變頻器一、變頻器概述二、變頻器基本原理三、變頻器的保護功能(gōngnéng)四、變頻器的干擾及預(yù)防措施五、變頻器應(yīng)用共三十二頁變頻器一、變頻器概述共三十二頁一、變頻器概述(ɡàishù)三相交流異步電機的結(jié)構(gòu)簡單、堅固、運行可靠、價格低廉，在冶金、建材、礦山、化工等重工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。人們希望在許多場合下能夠用可調(diào)速的交流電機來代替直流電機，從而降低成本，提高運行的可靠性。如果實現(xiàn)交流調(diào)速，每臺電機將節(jié)能20%以上(yǐshàng)，而且在恒轉(zhuǎn)矩條件下，能降低軸上的輸出功率，既提高了電機效率，又可獲得節(jié)能效果。共三十二頁一、變頻器概述(ɡàishù)三相交流異步電機的結(jié)構(gòu)簡單、異步電機調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，但是效率很高、性能最好、應(yīng)用最廣的是變頻調(diào)速，它可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)來取代直流調(diào)速系統(tǒng)，是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電機供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對交流電機的寬范圍內(nèi)無級調(diào)速。變頻器可把固定(gùdìng)電壓、固定(gùdìng)頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電。共三十二頁異步電機調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，但是效率很高、性能最好、應(yīng)用最廣隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高耐壓、大功率、具有自關(guān)斷的全控型電力電子器件，它具有驅(qū)動功率小、開關(guān)頻率高等特點，應(yīng)用在逆變電路中可極大提高變頻的性能。脈寬調(diào)制（PWM)變頻就是把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用到交流變頻中，可使變頻器具有良好(liánghǎo)的輸出波形，降低了噪聲和諧波，提高了系統(tǒng)的性能。采用全數(shù)字微機控制技術(shù)，使變頻器減小了體積、降低了成本、提高了效率、增強了功能。以上三種技術(shù)的應(yīng)用，使電機基本能夠平穩(wěn)運行、無噪聲、無抖動。交流變頻調(diào)速已成為電氣調(diào)速傳動的主流。目前變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且已擴展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，以及空調(diào)器、洗衣機、電冰箱等家電中。共三十二頁隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高耐壓、大功率、具有自關(guān)斷的全一、變頻器概述(ɡàishù)（一）變頻器的功用變頻器的功用是將頻率固定(通常為工頻50HZ)的交流點(三相的或單相的)交換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。如下圖2.1所示，變頻器的輸入端(R,S,T)接至頻率固定的三相交流電源，輸出(shūchū)端(U,V,W)輸出(shūchū)的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電，接至電機。共三十二頁一、變頻器概述(ɡàishù)（一）變頻器的功用共三十二頁VVVF(VariationVoltageVariationFrequency)頻率(pínlǜ)可變、電壓可變。共三十二頁VVVF(VariationVoltageVariati變頻器概述(ɡàishù)（二）變頻器主要功能一、軟啟動馬達(dá)二、調(diào)頻調(diào)壓調(diào)電流三、空（輕）載時能在維持轉(zhuǎn)速的時候減少電流（節(jié)能）變頻器總體來說用在啟動(qǐdòng)頻繁的馬達(dá)上，節(jié)能效果明顯！共三十二頁變頻器概述(ɡàishù)（二）變頻器主要功能共三十二頁（三）變頻器的核心是電力電子器件及控制方式1.電力電子器件的發(fā)展20世紀(jì)80年代中期以前，變頻裝置功率回路主要采用第一代電力電子器件，以晶閘管元件為主，這種裝置的效率、可靠性、成本、體積均無法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。80年代中期以后采用第二代電力電子器件GTR.CTO,VDMOS-IGBT等制造的變頻裝置在性能和價格比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美。隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化方向(fāngxiàng)繼續(xù)發(fā)展，第三代電力電子器件是20世紀(jì)90年代制造變頻裝置的主流產(chǎn)品，中小功率的變頻調(diào)速裝置(1-1000kw)主要采用IGBT，大功率的變頻調(diào)速裝置(1000-10000kW)采用GTO器件。20世紀(jì)90年代末至今，電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了第四代，如高壓IGBT,IGCT,IEGT,SGCT、智能功率模塊IPM等。共三十二頁（三）變頻器的核心是電力電子器件及控制方式共三十二頁2.控制方式變頻器用不同的控制方式，得到的調(diào)速性能、特性及用途是不同的。控制方式大體分為開環(huán)控制及閉環(huán)控制。開環(huán)控制有U/f電壓與頻率成正比的控制方式閉環(huán)有轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制?，F(xiàn)在(xiànzài)矢量控制可以實現(xiàn)與直流機電樞電流控制相媲美，直接轉(zhuǎn)矩控制直接取交流電動機參數(shù)進(jìn)行控制，其方便準(zhǔn)確精度高。共三十二頁2.控制方式共三十二頁二、變頻器基本原理（一）變頻調(diào)速的構(gòu)成要實現(xiàn)變頻調(diào)速，必須有頻率可調(diào)的交流電源，但電力系統(tǒng)卻只能提供固定頻率的交流電源，因此需要(xūyào)一套變頻裝置來完成變頻的任務(wù)。歷史上曾出現(xiàn)過旋轉(zhuǎn)變頻機組，但由于存在許多缺點而現(xiàn)在很少使用?，F(xiàn)代的變頻器都是由大功率電子器件構(gòu)成的。相對于旋轉(zhuǎn)變頻機組，被稱為靜止式變頻裝置，是構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。共三十二頁二、變頻器基本原理（一）變頻調(diào)速的構(gòu)成共三十二頁一個變頻(biànpín)調(diào)速系統(tǒng)主要由靜止式變頻(biànpín)裝置、交流電動機和控制電路3大部分組成，靜止式變頻裝置的輸入是三相式單相恒頻、恒壓電源，輸出則是頻率和電壓均可調(diào)的三相交流電。至于控制電路，變頻調(diào)速系統(tǒng)要比直流調(diào)速系統(tǒng)和其他交流調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜得多，這是由于被控對象—感應(yīng)電動機本身的電磁關(guān)系以及變頻器的控制均較復(fù)雜所致。因此變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制任務(wù)大多是由微處理機承擔(dān)。共三十二頁一個變頻(biànpín)調(diào)速系統(tǒng)主要由靜止式變頻(bià（三）變頻器的分類1.按變換環(huán)節(jié)分:(1)交-交變頻器把頻率固定的交流電源直接變換成頻率可調(diào)的交流電，又稱直接式變頻器。(2)交-直-交變頻器先把頻率固定的交流電整流(zhěngliú)成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，又稱間接式變頻器。共三十二頁（三）變頻器的分類共三十二頁2.按電壓的調(diào)制方式分:(1)PAM(脈幅調(diào)制)變頻器輸出電壓的大小通過改變直流電壓的大小來進(jìn)行調(diào)制。在中小容量變頻器中，這種方式幾近絕跡。(2)PWM(脈寬調(diào)制)變頻器輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空比來進(jìn)行調(diào)制。目前普通應(yīng)用的是占空比按正弦(zhèngxián)規(guī)律安排的正弦(zhèngxián)脈寬調(diào)制(SPWM)方式。共三十二頁2.按電壓的調(diào)制方式分:共三十二頁4.1交-交變頻器工作原理單相交交變頻電路原理圖和輸出(shūchū)電壓波形共三十二頁4.1交-交變頻器工作原理共三十二頁4.2交-直-交變頻器其結(jié)構(gòu)如下(rúxià)，它由主電路和控制電路組成。共三十二頁4.2交-直-交變頻器共三十二頁4.3交-交與(jiāoyǔ)交-直-交變頻器之比較

交-交變頻器交-直-交變頻器過載能力強效率高輸出波形好但輸出頻率低使用功率器件多輸入(shūrù)無功功率大高次諧波對電網(wǎng)影響大結(jié)構(gòu)簡單輸出頻率變化范圍大功率因數(shù)高諧波易于消除可使用各種新型大功率器件共三十二頁4.3交-交與(jiāoyǔ)交-直-交變頻器之比較

交-（五）PWM控制技術(shù)PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波的比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點，因此在交流傳動乃至其他能量交換系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類：正弦PWM，優(yōu)化PWM，隨機PWM。正弦PWM具有改善輸出電壓和電流波形、降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)，在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢；優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率最小、電壓利用率最高、效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動最小及其他特定優(yōu)化目標(biāo)；隨機PWM原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲，盡管噪音的總分貝(fēnbèi)數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。共三十二頁（五）PWM控制技術(shù)共三十二頁正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器SPWM變頻器結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，主電路不用附加其他裝置，已成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種結(jié)構(gòu)形式。圖3所示為SPWM變頻器的電路原理，該電路的主要特點是：(1)主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；(2)使用了不可控的整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與變頻器輸出電壓的大小無關(guān)而接近于1；(3)變頻器在調(diào)頻的同時(tóngshí)實現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；(4)可獲得比常規(guī)6拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電動機可在近似正弦波的交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈動小，大大擴展了拖動系統(tǒng)調(diào)速范圍，并提高了系統(tǒng)的性能。共三十二頁正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器SPWM變頻器結(jié)構(gòu)簡單，性能SPWM變頻器的工作(gōngzuò)原理所謂正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)就是把正弦波等效為一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，如圖4所示，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。共三十二頁SPWM變頻器的工作(gōngzuò)原理共三十二頁如果把一個(yīɡè)正弦半波分作n等份(圖中n=12)，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(yīɡè)與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等份的中點重合，而寬度是按正弦規(guī)律變化的如圖4(b)所示。這樣，由n個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦半周等效，稱作SPWM波形。同樣，正弦波負(fù)半周也可用相同方法與一系列負(fù)脈沖波來等效。共三十二頁如果把一個(yīɡè)正弦半波分作n等份(圖中n=12)，共三十二頁共三十二頁圖4(b)所示的一系列脈沖波形就是所期望的變頻器輸出SPWM波形?？梢钥吹?，由于各脈沖的幅值相等，所以變頻器可由恒定(héngdìng)的直流電源供電，即這種交一直一交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器即可，變頻器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓幅值。當(dāng)變頻器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為與圖4(b)所示形狀相似的一系列脈沖波形。共三十二頁圖4(b)所示的一系列脈沖波形就是所期望的變（六）變頻器的四種控制(kòngzhì)方式變頻器對電動機進(jìn)行控制是根據(jù)電動機的特性參數(shù)及電動機運轉(zhuǎn)要求，進(jìn)行對電動機提供電壓、電流、頻率進(jìn)行控制達(dá)到負(fù)載的要求。因此就是變頻器的主電路一樣，逆變器件也相同，單片機位數(shù)也一樣，只是控制方式不一樣，其控制效果是不一樣的。所以控制方式是很重要的。它代表變頻器的水平。目前(mùqián)變頻器對電動機的控制方式大體可分為U/f恒定控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制。共三十二頁（六）變頻器的四種控制(kòngzhì)方式變頻器對電動機四象限變頻器的工作(gōngzuò)原理四象限(xiàngxiàn)變頻器的電路原理圖如圖1所示。圖1四象限變頻器的電路原理圖共三十二頁四象限變頻器的工作(gōngzuò)原理四象限(xiàngx2.2工作原理

當(dāng)電機工作在電動狀態(tài)的時候，整流控制單元(dānyuán)的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側(cè)的6個IGBT的開通和關(guān)斷。IGBT的開通和關(guān)斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流橋產(chǎn)生的6K±1諧波。功率因數(shù)高達(dá)99%，消除了對電網(wǎng)的諧波污染。

此時能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機，變頻器工作在第一、第三象限。輸入電壓和輸入電流的波形如圖2所示。共三十二頁2.2工作原理

當(dāng)電機工作在電動狀態(tài)的時候，整流控制單元圖2輸入(shūrù)電壓和輸入(shūrù)電流的波形共三十二頁圖2輸入(shūrù)電壓和輸入(shūrù)電流的波形共當(dāng)電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當(dāng)直流母線電壓超過一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。

此時能量由電機通過逆變側(cè)、整流側(cè)流向電網(wǎng)。變頻器工作在二、四象限。輸入電抗器的主要功能(gōngnéng)是電流濾波?；仞侂娏骱碗娋W(wǎng)電壓波形如圖3所示：共三十二頁當(dāng)電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極圖3回饋電流(diànliú)和電網(wǎng)電壓波形共三十二頁圖3回饋電流(diànliú)和電網(wǎng)電壓波形共三十二頁三、變頻器的保護(bǎohù)功能1.過電流保護功能1.1過電流的原因(yuányīn)（1）外部故障引起的過電流。如電動機堵轉(zhuǎn)、變頻器輸出側(cè)短路等。（2）運行過電流。如加速或減速時間過短引起的過電流等。（3）變頻器自身故障引起的過電流。共三十二頁三、變頻器的保護(bǎohù)功能1.過電流保護功能共三十二四、變頻器的干擾(gānrǎo)及防止在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機械對拖動設(shè)備(shèbèi)的調(diào)速性能有了很高的要求，而變頻調(diào)速以其優(yōu)越的調(diào)速能在調(diào)速系統(tǒng)中占有很大的比重，但變頻器在工作過