交直交100问

交—直—交电压型SPWM变频调速

应用技术100问

(一) 变频调速的基本概念

概述

1、变频调速技术是怎样发展起来的？

变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)的n=n1(1-S)………………(1-1)

式中：n——电动机的转速，m/min

n1——电动机的同步转速，r/min

S——电动机的转差率

而同步转速则主要取决于频率

n1=60f/p………………(1-2)

式中：f——频率，Hz

p——磁极对数

所以说，交流电动机从诞生之日起，就已经知道改变频率可以调节转速了。但当时，还不具备改变频率的手段。

闸流管的问世，使变频调速的梦想出现了能够实现的希望。但那设备的庞大与昂贵，使它无法进入实用的阶段。

直到20世纪的60年代，随着晶闸管的出现及其应用技术的迅速发展，变频调速开始进入实用的阶段。但由于许多技术问题解决得还不够完善，调速系统的性能指标难以和直流电机相匹敌，因而未能达到推广应用的阶段。

70年代末期以来，一方面，矢量控制理论的提出和实施，使变频调速系统的性能指标达到了与直流电机调速系统十分接近的地步；另一方面，电力电子器件的飞速发展，也使SPWM调制技术日臻完善，变频调速器的体积越做越小，价格也达到了用户能够接受的程度。变频调速这才进入了普及应用的阶段。

2、变频调速为什么常缩写成VVVF？

VVVF的全称是Variable Voltage Variable Frequency，意思是“变压变频”。

原来，在交流异步电动机内，外加的电源电压主要和绕组的反电势相平衡，而绕组的反电势则与电流的频率和每极下的磁通量有关：

U≈E=4.44 W1fφ=K e fφ………………(1-3)

可见，磁通量的大小与电压和频率的比值有关：

φ≈U/K e f=K e'·U/f………………(1-4)

式中：U——电源相电压

E1——每相定子绕组的反电势

W1——每相定子绕组的匝数

φ——每个磁极下的磁通量

K e、K e'——常数

式(1-4)表明：当频率下降时，如果电压不变，则磁通量将增加，引起电机铁心的饱和。这当然是不允许的。因此，为了保持电机内的磁通量基本不变，在改变频率的同时，也必须改变电压。

3、交—直—交是什么意思？

变频装置有两大类：一类是由工业频率直接转接成可变频率的，称为“交—交变频”。另一类就是“交—直—交变频”，意思是：先把工业频率的交流整流成

图1-1 交—直—交的电路结构

直流，再把直流“逆变”成频率可变的交流，如图1-1所示。

4、电压型的主要特点是什么？

交—直—交变频装置按直流部分贮能方式的不同分为：

图1-2 电压型和电流型

(1) 电压型

贮能元件为滤波电容C ，如图1-2a 所示。其工作特点是电压基本不变。

(2) 电流型

贮能元件为电抗器l ，如图1-2b 所示。其工作特点是电流基本不变。

5、SPWM 代表什么？

SPWM 的全称是Sine Pulse Width Modulation ，意思是正弦脉冲宽度调制。这是实现改变频率的同时也改变电压的一种调制方式。

变压变频的基本方式有两种：

(1) 在改变频率的同时也改变幅值，称为脉幅调制，简写为PAM ，如图1-3a 所示。

t

t

(a)

(b)

图1-3 脉幅调制和脉宽调制

(a)(b)

(2) 在改变频率时，脉冲的幅值不变，而通过改变脉冲的占空比来改变其平均电压，称为脉宽调制，简写为PWM，如图1-3所示。

SPWM的特点是：脉冲序列中的脉冲宽度和脉冲间的间隔宽度是按正弦规律安排的，如图1-4。

图1-4 SPWM的波形变频器的主电器

6、直流是怎样“逆变”成交流的？

如图1-5，K1~K4是开关器件，M是负载，A、B间通以直流电压U D。

图1-5 逆变原理

先令K1|K4闭合，K2、K3断开。则电流的路径如实线空心箭头所示，C、D 间的电压为C“+”、D“-”。再令K1、K4断开，K2、K3闭合，则电流的路径如虚线实心箭头所示，C、D间的电压为C“-”、D“+”。

如使上述两种状态不停地交替工作，则负载M上所得到的便是交流电压了。

用六个开关器件，使它们按三相间互差三分之一周期的规律交替工作，就可将直流电“逆变”成三相交流电了，如图1-6。

图1-6 三相逆变电器

7、常用的开关器件有哪些？

目前，在中、小型变频调速器中用得最多的是功率晶体管，为了提高放大倍数，常做成达林顿管，如图1-7a所示，一般电路图中仍画成单管，如图1-7b所示，代表符号是CTR或BTR。

(a)(b)

图1-7 功力晶体管

(b)

(a)

图1-8与1-9

容量较大的变频调速器中则常用可关断晶闸管，其代表符号是GTO ，图形符号如图1-8所示。

已经进入实用阶段的最新器件有：绝缘栅双极晶体管，代号IGBT ，图形符号如图1-9所示。正在开发并已经取得成果的新品种还有不少，不再一一赘述。

8、变频调速器的主电路是怎样构成的？

交—直—交电压型变频调速器主电路的基本结构如图1-10。图中，DR 是三相整流。R A 是限流电阻，限制变频器刚合上电源时，对滤波电容C 的充电电流。当C 充电到一定程序后，晶闸管V T 导通，R A 将不再起限流作用。功率晶体管V 1~V 6组成三相逆变桥，将直流电逆变成三相交流电后供电给电动机M 。二极管V 01~V 06的作用是：在逆变过程中，当晶体管的e 极电位高于c 集电位时提供续流回路；在电动机降速过程中提供能量反馈(再生)回路。R B 是电动机在再生制动过程中的耗能电阻，V B 在电动机降速过程中导通，提供耗能回路。如RB 阻值太大，可在接线端P 和DB 之间接入外接制动电阻。

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1-10 主电路的结构