变频器的工作原理

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2.1 变频器的组成

通用变频器电路广泛采用电压型交-直-交电路结构。一般由整流电路(整流器)、直流中间电路(直流中间环节)、逆变电路(逆变器)和控制电路四个部分组成,如图2-1所示。整流器、直流中间环节、逆变器是实现电能变换的功率电路,称为变频器的主电路。控制电路为主电路提供控制信号,完成检测、各种保护,接受外部控制信号,实现输出指示。

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图2-1

2.2 、变频器的控制方式

•理论上,只要调节交流异步电动机的供电频率f1,就可以调节其的转速n,从而实现交流异步电动机的无级调速。实际上,只改变供电频率f1并不能正常调速。

•由电机学理论知,当交流异步电动机定子绕组通以三相交流电时,定子绕组上的感应电动势:

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图1

2.3、 变频器的变频变压原理

变频器的变频、变压是由逆变电路完成的,也就是通过对功率开关器件VT1~VT6的规律性通断控制来实现,如何控制功率开关器件VT1~VT6规律性通断,得到一个频率和电压可调的正弦波呢?

•我们期望逆变器输出的电压波形是纯粹的正弦波波形,但就目前技术而言,还不能制造功率大、体积小、输出波形为标准正弦波的可变频变压的逆变器。目前技术很容易实现的一种方法是逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,这些波形与正弦波等效。等效的原则是每一区间的面积相等,如图2-9所示,把一个正弦半波分作n等份(图中n等于12,实际应用的n为几仟赫兹),然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替,脉冲幅值不变,宽度为δt,各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。这样,有n个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形就与正弦波的正半周等效,称为SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation ——正弦波脉冲宽度调制)波形。

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图2

•虽然SPWM电压波形与正弦波相差甚远,但由于变频器的负载是电感性的电动机,而流过电感的电流是不能突变的,当把调制频率为几kHz的SPWM电压波形加到电动机时,其电流波形就是近似的正弦波了。

•根据调制脉冲极性不同,SPWM分为单极性脉宽调制和双极性脉宽调制两种。

•1、单极性脉宽调制

•将信号波ur(正弦波)和载波uc(三角波)送入调制电路,三角载波信号uc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,调制电路产生的SPWM波控制信号去控制功率器件的导通或关断,如图2-10所示。

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图3

•在ur正半周,SPWM控制信号使V1保持导通,V2保持关断。当uruc时,控制V4导通,V3关断,负载上所加电压为直流电源电压Ud。当ur  uc时,控制V4关断,由于电感负载中的电流不能突变,产生左负右正的感应电动势使VD3导通,若忽略功率晶体管和二极管的管压降,则负载上所加电压为零,这样负载上可得到零和Ud交替的两种电平。

•在ur负半周,SPWM控制信号使V2保持导通,V1保持关断,当uruc时,控制V3导通,V4关断,负载上所加电压为直流电源电压-Ud。当uruc时,控制V3关断,由于电感负载中的电流不能突变,产生左正右负的感应电动势使VD4导通,若忽略功率晶体管和二极管的管压降,则负载上所加电压为零,这样负载上可得到零和-Ud交替的两种电平。

•单极性SPMW波形如图2-11所示。图中uof为uo的基波分量。改变信号波ur的幅值,调制波的脉宽将随之改变,从而改变输出电压的大小;改变信号波ur的频率,输出电压的基波频率随之改变,从而实现逆变电路的调压和调频。

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图4

•通用变频器中,通常采用三相双极性调制方式的SPMW逆变器,如图2-13所示。电路中两电容容量相等,每个电容器承受的电压均为Ud/2。功率器件V1~V6为全控型器件IGBT元件,U、V、W三相共用一个三角形载波信号uc,三相调制信号urU、urV、urW为相位依次相差1200的正弦波,调制后产生控制信号控制功率器件V1~V6的导通或关断。U、V、W三相的IGBT控制规律相同,以U相为例来说明电路的控制过程。当urU﹥uc时,SPMW控制信号控制V1导通、V4关断,U点通过V1与Ud正端连接,U点与假想中点N¹之间的电压uUN′= Ud/2;当urU﹤uc时,SPMW控制信号控制V4导通、V1关断,U点通过V4与Ud负端连接,U点与假想中点N¹之间的电压uUN′= -Ud/2。V相和W相的控制方式和U相相同,uUN′、uVN′和uWN′的波形如图2-14所示,线电压uUV的波形可由uUN′- uVN′得出。

•将三相调制信号urU、urV、urW的幅值变小,则逆变器输出电压变低;若三相调制信号urU、urV、urW的幅值变大,则逆变器输出电压变高。将三相调制信号urU、urV、urW的频率调低(高)时,三个信号的幅度也相应调小(大),则逆变器输出频率也跟随变化。

•综上所述,变频器的调压调频过程是通过控制三相调制信号进行的,其频率决定逆变器的输出频率,其幅值决定输出电压的大小,实现调频调压。

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图5

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图2-14

•2.4 变频器的制动

•变频器驱动电动机运行过程中,对于转速变化的减速时间和停机过程的停机时间,变频调速系统通常有一定要求,就要变频器必须采取制动措施来实现。通用变频器的电气制动方法主要有直流制动、能耗制动和回馈制动三种方式。

•2.4.1 直流制动

•直流制动是当变频器的输出频率已降为零,电动机的转速降到一定数值时,向电动机的定子绕组通入直流电流,产生制动转矩,使电动机停车。

•图2-15,变频器输出频率已降为零后,电动机由于惯性仍在运转,在异步电动机的定子绕组通入直流电流产生固定磁场,如图中a),旋转的转子导体切割固定磁场感应电流,载流导体受到与转子惯性方向相反的电磁力使电机迅速停转,如图中b)。

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图2-15

•是在电动机定子绕组中通入直流电流,以产生制动转矩替代机械制动。但由于设备及电动机自身的机械能只能消耗在电动机内,同时直流电流也通入电动机定子绕组中,所以使用直流制动时,电动机温度会迅速升高,因而要避免长期、频繁使用直流制动。直流制动是不控制电动机速度的,所以停车时间不受控,停车时间根据负载、转动惯量等的不同而不同,直流制动的制动转矩也难实际计算出来的。此方法适应于准确停机控制或制止电动机在运行前自由旋转现象,但不适合频繁启动、制动的场合。使用同步电动机时,不能使用直流制动。

•2.4.2 能耗制动

在变频器调速系统中,减速及停车是通过降低变频器的输出频率来实现的。当变频器降低频率的瞬间,电动机的同步转速也随之下降,然而由于机械惯性的原因,电动机的转子转速并不能马上下降。当同步转速n0小于电动机的转子速度时,电动机电流的相位改变180度,电动机就从电动状态(图2-16中a)变为发电状态(图2-16中b)。与此同时,电动机轴上的转矩也变为制动转矩,使电动机的转速迅速下降,电动机处于再生制动状态。对于变频器来说,电动机的再生电能经过逆变器的反并联二极管整流后反馈到直流回路。由于通用变频器电网侧采用不可控整流电路,这部分电能无法经过整流回路回馈到交流电网,因此,仅靠直流电路中的电容器吸收,这样会使电容器两端的直流电压升高(称泵升电压)。过高的直流电压将使变频器各部分器件受到损害,必须采取必需的措施处理这部分再生能量。常用的方法是采用电阻能耗制动

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图2-16

•图2-17为能耗制动单元控制电路,BV为能耗电路控制功率管,RB为能耗电阻,其等效电路如图b)。由比较电路、驱动电路组成。当直流回路电压超过设定上限值时,BV导通,制动电路打开,制动电阻RB流过电流,从而将电能变成热能消耗掉,电压随之下降,待到设定下限值时,制动电路关断,制动电路工作过程如图c)所示。制动电阻越小,制动转矩越大。

•制动单元根据安装形式可分内置式和外置式二种,前者是适用于中小功率的通用变频器,后者则是适用于中大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。一般情况下,小于15KW的变频器,电路内部已配有制动单元并配备制动电阻,15KW以上变频器内配有制动单元,需外配制动电阻。

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图2-17

•制动单元限值电压的选择范围根据品牌的不同而从630伏到800伏不等,应根据不同电网电压下、不同地区的电压波动来设置。制动限值电压设置过低,会因电网电压升高而使制动单元误动作,烧坏制动电阻。制动限值电压过高,会使变频器长期工作在高电压下,对安全运行有很大影响,特别对于元器件电压等级选择较低的变频器,容易造成元器件损坏。另外,电压过高会使电动机过电压磁饱和,控制精度下降和电动机损耗加大。表2-1给出不同电网电压下、电压波动率下的制动限值电压推荐值。

•2.4.3 回馈制动

•回馈制动是指变频器外加回馈制动单元,当电动机处于再生制动状态时,通过回馈制动单元将电动机的再生电能反馈到电网中。此种方法适用于大、中型控制系统的制动。电动机的功率较大(100KW以上),设备的转动惯量大或者反复短时工作,从高速至低速的降速幅度较大,且制动时间短,为减少制动过程中的能量损耗,将负载的机械能转变为电能回馈到电网中去,以达到节能功效。

•如图2-18所示,一般通用变频器的整流电路是不可控整流电路,因此无法实现直流回路与电源间双向能量传递,解决这个问题的办法是在变频器的直流母线上接可控逆变单元,当系统检测到直流母线上电压高于某一值时,启动回馈逆变单元,将再生电能逆变为与电网同频率、同相位的交流电能回馈电网。

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