1、河北工业职业技术学院第第3 3章章 变频控制技术变频控制技术 原理与实现原理与实现 河北工业职业技术学院3.1 3.1 交交-直直-交变频技术交变频技术 交-直-交变频器的主电路框图如图3-1所示。由图可见，主电路包括3个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。图3-1 交-直-交变频器的主电路框图河北工业职业技术学院3.1.13.1.1整流电路整流电路 整流电路的功能是将交流电转换为直流电。整流电路按使用的器件不同分为两种类型，即不可控整流电路和可控整流电路。1.不可控整流电路 不可控整流电路使用的器件为电力二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整
2、流电路。下图是变频器中应用最多的三相整流电路示意图。河北工业职业技术学院图3-2 三相桥式整流电路 三相桥式整流电路共有6个整流二极管，其中VD1、VD3、VD5 3个管子的阴极连接在一起，称为共阴极组；VD2、VD4、VD6 3个管子的阳极连接在一起，称为共阳极组。三相对称交流电源R、S、T（或A、B、C）的波形如图3-3所示。河北工业职业技术学院（a）（b）图3-3 三相桥式整流电路的电压波形（a）三相交流电压波形 （b）输出电压波形河北工业职业技术学院2.可控整流电路 将图3-2所示三相桥式整流电路中的二极管换为晶闸管，就成为三相桥式全控整流电路，如图3-4所示。图3-4 三相桥式全控整
3、流电路河北工业职业技术学院 三相交流电源电压UR、US、UT正半波的自然换相点为1、3、5，负半波的自然换相点为2、4、6。根据晶闸管的导通条件，当晶闸管阳极承受正向电压时，在它的门极和阴极两端也加正的触发电压，晶闸管才能导通。图3-5 三相桥式全控整流电路电压波形 河北工业职业技术学院 整流电路工作遵循的规律：1)三相全控桥式整流电路任一时刻必须有2个晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中1个在共阳极组，另1个在共阴极组。2)整流输出电压波形是由电源线电压URS、URT、UST、USR、UTR和UTS的轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序为：(VT6、VTl)(VTl、VT2)(VT2、VT3
4、)(VT3、VT4)(VT4、VT5)(VT5、VT6)。3)6个晶闸管中每个导通120，每间隔60有1个晶闸管换相。河北工业职业技术学院3.1.2 3.1.2 中间电路中间电路 变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。1.滤波电路 虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，如果将其直接供给逆变电路，则逆变后的交流电压、电流纹波很大。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。河北工业职业技术学院（1）电容滤波 通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电
5、解电容。二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，故必须采取相应措施。图3-7给出几种抑制浪涌电流的方式。采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频器电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的电路框图如图3-8所示。电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机绕组感性负载滤波后接近于正弦波，如图3-9所示。河北工业职业技术学院 （a）（b）（c）图3-7抑制浪涌电流的方式（a）接入交流电抗（b）接入直流电抗（c）串联充电电阻 图3-8 电压型变频器的电路框图 图3-9 电压型
6、变频器的电压和电流波形河北工业职业技术学院（2）电感滤波 采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图3-10所示为电流型变频器的电路框图。电流型变频器逆变电流波形为方波，而电压的波形经电动机绕组感性负载的滤波后接近于正弦波，如图3-11所示。河北工业职业技术学院图3-10电流型变频器的电路框图 图3-11 电流型变频器输出电压及电流波形 2.制动电路（1）制动电路的工作原理 利用设置在直、流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。制动
7、电路可由制动电阻或动力制动单元构成，图3-12为制动电路的原理图。河北工业职业技术学院图3-12 制动电路的原理图河北工业职业技术学院（2）制动电路的设置方式 1）在中间直流电路中设法将再生能量处理掉，即在电容Cd的两端并联一条由能耗电阻R与功率开关（晶闸管或自关断器件）相串联的电路，如图3-12所示。2）在电路中设置再生反馈通路反并联一组逆变桥，如图3-13所示。此时，Cd的极性仍然不变，但可以借助于反并联三相桥（工作在有源逆变状态）改变方向使再生电能反馈到交流电网。该方法可用于大容量系统。河北工业职业技术学院 图3-13 反并联一组逆变桥的制动电路河北工业职业技术学院 3）还有一种直流制动
8、方式，即异步电动机定子加直流的情况下，转动着的转子产生制动力矩，使电动机迅速停止。这种方式在变频调速中也有应用，称为“DC制动”，即由变频器输出直流的制动方式。当变频器向异步电动机的定子通直流电时(逆变器某几个器件连续导通)，异步电动机便进入能耗制动状态。此时变频器的输出频率为零，异步电动机的定子产生静止的恒幅磁场，转动着的转子切割此磁场产生制动转矩。河北工业职业技术学院3.1.3 3.1.3 逆变电路逆变电路1.逆变电路的工作原理 逆变电路也简称为逆变器。图3-14（a）所示为单相桥式逆变电路，4个桥臂由开关构成，输入为直流电压E，负载为电阻R。当将开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，电阻
9、上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合，电阻上得到右正左负的电压。我们以频率交替切换S1、S4和S2、S3，在电阻上就可以得到图3-14（b）所示的电压波形。河北工业职业技术学院（b）（a）图3-14 单相桥式逆变电路及其工作波形（a）单相桥式逆变电路 （b）工作波形 河北工业职业技术学院2.逆变电路的基本形式（1）全桥逆变电路 全桥逆变电路可看作2个半桥逆变电路的组合。其原理图如图3-15（a）所示。直流电压接有大电容C，使电源电压稳定。电路中有4个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对。其输出电压和负载电流如图3-15（b）所示。河北工业职业技术学院（a）（
10、b）图3-15 全桥逆变电路及其工作波形（a）全桥逆变电路 （b）工作波形河北工业职业技术学院（2）三相电压型逆变器 1）三相电压型逆变器的工作原理 如图3-16所示。图中，直流电源并联 一大容量滤波电容器。由于它的存在，使直流输出电压具有电压源的特性，内阻很小。这使逆变器的交流输出电压被钳位为矩形波，与负载性质无关。交流输出电流的波形和相位由负载功率因数来决定。在异步电动机变频调速系统中，这个大电容同时又是缓冲负载无功功率的储能元件。河北工业职业技术学院图3-16 三相电压型逆变器的工作原理 河北工业职业技术学院3.1.4 3.1.4 脉宽调制技术脉宽调制技术 脉宽调制(Pulse Widt
11、h Modulation，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等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。河北工业职业技术学院1 1、脉宽调制过程、脉宽调制过程河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院（a）（b）（c）图3-23 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲（a）矩形脉冲（b）三角形脉冲（c）正弦半波脉冲2 2、采样理论基础、采样理论基础重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上，其效果基本相同。即输出响应波形基惯性环节上，其效果基本相同。即输出响应波形基本相同。本相同。河北工业职
12、业技术学院 这种PWM型变频电路的主要特点为：（1）可以得到相当接近正弦波的输出电压；（2）整流电路采用二极管，提高了变频电源对交流电网的功率因数，可获得接近1的功率因数；（3）电路结构简单，使装置的体积变小，重量减轻，造价下降，可靠性提高；（4）改善了系统的动态性能和电动机运行性能，通过对输出脉冲宽度的控制，可以改变输出电压，加快变频过程的动态响应，提高调节速度，使调节过程中电压与频率能够很好地配合。河北工业职业技术学院3.PWM的控制方式（1）单极性方式 控制V4或V3通断的方法如图3-26所示。载波在信号波的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。调制信号为正弦波。图中的虚线表
13、示中的基波分量。像这种在的半个周期内三角波载波只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。河北工业职业技术学院（2）双极性方式 采用双极性控制方式时的波形如图3-27所示。在双极性方式中，Ur的半个周期内，三角波载波是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。在的一个周期内，输出的PWM波形只有Ud两种电平。仍然在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。可以看出，同一半桥上下两个桥臂晶体管的驱动信号极性相反，处于互补工作方式。河北工业职业技术学院图3-26 单极性PWM控制方式波形图3-27 双极性PWM控制方式波形河
14、北工业职业技术学院4.PWM控制方式的应用 在PWM型逆变电路中，使用最多的是图3-28（a）的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波。三相调制信号、和的相位依次相差120。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。V相和W相的控制方式和U相相同。u、和的波形如图3-28（b）所示。河北工业职业技术学院（a）（b）图3-28 三相桥式PWM逆变电路及波形（a）逆变电路 （b）波形图 河北工业职业技术学院5.SPWM逆变器及其控制模式 为了减小谐波影响，提高电动机的运行性能，要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电，因此，PWM
15、逆变器采用正弦波作为参考信号。这种正弦波脉宽调制型逆变器称为SPWM逆变器。目前广泛应用的PWM型逆变器皆为SPWM逆变器。实现SPWM的控制方式有三种，一是采用模拟电路，二是采用数字电路，三是采用SPWM专用集成芯片。河北工业职业技术学院（1）采用模拟电路 如图3-29所示为采用模拟电路元器件 实现SPWM控制的原理示意图。首先由模拟元器件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角载波信号和参考正弦波信号，然后送入电压比较器，产生SPWM脉冲序列。图3-29 采用模拟电路元器件实现SPWM控制的原理示意图 河北工业职业技术学院（2）采用数字电路 采用数字电路的SPWM逆变器，可使用以软件为基础的
16、控制模式。优点：所用硬件较少，灵活性好，智能性强；缺点：需要通过计算来确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而，随着高速度、高精度、多功能的微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用计算机控制的数字化SPWM技术已占据了主导地位。河北工业职业技术学院（3）采用SPWM专用集成芯片 用微机产生SPWM波，其效果受到指令功能、运算速度、存储容量等限制，有时难以有很好的实时性。随着微电子技术的发展，已开发出一批用于发生SPWM信号的集成电路芯片。目前已投入市场的SPWM芯片，进口的有HEF4725、SLE4520，国产的有THP4725、ZPS-101等。河北工业职业技术学院3.2
17、 3.2 交交-交变频技术交变频技术 交-交变频电路是指不通过中间直流环节，而把电网固定频率的交流电直接变换成不同频率的交流电的变频电路。其特点如下：1因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高；2由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好；河北工业职业技术学院3由于变频器按电网电压过零自然换相，故可采用普通晶闸管；4因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低，为电网频率的三分之一左右；5功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。6主回路比较复杂，所需要器件多。鉴于以上特点，交-交变频器特别适合于大
18、容量的低速传动，在轧钢、水泥、牵引等方面应用广泛。河北工业职业技术学院3.2.1 3.2.1 交交-交变频的工作原理交变频的工作原理1变频电路的基本设计思想 在有源逆变电路中，采用两组反并联连接的变流器，可在负载端得到电压极性和大小都能改变的输出直流电压，实现直流电动机的四象限运行。若能适当控制正、反两组变流器的切换频率，则在负载端就能获得交变的输出电压，从而实现交流交流直接变频。河北工业职业技术学院 图3-30所示交-交变频器的电路结构及输出电压波形图。在图3-30（a）中的两个晶闸管代表两套变流装置，采用无环流反并联的连接方式，即正组和反组交替工作。（a）（b）图3-30 交-交变频器的电
19、路结构及输出（a）交-交变频器的电路结构（b）输出电压河北工业职业技术学院 按正弦规律对角进行调制，即可得到如图3-31所示的波形。调制方法是，在半个周期内让正组变流器的角按正弦规律从90逐渐减小到0或某个值，然后再逐渐增大到90。图3-31 单相输出交-交变频电路输出交流电压波形河北工业职业技术学院3.3 3.3 变频器的控制方式变频器的控制方式 目前常用的变频器采用的控制方式有：U/f控制、矢量控制、直接转矩控制等，本章重点介绍前两种控制方式。3.3.1 U/f3.3.1 U/f控制控制 U/f控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使U/f为常数，这样可使电动机磁通保持一定
20、，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。河北工业职业技术学院1.U/fU/f控制原理 在进行电动机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持电动机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱就等于没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流会使绕组过热而损坏电动机。对于直流电动机，励磁系统是独立的，很容易做到磁通不变。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的。河北工业职业技术学院2.恒U/fU/f控制方式的机械特性 当改变电源频率时，也会和调节电动机或电源的某些参数一样，会引起异步电动机机械特性的改变。主要包括以下几方面
21、：（1）调频比和调压比（2）变频后电动机的机械特性3.对额定频率以下变频调速特性的修正（1）TKX减小的原因（2）解决的办法：可适当提高调压比ku 河北工业职业技术学院 经过电压补偿后，电动机机械特性在低频时的TKX得到了大幅提高，如图3-40所示。Uf图3-40 /图3-40 U/f采用电压补偿后异步电动机的机械特性曲线河北工业职业技术学院4.转矩提升 转矩提升是指通过提高U/fU/f比来补偿fx下调时引起的TKX下降。（1）电压完全补偿 不论fx调多小，通过提高UX都能使得最大转矩TKX与额定频率时的最大转矩TKN相等，以保证电动机的过载能力不变。（2）补偿过分的后果 补偿越过分，电动机铁
22、心饱和越厉害，励磁电流IO的峰值越大，严重时可能会引起变频器因过电流而跳闸。河北工业职业技术学院3.3.2 3.3.2 矢量控制矢量控制(VC)(VC)矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。1.矢量控制的理论基础（1）直流电动机的调速特征（2）异步电动机的调速特征（3）直流电动机与交流电动机的比较（4）对异步电动机调速的思考 河北工业职业技术学院2.矢量控制中的等效变换（1）坐标变换的概念 在研究矢量控制时，定义有三种坐标系，即三相静止坐标系(3s)、两相静止坐标系(2s)和两相旋转坐标系(2r)。图3-41 异步电动机的几种等效
23、模型（a）三相电流绕组（b）两相交流绕组（c）旋转的直流绕组 河北工业职业技术学院（2）三相二相(3s2s)变换 三相静止坐标系A、B、C和两相静止坐标系和之间的变换，称为3s2s变换。变换原则是保持变换前的功率不变。图3-42 绕组磁动势的等效关系（a）三相绕组（b）两相绕组（c）磁动势河北工业职业技术学院（3）二相二相(2s2r)旋转变换 又称为矢量旋转变换。因为、绕组在静止的直角坐标系(2s)上，而M、T绕组则在旋转的直角坐标系(2r)上，所以变换的运算功能由矢量旋转变换来完成。图3-43 旋转变换矢量图 河北工业职业技术学院3.变频器矢量控制的基本思想 反馈信号一般有电流反馈信号和速度
24、反馈信号两种，前者用于反映负载的状态，使之能随负载而变化。后者反映拖动系统实际转速和给定值之间的差异，从而以最快的速度进行校正，提高系统的动态性能。图3-44 矢量控制的示意图 河北工业职业技术学院4.变频器矢量控制的特点及应用（1）特点 1）动态的高速响应；2）低频转矩增大；3）控制灵活。也存在着系统结构复杂、通用性差(如一台变频器只能带一台电动机，而且与电动机特性有关)等不足之处。河北工业职业技术学院（2）应用 1）要求高速响应的工作机械；2）适应恶劣的工作环境；3）高精度的电力拖动；4）四象限运转。（3）使用矢量控制的注意事项 1）使用矢量控制时，可以选择是否需要速度反馈；2）频率显示以
25、给定频率为好。河北工业职业技术学院3.3.3 3.3.3 直接转矩控制直接转矩控制1.直接转矩控制的基本思想 是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电动机定子磁链的瞬时旋转速度，改变它对转子的瞬时转差率，从而达到直接控制电动机输出的目的。河北工业职业技术学院2.直接转矩控制的特点及应用（1）特点 优点：鲁棒性强、转矩动态响应好、控制结构简单、计算简便等；缺点：一是在低速区，由于定子电阻的变化带来了一系列问题，主要是定子电流和磁链的畸变非常严重；二是低速时转矩脉动大，因而限制了调速范围。（2）应用 成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
