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文章詳情介紹：

• 1,變頻器的工作原理

變頻器的工作原理

2.1 變頻器的組成

通用變頻器電路廣泛采用電壓型交-直-交電路結(jié)構(gòu)。一般由整流電路（整流器）、直流中間電路(直流中間環(huán)節(jié))、逆變電路(逆變器)和控制電路四個部分組成，如圖2-1所示。整流器、直流中間環(huán)節(jié)、逆變器是實現(xiàn)電能變換的功率電路，稱為變頻器的主電路?？刂齐娐窞橹麟娐诽峁┛刂菩盘?，完成檢測、各種保護，接受外部控制信號，實現(xiàn)輸出指示。

圖2-1

2.2 、變頻器的控制方式

?理論上，只要調(diào)節(jié)交流異步電動機的供電頻率f1，就可以調(diào)節(jié)其的轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)交流異步電動機的無級調(diào)速。實際上，只改變供電頻率f1并不能正常調(diào)速。

?由電機學理論知，當交流異步電動機定子繞組通以三相交流電時，定子繞組上的感應(yīng)電動勢：

圖1

2.3、 變頻器的變頻變壓原理

變頻器的變頻、變壓是由逆變電路完成的，也就是通過對功率開關(guān)器件VT1~VT6的規(guī)律性通斷控制來實現(xiàn)，如何控制功率開關(guān)器件VT1~VT6規(guī)律性通斷，得到一個頻率和電壓可調(diào)的正弦波呢？

?我們期望逆變器輸出的電壓波形是純粹的正弦波波形，但就目前技術(shù)而言，還不能制造功率大、體積小、輸出波形為標準正弦波的可變頻變壓的逆變器。目前技術(shù)很容易實現(xiàn)的一種方法是逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效。等效的原則是每一區(qū)間的面積相等，如圖2-9所示，把一個正弦半波分作n等份（圖中n等于12，實際應(yīng)用的n為幾仟赫茲），然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，脈沖幅值不變，寬度為δt，各脈沖的中點與正弦波每一等份的中點重合。這樣，有n個等幅不等寬的矩形脈沖組成的波形就與正弦波的正半周等效，稱為SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation ——正弦波脈沖寬度調(diào)制）波形。

圖2

?雖然SPWM電壓波形與正弦波相差甚遠，但由于變頻器的負載是電感性的電動機，而流過電感的電流是不能突變的，當把調(diào)制頻率為幾kHz的SPWM電壓波形加到電動機時，其電流波形就是近似的正弦波了。

?根據(jù)調(diào)制脈沖極性不同，SPWM分為單極性脈寬調(diào)制和雙極性脈寬調(diào)制兩種。

?1、單極性脈寬調(diào)制

?將信號波ur（正弦波）和載波uc（三角波）送入調(diào)制電路，三角載波信號uc只在正或負的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，調(diào)制電路產(chǎn)生的SPWM波控制信號去控制功率器件的導通或關(guān)斷，如圖2-10所示。

圖3

?在ur正半周，SPWM控制信號使V1保持導通，V2保持關(guān)斷。當ur﹤uc時，控制V4導通，V3關(guān)斷，負載上所加電壓為直流電源電壓Ud。當ur ﹥ uc時，控制V4關(guān)斷，由于電感負載中的電流不能突變，產(chǎn)生左負右正的感應(yīng)電動勢使VD3導通，若忽略功率晶體管和二極管的管壓降，則負載上所加電壓為零，這樣負載上可得到零和Ud交替的兩種電平。

?在ur負半周，SPWM控制信號使V2保持導通，V1保持關(guān)斷，當ur﹤uc時，控制V3導通，V4關(guān)斷，負載上所加電壓為直流電源電壓-Ud。當ur﹥uc時，控制V3關(guān)斷，由于電感負載中的電流不能突變，產(chǎn)生左正右負的感應(yīng)電動勢使VD4導通，若忽略功率晶體管和二極管的管壓降，則負載上所加電壓為零，這樣負載上可得到零和-Ud交替的兩種電平。

?單極性SPMW波形如圖2-11所示。圖中uof為uo的基波分量。改變信號波ur的幅值，調(diào)制波的脈寬將隨之改變，從而改變輸出電壓的大??；改變信號波ur的頻率，輸出電壓的基波頻率隨之改變，從而實現(xiàn)逆變電路的調(diào)壓和調(diào)頻。

圖4

?通用變頻器中，通常采用三相雙極性調(diào)制方式的SPMW逆變器，如圖2-13所示。電路中兩電容容量相等，每個電容器承受的電壓均為Ud/2。功率器件V1~V6為全控型器件IGBT元件，U、V、W三相共用一個三角形載波信號uc，三相調(diào)制信號urU、urV、urW為相位依次相差1200的正弦波，調(diào)制后產(chǎn)生控制信號控制功率器件V1~V6的導通或關(guān)斷。U、V、W三相的IGBT控制規(guī)律相同，以U相為例來說明電路的控制過程。當urU﹥uc時，SPMW控制信號控制V1導通、V4關(guān)斷，U點通過V1與Ud正端連接，U點與假想中點N1之間的電壓uUN′= Ud/2；當urU﹤uc時，SPMW控制信號控制V4導通、V1關(guān)斷，U點通過V4與Ud負端連接，U點與假想中點N1之間的電壓uUN′= -Ud/2。V相和W相的控制方式和U相相同，uUN′、uVN′和uWN′的波形如圖2-14所示，線電壓uUV的波形可由uUN′- uVN′得出。

?將三相調(diào)制信號urU、urV、urW的幅值變小，則逆變器輸出電壓變低；若三相調(diào)制信號urU、urV、urW的幅值變大，則逆變器輸出電壓變高。將三相調(diào)制信號urU、urV、urW的頻率調(diào)低（高）時，三個信號的幅度也相應(yīng)調(diào)?。ù螅?，則逆變器輸出頻率也跟隨變化。

?綜上所述，變頻器的調(diào)壓調(diào)頻過程是通過控制三相調(diào)制信號進行的，其頻率決定逆變器的輸出頻率，其幅值決定輸出電壓的大小，實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓。

圖5

圖2-14

?2.4 變頻器的制動

?變頻器驅(qū)動電動機運行過程中，對于轉(zhuǎn)速變化的減速時間和停機過程的停機時間，變頻調(diào)速系統(tǒng)通常有一定要求，就要變頻器必須采取制動措施來實現(xiàn)。通用變頻器的電氣制動方法主要有直流制動、能耗制動和回饋制動三種方式。

?2.4.1 直流制動

?直流制動是當變頻器的輸出頻率已降為零，電動機的轉(zhuǎn)速降到一定數(shù)值時，向電動機的定子繞組通入直流電流，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使電動機停車。

?圖2-15，變頻器輸出頻率已降為零后，電動機由于慣性仍在運轉(zhuǎn)，在異步電動機的定子繞組通入直流電流產(chǎn)生固定磁場，如圖中a），旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子導體切割固定磁場感應(yīng)電流，載流導體受到與轉(zhuǎn)子慣性方向相反的電磁力使電機迅速停轉(zhuǎn)，如圖中b）。

圖2-15

?是在電動機定子繞組中通入直流電流，以產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩替代機械制動。但由于設(shè)備及電動機自身的機械能只能消耗在電動機內(nèi)，同時直流電流也通入電動機定子繞組中，所以使用直流制動時，電動機溫度會迅速升高，因而要避免長期、頻繁使用直流制動。直流制動是不控制電動機速度的，所以停車時間不受控，停車時間根據(jù)負載、轉(zhuǎn)動慣量等的不同而不同，直流制動的制動轉(zhuǎn)矩也難實際計算出來的。此方法適應(yīng)于準確停機控制或制止電動機在運行前自由旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但不適合頻繁啟動、制動的場合。使用同步電動機時，不能使用直流制動。

?2.4.2 能耗制動

在變頻器調(diào)速系統(tǒng)中，減速及停車是通過降低變頻器的輸出頻率來實現(xiàn)的。當變頻器降低頻率的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降，然而由于機械慣性的原因，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并不能馬上下降。當同步轉(zhuǎn)速n0小于電動機的轉(zhuǎn)子速度時，電動機電流的相位改變180度，電動機就從電動狀態(tài)（圖2-16中a）變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)（圖2-16中b）。與此同時，電動機軸上的轉(zhuǎn)矩也變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩，使電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降，電動機處于再生制動狀態(tài)。對于變頻器來說，電動機的再生電能經(jīng)過逆變器的反并聯(lián)二極管整流后反饋到直流回路。由于通用變頻器電網(wǎng)側(cè)采用不可控整流電路，這部分電能無法經(jīng)過整流回路回饋到交流電網(wǎng)，因此，僅靠直流電路中的電容器吸收，這樣會使電容器兩端的直流電壓升高（稱泵升電壓）。過高的直流電壓將使變頻器各部分器件受到損害，必須采取必需的措施處理這部分再生能量。常用的方法是采用電阻能耗制動

圖2-16

?圖2-17為能耗制動單元控制電路，BV為能耗電路控制功率管，RB為能耗電阻，其等效電路如圖b）。由比較電路、驅(qū)動電路組成。當直流回路電壓超過設(shè)定上限值時，BV導通，制動電路打開，制動電阻RB流過電流，從而將電能變成熱能消耗掉，電壓隨之下降，待到設(shè)定下限值時，制動電路關(guān)斷，制動電路工作過程如圖c）所示。制動電阻越小，制動轉(zhuǎn)矩越大。

?制動單元根據(jù)安裝形式可分內(nèi)置式和外置式二種，前者是適用于中小功率的通用變頻器，后者則是適用于中大功率變頻器或是對制動有特殊要求的工況中。一般情況下，小于15KW的變頻器，電路內(nèi)部已配有制動單元并配備制動電阻，15KW以上變頻器內(nèi)配有制動單元，需外配制動電阻。

圖2-17

?制動單元限值電壓的選擇范圍根據(jù)品牌的不同而從630伏到800伏不等，應(yīng)根據(jù)不同電網(wǎng)電壓下、不同地區(qū)的電壓波動來設(shè)置。制動限值電壓設(shè)置過低，會因電網(wǎng)電壓升高而使制動單元誤動作，燒壞制動電阻。制動限值電壓過高，會使變頻器長期工作在高電壓下，對安全運行有很大影響，特別對于元器件電壓等級選擇較低的變頻器，容易造成元器件損壞。另外，電壓過高會使電動機過電壓磁飽和，控制精度下降和電動機損耗加大。表2-1給出不同電網(wǎng)電壓下、電壓波動率下的制動限值電壓推薦值。

?2.4.3 回饋制動

?回饋制動是指變頻器外加回饋制動單元，當電動機處于再生制動狀態(tài)時，通過回饋制動單元將電動機的再生電能反饋到電網(wǎng)中。此種方法適用于大、中型控制系統(tǒng)的制動。電動機的功率較大（100KW以上），設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣量大或者反復(fù)短時工作，從高速至低速的降速幅度較大，且制動時間短，為減少制動過程中的能量損耗，將負載的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伒诫娋W(wǎng)中去，以達到節(jié)能功效。

?如圖2-18所示，一般通用變頻器的整流電路是不可控整流電路，因此無法實現(xiàn)直流回路與電源間雙向能量傳遞，解決這個問題的辦法是在變頻器的直流母線上接可控逆變單元，當系統(tǒng)檢測到直流母線上電壓高于某一值時，啟動回饋逆變單元，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電能回饋電網(wǎng)。

圖2-18