变频器工作原理(2)

2019-02-15 12:14

可能瞬时反向,在负载两端需要有吸收电感储存能量的电路。在吸收此能量期间,负载两端将产生di/dt的尖峰电压。

由于能量吸收回路的作用,负载电流反向后,功率从负载向电源反馈,在时刻t2负载电压反向。此后,在S1,S2再次导通时刻t3之间的期间,为功率从电源流向负载的电动状态。

考虑负载电压u和开关的动作状态,直流电压波形Ed为图c的波形。另外瞬时功率P与直流电压波形相同。此瞬时功率P的平均值为有功功率Pa,如图c中虚线所示。 异步电动机的滞后功率因数角电压型逆变器波形一样。

采用半导体开关时,对于电流型逆变器通常采用晶闸管,它虽然需要换相电路,但可以兼用作能量吸收回路。

电流型逆变器的主电路构成见表1中的项4及5所列,变流器部分采用晶闸管,同时采用变流器与平波电抗器使它具有电流源作用。 二、 电压控制与电流控制

主电路方式分为电压型及电流型两类,控制方式也分为电压控制及电流控制两种。这两种方式,不管主电路方式是电压型还是电流型都可以适用。

通用变频器等采用电压控制方式,与输出频率成比例地控制输出电压。对于需要快速响应的用途则必须控制输出电流,可采用电流控制方式。

1.电压控制 通用变频器适用电压型的电压控制。表1中项1IGBT变频器和GTO晶闸管变频器,是在逆变器侧控制输出的电压和频率。输出电压的大小,可以利用半导体开关的导通率将输出电压控制成为正弦波。表1中项2及4的晶闸管变频器,是在整流器侧控制输出电压,在逆变器侧控制频率。

与瞬时功率P和有功功率Pa的关系,同图4中的

2.电流控制 对于要求类似直流电动机快速响应性的应用场合,为了快速控制异步电动机的转矩,适用电流控制。

表1中项5的电流型晶闸管变频器,在逆变器侧控制频率,在整流器侧控制电流。该表中项3,用晶体管和GTO晶闸管构成的电压型变频器则适用这样的电流控制方式,利用逆变器侧的导通率将输出电流控制成为正弦波。{{分页}} 三、 PAM与PWM

输出电压或输出电流的控制,可以在整流器侧或逆变器侧进行。作为这种输出的控制手段有PAM和PWM两种方式。 (一)PAM(Pulse Amplitude Modulation)

PAM是一种改变电压源的电压Ed(见图3)或电流源的电流Id(见图5)的幅值,进行输出控制的方式。因此,在逆变器只控制频率,在整流器侧控制输出的电压或电流。采用PAM调节电压时,高电压及低电压时的输出电压波形如图6所示。

图6 采用PAM的电压调节 a)高电压时 b)低电压时

表1中项2、4、5的晶闸管逆变器,其换相时间需要100~数百μs,所以,难以做到用晶闸管来开关实现PWM控制,要采用在逆变器只控制频率的PAM方式。 (二)PWM(Pulse Width Modulation)

在异步电动机恒转矩的变频调速系统中,随着变频器输出频率的变化,必须相应地调节其输出电压。另外,在变频器输出频率不变的情况下,为了补偿电网电压和负载变化所引起的输出电压波动,也应适当地调节其输出电压。具体实现调压和调频的方法有很多种,但总的来说,从变频器的输出电压和频率的控制方法来看,基本上按前所述分为PAM和PWM(PAM前已介绍,此处讨论PWM)。

PWM型变频器靠改变脉冲宽度来控制输出电压,通过改变调制周期来控制其输出频率,所以脉冲调制方法对PWM型变频器的性能具有根本性的影响。脉宽调制的方法很多,从调制脉冲的极性上看,可以分为单极性和双极性调制两种;从载频信号和参考信号(基准信号)频率之间的关系来看,又可以分为同步式和非同步式两种。 1. 单极性调制

1)单极性直流参考电压调制方法,以图7所示电压型三相桥式变频器的原理电路为例,大功率晶体管变频器的基极驱动信号在控制电路中一般常采用载频信号Uc与参考信号Ur相比较产生,这里Uc采用单极性等腰三角形锯齿波电压,而Ur采用直流电压。在Uc与Ur波形相交处发出调制信号,部分脉冲调制波形如图8所示。图中画出的是经过三相对称倒相后的a、b点电位、U’oo和相电压Uao的脉冲列波形。在一个周期内有12个三角形,即载频三角波的频率fΔ为输出频率fo的12倍(fΔ可以是fo的任意6的整数倍)。输出波形正负半周对称,主电路中的6个开关器件以1—2—3—4—5—6—1顺序轮流工作,每个开关器件都是半周工作,通、断6次输出6个等幅、等宽、等距脉冲列,另半周总处于阻断状态。

图7 电压型三相桥式变频器原理电路

图8 单极性直流参考信号的部分调制脉冲波形

输出的相电压波形每半个周期出现6个等宽等距脉冲,中间两个脉幅高(2E/3)两边4个脉幅低(E/3),正负半周对称,这个脉冲波形可以分解为基波电压U1和一系列谐波电压,基波电压就是要求输出的交流电压,而谐波电压分量愈小愈好。

从波形图可以看出:当三角波幅值一定,改变参考直流信号Ur的大小时,输出脉冲的宽度即将随之改变,从而改变输出基波电压的大小;改变载频三角波的频率并保持每周的输出脉冲数不变,就可以实现输出电压频率的调节。显然,同时改变三角波的频率和参考直流信号电压Ur的大小,就可以使变频器的输出在变频的同时相应地改变电压的大小。

上述调制方式是在改变输出频率的同时改变三角波的频率,使每半周包含的三角波数和相位不变,正、负半周波形始终保持完全对称。这种调制方式叫做同步脉冲调制方式。同步调制方式虽然由于输出波形正负半周完全对称,只有奇次谐波,没有偶次谐波,但是每周的输出脉冲数不变,低频输出时谐波影响大。

2)单极性正弦波脉宽调制方式及参考信号Ur为正弦波的脉宽调制,一般叫做正弦波脉宽调制,简称SPWM。产生的调制波是一系列等幅、等距而不等宽的脉冲列,如图9所示。

图9 正弦波脉宽调制波形

SPWM调制的基本特点是在半个周期内,中间的脉冲宽,两边的脉冲窄,各脉冲之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比,脉宽基本上成正弦分布。经倒相后正半周输出正脉冲列,负半周输出负脉冲列。由波形可见,SPWM比PWM的调制波形更接近于正弦波,谐波分量大为减小。

输出电压的大小和频率均由正弦参考电压Ur来控制。当改变Ur的幅值时,脉宽即随之改变,从而改变输出电压的大小;当改变Ur的频率时,输出电压频率即随之改变。但要注意正弦波的幅值Urm必须小于等腰三角形的幅值Ucm,否则就得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比这一关系。输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。

图9只画出单相脉宽调制波形。对于三相变频器,必须产生相位差为120o的三相调制波。载频三角波三相可以共用,但必须有一个可变频变幅的三相正弦波发生器,产生可变频变幅的三相正弦参考信号,然后分别比较产生三相输出脉冲调制波。 若三角波和正弦波的频率成比例地改变,不论输出频率高低,每半周的输出脉波数不变,即为同步调制式。{{分页}}

若三角波频率一定,只改变正弦参考信号的频率,正、负半周的脉波数和相位在不同输出频率下就不是完全对称的了,这种方式叫非同步脉宽调制方式。非同步虽然正、负半周输出波形不能完全对称,会出现偶次谐波,但是每周的输出的调制脉波数将随输出频率的降低而增多,有利于改善低频输出特性。


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