1、第7章 变频器应用技术第7章 变频器应用技术7.1概述7.2变频器装置主要类型7.3变频器的选择7.4变频器与PLC及上位机的连接7.5变频器的安装、调试和使用7.6正弦波脉宽调制（SPWM）变频器的MATLAB仿真本章小结习题与思考题第7章 变频器应用技术7.1概述20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，
2、特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。第7章 变频器应用技术7.1.1变频调速概况交流电动机的大多数调速方案其基本原理很早以前就已经确立了，但由于受电力变换技术和控制手段的制约，有的被限制在实验室中，有的虽付诸实用也因稳定性、可靠性及维护等方面的某些不足，在当时历史条件下使用范围受到一定的限制。第7章 变频器应用技术20世纪60年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频技术得到了发展，采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统和采用电压型(或电流型)晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统先后在工业中被推广使用，使变频调速开始成为交流调速的主流。此
3、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。这种进步突出表现在变频装置的大容量化、开关器件的自关断化、开关模式的PPM化及控制方式的全数字化等方面。第7章 变频器应用技术1.交流调速装置的大容量化 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。某些大容量高速传动，过去只能采用增速齿轮或是直接以汽轮机传动，噪声大，效率低，占地面积大，特大容量交流传动装置的发展填补了这方面的空白。第7章 变频器应用技术为了适应大容量交流电动机的高电压，需使用大容量交-直-交电压型PWM
4、变频器。另外，采用常规的二电平变频器作为基本单元，多级串联起来构成多级多电平高压变频器(称为“单元串联式变频器”)，这是一种更新的方案。其中每个单元变频器都是低压的，主开关器件可以采用GTO，亦可以采用IGBT。串联单元数越多，谐波成分越小，可以达到所谓“完美无谐波”。所用开关管多、不能实现四象限运行是单元串联式变频器的缺点。严格地讲，高压大容量变频器已不属于我们所说的“通用变频器”了。第7章 变频器应用技术2.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(GTD)晶闸管、大功率晶体管(BJT)和绝缘双极型晶体管(IGB)的发展最快，实用化的程度也最高。采用
5、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，变压器可采用PWM控制，既降低了谐波损耗、减小了转矩脉动，又提高了快速性，改善了功率因数。第7章 变频器应用技术据统计，目前变频器中的开关器件在容量为1500 kW以下时采用IGBT，容量为10007500 kW时采用GTO。1975年前后还是普通晶闸管一统天下，如今已经发生了巨大的变化。随着自关断器件性能的改善和新型器件的开发，变频器主开关器件自关断化的进程必将进一步向前推进。第7章 变频器应用技术3.变频装置的高性能化早期的变频调速系统，基本上都采用压频比(U/f)
6、控制方式，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)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。该技术采用坐标变换的办法，实现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。第7章 变频器应用技术目前，矢量控制的交流电动机调速原理得到了广泛的实际应用，并相应形成了许多系列化的实际装置。其性能指标与直流调速系统完全一样，甚至有所超越，完全可以取代直流调速系统。第7章 变频器应用技术4.PWM技术的应用目前几乎所有的
7、变频调速装置都采用PWM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，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的目的。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”变流器。第7章 变频器应用技术PWM波形的生成方法多种多样，有载波调制法、微机查表法(包括著名的谐波消去法及由此进化而来的优化法等)、实时计算法和自激振荡法等。这些方法已趋成熟，在实际中均有应用。PWM控制方式在电气传动的许多方面都有成功
8、的应用，目前常用的通用变频器就是一种PWM变频器。第7章 变频器应用技术5.全数字控制技术的应用 全数字控制方式使信息处理能力大幅度增强，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，系统的可靠性、可操作性、可维修性(即所谓的RAS(Reliability，Availability Serviceability)功能得以充实。微处理机和大规模集成电路的引入，对变频器的通用化也起到了决定性的作用。全数字控制具有如下特点：第7章 变频器应用技术(1)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。(2)稳定性好。由于控制信息为数字量，因而不
9、会随时间发生漂移。与模拟控制不同，数字信息一般不会随温度和环境条件发生变化。(3)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。第7章 变频器应用技术(4)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。(5)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据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度。(6)逻辑运算能力强，容易实现自诊断、故障记录、故障查找等功能，使变频装置的可靠性、可使用
10、性、可维修性都大大提高。第7章 变频器应用技术7.1.2通用变频器概况1.通用变频器的发展20世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。近20年来，通用变频器经历了由模拟控制到全数字控制、由采用BJT到采用IGBT两大进展过程，其发展情况简略说明如下：(1)容量不断扩大。20世纪80年代初，采用BJT的PWM变频器实现了通用化，到了90年代初，BJT通用变频器的容量在600 kVA、400 kVA以下的已经系列化。前几年主开关器件开始采用 IGBT，仅三四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800 kVA(适配1500 kW电动机)。随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量还将随之扩大。第7
11、章 变频器应用技术(2)结构小型化。变频器主电路中功率电路模块化，控制电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等，这一系列措施促进了变频电源装置的小型化。第7章 变频器应用技术(3)多功能化和高性能化。电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能，使通用变频器的适应性不断增强。可以这样说，通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水
12、平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。第7章 变频器应用技术8位和16位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。32位数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)的应用将通用变频器的性能提高了一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸”功能。目前，最新型变频器开始采用新的“精简指令集计算机”(Reduced Instruction Set Computer，RISC)，将指令执行时间缩短到纳秒级。有的变频器厂家声称，以RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法、转速估计运算、PID调节器的在线实时
13、运算。第7章 变频器应用技术(4)应用领域不断扩大。通用变频器经历了模拟控制、数模混合控制直到全数字控制的演变，逐步实现了多功能化和高性能化，进而对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了很大的扩展。例如搬送机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车场等都已采用了通用变频器；又如金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制也都已应用了通用变频器。第7章 变频器应用技术2.通用变频器的技术动向采用
14、变频器的调速传动技术近年来取得惊人的进步。从技术发展动向看，大致有如下几个方面。1)IGBT的应用最近几年，IGBT的应用正在迅速推进，其显著的特点是开关频率高，驱动电路简单。IGBT用于通用变频器时，有如下明显的效果：(1)由于载波频率的提高(16 kHz或更高)，负载电动机的噪声明显减小，实现了低噪声传动。电动机的金属鸣响声因振动频率超过了人耳可感知的程度而“消失”。第7章 变频器应用技术(2)同样由于载波频率的提高，使电动机的电流(特别是低速时的电流)波形更加趋于正弦波，因而减小了电动机转矩的脉动和电动机的损耗。(3)由于IGBT为电压驱动型，因而简化了驱动回路，使整个装置更加紧凑，可靠
15、性提高，成本降低。如果主开关器件采用智能电力模块(IPM)，上述效果将更加明显。采用IPM已成为一种新趋势。第7章 变频器应用技术2)网侧变流器的PWM控制目前上市的绝大多数通用变频器，其网侧变流器采用不可控的二极管整流器。虽然控制简单，成本较低，但也有它的缺点，比如网侧电压波形严重畸变，影响电网的功率因数，谐波损耗大，电动机制动时的再生能量无法回馈给电网等。第7章 变频器应用技术现已开发出一种新型的采用PWM控制方式的自换相变流器(称为“新控式整流器”或“PWM 整流器”)，并已成功地用作变频器中的网侧变流器。其电路结构形式与逆变器完全相同，每个桥臂均由一个自关断器件和一个二极管反并联组成。
16、其特点是：直流输出电压连续可调，输入电流(网侧电流)波形基本为正弦波，功率因数可保持为1，并且能量可以双向流动。第7章 变频器应用技术网侧变流器采用PWM控制的变频器，又称为“双PWM控制变频器”，这种再生能量回馈式高性能通用变频器代表着另一个新的技术发展动向，它的大容量化对于制动频繁的或可逆运行的生产设备十分有意义，但其价位高、初投资大也是一个现实问题，某种程度上限制了它的发展速度。第7章 变频器应用技术3)矢量控制变频器的通用化在造纸、轧钢等应用领域，要求高精度、快响应，一般的通用变频器已经不能胜任，往往要采用矢量控制方案。但是矢量控制往往需要速度传感器，运算复杂，调整麻烦，对电动机的参数
17、依赖性较大。目前，国外正在努力使矢量控制变频器实现通用化。因此，对无速度传感器的矢量控制系统的理论研究和实用化的开发代表着另一个新的技术发展动向。第7章 变频器应用技术7.2变频器装置主要类型根据整体结构和能量转换方式的不同，变频器分为交-直-交和交-交变频器两大类，下面分别介绍。第7章 变频器应用技术7.2.1交-直-交变频器1.交-直-交变频器的基本结构交-直-交变频器先把工频交流电通过整流器变换成直流电，然后再把直流电通过逆变器变换成频率、电压均可控制的交流电，如图7-1所示。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称为间接变频器。通用变频器通常采
18、用交-直-交变频器。第7章 变频器应用技术图7-1交-直-交(间接)变压变频器第7章 变频器应用技术2.常用的三种交-直-交变频器的结构形式交-直-交变频器具体的整流和逆变电路种类很多，按照控制方式的不同，它又可以分成三种类型，如图7-2所示。(1)用可控整流器变压、逆变器变频的交-直-交变频装置。这种类型的变频器如图7-2(a)所示。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。这种装置结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的数值较小；输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器(每周期换流六次)，输出的谐波较大。这是这类变频装置的主要缺
19、点。第7章 变频器应用技术(2)用不可控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交-直-交变频装置。整流环采用二极管不可控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输入功率因数高，克服了图7-2(a)装置的第一个缺点。这类变频器的输出逆变环节与第一类相同，因而仍存在谐波较大的问题。第7章 变频器应用技术图7-2交-直-交(间接)变压变频器三种结构形式第7章 变频器应用技术(3)用不可控整流器整流、PWM逆变器变压变频的交-直-交变频装置。用不可控整流器整流，则功率因数高；用 PWM逆变器逆变，则谐波可以减少。这样图7-2(a)装置的两个缺点都克服了。谐波能够减少的程度取决于开关频率
20、，而开关频率则受器件开关时间的限制。如果仍采用普通晶闸管，开关频率比六拍逆变器也高不了多少。只有采用可控关断的全控式器件以后，开关频率才得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称其为正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器，它是当前最有应用前景的逆变器。第7章 变频器应用技术PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下一系列优点：(1)在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单；采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路简单，效率高。(2)输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比
21、重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。第7章 变频器应用技术(3)逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能得以提高。(4)采用不可控二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。第7章 变频器应用技术7.2.2交-交变频器1.交-交变频器的基本结构交-交变频器将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，其结构如图7-3所示。它只有一个变换环节，把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成变压变频(VVVF)的交流电输出，因此又称为直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称
22、交-交变频器为周波变换器(Cycloconverter)。一般而论，交-交变频器主要应用于大容量、低调速范围的场合。第7章 变频器应用技术图7-3交-交(直接)变压变频器第7章 变频器应用技术2.交-交变频器的基本电路结构常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路构成的，也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆整流器，如图7-4所示。第7章 变频器应用技术图7-4交-交变压变频器每一相的可逆线路电路结构第7章 变频器应用技术3.交-交变频器的控制方式1)整半周控制方式交-交变频器的正、反两组晶闸管按照一定周期相互切换，在负载上获得交
23、变的输出电压uo，uo的幅值取决于各组可控整流装置的控制角，uo的频率取决于正、反两组整流装置的切换频率。如果一直不变，则输出平均电压是方波，如图7-5所示。第7章 变频器应用技术图7-5方波型平均输出电压波形第7章 变频器应用技术2)调制控制方式如果在每一组整流器导通期间不断改变其控制角，则整流的平均输出电压uo就由零变到最大值，再变到零，呈正弦规律变化。例如，在正组导通的半个周期中，使控制角由/2(对应于平均电压uo=0)逐渐减小到0(对应于平均电压uo最大)，然后再逐渐增加到/2(uo再变为0)，也就是使控制角在-/20/2之间变化，则整流的平均输出电压uo就由零变到最大值再变到零，呈正
24、弦规律变化，如图7-6所示。图中，在 A 点=0，平均电压为最大。半周中，平均输出电压为正弦波。对反组负半周的控制也是同样。第7章 变频器应用技术图7-6交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形第7章 变频器应用技术上述只说明了交-交变频的单相输出，对于三相负载，其他两相也各有一套反并联可逆线路，输出平均电压相位依次相差120。反并联可逆整流器应用在直流调速系统中技术成熟，对元件无特殊要求。在这里，如果每组可控整流装置都用桥式电路，每组含有6个晶闸管(当每一桥臂都是单管时)，三相变频装置共用三组反并联线路，则共需 36 个晶闸管。若采用零式电路，也得要 18 个晶闸管。因此，这样的交-交变频器
25、虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但是所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，因此目前国内有些企业已有可靠的此类产品。第7章 变频器应用技术4.交-交变频器的缺点交-交变压变频器虽然结构简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。另外，交-交变压变频器的输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的
26、齿轮减速箱。第7章 变频器应用技术近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，其类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景会很好。综上所述，交-交变频器与交-直-交变频器的比较如表7-1 所示。第7章 变频器应用技术注：交-交变频器如采用强迫换流，则调速范围可以扩大，最高输出频率可以超过电网频率，同时还可提高功率因数，但线路复杂。第7章 变频器应用技术*7.2.3通用变频器中的逆变器在交-直-交变压变频
27、器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。图7-7所示为电压源型和电流源型逆变器的示意图。第7章 变频器应用技术图7-7电压源型和电流源型逆变器示意图第7章 变频器应用技术1.电压源变频器(Voltage Source Inverter，VSI)对于间接变频器，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，理想情况是一种内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这叫做电压源变频器(Voltage Source Inverter，VSI)或称电压型变频器。一般的直接变频器虽然没有滤波电容，但供
28、电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，因此也属于电压源变频器。第7章 变频器应用技术2.电流源变频器(Current Source Inverter，CSI)当间接变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较平直，对负载来说基本上是恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这叫做电流源变频器(Current Source Inverter，CSI)，或称电流型变频器。第7章 变频器应用技术3.电压源和电流源变频器的性能比较电压源和电流源两类变频器在主电路上虽然只是滤波环节不同，但其性能却有明显的差异，主要表现如下：(1)无功能量的缓冲。在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负
29、载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。因此，两类变频器的区别还表现在采用什么储能元件(电容器或电感器)来缓冲无功能量。第7章 变频器应用技术(2)能量的回馈。用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统(如图7-8所示)为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。第7章 变频器应用
30、技术当电动运行时，UCR的控制角，电动机以频率运行，电功率P的传送方向如图7-8(a)所示。如果降低变压变频器的输出频率1，或从机械上抬高电机频率，使190，则异步电动机转为发电状态，逆变器转为整流状态，而可控整流器转为有源逆变状态。此时，直流电压Ud立即反向，而电流Id方向不变，电能由电机回馈给交流电网，如图7-8(b)所示。第7章 变频器应用技术图7-8电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态第7章 变频器应用技术与上述情况相反，如果采用电压源型的交-直-交变压变频器调速系统，要实现回馈制动和四象限运行就很困难。因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到
31、器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂得多。第7章 变频器应用技术(3)输出波形。电压源型变频器输出的电压波形为方波，电流源型变频器输出的电流波形为方波。(4)动态响应。正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。第7章 变频器应用技术(5)应用场合。电压源型变频器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同
32、步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起、制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起、制动和可逆运行的要求。下面给出电压源和电流源交-直-交变频器主要特点的比较，如表7-2所示。第7章 变频器应用技术第7章 变频器应用技术7.2.4通用变频器中的脉宽调制(PWM)技术早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波(对应电压源型逆变器)或矩形波(对应电流源型逆变器)，这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分
33、量，影响其稳态工作性能，在低速运行时这种影响更为明显。第7章 变频器应用技术应用PWM技术控制的逆变器在主电路结构上比较简单，而输出电压波形更接近正弦波。传统的交流变压变频脉宽调制技术用正弦波来调制等腰三角波，从而获得一系列等幅不等宽的PWM矩形波，按照波形面积相等的原则，这样的PWM波形与期望的正弦波等效。经过一段时间的应用实践后，这种脉宽调制方法取得了很大的效能，也发现了一些缺点，因此，研究新的PWM控制技术一直是科研人员的热门课题。第7章 变频器应用技术1.PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波(Carrier Wave)，并用频率和期
34、望波相同的正弦波作为调制波(Modulation Wave)，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波，如图7-9所示。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称为正弦波脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)，这种序列的矩形波称为SPWM波。第7章 变频器应用技术图7-9PWM调制原理第7章 变频器应用技术2.SPWM控制方式SPWM控制技术分为单极性控制和双极性控制两种
35、。如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，则叫做单极性控制方式，其输出电压波形如图7-10所示。其中,uc为三角载波；ur为正弦调试波；uo为调制后的矩形波。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，SPWM波也在正负之间变化，则叫做双极性控制方式，其输出电压波形如图7-11所示。三相桥式PWM逆变器一般都采用双极性控制方式。第7章 变频器应用技术图7-10单极性PWM控制方式第7章 变频器应用技术图7-11双极性PWM控制方式第7章 变频器应用技术3.PWM逆变器主电路及输出波形图7-12所示为三相桥
36、式PWM逆变器主电路的原理图，图中N为电机三相绕组的中性点，N为直流电源正、负极之间的中性点。在主电路器件的不同开关状态下，N与N之间的电位经常是不同的。第7章 变频器应用技术图7-12三相桥式PWM逆变器主电路原理图第7章 变频器应用技术图7-13为三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形。(1)图7-12和图7-13中，urU、urV、urW为U、V、W三相的正弦调制波，uc为双极性三角载波。(2)uUN、uVN、uWN为U、V、W三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形。(3)uUV为输出线电压矩形波，其脉冲幅值为+Ud和-Ud。(4)uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。第7章
37、变频器应用技术图7-13三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形第7章 变频器应用技术4.PWM控制电路在模拟电子电路中，采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制，如图7-14所示。第7章 变频器应用技术图7-14PWM的模拟控制电路第7章 变频器应用技术在数字控制电路中，常采用“自然采样法”，其采样原理如图7-15所示。自然采样法的运算比较复杂，在工程上更实用的是简化后的“规则采样法”。由于简化方法不同，衍生出各种规则采样法，图7-16给出规则采样法的原理。在规则采样法中，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波周期的中点(即负峰点)重合
38、；规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化。三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样的D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点。在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断脉冲宽度d,这与用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。第7章 变频器应用技术图7-15自然采样法原理第7章 变频器应用技术图7-16规则采样法原理第7章 变频器应用技术图7-16中的正弦调制信号波为ur=M sinrt (7-1)式中，M 称为调制度；r为信号波角频率。从图中可得 (7-2)r Dc1sin2/2/2MtT第7章 变频器应用技术因此可得 (7-3)三角波一个周期内，脉冲
39、两边间隙宽度 (7-4)cr D(1sin)2TMtccr D1(1sin)24TTMt第7章 变频器应用技术根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有：(1)查表法。可以先离线计算出相应的脉宽d等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。(2)实时计算法。事先在内存中存放正弦函数和Tc/2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的Tc/2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。第7章 变频器应用技术5.SPWM的调制方式SPWM逆变器的性能与两个重要参数有关
40、，它们是调制比m和载频比K,其定义分别为 (7-5)(7-6)式中：Urm、f(，T)为参考信号ur的幅值和频率(角频率、周期)；Ucm、fc(c,Tc)为载频信号uc的幅值和频率(角频率、周期)。rmcmUmUcccfTKfT第7章 变频器应用技术在SPWM方式中，Ucm的值常保持不变，m值的改变由改变Urm来实现。在调制过程中，根据载频比K是否改变，可以分为同步调制和异步调制两种方式。(1)同步调制。在改变f的同时成正比地改变fc，使载频比K保持不变，称为同步调制。采用同步调制的优点是可以保证输出波形的对称性。对于三相系统，为保持三相之间对称、互差120相位角，载频比K应取3的整数。为保证
41、双极性调制时每相波形的正、负半波对称，则该倍数应取奇数。波形对称，则不会出现偶次谐波问题。但是，受开关器件允许的开关频率的限制，保持载频比K值不变，在逆变器低频运行时，载频比K值会过小，导致谐波含量变大，使电动机的谐波损耗增加，转矩脉动相对加剧。第7章 变频器应用技术(2)异步调制。在改变f的同时，fc的值保持不变，使载频比K值不断变化，称为异步调制。采用异步调制的优点是可以使逆变器低频运行时的载频比K值加大，相应地减小谐波含量，以减轻电动机的谐波损耗和转矩脉动。但是，异步调制可能使K值出现非整数，相位可能连续漂移，且正、负半波不对称，相应的偶次谐波问题变得突出了。但是如果器件开关频率能满足要
42、求，使得K值足够大，这个问题就可以弱化。采用IGBT作为主开关器件的变频器已有采用全速度范围内异步调制方案的机种，这克服了分段同步调制的关键弱点。第7章 变频器应用技术(3)分段同步调制。实用的BJT逆变器常采用分段同步调制方案。图7-17给出了BJT逆变器基波频率与载波频率的关系。在恒转矩区，低速段采用异步调制，高速段分段同步化，载频比K值逐级改变。到了恒功率区，取K=1，可以获得最高输出电压。这样做，开关频率限制在一定的范围内，并且fc相对变小后，在K为各个确定值的范围内，可以克服异步调制的缺点，保证输出波形对称。K值的切换控制应注意两个问题：载频比K值的切换不出现电压的突变；应在临界点处
43、造成一个滞后区，以避免不同K值之间出现振荡。分段同步调制比较关键的弱点是在K值切换时可能出现电压突变乃至振荡。第7章 变频器应用技术图7-17BJT逆变器基波频率与载波频率的关系第7章 变频器应用技术7.2.5变频器主要功能1.基本功能(1)基本频率。基本频率通常指输入工频交流电的频率。(2)自动加减速控制。按照机械惯量GD2、负载特性自动确定加减速时间。这一功能通常用于大惯性负载。(3)加减速时间。加减速时间的选择决定调速系统的快速性。如果选择较短的加减速时间，会提高生产效率。但是，加速时间选择太短，会引起过流；减速时间选择太短，频率下降太快，电动机进入制动状态(电动机转速大于定子频率对应的
44、同步转速，转差率变负)，可能引起过电压。(4)加减速方式。可选择线性加减速方式和S形加减速方式。第7章 变频器应用技术2.特殊功能(1)低频定子电压补偿,通常称为电动机转矩提升。(2)跳频。用变频器为交流电动机供电时，系统可能发生振荡。发生振荡的原因：一是电气频率与机械频率发生共振；二是由纯电气引起的。通常发生振荡是在某些频率范围内，为了避免发生振荡，可设置跳频。(3)瞬时停电再起动。由于电动机的惯性，停电数秒时间，电动机的转速可能还在期望的范围内，这样，变频器可以在恢复供电后继续给电动机按正常运行供电，而不必将电动机停止后重新起动。第7章 变频器应用技术7.3变频器的选择要正确选择变频器，首
45、先要充分了解调速设备的负载性质、调速性能及其他工艺上的要求等，然后对照各种变频器的性能、容量合理选用。7.3.1变频器类型的选择变频器根据其性能及控制方式的不同可以分为简易型、多功能型、高性能型；根据用途可分为通用型、系统型和专用型变频器。第7章 变频器应用技术1.简易型变频器简易型变频器一般采用U/f 控制方式，其中通用型的主要适用于风机、泵类等低速且负载转矩较小的场合，节能效果显著，成本较低；专用型的简易变频器主要适用于空调、洗衣机、印制电路加工机械等，节能效果显著，成本较低。第7章 变频器应用技术2.多功能型变频器多功能型变频器一般采用电压PWM控制方式，主要适用于自动仓库、升降机、搬运
46、系统、小型CNC机床、挤压成型机、纺织及胶片机械等恒转矩类负载。为了实现恒转矩调速，常常采用加大电动机和变频器容量的办法，以提高低速转矩。选择多功能型变频器必须满足以下两个条件：第7章 变频器应用技术(1)变频器与机械种类无关，可实现恒转矩负载驱动，即使负载有很大的波动也能够保证连续运行，否则变频器会发生停机、再起动困难、耐过载能力降低等故障。因此，要求变频器本身必须具有电流控制功能。(2)变频器本身应易与机械相适应、相配合，即具有容易适合机械特性的可选功能。此外，变频器还应具备与系统进行信息传递的输入输出功能等。第7章 变频器应用技术3.高性能型变频器高性能型变频器一般采用电流型矢量控制方式
47、，具有转矩控制功能，实现恒转矩调速，这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性，主要适用于轧钢、造纸、塑料薄膜加工线等对动态性能要求较高的生产机械。目前，矢量控制型变频器已经通用化，加上鼠笼型异步电动机具有坚固耐用、不用维护、价格便宜等优点，因此，对于要求高精度、快响应的生产机械，采用矢量控制高性能型变频器是一种很好的方案。第7章 变频器应用技术7.3.2变频器容量的选择通用变频器容量以适配电动机功率(kW)、输出功率(kVA)或额定输出电流(A)表示。适配电动机功率是指对于 2、4 极的标准电动机，在输出额定电流时变频器可以驱动的这类电动机的功率。6 极以上的电动
48、机和变极电动机的额定电流比标准电动机大，应选用更大些的变频器，这时须按额定输出电流选择变频器。额定输出容量取决于额定输出电流与额定输出电压的三相视在功率。第7章 变频器应用技术当电源电压降低时，多数变频器不能保证额定输出电压，因此输出容量不作为选用变频器的惟一依据。额定电流为逆变器可以连续输出的最大交流电流的有效值，不论电动机是几对极的，都应使所选变频器的额定电流大于电动机的额定电流。考虑到现代通用变频器保护日趋完善以及技术改造投入费用的减少，宜尽量选用合适的变频器。另外，根据负载性质，当需要适应冲击性负载时，应增大逆变器容量。通用逆变器过流容量常为120%、60 s，150%、6 s。例如：
49、对于150%、60 s的变频器，要求200过流容量时，必须使容量加大200/150=1.33 倍。不同产品有不同的过流容量，一般厂家或代销公司都将变频器的输出功率(kVA)、额定电流(A)、适配电动机功率(kW)列表，供用户选用。第7章 变频器应用技术7.3.3变频器外围设备的选择异步电动机利用通用变频器进行调速传动时，应合理地选择变频器的容量和外围设备。第7章 变频器应用技术1.选择外围设备的目的 选择外围设备的目的是：(1)提高变频器驱动系统正常工作的可靠性。(2)提供对变频器和电动机的保护。(3)减小变频器对其他设备的影响。变频器外围设备如图7-18所示。图中T为电源变压器，QF为电源侧
50、断路器，1 KM 为电源侧接触器，FIL为高频滤波器，1ACL为输入电抗器，2ACL为输出电抗器，R为制动电阻，2KM为电动机侧接触器，3KM为工频电网切换用接触器。第7章 变频器应用技术图7-18变频器外围设备第7章 变频器应用技术2.外围设备的选择 1)电源变压器T(1)选用目的：将电网电压变换为通用变频器所需要的电压。(2)变压器容量的确定：一般情况下，变压器容量可以按照变频器容量的1.5 倍进行估算。在进行变压器容量的具体计算时可参照式(7-7)：(7-7)其中，变频器的功率因数在有输入电抗器1 ACL时取0.80.85；没有输入电抗器时取0.60.8；变频器的效率一般取 0.90.9
