电机变频器基本原理概述

1、 目 录一三相交流异步电机的基本理论二三相交流异步电机的变频调速三交直交变频器的基本原理四交直交变频器的基本应用一三相交流异步电机的基本理论1.三相异步电动机的构造1.三相异步电动机的构造 三相异步电动机主要是由轴承盖、端盖、接线盒、定子铁心、定子绕组、轴承、机座、风扇和罩壳等。2.右手螺旋定则磁场是由电流产生，磁场的情况可形象地用磁感线来描述。 右手螺旋定则的用法是：在图（a）中用右手大拇指表示电流的方向，其他四指的回转方向待变磁感线的方向；在（b）图中有右手四个手指的回转方向代表电流的方向，大拇指表示线圈内部磁感线的方向。c（a）直导线电流的磁场（b）线圈电流的磁场（a）三相绕组（b）三相

2、电流3.旋转磁场的产生在匝数相同，形状尺寸一样，轴线在空间互差120。的三相绕组上通以三相电流。 U1、 V1 、W1为绕组的首段， U2、 V2 、W2为绕组的末段，i1、 i2 、i3为相应电流。（a）t=00（b）t=9003.旋转磁场的产生三相电流通过三相绕组是所产生的合成旋转磁场是个空间旋转磁场当t=00时，i1=0， i20 ，i30，根据右手螺旋定则，产生合成磁场如虚线所示。当t=900时，i10， i20 ，i30，根据右手螺旋定则，产生合成磁场如虚线所示。（a）转子电流有功分量与旋转磁场的相互作用（b）转子电流无功分量与旋转磁场的相互作用（c）右手定则（d）左手定则4.电磁转

3、矩的产生5.三相交流电动机工作原理 由此可见，三相异步电机的工作原理可以简述如下：定子三相电压U1产生定子三相电流I1，三相电流通过定子三相绕组产生旋转磁场，由于转子与磁场存在着相对运动，在转子绕组中产生了感应电动势E2。由于转子绕组是闭合的，因而产生了感应电流I2， I2与旋转磁场相互作用产生了电磁转矩T，从而使转子拖动生产机械以转速n运转。这一工作过程可以表示成：U1 I1 E2 I2 T n名称名称符号符号名称名称 符号符号额定功率PN同步转速n0额定电压UN磁极对数p额定电流IN转差率s额定频率fN电磁转矩T额定转速nN槽距角额定功率因数N极距额定效率N节距y5.三相交流电动机基本公式

4、符号6.三相交流电动机基本公式（a）转差率）转差率转子转速n与同步转速n0之差，与同步转速n0的比值称作转差率（slip），用s表示，即s=（ n0 -n）/ n0。因此转子转速： n=（1-s） n0（b）三相异步电动机的功率）三相异步电动机的功率 其中 m1为定子绕组的相数；U1为定子电压；I1为定子电流；cos1为功率因数6.三相交流电动机基本公式（c）槽距角）槽距角 槽距角为电动机内部结构的参数，是转子、定子绕线组线槽距离 其中 p为磁极对数 z为电机的槽数 （d）极距）极距 极距为定子绕组形成旋转磁场的极数其中 p为磁极对数 z为电机的槽数 6.三相交流电动机基本公式（i）电动机的效

5、率）电动机的效率（j）电动机电磁转矩）电动机电磁转矩（k）电磁转矩的物理公式）电磁转矩的物理公式6.三相交流电动机基本公式令其中 CT由电机结构决定的常数 m为磁通最大值 I2cos2为转子每相电流的有功分量（l）电势能公式）电势能公式 U1=E1=4.44kw1N1f1m6.三相交流电动机基本公式定子铜损耗 空载损耗定子铁损耗总损耗电磁功率铜损耗转子铜损耗平衡方程电动机转轴上的机械功率二三相交流异步电机的变频调速异步电机的各种运行状态状态状态制动制动状态状态堵转状态堵转状态电动机状态电动机状态理想空理想空载状态载状态发电机发电机状态状态转子转速n0n00nn0 nn0 nn0 转差率s1s1

6、1s0s0s01.三相交流异步电动机工作状态转子转速n与同步转速n0之差，与同步转速n0的比值称作转差率（slip），用s表示，即s=（ n0 -n）/ n0。因此转子转速：n=（1-s） n02.三相交流异步电动机起动电机起动转子电路串联电阻起动直接起动减压起动直接起动起动转矩足够但电流过大减压起动起动方法简单，但定子串电阻起动耗能较多转子电路串联电阻起动起动耗能较多2.三相交流异步电动机起动减压起动（星形-三角形减压起动）星形连接三角形形连接（a）星形-三角形减压起动项目项目等式等式定子线电压比定子相电压比定子相电流比起动电流比电源电流比起动转矩比2.三相交流异步电动机起动减压起动（星形-

7、三角形减压起动）星形-三角形减压起动只适用于正常运行是为三角形联结的电动机。起动时，定子绕组先按星形联结，起动后再换成三角形联结。2.三相交流异步电动机起动电机调速变压调速变频调速变极调速变频调速调速范围大，精准度高变极调速调速范围窄，电机体积大变压调速能耗大，调速不平滑3.三相交流异步电动机调速变频调速（基频以下）基频以下，依据电机机械特性可知，在忽略定子漏阻抗的情况，在转矩达到最大值时，U1=E1=4.44kw1N1f1m，保证U1与f1成正比，则m保持不变，此时电机具有特性保证U1与f1成正比，电机拥有最大输出转矩3.三相交流异步电动机调速变频调速（基频以下） 由此可见，基频以下电机的基

8、本特性曲线是保证U1与f1成正比，其最大输出转矩不产生变化。所表现的为电机的基本特性，不是我们电机调速的必须方法。 即 当电机在基频以下，保证U1与f1成正比通过变频调速时，若输出转矩没有达到最大时，改变定子电压和频率来改变电机的转速；若输出转矩达到最大时，则无法再增加电机的最大输出转矩。3.三相交流异步电动机调速变频调速（基频以上）基频以上，依据电机机械特性可知， 当功率达到最大时，其转矩T与转速n成反比，功率P保持不变。 此时的电机机械曲线为功率最大值保持不变，转矩与转速（频率）成反比，其乘积保持不变。3.三相交流异步电动机调速变频调速（基频以上） 由此可见，基频以上电机的基本特性曲线是保

9、证U1 一定，T1与f1成反比，其最大输出功率不产生变化。所表现的为电机的基本特性，不是我们电机调速的必须方法。 即 当电机在基频以上，保证U1 一定，T1与f1成反比通过变频调速时，若输出功率没有达到最大时，改变定子电压和频率来改变电机的转速；若输出功率达到最大时，则无法再增加电机的最大输出功率，若还需超频调速，则依据电机特性曲线需减小负载。4.三相交流异步电动机制动电机制动回馈制动反接制动能耗制动反接制动反接制动，反接相序，产生起阻滞作用的反转矩以便制动电机能耗制动能耗制动，定子绕组上加直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用已达到制动的目的回馈制动，回馈制动，将制动反馈回的电流电压反馈

10、回电网三交直交变频器的基本原理1.变频器的基本概念变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。2.交直交变频器基本概念 交直交变频器是一种间接

11、变频，现将交流电变为直流电，在将直流电变为频率、电压、电流可调的交流电，其主要包括三个部分：整流电路、中间电路、逆变电路。3.整流电路不可控整流电路 不可控整流电路使用的元件为功率二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。3.整流电路不可控整流电路三相桥式整流电路共有六只整流二极管，其中VD1、VD3、VD5三只管子的阴极连接在一起，称为共阴极组；VD4、VD6、VD2三只管子的阳极连接在一起，称为共阳极组。共阴极组三只二极管VD1、VD3、VD5在t1、t3、t5换流导通；共阳极组三只二极管VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6换流导通。一

12、个周期内，每只二极管导通13周期，即导通角为120。通过计算可得到负载电阻RL上的平均电压为Uo = 2.34U23.整流电路可控整流电路 可控整流电路使用的元件为可控元件，通过改变控制电源的电流或是电压，可以控制可控元件的通断。晶闸管是半可控元件，控制电源控制晶闸管的导通，但晶闸管的关断则需要两端电流的降低。3.整流电路可控整流电路三相交流电源电压uR、uS、uT正半波的自然换相点为1、3、5，负半波的自然换相点为2、4、6。当0时，让触发电路先后向各自所控制的6只晶闸管的门极(对应自然换相点)送出触发脉冲，即在三相电源电压正半波的1、3、5点向共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5 输出触发

13、脉冲；在三相电源电压负半波的2、4、6点向阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6 输出触发脉冲，负载上所得到的整流输出电压ud波形如图所示的由三相电源线电压uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的正半波所组成的包络线 3.整流电路可控整流电路1) 1) 三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。2) 2) 整流输出电压整流输出电压u ud d波形是由电源线电压波形是由电源线电压u uRSRS、u uRTRT、u uST

14、ST、u uSRSR、u uTRTR和和u uRSRS的的轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序为：（轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序为：（VTVT6 6和和VTVT1 1）（VTVT1 1和和VTVT2 2）（VTVT2 2和和VTVT3 3）（VTVT3 3和和VTVT4 4）（VTVT4 4和和VTVT5 5）（VTVT5 5和和VTVT6 6）。）。3) 3) 六只晶闸管中每管导通六只晶闸管中每管导通120120，每间隔，每间隔6060有一只晶闸管换流。有一只晶闸管换流。4 4）触发方式：可采用单宽脉冲触发，也可采用双窄脉冲触发。）触发方式：可采用单宽脉冲触发，也可采用双窄脉冲触发。 3

15、.整流电路不同控制角时输出电压波形 6060时的电压波形时的电压波形三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算三相桥式可控整流电路所带负载为电感性时，输出电压平均值可用下三相桥式可控整流电路所带负载为电感性时，输出电压平均值可用下式计算式计算 U Ud d=2.34=2.34U U2 2coscos 3.中间电路变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。滤波电路利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，则逆变后的交流电压、电流也产生纹波。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的

16、波动。这种电路称为滤波电路。制动电路利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。3.中间电路电容滤波 通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电解电容。 二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图中给出几种抑制浪涌电流的方式。 a)接入交流电抗 b)接入直流电抗 c)串联充电电阻 抑制浪涌电流的方式3.中间电路电容滤波 采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频

17、器的电路框图如图（a）所示。电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图（b）所示。（a）电压型变频器的电路框图 （b）电压型变频器的电压和电流波形3.中间电路电感滤波 采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图（a）所示为电流型变频器的电路框图。图（b）所示为电流型变频器输出电压及电流波形。（a）电流型变频器的电路框图（b）电流型变频器输出电压及电流波形3.中间电路制动电路利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电

18、能的方式称为动力制动或再生制动。图为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，图中的制动单元包括晶体管VB、二极管VDB和制动电阻RB。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于H、G两点上的外接制动电阻REB。（a）制动电路的原理图3.逆变电路工作原理逆变电路也简称为逆变器，图（a）所示为单相桥式逆变器，四个桥臂由开关构成，输入直流电压E，逆变器负载是电阻R。当将开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，电阻上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合，电阻上得到右正左负的电压。我们以频率f交替切换S1、S4和S2、S3，在电阻上就可以得到图3-13b所示的

19、电压波形。 a) 单相桥式逆变电路 b) 工作电压波形3.逆变电路.半桥逆变电路 图（a） 为半桥逆变电路原理图，直流电压Ud加在两个串联的足够大的电容两端，并使得两个电容的连接点为直流电源的中点，即每个电容上的电压为Ud/2。由两个导电臂交替工作使负载得到交变电压和电流，每个导电臂由一个功率晶体管与一个反并联二极管所组成。 （a) 半桥逆变 （b) 工作波形3.逆变电路全桥逆变电路 电路原理如图（a）所示。直流电压Ud接有大电容C，电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前V1、V4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。t2时刻给V1、V4关断

20、信号，给V2、V3导通信号，则V1、V4关断，但感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当t3时刻io降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，io开始反向。同样在t4时刻给V2、V3关断信号，给V1、V4导通信号后，V2、V3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，io反向，如此反复循环，两对交替各导通180。其输出电压uO和负载电流iO见图3-15b 所示。 （a） 全桥逆变电路 （ b） 工作波形4. SPWM控制技术 PAM (Pulse Amplitude Mo

21、dulation)脉幅调制型，是一种改变电压源的电压Ud或电流源Id的幅值，进行输出控制的方式。 PWM (Pulse Width Modulation) 脉宽调制型，是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。 SPWM（Sinusoidal PWM）正弦波脉宽调制型 ，SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。 4. SPWM控制技术基本原理采样控制理论有这样一个结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的

22、输出响应波形基本相同。例如图所示的三种窄脉冲形状不同，但面积相同（假如都等于1）。当它们分别加在同一个惯性环节上时，其输出响应基本相同。且脉冲越窄，其输出差异越小。 （a） 冲量相等形状不同的三种窄脉冲4. SPWM控制技术基本原理 根据上述理论，正弦波可用一系列等幅不等宽的脉冲来代替。如图所示。（a）冲量相等形状不同的三种窄脉冲4. SPWM控制技术PWM逆变电路的控制方式 1. 单极性方式 单极性控制方式波形见图，载波uc在调制信号波ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。 （a）单极性控制方式波形4. SPWM控制技术PWM逆变电路的控制方式 2.双极性控制方式 双极性控

23、制方式波形见图，在ur的半个周期内，三角波载波是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。 （a）双极性控制方式波形4. SPWM控制技术SPWM逆变器的调制方式 在SPWM逆变器中，三角波电压频率ft与调制波电压频率(即逆变器的输出频率) fr之比Nftfr称为载波比，也称为调制比。根据载波比的变化与否，PWM调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。4. SPWM控制技术SPWM逆变器的调制方式 (1). 同步调制方式 载波比N等于常数时称同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数是一定的。其优点是在逆

24、变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120相位移的对称关系。缺点是当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。4. SPWM控制技术SPWM逆变器的调制方式 (2) 异步调制方式 在逆变器的整个变频范围内，载渡比N不是一个常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步调

25、制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。4. SPWM控制技术SPWM逆变器的调制方式 (3)分段同步调制方式 实际应用中，多采用分段同步调制方式，它集同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些。采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。4. SPWM控制技术SPWM波形成的方法