变频器的组成原理教案

1、湖南省技工学校理论教学教案注：教案首页，教案用纸由学校另行准备湖南省劳动厅编制注：教案首页，教案用纸由学校另行准备湖南省劳动厅编制教师姓名:学 科PLC执 行 记 录日期星期检查 签字班级节次课题变频器的组成原理课型新授教学目的.掌握逆变电路的变压变频原理.掌握变频器各组成部分及其功能教学重点变频器各组成部分及其功能教学难点逆变电路的变压变频原理主要 教学 方法讲授教具挂图无教学 环节 时间 分配1、组织教学时间23、讲授新课时间702、复习导入时间84、归纳小结时间55、作业布置时间5教学后记2014-2015 学年上学期2014-2015 学年上学期第课时复习引入变频器的分类讲授新课变频器

2、的组成原理1、交一直一交变频器的电路 主电路如图所示。现对图中各部分的作用做如下说明。1）整流部分（交一直）整流器是变频器中用来将交流变成直流的部分，它可以由整流单元、滤波电 路，开启电路、吸收回路组成。（1）整流单元（VD1VD6）图中的整流单元是由VDVD6组成的三相整流桥，它们将工频380V的交 流电整流成直流，平均直流电压可用下式表示：U = 1.35U = 1.35 x 380 = 530V（2）滤波电容（CF）图中的滤波电容CF其作用是对整流电压进行滤波。值得指出的是CF是一个 大容量的电容器，它是电压型变频器的主要标志，对电流型变频器来说滤波的元 件是电感。（3）开启电流吸收回路

3、（RL、SL）在电压型变频器的二极管整流电路中，由于在电源接通时，CF中将有一个 很大的充电电流，该电流有可能烧坏二极管，容量较大时还可能形成对电网的干 扰。影响同一电源系统的其他装置正常工作，所以在电路中加装了由RL、SL组 成的限流回路，刚开机时RL串入电路，限制CF的充电电流，充电到一定的程度 后SL闭合将其切除。对于使用最广泛的交一直一交变频器来说，从结构上可将其分成整流、逆变 和制动三部分。益阳高级技工学校2014-2015 学年上学期第课时益阳高级技工学校UD 益阳高级技工学校UD 2）三相逆变电路2）逆变部分逆变部分的基本作用是将直流变成交流，是变频器的核心部分。（1）逆变桥由V

4、1V6组成了三相逆变桥，V导通时相当于开关接通，V截止时相当于 开关断开。现在常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管（IGBT），大功率晶体管 （GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效层晶体管（MOSFET）等。（2）续流二极管（VD7VD12）续流二极管vd7vd12的功能有下面几点：a、由于电动机是一种感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要VD7vd12提供通路。b、降速时电动机处于再生制动状态，vd7VD12为再生电流提供返回直流 的通路。c、逆变时V1V6快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替地工作在导 通和截止状态，在切换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。（3）缓

5、冲由路（褒rVD VDC C ）（3）灰七珀（Rm Rn二、VDm VDn二、Cm Cn）010601060106逆变管V1V6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发 射极（即C、E）之间的电压UCE极快地由0V升至直流电压值UD，这过高的 电压增长率会导致逆变管损坏，c01c06的作用就是减小电压增长率。V1v6 每次由截止状态切换到导通状态瞬间，c01c06上所充的电压（等于ud）将向 V1V6放电。该放电电流的初始值是很大的，R01R06的作用就是减小C01C 的放电电流。而VD01VD06接入后，在V1V6的关断过程中，使R01R06不 起作用。而在V1V6的接通过程中，又

6、迫使C01C06的放电电流流经R01R06。3）制动部分（1）制动电阻变频调速在降速时处于再生制动状态，电动机回馈的能量到达直流电路，会 使UD上升，这是很危险的。需要将这部分能量消耗掉，电路中制动电阻RB，就 是用于消耗该部分能量的。（2）制动单元VrB制动单元由大功率晶体管VB （IGBT）及采样、比较和驱动电路构成，其功 能是为放电电流IB流过RB提供通路。2、逆变原理1）单相逆变电路单相逆变电路的原理图中：当S1、S4同时闭合时，Ub电压为 正；S2、S3同时闭合时，Ub电压为负。由于开关S1S4的轮番通断，从而将直流电压UD逆变成了交流电压u b 可以看到在交流电变化的一个周期中，一

7、个臂中的两个开关如：S1、S2 交替导通，每个开关导通1800电角度。因此交流电的周期（频 率）可以通过改变开关通断的速度来调 节，交流电压的幅值为直流电压幅值2014-2015 学年上学期第课时三相逆变电路的原理图见图图中，S1S6组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可 以在输出端得到一个相位互相差2n /3的三相交流电压。当S1、S1闭合时， U-V正；S3、52闭合时，U-V为负。用同样的方法可得：S3、S6同时闭合和S5、S4同时uS| S2 I S| ON I .ON |Si ONS3 S4 S4 ON | S3 ON | S4 ONS5 S6 S5 ON I S6 S|

8、 S2 I S| ON I .ON |Si ONS3 S4 S4 ON | S3 ON | S4 ONS5 S6 S5 ON I S6 ON I S5 ON |W - U为了使三相交流电 -V、v-W、U-UUU在相位上依次 相差b)2n /3；各开关的接通、关断需符合 一定的规律，其规律在图中已标明。b)根据该规律可得u U V V、 v-W、U-U-U波形如图所 示。观察6个开关的位置及波形 图可以发现以下两点：（1）同一桥臂上的开关始终处于 交替打开、关断的状态。（2）各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差2n /3电角度。如S3比S1 滞后2n /3, S5比S3滞后2n /3。上述

9、分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要 调节开关的通断谏度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过U_的大小D= 来调节。2、变频器中的半导体开关器件1）门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管是在普通晶闸管SCR的基础上发展而来的。从结构上来 说它有三个极：阳极（A）、阴极（K）、门极（G）。其工作特点是：它是通过门 极信号进行接通和关断的晶闸管，其工作特点如下：（1）导通条件在门极和阴极之间加一正向电压，即；G （十 ）、K （一），GTO导通。（2）关断条件在门极和阴极之间加一反向电压，G （一）、K （ + ）, GTO关断。益阳高级技工学校2014-2015

10、 学年上学期第课时GTO可以方便地通断，是一种无触点开关，它是逆变电路中的主 要开关元件，但是GTO的关断需极大的反向脉冲，控制容易失败，工 作频率也不够高，所以GTO晶闸管在中小容量变频器中已经被新型 的大功率晶体管GTR所取代，但是在大容量变频器中，GTO以其工 作电流大，耐压高的特性，仍得到普遍应用。2）大功率晶体管（1）结构大功率晶体管，又叫双极型晶体管（BJT），GTR在结构上常采用 达林顿结构的形式，由多个晶体管复合组成大功率的晶体管，同时还 可将反相续流二极管与GTR组成一个模块。GTR也像普通的晶体管一样，有三个极，分 别是基极（B）、发射极（E）、集电极（C）。（2）GTR的

11、工作特征像普通的晶体管一样，GTR也有三种工作状 态，即放大、饱和、截止，在电力电子的应用领 域中，GTR主要工作在开关状态，即饱和和截止 状态。由于GTR作在大功率电路中，因此管子的功 耗是一个不容忽视的问题，GTR在截止和饱和状 态时其功耗是很小的，但是在放大状态其功耗将增大百倍，因此，逆 变电路中的GTR在交替切换的过程中是不允许在放大区稍做停留的。GTR具有自关断能力及开关时间短、 饱和压降低、安全工作区宽等特点，广泛用于交流调速、变频电源中。 在中小容量的变频器中，曾一度占据了主导地位。GTR所需的驱动功 率较大，故基极驱动系统较复杂，从而使得工作频率难以提高，这是GTR存在的不足之

12、处。3）功率场效应晶体管（MOSFET）MOSFET与场效应晶体管一样也是有三个极，分别是源极S、漏极D和栅 极G，管子的连接及工作特性也基本与场效应晶体管一样。MOSFET是一个电 压控制型器件，所需的驱动功率很小，使用方便，开关频率比较高。其缺点是击 穿电压及工作电流都不是特别大，所以应用不是特别广泛。4）绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是一种结合了大功率晶体管GTR和功 率场效应晶体管MOSFET两者特点的复合型器 件，它有三个极：集电极（C）、发射极（E）、栅 极（G），如图所示。控制信号为U ge。，输入 阻抗很高，IG=0,它既有MOS器件的工作速度 快，驱动功率小的特点，又具备了大功率晶体管 的电流大，导通压降低的优点。由于IGBT性能优良，已全面取代了功率晶益阳高级技工学校体管而成为中小容量电力变流装置中的主力器件，并广泛用于交流变频调速、开 关电源及其他设备中。同时I