INV 基本原理

*,通用变频器,原理及应用,通用变频器,原理及应用,9/15/2024,1,学习情境,2,：变频器的结构、原理分析,-2,9/15/2024,2,学习情境,2,：变频器的结构、原理分析,-2,知识目标：,1,、了解矢量控制变频器基本原理；,2,、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；,3,、掌握通用变频器的基本结构、原理；,4,、掌握通用变频器的,SPWM,控制的实现和优势。,能力目标：,1,、掌握,IGBT-SPWM-VVVF,交流调速系统组成。,2,、掌握,SPWM,、矢量调制方式下,V/F,曲线测定方法。,2.4,通用变频器中的逆变器及其,PWM,控制,前言：,脉宽调制（,PWM,）变频的设计思想，源于通信系统中的载波调制技术。,PWM,变频器的应用，为近代变频技术开辟了新的发展领域，目前,PWM,已成为现代变频器产品的主导设计思想。,本节主要讲解,“,二极管整流器,-IGBT,逆变器,”,构成的,“,交,-,直,-,交变压变频电路,”,。,9/15/2024,4,2.4.1 PWM,电路的组成,由,“,二极管整流器,-IGBT,逆变器,”,构成的,“,交,-,直,-,交变压变频电路,”,的原理图如图,2-21,所示。,图,2-21,交,-,直,-,交变压变频电路的原理图,9/15/2024,5,在交,-,直,-,交变压变频器中，又可分为电流源型和电压源型。电流源型的变频器如图,2-22 a,所示,电压源型的变频器如图,2-22 b,所示。,图,2-22,电流型变频器和电压型变频器,a),电流型变频器,b),电压型变频器,9/15/2024,6,2.4.2 PWM,电路的工作原理,为使分析简明起见，我们将以单相逆变器来分析电路的工作原理。,图,2-23,为一单相,IGBT-PWM(,电压型,),交流变压变频电路的原理图（图中二极管整流器部分未画出）。主电路,V1,V4,为,IGBT,开关管，,VD1,VD4,为续流二极管，,ZL,为负载，,RG1,RG4,为,IGBT,栅极限流电阻，,C,为大容量电容器。,图中四个,IGBT,开关管，以,V1,与,V4,为一组，,V2,与,V3,为另一组，若使两组开关管依次轮流通、断，则在负载上流过的将是正、反向交替的交流电流，从而实现了将直流电变换成交流电的要求。,图,2-23,单相,IGBT-SPWM(,电压型,),交流变压变频电路原理图,9/15/2024,7,2.4.3 SPWM,脉宽调制原理,PWM,脉宽调制的方式很多：,由调制脉冲,(,调制波,),的极性可分为单极性和双极性；,由参考信号和载波信号的频率关系可分为同步调制方式和异步调制方式。,参考信号为正弦波的脉冲宽度调制叫做正弦波脉冲宽度调制（,SPWM,）。,9/15/2024,8,单极性脉宽调制的特征是：参考信号和载波信号都为单极性的信号。如图,2-24,、,2-25,所示。,图,2-24,单极性单相,SPWM,调制波形分析（,1,）,1,单极性脉宽调制,9/15/2024,9,图,2-25,单极性单相,SPWM,调制波形分析（,2,）,a),正弦波,b) SPWM,波,9/15/2024,10,可见，输出的调制波是幅值不变、等距但不等宽的脉冲序列。,SPWM,调制波的脉冲宽度基本上呈正弦分布，其各脉冲在单位时间内的平均值的包络线接近于正弦波，其调制波频率越高，谐波分量越小。如图,2-26,所示。,图,2-26,单极性单相,SPWM,调制波形分析（,3,）,9/15/2024,11,双极性脉宽调制方式的特征是：参考信号和载波信号均为双极性信号。,在双极性,SPWM,方式中，参考信号为对称可调频、调幅的单相或三相正弦波，由于参考信号本身具有正负半周，无需反向器进行正负半波控制。双极性,SPWM,的调制规律相对简单，且不需分正负半周。,仍以单相为例，双极性,SPWM,的调制规律如图,2-27,所示：,2.,双极性脉宽调制,9/15/2024,12,图,2-27,双极性单相,SPWM,波形分析（,1,）,a),信号波与载波的比较,b),双极性,SPWM,波形,9/15/2024,13,图,2-28,双极性三相,SPWM,波形分析（,2,）,9/15/2024,14,图,2-29,双极性三相,SPWM,波形分析（,3,）,9/15/2024,15,结论：,经过对,uC,和,uT,的逐点比较，可得到如图,2-27,所示的调制波形。此波形的特点是：,1),在每半周中，电压的极性有正、有负，所以它是双极性的。,2),它的波形是等幅值、中心线等距离的正、负方波；对应的参考信号,(,正弦波,),瞬时值较大的点，则正、负方波脉冲宽度的差值愈大（在零点处，正、负方波脉冲的宽度将相等），因此，这是调制波。,9/15/2024,16,3),调制波的基波与参考信号波是同频率的正弦波，而且它的幅值也取决于参考信号波的幅值。,4),综上所述，改变参考信号电压的频率，即可改变逆变器输出基波的频率,(,频率可调范围一般为,0,400Hz),；改变参考信号电压的幅值，便可改变输出基波的幅值。,5,）载波信号的频率比较高,(,可达,15kHz,以上,),，在负载电感,(,如电动机绕组的电感,),的滤波作用下，可以获得与正弦基波基本相同的正弦电流。,采用,SPWM,控制，逆变器相当一个可控的功率放大器。,9/15/2024,17,2.5,IGBT-SPWM-VVVF,交流调速系统,2.5.1,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图,2-30,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。,9/15/2024,18,图,2-30,模拟式,IGBT-SPWM-VVVF,交流调速系统原理框图,9/15/2024,19,1,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。,9/15/2024,20,3,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图,2-31,所示：,图,2-31 U/f,函数发生器其输出特性,9/15/2024,21,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。,9/15/2024,22,4,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。,9/15/2024,23,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,VVVF,调速,),。,9/15/2024,24,2.5.2,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图,2-32,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。,9/15/2024,25,图,2-32,单片微机控制的,IGBT-SPWM-VVVF,交流调速系统原理框图,9/15/2024,26,1.,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。,9/15/2024,27,2.,电压检检测与泵升限制,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。,9/15/2024,28,3,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。,9/15/2024,29,5,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。,9/15/2024,30,2.6,矢量控制变频器原理简介,前言：,前述的,U/f,控制类型的通用变频器，其控制方式是建立在异步电机静态数学模型基础上的，动态性能不高。为适应高动态性能的需要，常采用矢量控制方式。,交流变频调速的矢量变换控制，涉及电机数学模型的等效变换，其中很多的数学运算将超出本课程的基本要求。因此，这里主要从物理过程上说明矢量控制,VC,（,Vector Control,）的基本思路及其框架结构。,9/15/2024,31,2.6.1,矢量控制的基本思想,前面我们讨论的,VVVF,交流调速系统解决了异步电动机平滑调速的问题，使系统能够满足许多工业应用的要求，特别对中、小功率的交流调速系统。然而，其调速后的静、动态性能仍无法与直流双闭环调速系统相比。,原因在于：他励直流电动机的,“,励磁电路,(,If,),”,和,“,电枢电路（,T=,CTIa,）,”,是互相独立的，影响电磁转矩,T,的控制量,If,和,Ia,是相互独立的，也可以说是自然解偶的。电枢电流,Ia,的变化并不影响磁场，因此可以用控制电枢电流,Ia,的大小，去控制电磁转矩。,9/15/2024,32,而异步电动机的,“,励磁电流,”,和,“,负载电流,”,（转子电流通过电磁耦合，在定子电路中增加的电流）都在定子电路内（定子电流为励磁电流与转子电流折合过来的,“,负载电流,”,之和），彼此相互叠加，其电流、电压、磁通和电磁转矩各量是相互关联的，而且属于强耦合状态，从而使交流异步电动机的控制问题变得相当复杂。,如果能对异步电动机中的,“,励磁电流,”,和,“,负载电流,”,分别加以控制，那么，其调速性能就可以和直流电动机相媲美了。这就是矢量控制的基本思想。,9/15/2024,33,异步电动机的矢量控制的目的：就是仿照直流电机的控制方式，利用坐标变换的手段，把交流电动机的定子电流分解为磁场分量电流（相当励磁电流）和转矩分量电流（相当负载电流）分别加以控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。,2.6.2,三相交流电机（绕组）和直流电机（绕组）物理模型 的等效变换,为说明矢量控制的基本思想，必须先建立异步电动机（绕组）和直流电动机（绕组）物理模型的等效变换。,9/15/2024,34,图,2-33,等效的交流电动机物理模型,a,）三相交流绕组,b,）等效二相交流绕组,c,）等效直流旋转绕组,9/15/2024,35,2.6.3,矢量控制的基本思路,对上述的等效变换，可以设想为如图,2-34,所示的单元来进行控制量的变换（亦即坐标量的变换）。,图,2-34,矢量控制构思的结构框图,9/15/2024,36,图,2-35,就是矢量控制构思的结构框图。图中,3/2,为三相,/,两相交换单元，,VR,为同步旋转坐标变换单元，,为,M,轴与,a,轴的夹角，,角可通过供电电压，电流及转速的检测，间接换算出来。因此矢量控制通常都有电机电压、电机电流及电机转速的检测与反馈环节。,由图,10.2,可见，从方框外部看，它是输入,iU,、,iV,、,iW,三相电流，输出电磁转矩,Te,及转速,的三相异步电动机；从内部看，它是输入励磁电流,im,和电枢电流,it,，输出同样,Te,及,的直流电动机（这是对电机物理模型的一种处理）。,9/15/2024,37,从图,2-35,可见，既然异步电动机可以等效成直流电动机，那么我们就可模仿直流电动机的控制方法，求得等效直流电动机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就可以按自流电动机方式控制异步电动机了。这就是矢量控制的基本思路。,2.6.4,矢量控制交流变频调速系统结构框图,图,2-35,矢量控制交流变频调速系统结构框图,9/15/2024,38,VR-,同步旋转变换,1,M,轴与,a,轴（,U,轴）间夹角,VR-1,反旋转变换,附：矢量控制原理框图,如图,2-36-,图,2-39,所示：,图,2-36,矢量控制原理框图,9/15/2024,39,图,2-37,频率开环控制原理框图,9/15/2024,40,图,2-38,无速度传感器的矢量控制原理框图,9/15/2024,41,图,2-39,有速度传感器的矢量控制原理框图,9/15/2024,42,2.7,交,-,交变频电路简介,前言：,交,-,交变频器按输出波形可分为方波和正弦波两种类型。,方波型和正弦波型变频器的主电路均由不同的晶闸管整流电路组合而成，它们在电路结构上基本相同，所不同的是：在各整流组中，移相控制角,a,固定不变时，输出的交流电为方波；移相控制角,a,按正弦规律变化时，输出的交流电为正弦波。,9/15/2024,43,2.7.1,方波型交,-,交变频器,1.,单相方波型交,-,交变频电路,（图,2-40,）,图,2-40,单相交,-,交变频器主电路及输出电压波形,9/15/2024,44,2.,三相方波型交,-,交变频电路,（图,2-41,、图,2-42,）,图,2-41,三相方波型交,-,交变频器（电流型）的主电路,图,2-42,三相桥式连接的交,-,交变频器（电压型）主电路,9/15/2024,45,3.,方波型交,-,交变频器小结,方波型交,-,交变频器的控制原理并不复杂，它的变频靠调节六个整流组的切换频率，变压靠凋节晶闸管的控制角,a,来完成。,但方波带来的高次谐波，使电动机的低速转矩脉动大、转速不均匀、损耗及噪声大，而且，为了保证整流组导通时晶闸管的正常触发，交,-,交变频器的输出电压周期,T,必须大于电网周期，其输出交流电频率只能在电网频率的,1/2,以下调节。,方波型交,-,交变频器很少用于普通的异步电动机调速系统，而常用于无换向器电动机的调速系统及超同步串级调速系统。,9/15/2024,46,2.7.2,正弦波型交,-,交变频器,1,输出正弦波形的获得方法,方波型交,-,交变频器的某一整流组工作时，只要输出电压不需要调节，控制角,a,就是一个稳定值，该整流组的输出电压平均值就维持恒定。如图,2-43,所示。,图,2-43,方波型交,-,交变频器整流组输出电压波形,9/15/2024,47,现在设法使控制角,a,在某个正组整流工作时，由大到小再变大，如从,/20/2,，必然引起整流输出平均电压由低到高再到低的变化，如图,2-44 a,所示。而在正组逆变工作时，使控制角由小变大再变小，如从,0/20,，就可以获得图,2-44 b,所示的平均值可变的负向逆变电压。（说明：由于逆变时,a900,，,cosa,计算不方便，引入了逆变角,，,a,；因为本电路逆变时,的变化为,/20/2,，故,a,的变化为,0/20,）,9/15/2024,48,a,）整流状态波形,b,）逆变状态波形,c,）完整的正弦输出波形,图,2-44,正弦波型交,-,交变频器输出电压波形,9/15/2024,49,图,2-45,三相交,-,交变频器中的,a,相电路,9/15/2024,50,图,2-46,可控环流运行方式下的正反组工作状态,9/15/2024,51,2.7.3,交,-,交变频器在实际应用中的优缺点,1.,优点,交,-,交变频器属于直接变频器，且使用电网换相，效率较高；,可方便地在四象限运行；,在低频时输出波形接近于正弦波。,2.,缺点,采用相控方式，功率因数低；,主电路使用晶闸管器件数目多，控制电路较复杂；,变频器输出频率受到电网频率的限制，输出频率低等。,9/15/2024,52,基于以上特点，交,-,交变频器主要用于,500kw,或,1000kw,以上，转速在,600r/min,以下的大功率、低转速的交流调速装置中。交,-,交变频装置既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。目前已在球磨机、矿井提升机、电动车辆、卷扬机、鼓风机以及大型轧钢设备等低速大容量拖动场合得到广泛应用。,9/15/2024,53,