变频器技术及应用课件

变频器技术及应用第1章变频器的主电路1ppt课件变频器技术及应用第1章变频器的主电路1ppt课件为什么要开发变频器？

2ppt课件为什么要开发变频器？2ppt课件1．1三相交流异步电动机简介1．1．1三相交流异步电动机的构造和原理1．笼形转子异步电动机

图1－1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）3ppt课件1．1三相交流异步电动机简介1．1．1三相交流异步电动机1．1三相交流异步电动机简介2．绕线转子异步电动机

图1－2绕线转子异步电动机的构造a）外形与接线b）转子绕组4ppt课件1．1三相交流异步电动机简介2．绕线转子异步电动机图1－1．1三相交流异步电动机简介3．旋转原理图1－3三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5ppt课件1．1三相交流异步电动机简介3．旋转原理图1－3三相交流1．1三相交流异步电动机简介4．基本公式

n0—同步转速，即旋转磁场的转速。n0＝f—电流的频率；p—磁极对数；nM—转子转速。6ppt课件1．1三相交流异步电动机简介4．基本公式n0—同步转速，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7ppt课件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1．1三相交流异步电动机简介1．1．2生产机械对无级调速的要求图1－3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Ｇ-Ｍ(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G1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！

8ppt课件1．1三相交流异步电动机简介1．1．2生产机械对无级调速1．1三相交流异步电动机简介1．1．3变频可以无级调速图1－4变频可以调速设2p＝4，则：fX＝0～50Hz→n0＝0～1500r∕min →nM＝0～1440r∕min9ppt课件1．1三相交流异步电动机简介1．1．3变频可以无级调速从电能到磁场能到机械能的作功过程有什么特点？10ppt课件从电能到磁场能到机械能的作功过程有什么特点？10ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程

1．2．1电动机从电网取用电功率时的作功过程

1．能量的载体—电动机的定子电路

图1－5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11ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．1电动机从电1．2电动机在能量转换中的作功过程2．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I112ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程2．作功要点12ppt课1．2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图1－6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13ppt课件1．2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1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．2转子从定子侧吸收能量的作功过程图1－7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14ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．2转子从定子侧2．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I2’N1作功的标志：磁路内有磁通Φ11．2电动机在能量转换中的作功过程15ppt课件2．作功要点1．2电动机在能量转换中的作功过程15ppt课1．2电动机在能量转换中的作功过程3．转子的等效电路图1－8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16ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程3．转子的等效电路图1－1．2电动机在能量转换中的作功过程4．磁动势的平衡

图1－9磁动势的平衡a）磁动势的平衡b）电流平衡c）电流矢量图17ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程4．磁动势的平衡 图11．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．3 负载得到机械能时的作功过程

1．能量的载体—机械的旋转系统图1－10拖动系统的转矩平衡18ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．3 负载得到机械1．2电动机在能量转换中的作功过程2．作功要点

作用的一方：电动机的电磁转矩

TM＝KTI2’Φ1cosφ2

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19ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程2．作功要点 19pp1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．4小结图1－11能量传递小结20ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．4小结图1－1异步电动机发明于19世纪八十年代，变频器成功于20世纪八十年代。为什么期盼了近百年？21ppt课件异步电动机发明于19世纪八十年代，21ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变

1．3．1交－直－交变频器的结构与原理

1．基本框图图1－12交－直－交变频器框图22ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变1．3．1交－直－交1．3交－直－交变频器的构成及演变2．单相逆变桥图1－13单相逆变桥原理a）单相逆变桥电路b）负载所得电压波形23ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变2．单相逆变桥图1－131．3交－直－交变频器的构成及演变3．三相逆变桥图1－14三相逆变桥a）三相逆变电路b）输出电压波形24ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变3．三相逆变桥图1－141．3交－直－交变频器的构成及演变1．3．2逆变器件的条件与发展

1．逆变器件的条件

图1－15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。25ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变1．3．2逆变器件的条1．3交－直－交变频器的构成及演变2．逆变器件的发展（1）起步始于晶闸管图1－16

SCR逆变ａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形26ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变2．逆变器件的发展（1）晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式图形符号27ppt课件晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式1．3交－直－交变频器的构成及演变导通条件：除阳极加正向电压，必须同时在门极与阴极之间加一定的门极电压，有足够的门极电流。关断条件：阳极电流小于维持电流IH晶闸管的几个特性

晶闸管具有可控性。晶闸管具有单向导电性。晶闸管一旦导通，门极将失去控制作用。导通后流过晶闸管的电流由主电路电源和负载来决定。28ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变导通条件：晶闸管的几个特1．3交－直－交变频器的构成及演变（2）普及归功GTR（电力晶体管）图1－17

GTR逆变ａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形AKG29ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变（2）普及归功GTR（电1．3交－直－交变频器的构成及演变GTR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1.2～1.5kHz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。

30ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变GTR特点1.输出电压

1．3交－直－交变频器的构成及演变（3）提高全靠IGBT（绝缘栅双极型晶体管）图1－18

IGBT逆变ａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形31ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变（3）提高全靠IGBT（1．3交－直－交变频器的构成及演变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。32ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变IGBT变频器的主要特点变频调速出现了什么新问题？33ppt课件变频调速出现了33ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．1变频调速出现的新问题

1．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递环节入手。图1－19频率下降出现的新问题34ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．1变频调速出现的新问1．4变频器的输出电压与频率2．磁路饱和的结果

图1－20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TM＝KTΦ1I2’cosφ2

(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。

35ppt课件1．4变频器的输出电压与频率2．磁路饱和的结果图1－201．4变频器的输出电压与频率3．保持磁通不变的途径

（1）从能量角度看图1－21保持磁通不变的途径a）频率下降的结果b）变频也要变压36ppt课件1．4变频器的输出电压与频率3．保持磁通不变的途径（1）1．4变频器的输出电压与频率（2）从电动势的角度看37ppt课件1．4变频器的输出电压与频率（2）从电动势的角度看37p1．4变频器的输出电压与频率（3）频率和电压的调节比38ppt课件1．4变频器的输出电压与频率（3）频率和电压的调节比38p1．4变频器的输出电压与频率39ppt课件1．4变频器的输出电压与频率39ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．2变频又变压的具体方法

1.PAM方式脉冲幅值调节方式（PulseAmplitudeModulation）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。40ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．2变频又变压的具体方1．4变频器的输出电压与频率1．4．2变频又变压的具体方法

1．ＰＷＭ（脉宽调制PulseWidthModulation

）图1－22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。41ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．2变频又变压的具体方1．4变频器的输出电压与频率2．正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）SinusoidalPulseWidthModulation图1－23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，42ppt课件1．4变频器的输出电压与频率2．正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）1．4变频器的输出电压与频率3．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1－24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。图中，当u1X的振幅值较大时，所得到的脉宽调制波如图①所示;而当u1X的振幅值较小时，所得到的脉宽调制波如图②所示。

43ppt课件1．4变频器的输出电压与频率3．正弦脉宽调制的实现（1）1．4变频器的输出电压与频率（2）双极性调制图1－25双极性脉宽调制要具体地实施ＳＰＷＭ，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。44ppt课件1．4变频器的输出电压与频率（2）双极性调制图1－25双整流滤波有特点！45ppt课件整流滤波有特点！45ppt课件1．5．1整流与滤波电路

1．滤波电容要均压图1－27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CF1＜CF2，则UC1＞UC2。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。

46ppt课件1．5．1整流与滤波电路1．滤波电容要均压图1－27整1．5．1整流与滤波电路2．充电过程要限流

图1－28合上电源时的充电过程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。47ppt课件1．5．1整流与滤波电路2．充电过程要限流图1－28合1．5．1整流与滤波电路3．直流电源指示为安全图1－30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。48ppt课件1．5．1整流与滤波电路3．直流电源指示为安全图1－30逆变器件旁边为什么要反并联二极管？49ppt课件逆变器件旁边为什么要49ppt课件1．5．2逆变电路

1．逆变电路的结构与输出电压图1－31逆变电路及其输出电压50ppt课件1．5．2逆变电路1．逆变电路的结构与输出电压图1－311．5．2逆变电路图1－32

R、L电路的复习2.R、L电路的复习

51ppt课件1．5．2逆变电路图1－32R、L电路的复习2.R、L1．5．2逆变电路3．逆变电路的电流路径

（1）电动机状态《nM＜n0》图１－33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52ppt课件1．5．2逆变电路3．逆变电路的电流路径（1）电动机状态1．5．2逆变电路（2）发电机状态（nM＞n0）图1－34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53ppt课件1．5．2逆变电路（2）发电机状态（nM＞n0）图1－341．5．2逆变电路图中，每个逆变管旁边，都反并联一个二极管(VD)。其作用是:

1.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φ1角，电流的瞬间流向如下:

在0～t1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动机流向直流回路的;

在t1～t2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。

2.

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π/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”。

3.

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。

54ppt课件1．5．2逆变电路图中，每个逆变管旁边，都反并联一个二极管1．5．2逆变电路4．逆变桥输出的禁忌

（1）主电路的输入、输出不允许接错图1－35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(μs)，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55ppt课件1．5．2逆变电路4．逆变桥输出的禁忌（1）主电路的输入1．5．2逆变电路（2）输出侧不能接电容器图1－36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，甚至可使逆变管立即损坏。

所以，变频器的输出端是禁止接电容器的。56ppt课件1．5．2逆变电路（2）输出侧不能接电容器图1－36输出变频器的输入电流为什么小于输出电流？57ppt课件变频器的输入电流57ppt课件1．5．3主电路各部分的电流1．概述

图1－37变压器与变频器的输入、输出电流a）变压器的输入、输出电流b）变频器的输入、输出电流58ppt课件1．5．3主电路各部分的电流1．概述图1－37变压器与1．5．3主电路各部分的电流2．变频器的输出电流

图1－38电动机的电流a）变压器的输出电流b）变频器的输出电流由图知，变频器输出电流的大小取决于负载的轻重。59ppt课件1．5．3主电路各部分的电流2．变频器的输出电流图1－31．5．3主电路各部分的电流3．频率下降时各部分的功率与电流图1－39各部分电流的变化规律各部分的功率

当变频器的输出频率下降时，各部分的功率将同时下降，但导致功率下降的原因却各不相同:

电动机的输出功率和负载功率，是由于转速的下降而减小(转矩不变);

变频器的输出功率，是由于输出线电压的下降而减小(电流不变);

直流电功率，是由于电流减小而减小(直流电压不变);

变频器的输入功率，也是由于电流减小而减小(电源线电压不变)。60ppt课件1．5．3主电路各部分的电流3．频率下降时各部分的功率与电1．5．3主电路各部分的电流各部分的电流

当变频器的输出频率下降时，各部分的电流变化规律如下:

变频器的输出电流，其大小取决于负载转矩，与频率大小无直接关系;

直流电流，由于直流电压不变，电流大小随功率的减小而减小;

输入电流，由于电源电压不变，电流大小随功率的减小而减小。61ppt课件1．5．3主电路各部分的电流各部分的电流

当变频器的输1.5.4提高变频器的功率因数（1）交流电抗器除了可以将功率因数提高至（０.７５～０.８５）外，还具有削弱浪涌电流和电源电压不平衡的影响。（2）配接直流电抗器，功率因数可提高至０.９以上。配接交、直流电抗器

62ppt课件1.5.4提高变频器的功率因数（1）交流电抗器除了可以将功63ppt课件63ppt课件64ppt课件64ppt课件65ppt课件65ppt课件66ppt课件66ppt课件67ppt课件67ppt课件68ppt课件68ppt课件69ppt课件69ppt课件变频器技术及应用第1章变频器的主电路70ppt课件变频器技术及应用第1章变频器的主电路1ppt课件为什么要开发变频器？

71ppt课件为什么要开发变频器？2ppt课件1．1三相交流异步电动机简介1．1．1三相交流异步电动机的构造和原理1．笼形转子异步电动机

图1－1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）72ppt课件1．1三相交流异步电动机简介1．1．1三相交流异步电动机1．1三相交流异步电动机简介2．绕线转子异步电动机

图1－2绕线转子异步电动机的构造a）外形与接线b）转子绕组73ppt课件1．1三相交流异步电动机简介2．绕线转子异步电动机图1－1．1三相交流异步电动机简介3．旋转原理图1－3三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74ppt课件1．1三相交流异步电动机简介3．旋转原理图1－3三相交流1．1三相交流异步电动机简介4．基本公式

n0—同步转速，即旋转磁场的转速。n0＝f—电流的频率；p—磁极对数；nM—转子转速。75ppt课件1．1三相交流异步电动机简介4．基本公式n0—同步转速，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76ppt课件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1．1三相交流异步电动机简介1．1．2生产机械对无级调速的要求图1－3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Ｇ-Ｍ(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G1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！

77ppt课件1．1三相交流异步电动机简介1．1．2生产机械对无级调速1．1三相交流异步电动机简介1．1．3变频可以无级调速图1－4变频可以调速设2p＝4，则：fX＝0～50Hz→n0＝0～1500r∕min →nM＝0～1440r∕min78ppt课件1．1三相交流异步电动机简介1．1．3变频可以无级调速从电能到磁场能到机械能的作功过程有什么特点？79ppt课件从电能到磁场能到机械能的作功过程有什么特点？10ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程

1．2．1电动机从电网取用电功率时的作功过程

1．能量的载体—电动机的定子电路

图1－5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80ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．1电动机从电1．2电动机在能量转换中的作功过程2．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I181ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程2．作功要点12ppt课1．2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图1－6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82ppt课件1．2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1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．2转子从定子侧吸收能量的作功过程图1－7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83ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．2转子从定子侧2．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I2’N1作功的标志：磁路内有磁通Φ11．2电动机在能量转换中的作功过程84ppt课件2．作功要点1．2电动机在能量转换中的作功过程15ppt课1．2电动机在能量转换中的作功过程3．转子的等效电路图1－8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85ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程3．转子的等效电路图1－1．2电动机在能量转换中的作功过程4．磁动势的平衡

图1－9磁动势的平衡a）磁动势的平衡b）电流平衡c）电流矢量图86ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程4．磁动势的平衡 图11．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．3 负载得到机械能时的作功过程

1．能量的载体—机械的旋转系统图1－10拖动系统的转矩平衡87ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．3 负载得到机械1．2电动机在能量转换中的作功过程2．作功要点

作用的一方：电动机的电磁转矩

TM＝KTI2’Φ1cosφ2

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88ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程2．作功要点 19pp1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．4小结图1－11能量传递小结89ppt课件1．2电动机在能量转换中的作功过程1．2．4小结图1－1异步电动机发明于19世纪八十年代，变频器成功于20世纪八十年代。为什么期盼了近百年？90ppt课件异步电动机发明于19世纪八十年代，21ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变

1．3．1交－直－交变频器的结构与原理

1．基本框图图1－12交－直－交变频器框图91ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变1．3．1交－直－交1．3交－直－交变频器的构成及演变2．单相逆变桥图1－13单相逆变桥原理a）单相逆变桥电路b）负载所得电压波形92ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变2．单相逆变桥图1－131．3交－直－交变频器的构成及演变3．三相逆变桥图1－14三相逆变桥a）三相逆变电路b）输出电压波形93ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变3．三相逆变桥图1－141．3交－直－交变频器的构成及演变1．3．2逆变器件的条件与发展

1．逆变器件的条件

图1－15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。94ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变1．3．2逆变器件的条1．3交－直－交变频器的构成及演变2．逆变器件的发展（1）起步始于晶闸管图1－16

SCR逆变ａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形95ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变2．逆变器件的发展（1）晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式图形符号96ppt课件晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式1．3交－直－交变频器的构成及演变导通条件：除阳极加正向电压，必须同时在门极与阴极之间加一定的门极电压，有足够的门极电流。关断条件：阳极电流小于维持电流IH晶闸管的几个特性

晶闸管具有可控性。晶闸管具有单向导电性。晶闸管一旦导通，门极将失去控制作用。导通后流过晶闸管的电流由主电路电源和负载来决定。97ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变导通条件：晶闸管的几个特1．3交－直－交变频器的构成及演变（2）普及归功GTR（电力晶体管）图1－17

GTR逆变ａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形AKG98ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变（2）普及归功GTR（电1．3交－直－交变频器的构成及演变GTR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1.2～1.5kHz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。

99ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变GTR特点1.输出电压

1．3交－直－交变频器的构成及演变（3）提高全靠IGBT（绝缘栅双极型晶体管）图1－18

IGBT逆变ａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形100ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变（3）提高全靠IGBT（1．3交－直－交变频器的构成及演变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。101ppt课件1．3交－直－交变频器的构成及演变IGBT变频器的主要特点变频调速出现了什么新问题？102ppt课件变频调速出现了33ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．1变频调速出现的新问题

1．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递环节入手。图1－19频率下降出现的新问题103ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．1变频调速出现的新问1．4变频器的输出电压与频率2．磁路饱和的结果

图1－20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TM＝KTΦ1I2’cosφ2

(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。

104ppt课件1．4变频器的输出电压与频率2．磁路饱和的结果图1－201．4变频器的输出电压与频率3．保持磁通不变的途径

（1）从能量角度看图1－21保持磁通不变的途径a）频率下降的结果b）变频也要变压105ppt课件1．4变频器的输出电压与频率3．保持磁通不变的途径（1）1．4变频器的输出电压与频率（2）从电动势的角度看106ppt课件1．4变频器的输出电压与频率（2）从电动势的角度看37p1．4变频器的输出电压与频率（3）频率和电压的调节比107ppt课件1．4变频器的输出电压与频率（3）频率和电压的调节比38p1．4变频器的输出电压与频率108ppt课件1．4变频器的输出电压与频率39ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．2变频又变压的具体方法

1.PAM方式脉冲幅值调节方式（PulseAmplitudeModulation）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。109ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．2变频又变压的具体方1．4变频器的输出电压与频率1．4．2变频又变压的具体方法

1．ＰＷＭ（脉宽调制PulseWidthModulation

）图1－22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。110ppt课件1．4变频器的输出电压与频率1．4．2变频又变压的具体方1．4变频器的输出电压与频率2．正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）SinusoidalPulseWidthModulation图1－23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，111ppt课件1．4变频器的输出电压与频率2．正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）1．4变频器的输出电压与频率3．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1－24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。图中，当u1X的振幅值较大时，所得到的脉宽调制波如图①所示;而当u1X的振幅值较小时，所得到的脉宽调制波如图②所示。

112ppt课件1．4变频器的输出电压与频率3．正弦脉宽调制的实现（1）1．4变频器的输出电压与频率（2）双极性调制图1－25双极性脉宽调制要具体地实施ＳＰＷＭ，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。113ppt课件1．4变频器的输出电压与频率（2）双极性调制图1－25双整流滤波有特点！114ppt课件整流滤波有特点！45ppt课件1．5．1整流与滤波电路

1．滤波电容要均压图1－27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CF1＜CF2，则UC1＞UC2。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。

115ppt课件1．5．1整流与滤波电路1．滤波电容要均压图1－27整1．5．1整流与滤波电路2．充电过程要限流

图1－28合上电源时的充电过程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。116ppt课件1．5．1整流与滤波电路2．充电过程要限流图1－28合1．5．1整流与滤波电路3．直流电源指示为安全图1－30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。117ppt课件1．5．1整流与滤波电路3．直流电源指示为安全图1－30逆变器件旁边为什么要反并联二极管？118ppt课件逆变器件旁边为什么要49ppt课件1．5．2逆变电路

1．逆变电路的结构与输出电压图1－31逆变电路及其输出电压119ppt课件1．5．2逆变电路1．逆变电路的结构与输出电压图1－311．5．2逆变电路图1－32

R、L电路的复习2.R、L电路的复习

120ppt课件1．5．2逆变电路图1－32R、L电路的复习2.R、L1．5．2逆变电路3．逆变电路的电流路径

（1）电动机状态《nM＜n0》图１－33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121ppt课件1．5．2逆变电路3．逆变电路的电流路径（1）电动机状态1．5．2逆变电路（2）发电机状态（nM＞n0）图1－34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122ppt课件1．5．2逆变电路（2）发电机状态（nM＞n0）图1－341．5．2逆变电路图中，每个逆变管旁边，都反并联一个二极管(VD)。其作用是:

1.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φ1角，电流的瞬间流向如下:

在0