第一讲异步电机及电力电子器件

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李岩/p>

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变频器QQ群：62372201原则:轻理论、重基本概念、旨在解决实际问题内容:变频器的基本原理、参数设置、应用技术、维护修理要求:多提问题:听课时的问题、工作中遇到的问题第一讲 交流调速原理摘要：变频器进入实用阶段，比发明异步电动机晚了近百年。分析其原因?了解影响实施变频调速的主要问题。得出变频同时还必须变压的原理，以及正弦脉宽调制的具体实施方法。关键词：异步电动机变频器开关器件晶闸管电力晶体管绝缘栅双极晶体管整流与逆变输入功率输出功率电磁功率磁路饱和正弦脉宽调制载波调制波调压比调频比

图1－1异步电动机的构造定子:定子绕组、铁芯、机座转子鼠笼式1.结构绕线式:三相转子绕组可串电阻异步电动机变频可以调速的原理，是“与生俱来”的。然而，异步电动机发明于1889年，而变频调速技术进入推广普及阶段，却是在二十世纪八十年代，人们企盼了将近一个世纪！1．1三相异步电动机1．1．1交流电机结构简单价低廉三相交流异步电动机的发明在电力拖动史上有着十分重要的意义。因为它的转子电路不需要和外电路相联接，转子绕组由两侧端部互相短接的铜条或铝条（俗称鼠笼条）构成，可以自成回路，形状象个“鼠笼”，故常称为笼形电动机，如图1－1所示。在所有电动机中，这种结构在简单、坚固方面是首屈一指的。这带来了使用寿命长、易于维修、以及价格低廉等极为突出的优点，使它在整个电力拖动领域独占鳌头。在二十世纪八十年代以前，约占工农业生产机械中电动机总量的85％以上。1．1．2生产要求速度调节 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）图1－2刨台的原拖动系统调速系统：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MA来带动，MA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！图1－2刨台的原拖动系统1．1．3交流调速方法

电磁三大关系：带电导体对外产生磁场。导体在磁场中运动产生感应电动势。3.带电导体在磁场中产生电磁力。1.带电导体对外产生磁场。磁场：电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。带电导体对外产生磁场。安培定则:表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则，也叫右手螺旋定则。

(1)通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向。

(2)通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。电磁感应electromagneticinduction

闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象

.右手定则

right-handrule:右手平展，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把右手放入磁场中，若磁力线垂直进入手心（当磁感线为直线时，相当于手心面向N极），大拇指指向导线运动方向，则四指所指方向为导线中感应电流的方向(感生电动势的方向)。电磁学中，右手定则判断的主要是与力无关的方向。2.导体在磁场中运动产生感应电动势。电磁力：电荷、电流在电磁场中所受力的总称。也称载流导体在磁场中受的力为电磁力。左手定则

left-handrule

：左手平展，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心（手心对准N极，手背对准S极，）四指指向电流方向（既正电荷运动的方向），则大拇指的方向就是导体受力方向。3.带电导体在磁场中产生电磁力。1．1．4交流电机旋转原理

三相空间对称静止绕组通入三相对称交变电流：三相绕组通入三相对称交流电流：1．1．4交流电机旋转原理

三相交流电流产生的旋转磁场（P＝1）

1．1．4交流电机旋转原理

转子转动原理示意图1．1．4交流电机旋转原理

旋转磁场的反转

1．异步电动机的转速公式三相交流电动机中，一个十分重要的“角色”便是旋转磁场，它是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场的特点是：（1）产生磁场的交变电流在时间上互差三分之一周期（T∕3），这由三相交流电源本身的特点所决定；（2）三个磁场的轴线在空间位置上互差2π∕3电角度，这可以通过三相绕组在定子铁心中的安排来实现。旋转磁场的转速称为同步转速，由下式决定：

n0＝ （1－1） 式中，n0—同步转速，r∕min；f—电流的频率，Hz；p—旋转磁场的磁极对数。f=50Hz:p:123456n0:3000rpm15001000750600500n:29701450980740590495而异步电动机之所以被冠以“异步”二字，是因为其转子的转速n永远也跟不上旋转磁场的转速n0。两者之差称为转差：

Δn＝n0－nM

（1－2）

式中，Δn—转差，r∕min；

nM—电动机的转速，r∕min。 转差与同步转速之比，称为转差率：

s＝＝ （1－3） 式中，s—转差率。约1～9％。 由式（1－1）和式（1－3），可以推导出：

nM＝（1－s） （1－4）

一．电动机机械特性

1．电机特性

电动机的带负载能力主要体现在其机械特性上。所谓机械特性，是在某一转速下，电动机所能产生的电磁转矩的大小。电动机在没有人为地改变其参数时的机械特性，称为自然机械特性。异步电动机的自然机械特性及其能量图如图1所示。由图可知，转速下降时，由于转差增大，转子绕组切割旋转磁场的速度也增大，转子电流和电磁转矩也都随之增大。自然机械特性的主要特征可由三个点来描述：（1）．理想空载点

电动机输出轴上的转矩为0，称为理想空载。这时，电动机的转速可以达到同步转速（旋转磁场的转速）n0。所以，理想空载点的坐标是：（0，n0）图1电动机的自然机械特性（2）．起动点电动机刚接通电源，但转速仍为0时称为起动点，这时的转矩称为起动转矩TS，也叫堵转转矩。因此，起动点的坐标是：（TS，0）通常，异步电动机的起动转矩应大于额定转矩的1.5倍：

TS≥1.5TMN（3）．临界点异步电动机的机械特性有一个拐点K。在这一点，电动机所能产生的电磁转矩最大，称为临界转矩，用TK表示，K点称为临界点。与此对应的转速称为临界转速nK，相应地，有临界转差ΔnK和临界转差率sK。所以，临界点的坐标是：（TK，nK）临界转矩与额定转矩之比就是异步电动机的过载能力。通常，过载能力应大于2：

TK≥2.0TMN2．人工机械特性

电动机在人为地改变了某个参数后所得到的机械特性，称为人工机械特性。就异步电动机而言，常见的有：（1）改变定子电压 异步电动机在改变定子电压后，其机械特性的特点如图2a）中之曲线②（曲线①是自然机械特性）所示：

1）临界转矩减小为TK’；

2）临界转速nK不变。（2）改变转子回路的电阻 这是绕线转子异步电动机的调速方法。当转子回路的电阻增大后，其机械特性的特点如图2b）中之曲线③所示：

1）临界转矩TK不变；

2）临界转速下降为nK’。图2异步电动机的人工机械特性

a）改变定子电压b）改变转子电阻sn风机负载CTm0n0UnomU0.7nomU0.5nom恒转矩负载改变定子电压调速异步电动机的调速方法:n=(1-s)式（1－4）表明，要改变异步电动机的转速，有三办法：a）改变磁极对数b）改变转差率c）改变频率smnn0sTe100TeTemaxTemax

三相异步电动机机械特性：2．异步电动机的调速方案（1）改变磁极对数 这可以通过改变定子绕组的接法来实现，如图1－3a）所示。这种方法的缺点是十分明显的：一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以，最多只能得到4种转速，与无级调速相去甚远。图1－3异步电动机的调速方法

a）改变磁极对数b）改变转差率snTmsm0n0sm1R2R2+RV1R2+RV2R2+RV310绕线型异步电动机改变转子电阻调速（2）改变转差率 这种方法适用于绕线转子异步电动机，通过滑环与电刷改变外接电阻值来进行调速，如图1－3b）所示。显然，这是通过改变在外接电阻中消耗能量的多少来调速的，不利于节能。此外，由于增加了滑环与电刷，从而增加了容易发生故障的薄弱环节。snT0n0UnomU0.7nomU0.5nomABC10高转子电阻电动机在不同电压下的机械特性特点：理想恒转矩负载下调速范围增大,但静差率太大；在堵转转矩下工作也不会烧坏电机；机械特性软;为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围,需使电机在较低转速下稳定运行而又不至过热,因此要求转子有较高的电阻限流.三相异步电动机起动方法：1.小功率，直接驱动。2.降压起动：自耦变压器降压、星－三角变换降压。3.定子串电阻起动。4.转子串电阻起动。5.变频起动。三相异步电动机制动方法：1.反馈制动。（再生制动、发电反馈制动）2.反接制动。3.能耗制动。异步电动机的制动

异步电机与直流电机的制动一样，也有再生制动，反接制动和能耗制动三种。1.反馈制动（再生制动、发电反馈制动）异步电动机的制动

1.再生制动突然降低电机定子侧供电频率或增加电动机的极对数,如图②,电动机可以从电动状态→发电状态,将机械功率转变为电功率回馈电网,电磁功率变负起制动作用.对于位能性负载,当定子三相电源的任意两根线对调后,电动机机械特性如图③所示,产生负转矩起制动作用.nTn0-n0O①③ACn0/2②B2反接制动

为了使电机停转,可以使定子三相电源中的任意两根电源线对调使旋转磁场反向,转子与旋转磁场转向相反,电磁转矩起制动作用..反接制动时,电动机从电网吸收电能,而又通过机械轴获取机械能,因此反接制动热损耗比较大,应在转子中串接电阻限流.若制动目的是为了停车,则当电动机制动到停止时,应将电动机与电网脱离.Tn0-n0OAC3.直流能耗制动制动时将电动机定子脱离交流电网并通以直流磁场,该磁场与转子导体作用产生感应电动势和电流,该电流与原来的电流方向相反,产生一个与转子相反的制动转矩,使电机停.1．2变频器开关器件目前应用得最为广泛的是交－直－交变频器，今通过其基本结构，来看看要实现变频调速需要解决哪些问题。交－直－交变频器的基本框图如图1－4所示，其工作过程是：先将电源的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电。其中，变频的核心部分是“逆变电路”，其构成和原理如下述。1－4交－直－交变频器的主电路框图1．2．1变频器的核心是逆变控制首先从比较简单的单相逆变桥入手，其构成及工作过程如图1－5所示。图中，V1、V2、V3、V4为开关器件，组成单相逆变桥，接至直流电源P（＋）与N（－）之间，电压为UD；ZL为负载。图1－5单相逆变桥及其工作过程逆变电路的工作情况如下：（1）前半周期 令V1、V2导通；V3、V4截止。则负载ZL中的电流从a流向b，ZL上得到的电压是a“＋”、b“－”，设这时的电压为“＋”。图1－6三相逆变桥及其工作（2）后半周期 令V1、V2截止；V3、V4导通。则负载ZL中的电流从b流向a，ZL上得到的电压是a“－”、b“＋”，这时的电压为“－”。上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载ZL上所得到的便是交变电压了。这就是由直流电变为交流电的“逆变”过程。三相逆变桥的电路结构如图1－6所示。其工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相的相位之间互差三分之一周期（T∕3）就可以了。图1－6三相逆变桥及其工作1．2．2逆变器件的要求

上述逆变过程看似简单：无非是若干个开关反复地交替导通而已。但问题的关键恰恰在于这些开关器件上。因为，这些开关器件必须满足以下要求：

1．能承受足够大的电压和电流 （1）电压 我国三相低压电网的线电压均为380V，经三相全波整流后的平均电压为:1.35*380=513V，而峰值电压则为:1.414*380=537V。考虑到在过渡过程中，由于电感及负载动能反馈能量的效应，开关器件的耐压应在1000V以上。 （2）电流 以中型的150kW的电动机为例，其额定电流为250A，而电流的峰值为353A。考虑到电动机和变频器都应该具有一定的过载能力，该变频器开关器件允许承受的电流应大于700A。 上述条件对于有触点开关器件来说，是早已做到了的。2．允许频繁地接通和关断 如上述，逆变过程就是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件所无法承受的。必须依赖于无触点开关器件，而无触点开关器件要能承受足够大的电压和电流，却并非易事。可以说，正是这个要求，阻碍了变频器的出现长达近百年之久。3．接通和关断的控制必须十分方便 最基本的控制如：频率的上升和下降、改变频率的同时还要改变电压等等。1．2．3电力电子基础

上面所说的无触点开关器件，实际上就是半导体开关器件。半导体器件在初期阶段只能用于低压电路中，当半导体器件终于能够承受高电压和大电流时，就形成了一门新的学科，即电力电子学。而变频器和变频调速技术也应运而生了。1．大功率晶闸管SCR

二十世纪六十年代，大功率晶闸管（SCR）首先亮相，变频调速也因此而得到了实施，出现了希望。 晶闸管VR在直流电路中的工作情形如图1－7所示，当门极G与阴极K之间加入正电压信号UG时，VR导通，如图a）所示。图1－7晶闸管在直流电路中

a）门极加正信号b）撤消门极信号c）门极加脉冲信号

当门极与阴极之间撤消UG时，VT将继续保持导通状态，如图b）所示。故晶闸管在直流电路中，一旦导通之后，是不能自行关断的。 所以，只要在门极与阴极之间加入一个脉冲信号uG，则VR即可保持导通状态，如图c）所示，uG称为触发脉冲。 由晶闸管构成的逆变桥如图1－8所示，UD是直流回路的电压，设平均值为UD＝513V。如上述，晶闸管在直流电路中不具有自行关断的能力。要想关断已经导通的晶闸管，必须令晶闸管的阳极和阴极之间的0电压，或加入反向电压。图1－8a）的大致工作情形如下：图1－8晶闸管逆变电路图1－8a）的大致工作情形如下： 假设晶闸管VR1已经处于导通状态，这时，A1点的电位与直流正端（P端）相同，而如果VR3和VR5都处于截止状态的话，则B1点和C1点都是0电位。如要关断VR1，必须令VR3或VR5导通，今假设VR3导通。在VR3导通的瞬间，B1点的电位突然上升513V，由于电容器C13两端的电压是不能跃变的，故A1点的电位也同时上升513V，使VR1的阴极电位高于阳极电位，从而迫使VR1截止。由于晶闸管逆变桥是由同一侧的晶闸管相互关断的，所以，输出的电压波是矩形波，如图1－8b）所示；而电流波则如图1－8c）所示。 晶闸管变频器除了电压和电流波形不好外，并且因为用于相互关断的电容器要求电压较高、容量也较大，故价格昂贵。除此以外，在不同的负载电流下，晶闸管的关断条件也并不一致，这又影响了其工作的可靠性。 所以，晶闸管虽然使变频调速成为了可能，实现了近百年来人们对于变频调速的企盼。但由于缺点较多，故并未达到普及推广的阶段。2．大功率晶体管（GTR）或双极晶体管（BJT）

二十世纪七十年代，电力晶体管GTR问世，把变频调速推向了实用阶段，于八十年代初开始逐渐推广。电力晶体管实际上是由两个或多个晶体管复合而成的复合晶体管（达林顿管）构成，如图1－9所示。也称为大功率晶体管（GTR）或双极晶体管（BJT）。 由于在变频器内，开关器件主要用于逆变桥，故常把两个GTR集成到一起，做成双管模块如图b）所示，也有把六个GTR集成到一起，做成六管模块的。又因为在变频器中，各逆变管旁边总要反并联一个二极管，所以，模块中的GTR旁边，都已经把反并联的二极管也集成进去了。图1－9电力晶体管的内部电路就基本工作状态而言，电力晶体管和普通晶体管是一样的，也有三种状态：放大状态、截止状态和饱和导通状态。

GTR为电流控制型器件，功率大，饱和导通电压低，驱动功率也大，开关频率不够高。图1－10

GTR变频器的主要特点

a）逆变电路b）电压波形c）电流波形

GTR变频器的逆变电路如图1－10a）所示，其主要特点有： （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。3．绝缘栅双极型晶体管IGBT

二十世纪八十年代末，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的开发成功，使变频器在许多方面得到了较大的提高。

IGBT是场效应晶体管（MOSFET）和电力晶体管（GTR）相结合的产物。其主体部分与GTR相同，也有集电极（C）和发射极（E），而控制极的结构却与MOSFET相同，是绝缘栅结构，也称为栅极（G）图1－11

IGBT的基本特点

a）结构特点b）基本电路IGBT其工作特点如下：（1）控制部分 控制信号为电压信号uGE，栅极与发射极之间的输入阻抗很大，故信号电流与驱动功率（控制功耗）都很小。（2）主体部分 因为与GTR相同，额定电压与电流容易做得较大，故在中小容量的变频器中，IGBT已经完全取代了GTR。 就是说，IGBT是一种以极小的控制功率来控制大功率电路的器件。变频器所用的IGBT管，通常已经制作成各种模块，如图1－12所示。图a）是双管模块，图b）是六管模块。图1－11

IGBT的基本特点图1－12所示。图a）是双管模块，图b）是六管模块。 以IGBT为逆变器件的逆变电路如图1－13a）所示。其主要特点如下： （a）载波频率高：大多数变频器的载波频率可在（3～15）kHz的范围内任意可调，其电压波形如图b）所示。 （b）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c）所示，故电磁噪声减小，而电动机的转矩则增大。（c）功耗减小：由于IGBT的驱动电路取用电流极小，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。图1－13

IGBT变频器的主要特点

a）逆变电路b）电压波形c）电流波形ＩＧＢＴ驱动电路的要求1.驱动信号波形一定要陡峭，有一定的功率。因为有极间分布电容存在，上下桥臂不允许同时导通。2.驱动的输入电路要采取隔离措施。3.导通驱动信号为：+15~+20VDC过高会损坏IGBT；过低不能保证IGBT饱和导通；4.关断驱动信号为：-5~-10VDC保证可靠关断，且提高抗干扰能力。5.六路驱动电路，需要四路独立电源：三个下桥臂可共用一路电源，三个上桥臂需用三路独立电源，2.逆变管的驱动（1）IGBT对驱动信号的要求 从截止转为导通时，应适当提高栅极电压uG1的上升率，以缩短开通时间；从导通转为截止时，应适当加入负偏压uG2，以加快关断过程。（2）驱动模块举例 驱动电路基本上都已经模块化。今以EXB850模块为例，其内部电路及管脚安排如图16a）所示，外接电路如图b）所示。其工作过程如下：当晶体管V3的基极得到驱动信号时，V3导通，管脚⒂与⒁之间的光耦合管导通，放大器AMP的输出为“＋”，晶体管V1导通，控制电源的“＋”极从管脚⑵进入，经V1、管脚⑶接至IGBT的栅极。同时，IGBT的发射极经管脚⑴、稳压管VS、管脚⑼接至控制电源的“0V”端。IGBT因G、E间得到正电压而导通。这时，电容器C2上的充电电压是上“＋”下“－”，电压大小取决于稳压管VS。图16

IGBT的驱动电路

a）管脚图b）驱动电路当驱动信号撤消后，V3截止，管脚⒂与⒁之间的光耦合管也截止，AMP的输出为“－”，V1截止，而V2导通。这时，IGBT的栅极G经管脚⑶、V2、管脚⑼与电源的“0V”相接，而发射极E则与电容器C2的正端相接，IGBT的G、E间得到负偏压，IGBT迅速截止。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：直到二十世纪八十年代，才出现了符合要求的开关器件。IPM智能功率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动以及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的、有电流传感功能的IGBT芯片，从而可实现高效的过流保护和短路保护。由于IPM智能功率模块集成了过热和欠压锁定保护电路，因而系统的可靠性得到了进一步提高。IPM智能功率模块的性能特点使用智能功率模块可以使生产厂家降低在设计、开发和制造上的成本。与普通的IGBT相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高。由于IPM集成了驱动和保护电路，使得用户的产品设计变得相对容易，并能缩短开发周期；由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小；所有的IPM均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相联的栅极控制接口，在产品系列扩充时无需另行设计电路。IPM在故障情况下的自保护能力，也减少了器件在开发和使用中过载情况下的损坏机会。IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏的情况。内置保护功能的框图如图3所示。如果IPM模块其中有保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号（FO）。

控制