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状态态切切换换状态态切切换换全导导通通状状态态逆逆变变器器输输出出电电压压SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-193.逆变器的的工作原原理11例如基波5次谐波逆变器输输出电压压/基波波与谐波波含量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-203.逆变器的的工作原原理12调节逆变变器输出出电压rms值SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-213.逆变器的的工作原原理13低脉冲频频率高脉冲频频率电机电流流/脉冲冲频率的的影响SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-223.逆变器的的工作原原理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阻性负载逆逆变器电流流感性负载逆逆变器电流流晶闸管1““导通”晶晶闸管管4“导通通”晶闸管1““导通”晶晶闸管管1“导通通”晶闸管1““导通”晶晶闸管管4“导通通”逆变器中续续流二极管管的作用SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-243.逆变器的工工作原理16边缘触发调调制修正的空间间矢量调制空间矢量调调制边缘触发调调制最大调制深深度=96%当电源电压压为400V时，V.rms.1.max=401V空间矢量调调制当电源电压压为400V时，计算示示例：※切换到修正正的空间矢矢量调制取取决于设定定的脉冲频频率(在功能图图中;f.p=2.5KHz)调制深度调制方式，调调制深度与输输出电压SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-253.逆变器的工作作原理17波形跟踪示例例/空间矢量量调制,边缘缘触发调制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-263.逆变器的工作作原理18Rms值：Z.rms=75%Rms值：Z.rms=25%指针位置：15度指针位置：30度指针位置：30度异步空间矢量量调制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-273.逆变器的工作作原理19恒定频宽可变频宽瞬时值控制/脉宽调制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-283.逆变器的工作作原理204.变频器内部的的主电路滤波及限流电电路214.变频器内部的的主电路22阻性负载逆变变器电流感性负载逆变变器电流晶闸管1“导导通”晶晶闸管4“导导通”晶闸管1“导导通”晶晶闸管1“导导通”晶闸管1“导导通”晶晶闸闸管4“导通通”逆变器中续流流二极管的作作用SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-244.变频器内部的的主电路234.变频器内部的的主电路能耗电路由制制动电阻RB和制动单元Bv构成244.变频器内部的的主电路25CONV变频器INV逆变器R整流器P制动电阻（直流母线））变频器配置/用制动单元元实现四象限限运行SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-54.变频器内部的的主电路266脉动整流结结构框图/谐谐波分量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-75.主电路前端的的改进改进目标：提提高电路的功功率因数，减减少谐波含量量276脉动整流桥12脉动整流桥12脉动整流流桥结构框图图/谐波分量量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-85.主电路的改进进28AFE（有功前端）整整流器结构框框图/运行原原理SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-95.主电路的改进进改进目标：提提高电路的功功率因数，实实现能量回馈馈29COSΦ控制原理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式与电源断断电的情况况下不会出出现逆变颠颠覆用整流/回回馈单元实实现四象限限运行SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-65.主电路的改改进目标：：实现现能量量回馈馈315.主电路路的改改进近年来来，有有些公公司推推出了了三电电平低低压变变频器器，在在改善善电流流放形形、减减少对对外界界的干干扰方方面*都都取得得了较较好的的效果果。32335.主电路路的改改进346.变频器器内部部的控控制框框图主控电电路的的任务务：对对内控控制电电能变变换，，对外外接受受控制制信号号并输输出状状态356.变频器器内部部的控控制框框图面板控控制器器：操作作面板板由显显示器器和键键盘输输入器器构成成，不不同品品牌变变频器器的操操作面面扳各各不相相同。。1.数据显显示屏屏(1)任功能能预置置时显显示功功能码码和数数据码码(2)在运行行过程程中用用于显显示各各种数数据：：电流、电电压、、转速速等；；(3)在发生生故障障时，，显示故故障原原因的的代码码。2.键盘输输入器器(1)在进行功功能预置置时输入入各功能能的预置置数据(2)在进行面面板操作作时，输输人各项项操作指指令.366.变频器内内部的控控制框图图外接给定定与输入入控制端端376.变频器内内部的控控制框图图外接输出出控制端端38隔离开关关熔断器主接触器器HF-滤波器（（A1,B1)进线电抗抗器变频器运动控制制矢量控制制输出电抗抗器不允许电机(1)(1)<四个输出出电抗器器；铁心心或铁氧氧体取决于脉脉冲频率率(2)(2)dv/dt-滤波器，，可以和和电抗器器结合使用正弦弦滤波器器，不带带输出电电抗器(3)(3)输出接触触器或隔隔离开关关电机推荐的电电路配置置/输入入-输出出电路SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-117.变频器的的外围电电路配置置39T—配电变压压器电源变压压器总容容量要比比总负载载大，当当使用多多个变频频器或少少量地使使用交流流电抗器器和直流流电抗器器时，因因变频器器整流及及电容性性负载的的影响，，会造成成电网波波型的严严重畸变变和变压压器过热热。因此此，变压压器容量量更要增增大。40QF—断路器，，用于安安全跳闸闸断开电电网；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—进线侧无线电电干扰抑制电电抗器，用于于减少变频器器对外界的无无线电干扰；；无线电干扰抑抑制电抗器(FIL1、FIL2)因为变频器输输出的是PWM(脉宽调制)波，包含了大大量的高次谐谐波，谐波高高频分量处于于射频范围，，变频器通过过电源线和输输出线向外发发射无线电干干扰。又由于于变频器接在在电网上，电电网上各种干干扰和瞬变浪浪涌也可干扰扰到变频器的的控制回路敏敏感部分发生生误动作，因因此设置了无无线电干扰抑抑制电抗器。。它是使用三三根进线(对单相是两根根进线)，同方向在铁铁心或铁氧磁磁芯上绕制的的电感，因三三相三根线的的正弦交流电电瞬时值之和和为零(单相正弦交流流电两进线电电流瞬时值也也为零)，因此对正常常供电，该电电抗器不起作作用，而对于于共模电压(即在进线上出出现的、瞬时时值不能被抵抵消的干扰电电压)该电抗器起起到阻挡作作用，抑制制了共模干干扰，起到到良好的抑抑制无线电电干扰使用用。抑制的的频段一般般在10MHz以下，因此此电感量不不必大，通通常控制在在2~33mH左右，是在在一个闭合合磁路上穿穿过或绕上上几匝导线线而制成。。对小容量量变频器因因电流较小小，它是在在同一磁芯芯上，三相相线同方向向绕几匝。。对大容量量变频器，，因电流大大、导线不不好弯，则则用多个磁磁芯，让三三根导线同同时穿过磁磁芯中孔而而构成电抗抗器。431ACL——电源侧交流流电抗器，，用于改善善输入电流流波形、提提高整流器器和电解滤滤波电容寿寿命、减少少不良输入入电流波形形对外界电电网的干扰扰、协调同同一电源网网上有晶闸闸管等变换换器造成的的波形影响响、减少功功率切换和和三相不平平衡的影响响，因此也也叫电源协协调电抗器器，在要求求高的场合合该电抗器器便进一步步改为较复复杂的电力力质量滤波波单元；电压型通用用变频器电电网电压交交流转变为为直流经整整流后都经经电容滤波波，电容器器的使用使使输入电流流呈尖峰脉脉冲状，当当电网阻抗抗小时，这这种尖峰脉脉冲电流极极大，造成成很大的谐谐波干扰，，并使变频频器整流桥桥和电容器器容易损坏坏。当变压压器容量大大于变频器器容量10倍以上，电电网配电变变压器和输输电线的内内阻不能阻阻止尖峰脉脉冲电流时时，当同一一电源上有有晶闸管设设备或开关关方式控制制功率因数数补偿装置置时，三相相电源不平平衡度大于于3%时，都要对对输入侧功功率因数作作提高和抑抑制干扰，，都需使用用电源侧交交流电抗器器。一般而而言，电压压源逆变器器、电源侧侧交流电抗抗器的电感感量，采用用3%阻抗即可防防止突变电电压造成接接触器跳闸闸，使总谐谐波电流畸畸变下降到到原先的44%左右。实际际使用中为为了节省费费用，常采采用2%阻抗的电感感量，但这这对环保而而言是不好好的。比较较好的场合合应使用4%阻抗或更大大的电抗器器。一般常常选2~4%的压降阻抗抗，这个百百分数是对对相电压而而言，对于于使用者，，需考虑电电感值和电电流值两方方面，电流流值一定要要大于等于于额定值，，电感值略略有大小问问题不大，，偏大有利利于减少谐谐波，但电电压降落会会超过3%，使用者还还要考虑电电源内部阻阻抗，电源源变压器功功率大于10倍变频器功功率，而且且线路很短短的场合，，电源内阻阻小，不仅仅需要使用用输入侧交交流电抗器器，而且要要选择较大大的电感值值，例如选选用4～5%阻抗的电感感量。44DCL—直流电抗器器，用于改改善电容滤滤波(当前电压型型变频调速速器主要滤滤波方式是是电容滤波波)造成的输入入电流波形形畸变和改改善功率因因数、减少少和防止因因冲击电流流造成整流流桥损坏和和电容过热热，当电源源变压器和和输电线综综合内阻小小时(变压器容量量大于电机机容量10倍以时)、电网瞬变变频繁时都都需要使通通用变频器器用直流电电抗器。直流电抗器器接在滤波波电容前，，它阻止进进入电容的的整流后冲冲击电流的的幅值，并并改善功率率因数、降降低母线交交流脉动。。直流电抗抗器在变频频器功率大大于22kW时建议都要要采用，当当变频器功功率越大，，越应该使使用，因为为没有直流流电抗器时时，变频器器的电容滤滤波会造成成电流波形形严重畸变变和进而使使电网电压压波形严重重畸变，而而且非常有有害于变频频器的整流流桥和滤波波电容寿命命。直流电电抗器的电电感值的选选择一般为为同样变频频器输入侧侧交流电抗抗器3%阻抗电感量量的2~3倍，最少要要1.7倍，452ACL——输出侧交流流电抗器，，变频器输输出是脉冲冲宽度调制制的电压波波(PWM波)它是前后沿沿很陡的一一联串脉冲冲方波，存存在丰富的的谐波，这这些谐波有有害于电机机和负载的的寿命(典型的是电电机绕阻匝匝间瞬变电电压dv/dt过高，造成成匝间击穿穿)，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，并求求得以下的改改善：1、降低了电机机的噪音；2、降低了输出出高次谐波造造成的漏电流流；3、减少了干扰扰；4、保护了变频频器内部的功功率开关器件件。5、延长了电机机的绝缘寿命命。46变频器的输出出是经PWM调制的电压波波，由于电动动机绕组的电电感性质能使使电流连续，，因此电流基基本上是正弦弦形的，脉冲冲宽度调制(PWM)有着陡峭的电电压上升和下下降的前后沿沿，即dv/dt很大，使得输输出引线向外外界发射含量量极大的电磁磁干扰，并且且在引出线对对地、电机绕绕组匝间、绕绕组对地间都都产生很大的的脉冲电流，，为了减轻变变频器输出dv/dt对外界的干扰扰，降低输出出波形畸变，，达到环保标标准，减少对对电机绕组的的电压冲击造造成绝缘损坏坏，降低电机机的温升和噪噪音，避免在在变频器输出出功率管上因因dv/dt和流过过大的的脉冲冲击电电流使功率管管损坏，以及及降低负载短短路造成对变变频器的损伤伤，有必要在在变频器输端端增设交流电电抗器。值得指出的是是脉冲电压通通过长的输电电线时，由于于长线上波的的反射叠加使使得在长线(即变频器输出出导线)超过临界长度度后，电压有有可能达到直直流母线(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—输出侧无无线电干干扰抑制制电抗器器，对输输出布线线距离>20m时尤其需需安装；；48JR—热过载继继电器，，用于防防止长时时间过电电流造成成电机损损坏。热过载继继电器用用来防止止电机过过热，但但这种保保护并不不可靠。。对重要要场合应应实际检检测电机机温度，，埋设温温度检测测元件到到电机槽槽内或绕绕组附近近。当变变频器使使用普通通电机时时，因PWM波导致电电机铁耗耗、铜耗耗和绝缘缘介质损损耗的增增加，温温升会比比通常应应用时加加大，因因此热过过载继电电器的温温度整定定值应按按电机绝绝缘等级级选择。。49电动机如果低速速时负载载转矩比比额定转转矩大，，则要加加大电机机功率和和变频器器功率才才能应付付低速运运行。如如当电机机长期在在低速运运行时，，因普通通电机的的风扇在在电机轴轴上，风风扇已不不能有效效散热，，电机会会严重发发热。因因此，要要加大电电机功率率或让电电机使用用外部风风扇冷却却。一般电机机在使用用变频器器时，因因变频器器PWM波有很高高的脉冲冲前后沿沿，dv/dt很大，绕绕阻匝间间和对地地绝缘很很易损坏坏，这已已成为变变频器使使用中一一个问题题。因此此，应选选用绝缘缘质量优优良的电电机产品品。当高高速运行行时要注注意电机机在高速速离心力力下是否否能承受受，普通通电机的的转子离离心机械械强度是是按额定定转速设设计的。。对直径较较大的电电机，不不要使用用到额定定转速的的1.5倍以上，否否则就有有危险。。这时就就应选用用专门的的变频电电机。50Masterdrives矢量控制制两个输出出电抗器器无输出电电抗器滤波器对对于1LA5,6,8电机Masterdrives运动控制制不带输出出电抗器器