变频器工作原理及控制过程

变频器工作原理

直流－>振荡电路－>变压器（隔离、变压）－>交流输出

方波信号发生器使直流以50Hz的频率突变，用正弦和准正弦的振荡器，波形类似于长城的垛口，一上一下的方波，突变量约为5V；再经过信号放大器使突变量扩大至12V左右；经变压器升压至220V输出

怎样将直流电转换成交流电？

有三种方法：

1、用直流电源带动直流电动机－－－－机械传动到交流发电机发出交流电；这是一种最古老的方法，但现在仍有人在用，特点是成本低，易维护。目前在大功率转换中还在使用。

2、用振荡器（就是目前市场上的逆变器）；这是比较先进的方法，成本高，多用于小功率变换；

3、机械振子变换器，其原理就是让直流电流断断续续，通过变压器后就能在变压器的次级输出交流电，这是一种比较老的方法，目前基本上已被淘汰。

现在日本发现一种有机物可以转换

2交流电是指电压或电流的幅值在0值附近震荡，也就是有正有负，方向会发生变化，而并不一定是正弦的。

直流电也并不是恒定不变的，它的幅值也是可以变化的，但不会改变方向。也就是说恒为正或恒为负。

在逆变器中不能单独应用可控硅，它仅仅是起一个开关作用，必须要由振荡电路来控制可控硅的开/关状态，得到方波形的交流电，再经变压、滤波，得到较纯的正弦波交流电。

UPS电源（Uninterruptible Power System 不间断电源系统）利用逆变电路，即用直流电驱动一个振荡器，产生交流振荡，一般得到的是方波。如果经过滤波电路去除50Hz的谐波，就能得到比较纯的50Hz交流电。

变频器1

1.1变频技术的概念

1.常用的调速方法 变极调速、定子调压调速、转差离合器调速

2.变频技术的概念 把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电等技术的总称。特点：电能不变，只有频率变。

3.变频技术的发展 应交流电机无级调速的需要而诞生的。 自20世纪60年代以来，电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为发展趋势。电机变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、失去技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到广泛应用。

变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、交换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高电压大电流有关的技术问题，后者要解决控制模块的硬、软件开发问题

4.变频调速的主要发展方向

（1）实现高水平的控制

（2）开发清洁电能的变流器

（3）缩小装置的尺寸

（4）高速度的数字控制

（5）模拟器与计算机辅助设计（CAD）技术

1.2变频技术的类型及用途

1.变频技术的类型主要有以下几种

（1）交-直变频技术（即整流技术） 通过整流元件实现功率转换 。

（2）直-直变频技术（即斩波技术） 通过改变电力电子器件的通断时间即改变脉冲频率或宽度，从而达到调节直流平均电压的目的

（3）直-交变频技术（即逆变技术） 利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电。

（4）交-交变频技术（即移相技术） 通过控制电力电子器件的导通与关断时间，实现交流无触点的开关、调压、调光、调速等的目的

2.变频技术的主要用途

（1）标准50HZ电源 对频率、电压波形和幅值及电网干扰等有较高要求的。

（2）不间断电源（UPS） 停电时，将蓄电池的直流电逆变成50HZ的交流电，对设备临时供电。

（3）中频装置 广泛应用于金属熔炼、感应加热及机械零件的淬火。

（4）变频调速 产生频率、电压可调的电源。

（5）节能降耗

1.3常用电力电子器件简介

1）晶闸管（SCR） 没有自关断能力，逆变时需要另设换流电路，造成电路结构复杂，增加变频器成本。但由于元件容量大，在1000KVA以上的大容量变频器中得到广泛的应用。

2）门极可关断晶闸管（GTO） 可通过门极信号控制导通和关断。它是利用门极反向电流而获得自关断能力，属于全控器件，无需换流电路。已经逐步取代SCR。

3）电力晶体管（GTR） 是一种高反压晶体管，具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。它被广泛用于交直流电机调速、中频电源等电力变流装置中。主要用作开关，工作于高电压大电流的场合，一般为模块化。

4）功率场效应管（MOSFET） 根据门极电压的电场效应进行导通与关断的单极晶体管。具有自关断能力强、驱动功率小、工作速度高、无二次击穿现象、安全工作区宽等。用于小容量变频器中。

3）电力晶体管（GTR） 主要特点：

输出电压 可以采用脉宽调制方式

载波频率 较低（开关时间较长）1.2-1.5KHZ

电流波形 高次谐波成分较大，噪声大。

输出转矩 与工频运行时相比，略有下降

5）绝缘栅双极晶体管（IGBT） 集GTR和P-MOSFET的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点。目前中小容量变频器新产品中都采用它。适于高压的为HV-IGBT。

6）智能功率模块（IPM） 是一种将功率开关器件及其驱动电路、保护电路等集成在同一封装内的集成模块。目前采用较多的是IGBT作为大功率开关器件的模块，器件模块内集成了电流传感器，可以检测过电流及短路电流。具有过电流保护、过载保护以及驱动电流电压不足时的保护功能。

7）集成门极换流晶闸管（IGCT） 是一种中压、大功率半导体开关器件。它是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一体，集GTO和IGBT的优点于一身。

2.1 变频器的基本结构

主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。

整流器 将三相交流电转换成直流电。

中间直流环节 中间直流储能环节，在它和电动机之间进行无功功率的交换。

控制电路 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组成。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。目前许多变频器已经采用微机来进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，靠软件来完成各种功能。

1.主控电路

2.控制电源、采样及驱动电路

3.整流电路和逆变电路

2.1.1 变频器的主控电路

（1）基本任务

1）接受各种信号

2）进行基本运算

3）输出计算结果

（2）其他任务

1）实现各项控制功能

2）实现各项保护功能

2.1.2 变频器的控制电源、采样及驱动电路

（1）控制电源 提供稳压电源

1）主控电路 0~+5V

2）外控电路

（2）采样电路

1）提供控制用数据

2）提供保护采样

（3） 驱动电路

.1.3整流电路和逆变电路

1.整流电路

将交流电转换为直流电，应用最多的是三相桥式整流电路。分为不可控整流和可控整流电路。

2.逆变电路

将直流电转换为交流电，应用最多的也是三相桥式逆变电路。

2.2 变频器的分类

的调制方式分

（1）PAM（脉幅调制） 在整流电路部分对输出电压幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。

（2）PWM（脉宽调制） 保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度，来达到改变等效输出电压的一种方式。

1.按电压

（2）按工作原理分

V/F控制 对变频器的频率和电压同时进行调节

转差频率控制 为V/F控制的改进方式

矢量控制 将交流电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的方式

直接转矩控制 把转矩作为控制量，直接控制转矩，是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。

（3）按用途分

通用变频器 能与普通的笼式电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供选择功能

高性能专用变频器 对控制要求较高的系统（电梯、风机水泵等），大多采用矢量控制方式

高频变频器 高速电动机配套使用

（4）按变换环节分

交-交变频器 把频率固定的交流电直接变换成频率和电压连续可调的交流电。无中间环节，效率高，但连续可调的频率范围窄。

交-直-交变频器 先把交流电变成直流电，再把交流电通过电力电子器件逆变成直流电。优势明显，目前广泛采用的方式

（5）按直流环节的储能方式分

电流型 中间环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。再生电能直接回馈到电网。

电压型 中间环节采用大电容作为储能环节，负载的无功功率将由它来缓冲。无功能量很难回馈到交流电网。

2.3变频器的额定值与频率指标

1、输入侧的额定值

主要是电压和相数 小容量有

380V/50HZ，三相，用于国内设备；

230V/50HZ或60HZ，三相，主要用于进口设备；

（200-230V）/50HZ，主要用于家用电器。

2、输出侧的额定值

（1）输出电压最大值UN

（2）输出电流最大值IN 长时间通过

（3）输出容量SN= UNIN

（4）配用电动机容量PN=SNηMcosφ

（5）超载能力 是指输出电流额定值的允许范围和时间。大多数变频器规定为150%IN、60S，180%IN、0.5S

3、频率指标

（1）频率范围 最高频率和最低频率之差。最低0.1~1HZ，最高为120~650HZ

（2）频率精度 指变频器输出频率的准确程度。

（3）频率分辨率 指输出频率的最小改变量。

2.4 变频器的主电路

变频器的主电路主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三部分组成

交-直部分

（1）整流电路 由VD1~VD6组成三相不可控整桥。

（2）滤波电容CF 除滤波外，还有在整流电路与逆变电路之间去耦作用，以消除相互干扰。

（3）限流电阻RL与开关SL 限制CF的充电电流，正常时通过开关短接电阻。

直-交部分

（1）逆变管 VT1~VT6组成逆变桥，是变频器实现变频的环节，是核心部分。

（2）续流二极管VD7~VD12 作用：

电动机为感性负载，无功分量返回直流电源提供“通道”。（频率下降时，再生制动状态）

（3）缓冲电路

由C01~C06，R01~R06及VD01~VD06构成。 R01~R06是限制逆变管在接通瞬间C01~C06的放电电流。而VD01~VD06使得逆变管在判断过程中R01~R06不起作用。

制动电阻和制动单元

制动电阻RB 把再生到直流电路的能量消耗掉

制动单元VTB 控制流经RB的放电电流IB

三相交流异步电动机的转速为

可见，在转差率S变化不大的情况下，可以认为，调节电动机定子电源频率时，电动机的转速大致随之成正比变化。若均匀改变电动机电源的频率f，则可以平滑地改变电动机的转速。

将直流电变换为交流电的过程称为逆变，完成逆变功能的装置叫逆变器，它是变频器的重要组成部分

补充：逆变器件的工作条件

1.能承受足够大的电压和电流

电压 U线＝380V，三相全波整流后UL＝513V，UM＝537V。考虑到电感及负载动能反馈能量的效应，开关器件的耐压应在1000V以上。

电流 当PN＝150KW时，IN＝250A，IM＝353A，考虑过载能力，要求开关器件允许承受的电流应大于700A。

2.允许频繁地接通和断开

逆变过程实际上是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件无法做到的，必须依赖无触点开关（即半导体开关器件），而无触点开关要做到承受足够大的电压和电流并非易事。因此，变频器的出现比异步电动机晚了长达百年之久

原创作者：福州市喜灵机械设备有限公司