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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：变频器应用研究
学习中心：
层 次： 专科起点本科
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学 生：
指导教师：
完成日期： 2021 年9月22日
内容摘要
近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流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、推动技术进步的一种重要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的使用范围及其它许多优点而被内外公认为最有发展前途的调速方式。
众所周知，变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件，在控制上则采用的是PWN控制方式，这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外，还含有许多高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变，产生五点电干扰电波，它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象—电动机带来不良的影响。所以，深入了解交流传动与控制技术的走向，对我们的学习工作具有十分积极的意义。
关键词:变频器 工作原理 发展趋势 故障排除
目 录
绪 论
1．变频器的发展起步
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。电力电子器件的更新促使电力变换技术的不断发展。起初,变频技术只局限于变频不能变压。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,如:调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术、移相载波PWM技术、载波调制波同时移相PWM技术等。
VVVF变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。
2． 矩阵式交—交变频器产生的背景
矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。
一、 变频器的发展、组成及原理
（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
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。
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、造低；坚固耐用，事故率低，容易维护。
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
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。
（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。
（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。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。
（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。
（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。
电压型变频器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组，交-直-交型变频器结构见附图1
（1）整流电路： VD1~VD6组成三相不可控整流桥，220V系列采用单相全波整流桥电路；380V系列采用桥式全波整流电路。
（2）中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容CF除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素，由于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。
（3）限流电路：由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在上电瞬间滤波电容CF的充电电流很大，过大的电流会损坏整流桥二极管，为保护整流桥上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流，当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。
（4）逆变电路： 逆变管V1~V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电，是变频器的核心部分。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元。
（5）续流二极管D1~D6：其主要作用为：
a.电机绕组为感性具有无功分量，VD1~VD7为无功电流返回到直流电源提供通道
b.当电机处于制动状态时，再生电流通过VD1~VD7返回直流电路。
c.V1~V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1~D6提供通路。
(6)缓冲电路
由于逆变管V1~V6每次由导通切换到截止状态的瞬间，C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD，这过高的电压增长率可能会损坏逆变管，吸收电容的作用便是降低V1~V6关断时的电压增长率。
(7)制动单元
电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压UD不断上升（即所说的泵升电压），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的放电电流IB
变频器总体分为“交-交变频器”与“交-直-交变频器”两种：
图
交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接式变频器。
交-直-交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接式变频器。
1.交-直-交变频器（间接式变频器）分类
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。
2.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
(1)“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。
(2)电流型变频器优点：
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。
(3)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。
3.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。
(1)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。
