1、交流变频调速 应用技术（2） 变频基础理论之一第第2讲讲 变频器与变频技术概论变频器与变频技术概论 2.1 什么是变频器？ 2.2 变频器的基本构成与功能 2.3 变频器的技术发展史 2.4 变频器的基本类型 2.5 电力电子和微处理器的进步是变频器发展的动力什么是变频器？ 1.1.1 直流和交流 1、电源电压/电流的分类： 众所周知，电源电压/电流分为直流和交流两大类。 2、电源电压/电流的特点： 直流电的特点：电压恒定且极性不变化。如：干电池、蓄电池和太阳能电池等。 交流电的特点：电压的极性周期性地变化。如：工频电源。 代表交流电源的商用电源有：单相交流和三相交流，主要由发电机（汽轮机或水
2、轮机拖动）产生。什么是变频器？ 1.1.2 整流和逆变 1、概述 一般的工厂电气设备和家用电器，其能源大多采用交流电源，但在这些设备的控制部分，也要使用到直流电。至于象电视机、录音机、计算机等电子设备，它们的主要元器件，如：IC电路、晶体管等，必须使用直流电供电。此外，工业上的电解池、电镀用电特别大，是直流供电的大户。 2、整流和整流器 整流：将交流电变成直流电，称之为整流。 整流器：实现整流的装置，称之为整流器。如：电解池、电镀厂 必须配备的的整流装置等。一般情况下，用二极管即可实现整流，二极管是半导体元件中的一种，其特点是只能让一个方向的电流通过，故称二极管为整流元件。1.1.2 整流和逆
3、变 3、逆变和逆变器 把直流变为交流的变换，称为逆变。 用于逆变的装置，称之为逆变器。 逆变器是变频器的核心部件。什么是变频器？ 二极管为整流元件，由它可以组成各种整流电路，其中最常用的整流电路是“单向桥式整流电路”。EVR 二极管单向导通示意图什么是变频器？ 3、逆变和逆变器 逆变：把直流变为交流电的变换，称之为逆变。 逆变器：用于逆变的装置，称之为逆变器。 逆变器是变频器的核心部件。构成逆变 器的关键元件是半导体开关器件。 目前，变频器中用作逆变的电力半导体器件主要 有：晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、 电力晶体管（GTR）、功率场效应管（功率MOSFET） 绝缘栅双极晶体管
4、（IGBT）、智能功率模块（IPM） 等。GTO的控制原理 1.1.3 GTO作为开关器件构成的逆变器 电路及工作原理VS4VS2EReLVS1VS3GTO作为开关器件构成的逆变器电路图GTO的控制原理 GTO元件是一三端子的半导体整流元件，其阳极为A，阴极为K，控制极为G。从控制极流入正方向电流，则GTO为通态（ON）；而当加入反方向电流，则GTO为断态（OFF）。由于GTO的电流只能从A到K单方向流过，若要满足变交流的开关功能，则须增加用二极管反并联的续流电路。 GTO元件是一种半导体开关，ON、OFF的开关速度和寿命均比机械开关优越得多。此外，由于制造技术的进步，大容量的价格比较低的半导
5、体器件层出不穷，促进了逆变器在各个领域广泛地得到应用。变频器的基本构成与功能 1、变频器的基本结构、变频器的基本结构 变频器由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可调的电源，驱动电动机运行，整个系统是开环的。整 流 器储能元件逆 变 器M3交流电源变频器电压、电流、频率率变频器的结构方框图 对于速度、精度和响应快速性要求较高的系统，采用上述的开环系统还不够，还需要由变频器主回路及电机侧检测反馈信号，经运算回路综合后以控制触发回路，此时的系统是闭环的。整体方框图如图4所示。 交流电源整流
6、器储能元件逆变 器M3电压、电流、频率率控制回路变频器的指令与控制变频器的指令与控制 以PWM变频调速为例，画出变频器的指令与控制方框图如下： 速度检测器 主 回 路M3P W M生成及驱动 电压/电流检 测 回 路 转速检测回路 运算回路 保护回路 控制回路A 控制回路B控制指令U1、I1、f1电源 运行指令控制回路变频器的基本构成与功能（一）主回路：（一）主回路： 给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分称为主电路。图示主电路由三个部分组成：将工频电源变换为直流电源的 “整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”,也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另
7、外：异步电动机需要制动时，有时要附加“制动单元”。 变频器的基本构成与功能（二）控制回路： 控制回路向变频器主回路提供各种控制信号。控 制回路由以下几部分组成： 决定U/F特性的频率电压“运算回路”； 主回路的“电压/电流检测回路”； 电动机的“转速检测回路”； 根据运算回路的结果生成相应的PWM脉冲并进行隔 离和放大的“PWM生成及驱动回路”； 变频器和电动机的“保护回路”。变频器的基本构成与功能（三）保护回路 ： 变频器控制回路中的保护回路，可分为变频器保护和异步电动机保护两种。 1、变频器保护有：瞬时过电流保护、过载保护、再生过电压保护、瞬时停电保护、对地过电流保护、冷却风机异常。 2、
8、异步电动机的保护有：过载保护、超载（超速）保护；其他保护有：过电流失速保护、再生过电压失速保护等。 变频器的技术发展简史 从八十年代第一台变频器问世，至今20年来，随着电力电子器件的更新换代，实现异步电动机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。大体表现在以下方面： 所用的电力电子器件GTR已基本上为绝缘栅双极晶体管IGBT所代替，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高； 8位微处理器基本上为16位微处理器所代替，进而采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能； 在改
9、善压频比U/f控制特性的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现宽调速，还可进行伺服控制。变频器的技术发展简史 2.2.1 电力电子器件更新 逆变器从采用晶体管半控器件（VS）到采用晶体管GTR全控器件，其输出波形从交流方波发展为脉宽调制PWM波形，大大减小了谐分量，拖宽了异步电动机变频调速范围和减小了转矩的脉动幅度。然而，GTR工作频率一般在2kHZ以下，载波频率和最小脉宽都受到限制，难以得到较为理想的正脉宽调制波形，使异步电动机在变频调速时产生刺耳的噪声，不受用户的欢迎。 IGBT的工作频率可达1020kHZ之间，与GTR相比，不仅工作频率高出一个数量级，而且在
10、电压和电流指标（如：电流浪涌耐量、电压阻断峰值、导通电流密度、门极驱动功耗率等各项指标）均已超出GTR。由于逆变器载波频率的提高以及可以构成特定的PWM波形，异步电动机变频器的谐波澡声大为降低。在新一代的变频器中，逆变器件基本已被IGBT取代。采用IGBT的低压变频器的最大容量在380V级可达540kVA，而600V级的可达700kVA，能对485kW电动机进行变频调速，最高输出频率达400600HZ，能对中频电机进行调频控制。利用IGBT组合构成的高压（3 kV/6.3kV）变频器也已有系列产品 ，最大容量可达7460 kW 。其特点是：效率高、谐波小。2.2.1 电力电子器件更新 智能功率
11、模块IPM：是以IGBT为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路，是一种功率集成器件（PIC）。IPM的保护功能有过流、短路、欠压、过压和过热等，还可以实现再生制动。由IPM组成的逆变器只需对桥臂上的各个IGBT管提供隔离的PWM信号即可。简单的外部电路和控制电路的集成比，使变频器体积大为减小。其次，由于功率开关器件的故障检测和保护电路最接近故障点，故可以抑制故障扩大，保证装置可靠运行。变频器的技术发展简史2.2.2 控制策略的发展 第一代变频器采用的是压频比标量控制方式。 第二代变频器的主要特征是采用矢量控制方式。 与矢量控制方式并行发展的还有直接转矩控制方式。2.2.2 控制策略的发展第一代
12、变频器采用的是压频比标量控制方式 它是根据异步电动机等效电路确定的线性U/f比进行变频调速。电压是指基波的有效值，改变U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，谈不上动态控制。为提高低频时电动机产生的转矩，通常采用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组电压降的办法，可以拓宽变频调速范围至 20 ：1左右。2.2.2 控制策略的发展第二代变频器的主要特征是采用矢量控制方式 它参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分量和转矩分量。首先是要控制励磁，所以把矢量控制又称为磁场定向控制。至于转矩的控制，则是间接的。 矢量控制的主要缺点是：需要复杂的坐标变换运算以及需检测转速信号。
13、因此，进一步提出无转速传感器矢量控制的方案，它根据异步电动机实际运行的相电压和相电流以及定转子绕组参数推算出转速观测值，进而计算出转子磁链和转矩电流的观测值，以实现磁场定向的矢量控制。由于转速观测值的精度受到所用计算参数与电机实际运行参数之间偏差大小的影响，所以无转速传感器矢量控制的调速精度和调速范围，均低于带速度编码器的矢量控制方案。一般前者的调速精度为1，输出额定转矩时的最低频率只能达到1kHZ左右，而后者的调速精度为0.01,最低频率为0.1HZ。然而，由于无需安装速度编码器，使用方便，无速度传感器矢量控制变频器仍受到用户的欢迎。2.2.2 控制策略的发展与矢量控制并行发展的还有直接转矩
14、控制方式 它是以异步电动机的转矩作为被控量，强调转矩的直接控制效果，并不刻意追求输出电流为正弦波形。异步电动机的直接转矩控制是直接在定子坐标上计算磁链的幅值和转矩的大小，对其进行直接跟踪调节，以获得迅速的动态响应，其响应速度可小到12ms。从转矩调控来看，磁链有点误差，并不会对转矩控制性能产生重大影响。这种控制方式的优点是对电动机参数变化不敏感。2.2.3 功能综合化 新一代的变频器由于有功能很强的微处理器支持，除完成 电动机变频调速的基本功能外，还具有内置的可编程、参数辩识及通信等功能。如： 自动加减速； 电动机参数辩识 程序运行； 通信和反馈功能。 节电运行；2.3 变频器的基本类型 变频
15、起的种类很多，可根据不同的分类方法对其进行分类及简单介绍： 2.3.1 按变换频率的方法分 2.3.2 按主电路的工作方式分 2.3.3. 按变频器调压方法的不同分 2.3.4 按变频器的工作原理分 2.3.5 按照变频器的用途分2.3.1 按变换频率的方法分 2.3.1.1 交直交变频器 交直交变频器又称间接变频器。它是先将工频交流电 通过整流器变换成直流电，再经过逆变器将直流电变成可控频 率的交流电。因此又称为中间直流环节的变频装置，或称之为 交直交变压变频装置。 2.3.1.2 交交变频器 交交变频器又称直接变频器/装置。它只有一个变换环节 就可以把恒压恒频的CVCF交流电变换成变压变频
16、的VVVF交流 电源。因此称之为直接变频器，或称交交变频器。 常用的交交变频器，输出的每一相都是一个两组晶闸管 整流装置反向并联的可逆线路。正反两组按一定的周期相互切换 在负载上就能得到交变的输出电压uO,输出电压uO的幅值取决于各 组整流装置的控制角 ，输出电压uO的频率取决于两组整流装置 的切换频率。2.3.2 按主电路的工作方式分 2.3.2.1 电压型变频器 在电压型变频器中，整流电路产生逆变所需的直流电压，通过中间环节的电容进行滤波后输出。由于采用大电容滤波，故输出的电压波形比较平直，在理想情况下可看成一个内阻为零的电压源。输出电压是矩形波或阶梯波。 电压型变频器多用于不要求正反转或
17、快速加减速的通用型 变频器中。 2.3.2.2 电流型变频器 当交直交变频器的中间环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而当电源内阻很大时，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波。这类变频器称之为电流型变频器。 在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后，对电流进行控制的方式来实现的。电流型变频器的最大优点是可以进行四象限运行，能将能量回馈给电源，且在出现负载短路等情况时容易处理，故该方式适用于频率可逆运转的变频器和大容量变频器。2.3.3. 按调压方法的不同分 2.3.3.1 PAM 变频器 PAM （Pulse Amplitude Modulation )方
18、式是一种改变电压源 的电压Ud或电流源的电流Id的幅值进行输出控制的方式。故，在逆变器部分只控制频率，整流部分则控制输出电压或电流。 2.3.3.2 PWM/ SPWM变频器 PWM（Pulse Width Modulation ) 方式是在变频器输出波形 的一个周期中产生多个脉冲，其等值电压为正弦波，波形平滑 且谐波少。 SPWM逆变器的调压原理：是将三角波（载波）与正弦波（信号波/调制波）进行比较，通过运算和逻辑控制就可以得到 相应于信号波幅值的脉宽调制输出波形，它与正弦波等效。 适用的逆变元件 晶闸管逆变元件，其换流时间需数百微秒，故开关频率低，难以实现PWM控制，通常采用PAM方式。
19、能自关断的逆变元件IGBT、GTO等构成的逆变器，因其开关频率高，一般采用PWM方式。其整流部分用二极管桥式整流即可，简化了一个功率级可控环节。2.3.4 按变频器的工作原理分 2.3.4.1 U/f 控制变频器 U/f 控制，又称VVVF控制，是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通 过保持U/f 恒定使电动机获得所需的转矩特性。 这种方式的控制电路成本低，多用于精度要求不太高的通 用变频器。 2.3.4.2 SF控制变频器 SF即转差频率控制。它是在VVVF控制基础上的一种改进方式，在这种控制方式的变频器中，变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭
20、环调速系统。变频器的输出频率由电动机的实际转速与转差频率之和来自动设定，从而达到在调速控制的同时也使输出转矩得到控制。该方式是闭环的，故与VVVF控制相比，调速精度和转矩动特性较优。但是由于这种控制方式需要在电动机轴上安装速度传感器，并需依据电动机特性调节转差，故通用性较差。2.3.4.3 VC控制变频器 VC即矢量控制，是20世纪70年代由德国Blaschke首先提出来的， 对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是异步电动机 的一种理想调速方法。矢量控制的基本思想是将异步电动机的定 子电流分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其相垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。
21、即控制定子电流矢量，所以这种控制方式被称为矢量控制（Vectory Control). 矢量控制方式使异步电动机的高性能控制成为可能。矢量控制变频器不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机转矩的变化，所以已经在许多需精密或快速控制的领域得到应用。 目前，在新型VC变频器中新增加了“参数自调整”功能。带有这种功能的变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前，可以自动地对电动机的参数进行辩识，并根据辩识结果调整控制算法中的有关参数，从而使VC变频器可以使用普通电动机，进一步实现了VC变频器的通用化。2.3.5 按照变频器的用途分 2.3.5.1 通用变频器 其主要特点是它的通
22、用性。它有两个发展方向：低成本的简易通用型变频器和高性能多功能的通用型变频器。 2.3.5.2 高性能专用变频器 该类变频器主要采用VC控制方式。在许多需要高性能、高精度的控制中，高性能的交流伺服变频器正在逐步代替直流伺服系统。 2.3.5.3 高频变频器 它采用PAM控制方式，其输出主频可达3kHZ，驱动两极异步电动机时的最高转速为180000 r/min . 2.3.5.4 高压变频器 一般为大容量的变频器。最高频率可做到5000kW，电压等级为3kV、6kV、10kV.2.4 电力电子和微处理器的进步是变频器发展的动力 2.4.1 控制手段的发展 电子控制为其唯一的控制手段。常用的电子控制分为两类：模拟控制和数字控制。 2.4.2 微机控制面临的问题和解决途径 全数字控制存在以下缺点： 模拟量数字化将产生量化误差，影响控制精度； 按采样周期离散化后，影响控制的实时性，甚至造成闭 环系统不稳定。 参数、限幅值已写在软件中，不方便用户调整。 2.4.3 微机控制的新进展 1、单片机 3、高级专用集成电路ASIC 2、数字信号处理器
