《变频器与伺服驱动技术应用》PPT课件：认识SPWM调制技术及SPWM逆变器.ppt

1、职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库任务任务2 2 认识认识SPWMSPWM调制技术调制技术及及SPWMSPWM逆变器逆变器 电机驱动与伺服控制项目二 简易通用型变频器调速系统安装与调试无锡职业技术学院职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库电力电子器件（MOS管、IGBT管及IPM）及SPWM调制技术；电力电子器件（MOS管、IGBT管及IPM）及SPWM调制技术。会识别IGBT管、IPM以及测试是否完好；知识点知识点技能点技能点重重 点点职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库 变频器对输出波形的调制既要变频，又要

2、变压，变频是由逆变器完成的。而变压按输出电压调节方式不同，变频器有PAM、PWM 和SPWM等多种方式。2.1变频器电压调节方式PAM PAM 方式方式-脉冲幅值调节方式脉冲幅值调节方式 是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库PWM PWM 方式方式-脉冲宽度调节方式脉冲宽度调节方式 变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器PWM方式调节。PWM信号作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通

3、断。SPWM SPWM 方式方式-正弦脉冲宽度调节方式正弦脉冲宽度调节方式 它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库用可控整流器调压、逆变器调频 用斩波器调压的交直交变频器 2.2 变频器电压调节方式调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调 整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库用PWM逆变器同时调压调频 用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就

4、可以调节输出电压值。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库2.3 2.3 变压器中的半导体开关器件变压器中的半导体开关器件 （1 1）晶闸管（）晶闸管（SCRSCR）属于半控型电力电子器件，在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，使晶闸管导通，一旦导通，门极即失去控制作用。特点是耐压高，电流大，抗冲击能力强。（2 2）门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO）属于全控型器件，开通和关闭都可以由脉冲实现。无须强迫换相装置，损耗小，装置效率高，易于实现PWM控制。晶闸管（晶闸管（SCRSCR）门极可关断晶闸管（门极可关断晶

5、闸管（GTOGTO）职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库（3 3）电力晶体管（）电力晶体管（GTRGTR）又称双极型晶体管，目前常用的GTR有单管、达林顿管和GTR模块3大系列。缺点是耐冲击能力较差，易受二次击穿而损坏。（4 4）绝缘栅双极型晶体管）绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT 是场效应管（MOSFET）和电力晶体管（GTR）的产物。当栅极加正向电压时，IGBT导通；当栅极加负电压时，IGBT关断。绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库 （5 5）智能功率模块）智能功率模块 IPMI

6、PM IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内部集成有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内部集成电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。智能功率模块智能功率模块 IP

7、MIPM职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库2.4 IGBT判断极性 首先将万用表拨在R1K挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极(G)。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极(C);黑表笔接的为发射极(E)。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库2.5 IGBT判断好坏 将万用表拨在R10K挡，用黑表笔接IGBT 的集电极(C)，红表笔接IGBT 的发射极(E)，此时万用表的指针在零位。用手

8、指同时触及一下栅极(G)和集电极(C)，这时IGBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某位置。然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E)，这时IGBT 被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT 是好的。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库2.6 2.6 逆变电路逆变电路 以IGBT为逆变器件的逆变电路。其主要特点如下：（1 1）载波频率高）载波频率高 大多数变频器的载波频率可在315kHz的范围内任意可调。（2 2）电流波形大为改善）电流波形大为改善 载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接 近正弦波，故电磁噪声减小

9、，而电动机的转矩增大。（3 3）控制功耗减小）控制功耗减小 IGBT的驱动电路取用电流极小，几乎不损耗功率。（4 4）瞬间停电可以不停机）瞬间停电可以不停机 这是因为IGBT的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减 较慢，IGBT不会立即进入放大状态。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库2.7 SPWM逆变器的工作原理（1）期望其输出电压是纯粹的正弦波形，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM

10、波形。同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲波等效。（2）实现方法：软件计算、调制职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库（3）工作原理参考信号：振荡器，其频率决定逆变器输出的基波频率。载波信号：分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“负”的饱和输出。调节参考信号频率和幅值可平滑调节逆变器输出的基波频率和幅值。控制方式 单极式:正弦波半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断。双极式:控制逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断,处于互补的工作方式。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库脉宽调制技术脉宽调制技术PWMPWM逆变器输出电压波

11、形逆变器输出电压波形职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库参考信号Ur改为正弦波信号 当改变参考信号Ur的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变 Ur的频率时，输出电压频率即随之改变。SPWMSPWM逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库2.8 2.8 变频器的基本类型变频器的基本类型按输出波形分按储能方式分按调压方式分电压型按相数分按环流情况分脉幅调制脉宽调制电流型按变频的原理分类变频器交-交变频器交-直-交变频器单相三相有环流无环流正弦波方波职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育

12、机电一体化专业教学资源库 交交-交变频器的主电路结构交变频器的主电路结构交交变频器是将恒压频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成 通常用于大功率（500kw或1000kw以上）、低速（600r/min以下）的场合，如扎钢机、球磨机、水泥回转窑等 职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库交交-直直-交变频器的结构交变频器的结构 是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经过逆变电路将直流变换成调压调频的交流电 基本构成框图职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库交-直-交变频器的内部结构简介V1V3V5V4V6V22d

13、cU2dcUM可调可调fUabc,dcU职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流Id可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直交电流型变频器（1）电压型 输出电压阶梯波、矩形波。（2）电流型 输出电流矩形波、阶梯波。中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压 Ud 恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交直交电压型变频器 职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库 间接变压变频装置的不同结构形式间接变压变频装置的不同结构形式不控整流逆变DCAC调频AC

14、50Hz斩波器DC调压(c)VVVF50Hz不控整流PWM逆变ACDC（VVVF）调压调频(d)AC可控整流逆变DCAC50Hz调压调频AC（VVVF）(b)职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库2.9 按变频器的控制方式分类（2 2）SFSF控制变频器（转差频率控制）控制变频器（转差频率控制）变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。在S很小的范围内，电动机的转矩近似地与转差角频率成正比。（1 1）U/fU/f控制变频器（压频比控制）控制变频器（压频比控制）对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性职业教育机电一体化

15、专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库 矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。（3 3）VCVC变频器（矢量控制）变频器（矢量控制）在一些需要低频大扭矩的场合必须使用矢量控制，如起重机，数控车床，电梯等设备。一般输出0.5HZ转矩可达到额定转矩的150%，职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库2.10 2.10 变频器的基本类型变频器的基本类型按变频器的用途分类通用变频器通用变频器专用变频器专用变频器基本上采用电路结构简单的U/f控制方式分为高性能变频器（采用VC控制方式）、高频变频器和高压变频器。职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库变频器的结构原理图主电路主电路职业教育机电一体化专业教学资源库职业教育机电一体化专业教学资源库控制电路控制电路