变频调速器的基本原理与结构

正弦脉宽调制（SPWM）原理
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• 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半 波
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正弦脉宽调制（SPWM）原理
• 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半 u 波 u
SPWM波
O
ωt
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O
ωt
&g输出正弦 波幅值，按同一比例改 变各脉冲宽度即可。
变频调速器的基本原理与结构
§4.1 绪论
根据交流电机的转速公式 n 60 f （ 1 s） P
可以看出均匀地改变定子电源频率，就可以平滑地改变电机的转速， 从而实现调速。
§4.2 静止式变频装置
变频调速需要变频电源。过去采用旋转变频机组或离子变 频器来改变电源频率，设备投资大，效率低，可靠性差， 目前已被静止式变频装置所代替。 从结构上，静止式变频装置可以分为交-直-交变频器和交 交变频器。交-直-交变频器，又称为带直流环节的变频器 或间接变频器，它首先将电网的交流电通过整流器整流成 直流，然后再经逆变器将直流转变为可控频率的交流电。
~
us
A
B
C
VT4 VT6 VT2 三相逆变器主电路
逆
• 什么是逆变？
变
逆变（invertion）——把直流电转变成交流电， 整流的逆过程。
实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电 能，反送到交流电网中去。
逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
有源逆变电路——交流侧和电网连结。
V3 VD 1 U V VD 4 V6
V5 VD 3 W VD 6 V2 VD 5 N VD 2
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 可看成由三个半桥逆变电路组成
180°导电方式
-
N'
Ud 2
V4
图5-9 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 °
冲量指窄脉冲的面积
f (t) f (t )
指环节的输出响应波形基本相同
f (t) f (t )
d (t )
O a)方波窄脉冲
t O
t t O t O b) 三角波窄脉冲 c)正弦半波窄脉冲 d)单位冲击函数
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
PWM控制的基本原理
• 实例
i (t) e ( t)
电路输入：e(t)
交交变频器，又称为直接变频器，她将电网电源一次变换 成可控频率的交流电，没有中间直流环节。 目前应用较多的是交-直-交变频器。
调压方式：输出自耦变压器， 相位控制，可控硅直流开关， PWM 直流电源形式：电压型， 电流型 换流电路：串联电感式，串联 二极管式，带辅助二极管式 晶闸管导通时间：180度导电型， 120度导电型 相数：单相，三相 交-交变频器 连接方式：反并联，交叉，开口三 角形，环形
DC 可 控 整 流
AC
(2)采用不可控整流器整流，斩波器变压，逆变器变频 DC DC 特点： 整不 斩 逆 M 流可 波 变 这种控制方式增设了斩波器，克服 AC 器 控 器 器 AC ~ 了上一种控制方式的缺点，功率因 调 调 数高，但谐波仍然较大。 频 压 (3)采用不可控整流器整流，PWM逆变器变压变频 特点： DC AC 不 可 控 整 流
采用不可控整流，功率因数高，采 用PWM逆变，谐波可以减少；
M ~ 谐波减少的程度取决于开关频率， 而开关频率则受开关器件开关时间 的限制。如采用新型全控型开关器 件，并用正弦波调制，则输出正弦 波非常逼真，是目前最有发展前途 的一种结构形式。
PWM 逆 AC 变 调压
调频
交直交变频器的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流 变频电。如图所示. VT1 VT3 VT5
uo S1 Ud S2 a) io 负载 S3 io t1 t2 b) t
uo S 4
逆变电路及其波形举例
图5-1
逆变电路的基本工作原理
uo Ud S1 i o S2 a)
逆变电路及其波形举例
负载
S3
io t1 t2 b) 图5-1 t
uo S 4
逆变电路的基本工作原理
三相电压型逆变电路
+
V1
Ud 2
交直交变频器
工作原理：
M
u、f 指令 u* co
转速给定
ugt
uabs
电压及频率控制
PWM 生成
驱动
电机动正、反 转 给定积分 器 绝对值变换器
采用恒压频比控制的变频调速系统框图
给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压、频 率。绝对值变换器输出 ugt的绝对值uabsf ，电压频率控制环节根据 转速给定既作为调节加减速的频率 指令值，同时经过适当 在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转 u换为按设定斜率逐渐变化的斜坡信号 及ugt的极性得出电压及频率的指令信号，经 PWMU/ 生成环节形 U1的指令值。该比例决定了 f比值， abs分压，作为定子电压 ugt，从而使电动机的 成控制逆变器的 PWM信号，再经驱动电路控制变频器中IGBT的 由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比 电压和转速都平缓地升高或降低，避免产生冲击。 通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控 为恒定。 制交流电机的转速和转向。
逆变器的基本类型
• 按直流侧电源的性质分类（常用此分类）
– 电压型逆变器
直流侧电源为 准恒压源 电流型逆变器 直流侧电源为 准恒流源
电压型逆变电路的特点
(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电 压基本无脉动 (2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗 不同而不同 (3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向 直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联 反馈二极管
电流型逆变电路主要特点
(1) 直流侧串大电感，相当于电流源
(2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相 位因负载不同而不同 (3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给 开关器件反并联二极管
逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例 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 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，uo 为负，这样就把直流电变 成了交流电 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率
b)
t
t
t
e) f)
t
2Ud 3 Ud 3
t
电压型三相桥式 逆变电路的工作 波形
PWM技术
• 方波控制逆变器的问 题
– 本身不能调节输出量 幅值 – 输出量中含有大量的5、 7、11、13次谐波
• 解决方法
– 采用PWM控制技术
• PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件 的发展 使得实现PWM控制变得十分容易。
交-直-交变频器
变 频 器 分 类
环流：有环流，无环流
1，基本类型 （1）电压型
交直交变频器的基本结构如图所示，由主回路和控制回路两部分组 中间直流环节采用大电容滤波，直流电压比较平直，电源阻 成。 抗小，对负载而言基本是恒压源，所以称为电压型变频器或 电网侧变流器 中间直流环节 负载侧整流器 电压源变频装置，如图（ a）所示。 WW 整 逆 ~3 （2）电流型 M 流 变 ~ 器 器 中间直流环节采用大电感滤波，直流电流比较平直，电源阻 AC 抗大，对负载而言基本是恒流源，所以称为电流型变频器或 电流源变频装置，如图（b）所示。 控制单元
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调
速以及高压直流输电等。
无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接
到负载。
• 无源逆变
直流 交流（向负载直接供电）
• 无源逆变电路简称逆变电路 • 逆变与变频
– 逆变电路经常与变频的概念联系在 一起 – 变频电路：交交变频和交直交变频 两种 – 交直交变频由交直变换和直交变换 两部分组成，后一部分就是逆变
整 流 器 （a）电压型
AC
逆 变 器
M ~
AC
整 流 器
www 逆 变 器
M ~
（b）电流型
交直交变频器结构图
2.控制方式
交-直-交变频器又有不同的控制方式
（1）采用可控整流器变压，采用逆变器变频 特点： 逆 M 变 AC ~ 调 压 调 频 调压调频分别在两个环节上进行， 两者在控制回路上要协调配合； 结构简单，控制方便； 电压频率调整太低时，电网端功率 因数比较低； 输出环节采用晶闸管组成三相六拍 逆变器，输出谐波大。
电路输出：i(t)
以上实例说明了“面积等效原理”
正弦脉宽调制（SPWM）原理
1、目标涵数——正弦电压
– 使脉冲列的作用效果尽量接近正弦波的作用 效果
2、基本原理（说明SPWM波与正弦波如何等效
问题）
根据冲量等效（面积等效）原理，用一组
幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来 代替正弦波。 按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等 效正弦波的幅值。
正弦脉宽调制（SPWM）原理
3、SPWM的控制方法（说明SPWM波实现方
法问题）
– 离线计算法——根据输出正弦波的频率、幅 值和半个周期内的脉冲数计算PWM波各脉 冲的宽度和间隔。
• 缺点：计算量大，繁琐。
– 调制法——将目标涵数（波形）作为调制信 号，通过对载波的调制得到PWM波形。
• 一般用等腰三角形波作为载波； • 根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不 对称）调制和双极性（或对称）调制。
任一瞬间有三个桥臂同时导通 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵 向换流