变频器的基本组成和原理课程课件

变频器基本组成和原理11.异步电动机调速方法——什么是变频调速2ASMACACASM400V50Hz400v50Hz14501/min0…V.mains0…f.mains…f.max400v50Hz14501/min同步转速转速f---频率p---极对数s----滑差(1-s)感应电机工作原理（公频电源/变频器）SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-1

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=60pf—01.异步电动机调速方法——什么是变频调速31.异步电动机调速方法41.异步电动机调速方法51.异步电动机调速方法61/8的逆变器额定电流<电机额定电流电机变频器结构框图SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-22.变频器的总体结构在中、小容量变频器中应用得最广泛的是“交－直－交”电压型变频器72.变频器的总体结构82.变频器的总体结构9状态切换

特殊状态晶闸管号(×=导通)电机电势合成电势逆变器工作原理SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-183.逆变器的工作原理10状态切换状态切换全导通状态态逆变器输输出电压SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-193.逆变器的工工作原理11例如基波5次谐波逆变器输出出电压/基基波与谐波波含量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-203.逆变器的工工作原理12调节逆变器器输出电压压rms值SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-213.逆变器的工工作原理13低脉冲频率率高脉冲频率率电机电流/脉冲频率率的影响SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-223.逆变器的工工作原理14波形跟踪踪示例/变频器器输出电电压，电电流SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-233.逆变器的的工作原原理15阻性负载载逆变器器电流感性负载载逆变器器电流晶闸管1“导通通”晶晶闸管管4“导导通”晶闸管1“导通通”晶晶闸管管1“导导通”晶闸管1“导通通”晶晶闸闸管4““导通””逆变器中中续流二二极管的的作用SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-243.逆变器的的工作原原理16边缘触发发调制修正的空空间矢量调制制空间矢量量调制边缘触发发调制最大调制制深度=96%当电源电电压为400V时，V.rms.1.max=401V空间矢量量调制当电源电电压为400V时，计算算示例：：※切换到修修正的空空间矢量量调制取取决于设设定的脉脉冲频率率(在功能能图中;f.p=2.5KHz)调制深度度调制方式式，调制制深度与与输出电电压SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-253.逆变器的的工作原原理17波形跟踪踪示例/空间矢矢量调制制,边缘缘触发调调制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-263.逆变器的的工作原原理18Rms值：Z.rms=75%Rms值：Z.rms=25%指针位置置：15度指针位置置：30度指针位置置：30度异步空间间矢量调调制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-273.逆变器的的工作原原理19恒定频宽宽可变频宽宽瞬时值控控制/脉脉宽调制制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-283.逆变器的的工作原原理204.变频器内内部的主主电路滤波及限限流电路路214.变频器内内部的主主电路22阻性负载载逆变器器电流感性负载载逆变器器电流晶闸管1“导通通”晶晶闸管管4“导导通”晶闸管1“导通通”晶晶闸管管1“导导通”晶闸管1“导通通”晶晶闸闸管4““导通””逆变器中中续流二二极管的的作用SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-244.变频器内内部的主主电路234.变频器内内部的主主电路能耗电路路由制动动电阻RB和制动单单元Bv构成244.变频器内内部的主主电路25CONV变频器INV逆变器R整流器P制动电阻阻（直流母母线）变频器配配置/用用制动单单元实现现四象限限运行SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-54.变频器内内部的主主电路266脉动整整流结构构框图/谐波分分量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-75.主电路前前端的改改进改进目标标：提高高电路的的功率因因数，减减少谐波波含量276脉动整流流桥12脉动整流流桥12脉动动整流桥桥结构框框图/谐谐波分量量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-85.主电路的的改进28AFE（（有功前端端）整流流器结构构框图/运行原原理SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-95.主电路的的改进改进目标标：提高高电路的的功率因因数，实实现能量量回馈29COSΦΦ控制原理理SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-105.主电路的改进进30直流母线电压压不可调V.DC=100%(100%=1.35V.phase-to-phase.mains)cosφ=触发角α的函数方波电流直流母线电压压可调（可控控）100%<V.DC<200%(100%=1.35V.phase-to-phase.mains)-0.8<cosφ<+0.8正弦电流在回馈方式与与电源断电的的情况下不会会出现逆变颠颠覆用整流/回馈馈单元实现四四象限运行SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-65.主电路的改进进目标：实现能能量回馈315.主电路的改进进近年来，有些些公司推出了了三电平低压压变频器，在在改善电流放放形、减少对对外界的干扰扰方面*都取得了了较好的效果果。32335.主电路的改进进346.变频器内部的的控制框图主控电路的任任务：对内控控制电能变换换，对外接受受控制信号并并输出状态356.变频器内部的的控制框图面板控制器：操作面板由由显示器和键键盘输入器构构成，不同品品牌变频器的的操作面扳各各不相同。1.数据显示屏(1)任功能预置时时显示功能码码和数据码(2)在运行过程中中用于显示各各种数据：电电流、电压、转转速等；(3)在发生故障时时，显示故障原因因的代码。2.键盘输入器(1)在进行功能预预置时输入各各功能的预置置数据(2)在进行面板操操作时，输人人各项操作指指令.366.变频器内部的的控制框图外接给定与输输入控制端376.变频器内部的的控制框图外接输出控制制端38隔离开关熔断器主接触器HF-滤波器（A1,B1)进线电抗器变频器运动控制矢量控制输出电抗器不允许电机(1)(1)<四个输出电抗抗器；铁心或或铁氧体取决于脉冲频频率(2)(2)dv/dt-滤波器，可以以和电抗器结结合使用正弦滤波波器，不带输输出电抗器(3)(3)输出接触器或或隔离开关电机推荐的电路配配置/输入-输出电路SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-117.变频频器器的的外外围围电电路路配配置置39T——配电电变变压压器器电源源变变压压器器总总容容量量要要比比总总负负载载大大，，当当使使用用多多个个变变频频器器或或少少量量地地使使用用交交流流电电抗抗器器和和直直流流电电抗抗器器时时，，因因变变频频器器整整流流及及电电容容性性负负载载的的影影响响，，会会造造成成电电网网波波型型的的严严重重畸畸变变和和变变压压器器过过热热。。因因此此，，变变压压器器容容量量更更要要增增大大。。40QF——断路路器器，，用用于于安安全全跳跳闸闸断断开开电电网网；断路路器器(QF)的后后面面可可以以接接一一台台或或多多台台变变频频器器及及其其它它负负载载，，当当变变频频器器或或其其它它负负载载因因过过电电流流故故障障时时，，可可自自动动切切断断电电源源供供电电，，防防止止事事故故扩扩大大。。当当电电网网掉掉电电时时防防止止再再来来电电自自动动接接通通的的不不安安全全，，以以及及在在维维修修时时安安全全切切断断电电源源，，断断路路器器可可以以使使用用普普通通空空气气开开关关或或高高灵灵敏敏切切断断的的断断路路器器，，视视需需要要而而定定，，选用用时时总总通通过过电电流流应应大大于于负负载载总总电电流流1.5倍以以上上。。41KM——接触触器器，，用用于于日日常常操操作作通通断断和和电电网网掉掉电电再再来来电电时时变变频频器器不不发发生生自自启启动动；接触触器器(KM)用于于所所控控变变频频器器日日常常操操作作通通断断，，和和电电网网掉掉电电再再来来电电时时防防止止变变频频器器自自动动启启动动，，选选用用时时额定定电电流流也也要要大大于于变变频频器器输输出出电电流流1.5倍以以上上。。42FIL1——进线线侧侧无无线线电电干干扰扰抑抑制制电电抗抗器器，，用用于于减减少少变变频频器器对对外外界界的的无无线线电电干干扰扰；；无线线电电干干扰扰抑抑制制电电抗抗器器(FIL1、FIL2)因为为变变频频器器输输出出的的是是PWM(脉宽宽调调制制)波，，包包含含了了大大量量的的高高次次谐谐波波，，谐谐波波高高频频分分量量处处于于射射频频范范围围，，变变频频器器通通过过电电源源线线和和输输出出线线向向外外发发射射无无线线电电干干扰扰。。又又由由于于变变频频器器接接在在电电网网上上，，电电网网上上各各种种干干扰扰和和瞬瞬变变浪浪涌涌也也可可干干扰扰到到变变频频器器的的控控制制回回路路敏敏感感部部分分发发生生误误动动作作，，因因此此设设置置了了无无线线电电干干扰扰抑抑制制电电抗抗器器。。它它是是使使用用三三根根进进线线(对单单相相是是两两根根进进线线)，同同方方向向在在铁铁心心或或铁铁氧氧磁磁芯芯上上绕绕制制的的电电感感，，因因三三相相三三根根线线的的正正弦弦交交流流电电瞬瞬时时值值之之和和为为零零(单相相正正弦弦交交流流电电两两进进线线电电流流瞬瞬时时值值也也为为零零)，因因此此对对正正常常供供电电，，该该电电抗抗器器不不起起作作用用，，而而对对于于共共模模电电压压(即在进进线上上出现现的、、瞬时时值不不能被被抵消消的干干扰电电压)该电抗抗器起起到阻阻挡作作用，，抑制制了共共模干干扰，，起到到良好好的抑抑制无无线电电干扰扰使用用。抑抑制的的频段段一般般在10MHz以下，，因此此电感感量不不必大大，通通常控控制在在2~33mH左右，，是在在一个个闭合合磁路路上穿穿过或或绕上上几匝匝导线线而制制成。。对小小容量量变频频器因因电流流较小小，它它是在在同一一磁芯芯上，，三相相线同同方向向绕几几匝。。对大大容量量变频频器，，因电电流大大、导导线不不好弯弯，则则用多多个磁磁芯，，让三三根导导线同同时穿穿过磁磁芯中中孔而而构成成电抗抗器。。431ACL——电源侧侧交流流电抗抗器，，用于于改善善输入入电流流波形形、提提高整整流器器和电电解滤滤波电电容寿寿命、、减少少不良良输入入电流流波形形对外外界电电网的的干扰扰、协协调同同一电电源网网上有有晶闸闸管等等变换换器造造成的的波形形影响响、减减少功功率切切换和和三相相不平平衡的的影响响，因因此也也叫电电源协协调电电抗器器，在在要求求高的的场合合该电电抗器器便进进一步步改为为较复复杂的的电力力质量量滤波波单元元；电压型型通用用变频频器电电网电电压交交流转转变为为直流流经整整流后后都经经电容容滤波波，电电容器器的使使用使使输入入电流流呈尖尖峰脉脉冲状状，当当电网网阻抗抗小时时，这这种尖尖峰脉脉冲电电流极极大，，造成成很大大的谐谐波干干扰，，并使使变频频器整整流桥桥和电电容器器容易易损坏坏。当当变压压器容容量大大于变变频器器容量量10倍以上上，电电网配配电变变压器器和输输电线线的内内阻不不能阻阻止尖尖峰脉脉冲电电流时时，当当同一一电源源上有有晶闸闸管设设备或或开关关方式式控制制功率率因数数补偿偿装置置时，，三相相电源源不平平衡度度大于于3%时，都都要对对输入入侧功功率因因数作作提高高和抑抑制干干扰，，都需需使用用电源源侧交交流电电抗器器。一一般而而言，，电压压源逆逆变器器、电电源侧侧交流流电抗抗器的的电感感量，，采用用3%阻抗即即可防防止突突变电电压造造成接接触器器跳闸闸，使使总谐谐波电电流畸畸变下下降到到原先先的44%左右。。实际际使用用中为为了节节省费费用，，常采采用2%阻抗的的电感感量，，但这这对环环保而而言是是不好好的。。比较较好的的场合合应使使用4%阻抗或或更大大的电电抗器器。一一般常常选2~4%的压降降阻抗抗，这这个百百分数数是对对相电电压而而言，，对于于使用用者，，需考考虑电电感值值和电电流值值两方方面，，电流流值一一定要要大于于等于于额定定值，，电感感值略略有大大小问问题不不大，，偏大大有利利于减减少谐谐波，，但电电压降降落会会超过过3%，使用用者还还要考考虑电电源内内部阻阻抗，，电源源变压压器功功率大大于10倍变频频器功功率，，而且且线路路很短短的场场合，，电源源内阻阻小，，不仅仅需要要使用用输入入侧交交流电电抗器器，而而且要要选择择较大大的电电感值值，例例如选选用4～5%阻抗的的电感感量。。44DCL—直流电电抗器器，用用于改改善电电容滤滤波(当前电电压型型变频频调速速器主主要滤滤波方方式是是电容容滤波波)造成的的输入入电流流波形形畸变变和改改善功功率因因数、、减少少和防防止因因冲击击电流流造成成整流流桥损损坏和和电容容过热热，当当电源源变压压器和和输电电线综综合内内阻小小时(变压器器容量量大于于电机机容量量10倍以时时)、电网网瞬变变频繁繁时都都需要要使通通用变变频器器用直直流电电抗器器。直流电电抗器器接在在滤波波电容容前，，它阻阻止进进入电电容的的整流流后冲冲击电电流的的幅值值，并并改善善功率率因数数、降降低母母线交交流脉脉动。。直流流电抗抗器在在变频频器功功率大大于22kW时建议议都要要采用用，当当变频频器功功率越越大，，越应应该使使用，，因为为没有有直流流电抗抗器时时，变变频器器的电电容滤滤波会会造成成电流流波形形严重重畸变变和进进而使使电网网电压压波形形严重重畸变变，而而且非非常有有害于于变频频器的的整流流桥和和滤波波电容容寿命命。直直流电电抗器器的电电感值值的选选择一一般为为同样样变频频器输输入侧侧交流流电抗抗器3%阻抗电电感量量的2~3倍，最最少要要1.7倍，452ACL——输出侧侧交流流电抗抗器，，变频频器输输出是是脉冲冲宽度度调制制的电电压波波(PWM波)它是前前后沿沿很陡陡的一一联串串脉冲冲方波波，存存在丰丰富的的谐波波，这这些谐谐波有有害于于电机机和负负载的的寿命命(典型的的是电电机绕绕阻匝匝间瞬瞬变电电压dv/dt过高，造造成匝间间击穿)，以及对对周围电电器干扰扰；当负负载端电电容分量量大时，，造成变变频器的的开关器器件流过过大的冲冲击电流流，会损损坏开关关器件。。使用输输出侧交交流电抗抗器可进进行平滑滑滤波，，减少瞬瞬变电压压dv/dt的影响，，并求得得以下的的改善：：1、降低了了电机的的噪音；；2、降低了了输出高高次谐波波造成的的漏电流流；3、减少了了干扰；；4、保护了了变频器器内部的的功率开开关器件件。5、延长了了电机的的绝缘寿寿命。46变频器的的输出是是经PWM调制的电电压波，，由于电电动机绕绕组的电电感性质质能使电电流连续续，因此此电流基基本上是是正弦形形的，脉脉冲宽度度调制(PWM)有着陡峭峭的电压压上升和和下降的的前后沿沿，即dv/dt很大，使使得输出出引线向向外界发发射含量量极大的的电磁干干扰，并并且在引引出线对对地、电电机绕组组匝间、、绕组对对地间都都产生很很大的脉脉冲电流流，为了了减轻变变频器输输出dv/dt对外界的的干扰，，降低输输出波形形畸变，，达到环环保标准准，减少少对电机机绕组的的电压冲冲击造成成绝缘损损坏，降降低电机机的温升升和噪音音，避免免在变频频器输出出功率管管上因dv/dt和流过过过大的脉脉冲冲击击电流使使功率管管损坏，，以及降降低负载载短路造造成对变变频器的的损伤，，有必要要在变频频器输端端增设交交流电抗抗器。值得指出出的是脉脉冲电压压通过长长的输电电线时，，由于长长线上波波的反射射叠加使使得在长长线(即变频器器输出导导线)超过临界界长度后后，电压压有可能能达到直直流母线线(变频器内直流流母线)电压的2倍。因此变频频器输出线长长度受到了限限制，为解除除这种限制，，必须接入输输出侧交流电电抗器。接入入后，送到电电机等负载上上的波形就接接近正弦电压压波形了。但实际使用中中，只要负载载是电感性的的，电抗器可可采用1%阻抗或更低一一些都是可行行的，这是因因为，PWM调制频率远高高于基波频率率，已经相当当于>(40-100)次谐波的范围围，因此，输输出侧交流电电抗器电感量量：输出侧交交流电抗器的的电感接法有有一定讲究，，绕制在磁芯芯上的导线头头尾的位置关关系到电感向向外发射干扰扰能量的大小小程度。在有有变压器插入入于变频器与与负载之间的的使用条件下下，变压器输输入绕组的漏漏抗和变压器器损耗大大削削弱了调制波波，起到了输输出侧电抗器器的作用，因因此有利于输输出到负载电电机的波形滤滤波平滑，此此时往往有了了输出侧变压压器就可以省省略输出侧交交流电抗器。。47FIL2—输出侧无线电电干扰抑制电电抗器，对输输出布线距离离>20m时尤其需安装装；48JR—热过载继电器器，用于防止止长时间过电电流造成电机机损坏。热过载继电器器用来防止电电机过热，但但这种保护并并不可靠。对对重要场合应应实际检测电电机温度，埋埋设温度检测测元件到电机机槽内或绕组组附近。当变变频器使用普普通电机时，，因PWM波导致电机铁铁耗、铜耗和和绝缘介质损损耗的增加，，温升会比通通常应用时加加大，因此热热过载继电器器的温度整定定值应按电机机绝缘等级选选择。49电动机如果低速时负负载转矩比额额定转矩大，，则要加大电电机功率和变变频器功率才才能应付低速速运行。如当当电机长期在在低速运行时时，因普通电电机的风扇在在电机轴上，，风扇已不能能有效散热，，电机会严重重发热。因此此，要加大电电机功率或让让电机使用外外部风扇冷却却。一般电机在使使用变频器时时，因变频器器PWM