通用变频器应用技术

学习情境 1-学习性工作任务 2

《通用变频器应用技术》

四川机电职业技术学院 .电子电气工程系

通用变频器应用技术

四川机电职业技术学院电子电气工程系




学习情境 1 ：

变频器的认识

学习性工作任务 2 ：变频器的结构及原理分析（ 6 学时）




教学目标

知识目标：

能力目标：

1 ．认识通用变频器在采用不同分类方法的各类型变频器的特性。2 ．掌握通用变频器的基本组成结构、原理。3 ．认识变频器的 SPWM 控制的实现和优势。

1 ．掌握三相正弦波脉宽调制 SPWM 变频原理实验。2 ． SPWM 、矢量调制方式下 V/F 曲线测定方法。




教学内容

2.2.1 变频器的基本构成变频器由主电路（整流器、中间直流环节（中间直流储能环节）、逆变器）和控制电路组成。

2.1 变频器的结构及原理及分类

图 2-1 变频器基本构成




2.1.2 变频器的原理

(1) 基频以下的恒磁通变频调速

为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通 Φm 不变，这就

要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持 E1/f1= 常数，即保

持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调

速，属于恒转矩调速方式。

由异步电动机转矩公式

T=KmΦI2cosφ2

（转矩常数 Km ，转子电流 I2 ，转子电路功率因素 cosφ2 ）

得 T∝Φ ，即“恒磁通变频调速”属于“恒转矩调速方式”。




但是， E1 难于直接检测和直接控制。当频率较高时， E1 和 f1 的值较高，定子的漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）相对较小，如忽略不计，则可以近似地保持定子相电压 U1 和频率 f1 的比值为常数，即认为 U1= E1 ，保持 U1/f1= 常数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。当频率较低时， U1 和 E1 都变小，定于漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。近似的保持E1/f1= 常数的关系。如图 2-2 所示，其中 1 为 U1/f1=C 时的电压、频率关系， 2 为有电压补偿时（近似的 E1/f1=C ）的电压、频率关系。




图 2-2 U1/f1 关系1--U1/f1=C 2— 近似 E1/f1=C

（ 2 ）基频以上的弱磁变频调速这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值 f1N 向上增大，但电压 U1 ；受额定电压 U1N 的限制不能再升高，只能保持U1=U1N 不变。必然会使主磁通随着 f1 的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。




2.1.3 通用变频器的分类（ 1 ）按直流电源的性质分类： 1 ）电流型变频器

图 2-3 电流型变频器的主电路

特点：中间直流环节采用大电感；直流电流 Id趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。




2 ）电压型变频器

图 2-4 电压型变频器的主电路

特点：中间直流环节采用大电容；直流电压 Ud趋于平稳，电动机的端电压为波或阶梯波。




（ 2 ）按输出电压调节方式分类 1 ） PAM 方式通过改变直流电压幅值进行调压的方式。输出电压的调节由相控整流器或直流斩波器。

图 2-5 电压型变频器的主电路




图 2-6 采用直流斩波器的 PAM 方式




2 ） PWM 方式利用参考电压波与载频三角波互相比较来决定主开关器件的导通时间而实现调压。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。

图 2-7 PWM 变频器主电路




这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的 PWM方式，称为正弦 PWM 调制，简称 SPWM （ Sinusoidal Pulse Width Modulation）方式。在通用变频器中，采用 SPWM 方式调压，是一种最常采用的方案。 3 ）高载波频率的 PWM 方式这种方式与上述的 PWM 方式的区别仅在于调制频率有很大的提高。主开关器件的工作频率较高，普通的功率晶体管已经不能适应，常采用开关频率较高的 IGBT或MOSFET 。因为开关频率达到 10～ 20kHZ，可以使电动机的噪声大幅度降低（达到了人耳难于感知的频段）。其主电路（ IGBT 作逆变器开关器件为例）如图 2-8所示。




这种采用 IGBT 的高载波频率的 PWM 通用变频器正在取代

以 BJT 为开关器件的变频器。

图 2-8 高载波频率 PWM 变频器（ IGBT 变频器）




（ 3 ）按控制方式分类 1 ） U/f 控制（ VVVF ）

图 2-9 U/f 控制方式

U/f 控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电流简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。




2 ）转差频率控制为提高调速精度，采用转差频率控制方式。根据速度传感器的检测，可以求出转差频率△ f ，再把它与速度设定值 f 相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值 f1 ，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。

图 2-10 转差频率控制方式




3 ）矢量控制

图 2-11 矢量控制原理框图

采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。




根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。在矢量控制方式中，磁场电流 im ；和转矩电流 it；可以根据可测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行必要的校正。高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩电流（或称有功电流）的设定值，如图 2-11 所示。动态频率前馈控制 df/dt可以保证快速动态响应。




（ 4）按主开关器件分类 IGBT GTO BJT 目前大多采用 IGBT 。（ 5） MICROMASTER420 通用型变频器

图 2-12 MICROMASTER 4(MM4) 系列（通用型变频器）




是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。由微处理器控

制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（ IGB

T ）作为功率输出器件。具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪

声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

MM420 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的

电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。具有全面而完善的控制

功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

MM420 既可用于单机驱动系统，也可集成到‘自动化系统’

中。




（ 6 ） MICROMASTER 440 通用型变频器 MM440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从 120W 到 200kW （恒定转矩（ CT ）控制方式），或者可达 250kW （可变转矩（ VT ）控制方式），供用户选用。 MM440变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（ IGBT ）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 MM440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于 MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。 MM440 既可用于单机驱动系统，也可集成到‘自动化系统’中。




2.2 通用变频器中的逆变器及其 SPWM 控制

2.2.1 6 脉波方波逆变器同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作 180° 导通型逆变器。2.2.2 PWM 逆变器

图 2-13 交 - 直 -交变压变频电路的原理图




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的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。




2.2.3 SPWM 控制由载波调制正弦波而获得脉冲宽度按正弦规律变化又和正弦波等效的脉宽调制 (PWM) 波形称为正弦脉宽调制 (SPWM) 。单极性控制方式双极性控制方式

2.2.4 谐波分析与输出电压调节脉宽调制（ PWM ）的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需要。要达到这一目的，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以外，还可以采用直接计算的下图中各脉冲起始与终了相位 1, 2,…, 2m 的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的 PWM 波形




2.2.5 波消去法

是在方波电压波形上设置一些槽口，通过合理安排槽口的位置

与宽度，则可以达到既能控制输出基波电压分量，又能有选择地消

除某些较低次谐波的目的。

2.2.6 瞬时电流跟踪控制在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。




2.3 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统

2.3.1 采用模拟电路的 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图

模拟式 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图如下图所示。

系统主电路为由三相二极管整流器 -IGBT 逆变器组成的电压型变频

电路。供电对象为三相异步电动机。 IGBT 采用专用驱动模块驱动。

SPWM发成电路的主体是，由正弦波发生器产生的正弦信号波，与

三角波发生器产生的载波，通过比较器比较后，产生正弦脉宽调制

波（ SPWM 波）。以上这此部件的工作原理已在前面中做了介绍，

现对其它环节做一简单说明。




图 2-20 模拟式 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图




1 ）给定环节 S1 为正、反运转选择开关。电位器 RP1 调节正向转速； RP2调节反向转速。 S2 为起动、停止开关，停车时，将输入端接地，防止干扰信号侵入。 2 ）给定积分电路它的主体是一个具有限幅的积分环节，以将正、负阶跃信号，转换成上升和下降、斜率均可调的，具有限幅的，正、负斜坡信号。正斜坡信号将使起动过程变得平稳，实现软起动，同时也减小了起动时的过大的冲击电流。负斜坡信号将使停车过程变得平稳。 3 ） U/f函数发生器 U/f函数发生器是一个带限幅的斜坡信号发生器。 U/f函数发生器其输出特性如下图所示：




图 2-21 U/f函数发生器其输出特性

因为 SPWM 波的基波频率取决于正弦信号波的频率， SPWM的基波的幅值取决于在弦信号波的幅值。 U/f函数发生器的功能就是在基频以下，产生一个与频率 f1 成正比的电压，作为正弦信号波幅值的给定信号，以实现恒压频比（ U/f＝恒量）的控制。在基频以上，则使 U 为一恒量，以实现恒压（弱磁升速）控制。




4）开通延时器它是使待导通的 IGBT管在换相时稍作延时后再驱动（待桥臂上另一 IGBT完全关断。这是为了防止桥臂上的两个 IGBT管在换相时，一只没有完全关断．而另一只却又导通形成同时导通，造成短路。 5）其他环节此系统还设有过电压、过电流等保护环节以及电源、显示、报警等辅助环节（图中未画出）但此系统未设转速负反馈环节，因此是一个转速开环控制系统。




综上所述，模拟式 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统的工作过

程大致如下：由给定信号 (给出转向及转速大小 ) → 起动 (或

停止 )信号 → 给定积分器 ( 实现平稳起动、减小起动电流 ) → U/f

函数发生器 ( 基频以下，恒磁恒压频比控制；基频以上，恒压弱磁

升速控制 ) → SPWM 控制电路 ( 由体现给定频率和给定幅值的正

弦信号波与三角波载波比较后产生 SPWM 波 ) → 驱动电路模块

→ 主电路 (IGBT管三相逆变电路 ) → 三相异步电动机 ( 实现了 V

VVF 调速 ) 。




2.3.2 单片微机控制的 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图

单片微机控制的 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图如

下图所示。

此系统的特点是采用单片微机来进行控制，主要通过软件来实现

变压变频控制、 SPWM 控制和发出各种保护指令（包含着上例中各

单元的功能）。 SPWM发生器可采用专用的集成电路芯片，也可由

微机的软件来实现。




图 2-22 单片微机控制的 IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统原理框图




1 ）限流电阻 R0和短接开关 S 由于中间直流电路并联着容量很大的电容器，在突加电源时，电源通过二极管整流桥对电容充电（突加电压时，电容相当于短路），会产生很大的冲击电流，使元器件损坏。为此在充电回路上，设置电阻 R0（或电抗器）来限制电流。待电源合上，起动过渡过程结束以后，为避免 R0上继续消耗电能，可延时以自动开关 S将R0短接。 2 ）电压检测与泵升限制当异步电动机减速制动时，它相当一个感应发电机，由于二极管不能反向导通，电动机将通过续流二极管向电容器充电，使电容 C 的电压随着充电而不断升高（称泵升电压），这样的高电压将使元器件损坏。为此，在主电路设置了电压检测电路，当电压过高时，通过泵升限制保护环节，使开关管 Vb导通，使电机制动时释放的电能在电阻 Rb上消耗掉。




3 ）进线电抗器由于整流桥后面接有一个容量很大的电容，在整流时，只有当整流电压大于电容电压时，才会有电流，造成电流断续，这样电源供给整流电路的电流中会含有较多的谐波成分，对电源造成不良影响（使电压波形畸变，变压器和线路损耗增加），因此在进线处增设进线电抗器 Lin。 4）温度检测主要是检测 IGBT管壳的温度，当通过电流过大，壳温过高时，微机将发出指令，通过驱动电路，使 IGBT管迅速截止。 5）电流检测由于此系统未设转速负反馈环节，所以通过在交流侧（或直流侧）检测到的电流信号，来间接反映负载的大小，使控制器（微机）能根据负载的大小，对电动机因负载而引起的转速变化，给予一定的补偿。此外，电流检测环节还用于电流过载保护。以上这些环节，在其他类似的系统（如上例所示的系统）中，也都可以采用。




课外任务

1 ．作业（ 1 ）采用 SPWM 控制是如何改变输出电压的幅值？如何改变输出频率？（ 2 ）对斩控式整流器的性能要求？ 2 ．完成实验（实训）报告3 ．进行学习经验总结4．预习学习性工作任务 3 ：变频器的安装与接线

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