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变频器原理与应用

一、变频器的工作原理

1.变频调速的根本控制方式

异步电动机的轴转速为：

感应电机定子每相电动势的有效值为：

Фm的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以主磁通Фm保持额定值不变。

E1—旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势〔V〕；f1—定子电流频率〔HZ〕;N1—定子相绕组有效匝数；Фm—每极磁通量;

感应电机转子中产生的电磁转矩为：

Km—电机转矩常数；I2—转子感应电流；

COS—转子电路的功率因数；

〔1〕基频以下的恒磁通变频调速

感应电机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF(VariableVoltageVariadleFreqency)调速控制。

〔2〕基频以上的弱磁变频调速

恒转矩调速方式：

恒功率调速方式：

2.变频器的根本构成

交—直—交变频器、由主电路和控制电路组成。

〔1〕整流器

电网侧的变流器I是整流器，它的作用是将三相〔单相〕交流电转换成直流电。

〔2〕逆变器

负载侧的变流器为逆变器II。常见的结构形式是利用六个半导体器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

〔3〕中间直流环节

由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件〔电容器或电抗器〕来缓冲。

〔4〕控制电路

控制电路通常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路等构成。

其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等，其控制方法可以采用模拟控制或数字控制。

〔1〕按直流电源的性质分类

3.变频器的分类

〔2〕按输出电压的调制方法分类

1〕脉冲幅值调制方式〔PulseAmplitudeModulation〕,简称PAM方式，是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。

2〕脉冲宽度调制方式〔PulseWidthModulation〕,简称PWM方式。

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

4.脉宽调制技术

这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。

〔原理示意图〕

IGBT晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路

ur

uc

ωt

ωt

u

uo

0

0

uo

ud

﹣ud

uof

单极性SPWM控制方式

ur

uc

ωt

ωt

u

uo

0

0

uo

ud

﹣ud

双极性SPWM控制方式

在SPWM型逆变电路中，使用最多的是图所示的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。

ωt

ua

0

Ed/2

-Ed/2

ωt

0

Ed

-Ed

uab

＋

U

V1

VD1

Ud

V

W

CF

R

S

T

RL

SL

V2

V3

V5

V4

V6

VD2

VD3

VD2

VD4

VD6

VD7

VD9

VD11

VD8

VD10

VD12

C01

C02

C03

C05

C04

C06

R01

R03

R05

R02

R04

R06

VD01

VD03

VD05

VD02

VD04

VD06

RB

RH

HL

1〕由整流二极管VD1～VD6组成三相整流桥，将三相交流电转换成直流电。

〔1〕交-直局部

5.脉宽调制〔SPWM〕型变频器

2〕滤波电容器CF的功能是消除整理后的电压纹波；当负载变化时，使直流电压保持平稳。

3〕变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器CF的充电电流很大，过大的冲击电流可能损坏三相整流桥的二极管。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源时，电路中串入限流电阻RL，将电容器CF的充电电流限制在允许范围以内。

4〕电源指示灯HL有两个功能，一是表示电源是否接通；二是在变频器切断电源后，反映滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。

1〕逆变三极管VT1～VT6是变频器实现变频的具体执行元件，是变频器的核心局部。如下图由VT1～VT6组成的三相逆变桥，将VD1～VD6整流所得的直流电，再转换为频率可调的交流电。

〔2〕直-交局部

2〕续流二极管VD7～VD12的主要功能有：

①电动机是电感性负载，其电流具有无功分量。VD7～VD12为无功电流返回直流电源时提供