变频器的发展、变频器的组成原理 - 副本

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电流型变频器
电流型变频器主电路的典型构成方式如图。其特点是
中间直流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。
图 电流型变频器的主电路
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※ “电流型变频器”的名称由来： 由于电感的作用，直流电流Id趋于平稳，电动机的电 流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。直流电 源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或 电流型变频器。
按直流电源的性质分类
交-直-交变频器中间直流环节是电容性还是电感性， 可以将其划分为电压（源）型或电流（源）型。 当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直 流电源之间将有无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中 间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频 器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。
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图
电压型变频器的主电路
※ “电压型变频器”的名称由来： 由于大电容的作用，主电路直流电压Ed比较平稳，电 动机端的电压为方波或阶梯波，电流波形与负载的阻抗角 有关。直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压 源型变频器或电压型变频器。
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按输出电压调节方式分类
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图 电压型三相桥式逆变 电路的工作波形
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二、 变频器的发展
1.直流电动机与交流电动机的比较 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能 指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直 流电动机调速系统所垄断。
直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的 难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。
交流电动机的优点
容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样 受限制；结构简单、造价低；坚固耐用，事故率低，容易维 护。
直流电
交流电
逆变电路最基本的工 作原理 ——改变两 组开关切换频率，可 改变输出交流电频率。
电阻负载时，负载电流 io 和uo的波形相同，相位也 相同。 阻感负载时，io相位滞后 于uo，波形也不同。
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图 逆变电路及其波形举例
换流——电流从一个支路向另一个支路转移 的过程，也称为换相。
（4）PWM技术的应用 PWM：（Pulse Width Modulation）脉宽调制技术。 自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路。目 前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。 PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频 器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小 转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了 调节速度，提高了系统的动态响应性能。 PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整 流器的控制。PWM整流器现已开发成功，利用它 可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1。人们 称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”交流器。
开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断： 全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能 关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
三相电压型逆变电路
三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电 路,应用最广的是三相桥式逆变电路
• 目人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子 式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除 变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调 速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍 在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差， 终将会被变频调速所取代。 交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速， 和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们 是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的 制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、 交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制 技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以 及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数 字化控制技术等。
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2. 通用变频器的发展
60年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，
使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同
步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸
管变频器的笼型异步电动机调速系统（包括不属变频方案
的绕线转子异步电动机的串级调速系统）等先后实现了实 用化，使变频调速开始成为交流调速的主流。
图 三相电压型桥式逆变电路
基本工作方式—— 180°导电方式
每桥臂导电180°， 同一相上下两臂交替 导电，各相开始导电 的角度差120 °。 任一瞬间有三个桥臂 同时导通。
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2-1 变频器的发展及应用 2-2 变频器的组成原理
• 一、变频器的概述
直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标，因此，在过 去很长时期内，调速传动领域大多为直流电动机调速系统。
如今，由于全控型电力电子器件（如BJT、IGBT）的发展、 SWPM专用集成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及 单片微型计算机的应用，使得交流调速的性能获得极大的提高， 在许多方面已经可以取代直流调速系统，特别是各类通用变频器 的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流。
优点：
电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于 再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回 馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备，只要利用 网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角a>900） 即可。 应用场合： 电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的 传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。
据统计，目前变频器中的开关器件，容量为 1500kW以 下的采用IGBT；1000～7500kW的采用GTO。
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（3）变频装置的高性能化 早期的变频调速系统，基本上是采用U/F控制， 无法得到快速的转矩响应，低速特性也不好（负 载能力差）。 1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控 制”技术。一改过去传统方式中仅对交流电量的 量值（电压、电流、频率的量值）进行控制的方 法，实现了在控制量值的同时也控制其相位的新 控制思想。使用坐标变换的办法，实现定子电流 的磁场分量和转矩分量的解耦控制，可以使交流 电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。
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（1）相控整流器：可控整流器调压、逆变器调频。
（图2-14）
图
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电压型变频器的主电路
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（2）直流斩波器：二极管整流、斩波器调压、逆变器
调频。（图2-15）
图
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采用直流斩波器的PAM方式
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四、变频器的基本原理
交一直一交变频器主电路
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（2）主开关器件的自关断化
近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅 速，其中“门极关断晶闸管（GTO）、双极晶体管（BJT）/ 电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）”的发 展最快，实用化的程度也最高。
采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换 相电路，既可以减小装置体积，又降低了开关损耗提高了 效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可采用PWM控制， 既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改 善功率因数。优点是很多的。
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此后的20多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人
的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月
异的进步。 这种进步，突出表现在： （1）变频装置的大容量化 对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等 级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制 造上都已十分困难。 为了适应大容量的高压电动机，采用直接高压型PWM变 频器来控制高压电动机，发展较迅速。
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电压型变频器 电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图所示。
其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。
变频器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个
不控器件（二极管）反并联组成。晶闸管VT1～VT6称为主
开关器件，VD1～VD6称为回馈二极管。 电路的特点是，中间直流环节的储能元件采用大电容， 负载的无功功率将由它来缓冲。
以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工 作原理
S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅 助电路组成。
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S1 Ud io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 t
S2 a)
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图 逆变电路及其波形举例
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。