变频器技术及应用

1、变频器技术及应用变频器技术及应用第第1章章 变频器的主电路变频器的主电路11 三相交流异步电动机简介三相交流异步电动机简介v111三相交流异步电动机的构造和原理三相交流异步电动机的构造和原理1笼形转子异步电动机笼形转子异步电动机 图11笼形转子异步电动机的构造a）外形b）定子c）转子（短路绕组）11 三相交流异步电动机简介三相交流异步电动机简介2绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机 图12绕线转子异步电动机的构造a）外形与接线b）转子绕组11 三相交流异步电动机简介三相交流异步电动机简介3旋转原理旋转原理图13三相交流异步电动机的旋转原理a）三相交变电流b）三相绕组c）旋转原理11 三相交流异

2、步电动机简介三相交流异步电动机简介v4基本公式基本公式 n0同步转速，即旋转磁场的转速。 n0pf60f电流的频率；p磁极对数；nM转子转速。降低定子电压 转子串电阻 基频向下调速 基频向上调速 5.调速方法11 三相交流异步电动机简介三相交流异步电动机简介v112生产机械对无级调速的要求 图13生产机械对无级调速的要求举例随着各种加工技术的不断进步，许多生产机械对无级调速的要求也越来越迫切。以50年代龙门刨床刨台的拖动系统为例，其拖动系统采用-(发电机-电动机组)调速系统，如图所示。图中，直接拖动刨台的是直流电动机DM，DM由直流发电机G1提供电源，G1又由交流电动机AM来带动，AM在带动G

3、1的同时，还带动一台励磁发电机G2。G2发出的电，一方面为DM和G1提供励磁电流，同时也为控制电路提供电源。除此以外，为了改善DM的机械特性，还采用了一台结构复杂、价格昂贵的交磁放大机DMA。可见，为了实现无级调速，简直已经到了不惜工本的地步。这充分说明了:生产机械对电动机进行无级调速的要求是多么地迫切！11 三相交流异步电动机简介三相交流异步电动机简介v113变频可以无级调速 图14变频可以调速设2p4，则：fX050Hzn001500rmin nM01440 rmin12电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程 v121电动机从电网取用电功率时的作功过程电动机从电网取用电功

4、率时的作功过程 1能量的载体能量的载体电动机的定子电路电动机的定子电路 图15定子取用电功率的电路a）定子绕组b）三相电路示意图c）单相电路示意图d）绕组的电动势12电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程v2作功要点作功要点 作用的一方：电源电压U1 反作用的一方：定子绕组的反电动势E1 作功的标志：电路内有电流I112电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程3定子绕组的等效电路与电动势平衡方程定子绕组的等效电路与电动势平衡方程图16定子绕组的等效电路a）主磁通和漏磁通b）等效电路与电动势平衡12电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程122转

5、子从定子侧吸收能量的作功过程转子从定子侧吸收能量的作功过程图17异步电动机的磁路a）定子电流的合成磁场b）定子磁动势c）转子磁动势的去磁作用v2作功要点作功要点作用的一方：定子绕组的磁动势I1N1反作用的一方：转子绕组的磁动势I2N1作功的标志：磁路内有磁通112电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程12电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程v3转子的等效电路转子的等效电路图18转子的等效电路a）笼形转子b）转子电路c）等效转子d）等效静转子e）输出机械能f）一相等效电路12电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程v4磁动势的平衡磁动势的平衡

6、 图19磁动势的平衡a）磁动势的平衡b）电流平衡c）电流矢量图12电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程v123负载得到机械能时的作功过程负载得到机械能时的作功过程 1能量的载体能量的载体机械的旋转系统机械的旋转系统图110拖动系统的转矩平衡12电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程v2作功要点作功要点作用的一方：电动机的电磁转矩TMKTI2 1cos2反作用的一方 ：负载的阻转矩TL作功的标志：拖动系统以一定的转速nM（nL）运行12电动机在能量转换中的作功过程电动机在能量转换中的作功过程v124小结小结图111能量传递小结 v131交直交变频器的结构与原

7、理交直交变频器的结构与原理 1基本框图基本框图图112 交直交变频器框图v2单相逆变桥单相逆变桥图113 单相逆变桥原理a）单相逆变桥电路b）负载所得电压波形v3三相逆变桥三相逆变桥图114 三相逆变桥a）三相逆变电路b）输出电压波形v132逆变器件的条件与发展逆变器件的条件与发展 1逆变器件的条件逆变器件的条件 图115 逆变器件承受的电压和电流（1）能承受足够大的电压和电流。（2）允许长时间频繁地接通和关断。（3）接通和关断的控制必须十分方便。 v2逆变器件的发展逆变器件的发展（1）起步始于晶闸管 图116SCR逆变）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形小电流塑封式小电流塑封式小电流螺旋式小电

8、流螺旋式大电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式大电流平板式图形符号图形符号（2）普及归功GTR（） 图117GTR逆变）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形AKGGTR特点1.输出电压 可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列，如图(b)所示。2.载波频率 由于GTR的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约为1.21.5kHz左右。3.电流波形 因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大，如图1-17(c)所示。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动

9、机的电磁噪音较强。4.输出转矩 因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。（3）提高全靠IGBT（）图118 IGBT逆变）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形IGBT变频器的主要特点1.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，电流波形十分接近于正弦波，如图1-18(c)所示，故电磁噪声减小，而电动机的转矩则增大。2.功耗减小 由于IGBT的驱动电路取用电流小，几乎不消耗功率。3. 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管不会立即进入放大状态。故在瞬间停电或变频器因误动作而跳闸

10、后，允许自动重合闸，而可以不必跳闸，从而增强了对常见故障的自处理能力。 可以说，IGBT为变频调速的迅速普及和进一步提高奠定了基础。结论:期待百年的最根本的关键是:直到20世纪80年代，才出现了符合要求的开关器件。 14变频器的输出电压与频率变频器的输出电压与频率v141变频调速出现的新问题变频调速出现的新问题 1频率下降时的能量变化频率下降时的能量变化 变频调速出现了一个新问题:当频率下降时，电动机的输出功率将随转速的下降而下降，但输入功率和频率之间却并无直接关系。于是在输入和输出功率之间将出现能量的失衡，这种失衡必将反映在传递能量的磁路中。所以，要说清楚变频变压的问题，必须从电动机的能量传

11、递环节入手。 图119频率下降出现的新问题v2磁路饱和的结果磁路饱和的结果 图120励磁电流和饱和程度的关系a）简单磁路b）磁路在不饱和段c）磁路在深度饱和段TMKT1 I2cos2 (1) 磁通减小的后果电动机的电磁转矩将达不到额定值，从而使带负载能力下降。(2) 磁通增大的后果励磁电流的波形将发生严重的畸变，是一个峰值很高的尖峰波。即使磁通增加不多，励磁电流的峰值也会增加得很大。v3保持磁通不变的途径保持磁通不变的途径 （1）从能量角度看图121保持磁通不变的途径a）频率下降的结果b）变频也要变压14变频器的输出电压与频率变频器的输出电压与频率（2）从电动势的角度看 14变频器的输出电压与

12、频率变频器的输出电压与频率（3）频率和电压的调节比14变频器的输出电压与频率变频器的输出电压与频率14变频器的输出电压与频率变频器的输出电压与频率v142变频又变压的具体方法变频又变压的具体方法 1.PAM方式方式 脉冲幅值调节方式（Pulse Amplitude Modulation）由于PAM调制的结果是使逆变后的脉冲幅度下降，故称之为脉幅调制。 实施PAM的线路比较复杂，因为要同时控制整流和逆变两个部分。并且晶闸管整流后直流电压的平均值并不和移相角成线性关系，也使两个部分之间的协调比较困难。 14变频器的输出电压与频率变频器的输出电压与频率v142变频又变压的具体方法变频又变压的具体方法

13、 1（脉宽调制（脉宽调制 Pulse Width Modulation ）图122 脉宽调制a）电路框图b）频率较高c）频率较低将变频器输出波的每半个周期分割成许多个脉冲，通过调节脉冲宽度和脉冲周期之间的“占空比”来调节平均电压 。PWM的优点是不必控制直流侧，因而大大简化了电路。经PAM和PWM调制后，所得到的电动机电流的谐波分量将是很大的。 14变频器的输出电压与频率变频器的输出电压与频率v2正弦脉宽调制（）正弦脉宽调制（） Sinusoidal Pulse Width Modulation图123 正弦脉宽调制a）电压波形b）电流波形如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布的话，便是正弦

14、脉宽调制(SPWM)，如图所示。当正弦量较小时，脉冲的占空比也较小;反之，当正弦量为振幅值时，脉冲的占空比也较大。 SPWM的显著优点是:由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但通入电动机的电流却十分逼近于正弦波， 14变频器的输出电压与频率变频器的输出电压与频率3正弦脉宽调制的实现正弦脉宽调制的实现 （1）单极性调制 单极性调制的特点是，三角波是单极性的 图124 单极性脉宽调制1.正弦波的频率随给定频率而变;三角波的频率原则上也跟着一起变化，但变化规律在不同品牌的变频器中不尽相同。2. 正弦波的振幅按比值U1X/fX和给定频率fX同时变化;三角波的振幅则不变。图

15、中，当u1X的振幅值较大时，所得到的脉宽调制波如图所示;而当u1X的振幅值较小时，所得到的脉宽调制波如图所示。14变频器的输出电压与频率变频器的输出电压与频率（2）双极性调制图125 双极性脉宽调制要具体地实施，必须实时地求出各相的正弦波与三角波的交点。它们的周期根据用户的需要而随时调整;并且，正弦波的振幅值也随周期而变。只有在微机技术高度发达的条件下，才有可能在极短的时间内实时地计算出正弦波与三角波的所有交点。并使逆变管按各交点所规定的时刻有序地导通和截止。这是近一百年中解决的第二个问题。 整流滤波有特点！整流滤波有特点！151整流与滤波电路整流与滤波电路 1滤波电容要均压滤波电容要均压图1

16、27 整流及滤波电路 因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1和CF2的电容量常不能完全相等，这将导致它们承受的电压UC1和UC2不相等，承受电压较高的电容器组将容易损坏。为了使UC1和UC2相等，在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2，如图所示。均压原理如下: 假设CF1CF2，则UC1UC2。这时，CF2上的充电电流IR1必将大于CF1上的充电电流IR2，这样，CF2上的电压UC2有所上升，而CF1上的电压UC1则有所下降，从而缩小了UC1和UC2的差异，使之趋向于平衡。151整流与滤波电路整流与滤波电路v2充电过程要限流充电过程要限流 图128合上电源

17、时的充电过程a）直接充电b）加入限流电阻变频器在接入电源之前，滤波电容CF上的直流电压UD=0。因此，当变频器刚接入电源的瞬间，电源进线之间，犹如被短路了一般，使电源电压瞬间下降而形成干扰。与此同时，将有一个很大的冲击电流iC经整流桥流向滤波电容，如图 (a)所示，使整流桥可能因此而受到损害。为此，在整流桥和滤波电容器之间，接入一个限流电阻RL，把充电电流iC限制在一个较小的范围内，如图 (b)所示，以消除刚接通电源时的冲击。 限流电阻RL如果常时间接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小，同时，也增大了电路的损耗。所以，当UD增大到一定程度时，必须把RL短路掉。 151整流与滤波

18、电路整流与滤波电路3直流电源指示为安全直流电源指示为安全图130直流电路的电源指示如图所示，由于C的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于C上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分，所以，HL的作用主要在于保护人身安全。 逆变器件旁边为什么要逆变器件旁边为什么要反并联二极管？反并联二极管？152逆变电路逆变电路 1逆变电路的结构与输出电压逆变电路的结构与输出电压图131逆变电路及其输出电压152逆变电路逆变电路图132R、L电路的复习 2.R、

19、L电路的复习电路的复习 152逆变电路逆变电路v3逆变电路的电流路径逆变电路的电流路径 （1）电动机状态nMn0 图33 电动机状态a）空载示意图b）矢量图c）电路图d）电压、电流曲线152逆变电路逆变电路v（2）发电机状态（nMn0）图134发电机状态a）重载示意图b）矢量图c）电路图d）电压、电流曲线152逆变电路逆变电路v图中，每个逆变管旁边，都反并联一个二极管(VD)。其作用是:v1.为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路。在电动机状态下，电流比电压滞后1角，电流的瞬间流向如下:在0t1期间，电流与电压是反方向的，说明是反电动势克服外加电压而作功，这时的电流便是通过反向二极管从电

20、动机流向直流回路的;在t1t2期间，电流与电压是同方向的，说明是外加电压克服反电动势而作功，这时的电流便是通过IGBT管从直流回路流向电动机的。v2. 当由于某种原因，电动机转子的实际转速高于同步转速时，反并联二极管的作用是，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路。在发电机(再生)状态下，电流与电压之间的相位差角超过了/2，从而，通过反向二极管流向直流回路的电流大于通过IGBT管流向电动机的电流，从整体效果上看，电动机是在“发电”。v3. 为电路的寄生电感在逆变管交替导通过程中释放能量提供通路。152逆变电路逆变电路v4逆变桥输出的禁忌逆变桥输出的禁忌 （1）主电路的输入、输出不允许接错 图

21、135输入、输出不允许接错a）电源接至输出侧b）接错的后果逆变电路的输出端是绝对不允许和电源相接的，举例说明如图所示。假设在某一瞬间，电源电压为L1“”，L2“”，在同一瞬间，恰值V3导通，则电流从L1经VD7、V3至L2，形成短路，V3管将立即损坏。V3和V6是交替导通的，中间只间隔几个微秒(s)，所以，V6也随即损坏。又由于双极性调制时，V1、V3、V5工作时间的间隔也只有几个微秒，而L1与L2之间线电压的维持时间为10ms(50Hz时的半个周期)。所以，转瞬之间，6个逆变管将损坏殆尽。因此之故，变频器主电路的输入端和输出端之间是绝对不能接错的 152逆变电路逆变电路v（2）输出侧不能接电容器图136输出侧接电容器的后果如图所示，如果在逆变电路的输出端接入了电容器，则:当与直流电路“”端相接的逆变管(V1、V3、V5)导通时，逆变管将额外地增加了电容器的充电电流;而当与直流电路“”端相接的逆变管(V4、V6、V2)导通时，逆变管将额外地增加了电容器的放电电流。由于充电电流和放电电流的峰值往往是很大的，所以，将影响逆变管的使用寿命。如电容器的容量较大时，甚至