普通应用的是占空比按正弦规律安排 的正弦脉宽调制(SPWM)方式。

　　• （一） 变频调速的构成 • 要实现变频调速，必须有频率可调的交流 电源，但电力系统却只能提供固定频率的 交流电源，因此就需要一套变频装置来完成 变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机 组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。 现代的变频器都是由大功率电子器件构成 的。相对于旋转变频机组，被称为静止式 变频装置，是构成变频调速系统的中心环 节。

　　• 三相输入单相输出的交交变频电路由P组和N组反 并联的晶闸管变流电路构成，其结构如图1(a)所示 . • 结合图1(a)，下面分析三相输入单相输出的交交变 频电路的工作原理： • 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；改变切换频率，就可改变输出频率 wo；改变变流电路的控制角α ，就能改变交流输 出电压幅值；为使uo波形接近正弦，可按正弦规律 对α 角进行调制，在半个周期内让P组 α 角按正弦 规律从90°减到0°或某个值，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。uo由若干段电源电压拼接而成， 在uo一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波 形就越接近正弦波如图1(b)。

　　• 异步电机调速系统的种类很多，但是效率 很高、性能最好、应用最广的是变频调速， 它可以构成高动态性能的交流调速系统来 取代直流调速系统，是交流调速的 主要发 展方向。变频调速是以变频器向交流电机 供电，并构成开环或闭环系统，以此来实现 对交流电机的宽范围内无级调速。变频器 可把固定电压、固定频率的交流电变换为 可调电压、可调频率的交流电。

　　• 按照不同的控制方式，又可将间接变频装置 分为下图中的(a)、(b)、(c)3种。

　　• 1.可控整流器变压、变频器变频 • 调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控 制电路上协调配合．．这种装置结构简 ，控制方 便，输出环节用由晶闸管(或其他电子器件)组成 的3相6拍变频器(每周换流6次)，但由于输入环节 采用可控整流器，在低压深控时电网端的功率因 数较低，还将产生较大的谐波成分，通常用于电 压变化不太大的场合 • 2. 直流斩波器调压、变频器变频 • 采用不可摔整流器，保证变频器的电网侧有较高 的功率因数，在直流环节上设置直流斩波器完成 电压调节。这种调压方法有效地提高了变频器电 网侧的功率因数，并能方便灵活地调节电压，但 增加了一个电能变换环节——斩波器，该方法仍 有谐波较大的问题。