《变频技术（第二版）》课件 第一章　变频器基础知识

第一章变频器基础知识61-2变频器的组成与工作原理1-1三相交流异步电动机的调速1-3变频器的控制方式1-1

三相交流异步电动机的调速891.理解三相交流异步电动机的工作原理。2.掌握三相交流异步电动机的调速方法。3.理解三相交流异步电动机变频调速的机械特性。学习目标一、三相交流异步电动机的工作原理1.旋转磁场（1）旋转磁场的产生三相交流异步电动机的核心结构由定子和转子两部分构成。定子部分包括定子铁心与定子绕组，当三相定子绕组中通入三相对称交流电时，将生成一个旋转磁场，其产生过程如图所示。1011旋转磁场产生过程由图a可知，当ωt=0时，电流瞬时值

iU=0，iW

为正值，iV

为负值。这表示U相无电流，W相电流由W1流进（标为

×），W2流出（标为

•），V相电流由V2流进（标为

×），V1流出（标为

•），这一刻定子绕组电流产生的合成磁场方向可由安培定则判断得出。12当

时，电流瞬时值

iU

为正最大值，iV、iW

均为负值，这表示U相电流从U1流进，U2流出，V相电流、W相电流分别由V2、W2流进，V1、W1流出，这一刻定子绕组电流产生的合成磁场方向如图b所示，可见磁场方向较

ωt=0时顺时针旋转了90°。以此类推，当

ωt=π、

、ωt=2π时，定子绕组电流产生的合成磁场方向分别如图c、d、e所示。由图可见，当交流电经历一个完整周期后，三相交流电合成磁场正好以顺时针方向旋转一周。（2）旋转磁场的转速旋转磁场的转速（也称同步转速）与三相交流电源的频率和三相交流异步电动机的磁极对数有关，其关系表达式为：式中，n1——旋转磁场的转速，r/min；

f1——三相交流电源的频率，Hz；

p——三相交流异步电动机的磁极对数。13（3）旋转磁场的转向旋转磁场的转向由电源的相序决定。若电源为正相序（即电源按U—V—W相排列，也称顺序），则旋转磁场沿顺时针方向旋转，前面阐述的旋转磁场产生过程即为电源正相序时的磁场产生过程；若将三相电源中的任意两相对调（即电源按W—V—U相逆相序排列，也称反序），则旋转磁场沿逆时针方向旋转，其旋转磁场产生过程与正相序原理一致。14（4）三相交流异步电动机的工作原理当定子绕组接入三相交流电源，定子空间内将形成旋转磁场。若此旋转磁场沿顺时针方向旋转，则其效果等同于转子在逆时针方向上切割旋转磁场。因此，转子绕组中将产生感应电流，该电流在旋转磁场中受到力的作用，进而驱动转子沿旋转磁场旋转的方向转动，如图所示。15三相交流异步电动机的工作原理2.转差率由于转子只有在切割旋转磁场的情况下，才能产生感应电流，从而产生电磁力矩使转子转动，因此转子的转速

n

要比旋转磁场的同步转速

n1

低一些，它们之间的差值用转速差Δn

表示，即Δn=n1-n，转速差Δn

与同步转速

n1

的比值称为转差率

s，即：式中，s——转差率；

n1——同步转速；

n——转子转速。16二、三相交流异步电动机的调速原理由式（1-1）和式（1-2），可得到转子转速

n

的表达式：由该表达式可以看出，三相交流异步电动机的调速方法有三种，分别是变极（

p）调速、变转差率（

s）调速和变频（

ƒ1）调速。其中，变频调速性能最好，不仅调速范围大，且静态稳定性好、运行效率高。171.变极调速由式（1-3）可知，变极调速是在电源频率不变的条件下，通过改变定子磁极对数的方式改变同步转速，从而达到调速的目的。2.变转差率调速变转差率调速一般只适用于绕线型异步电动机。具体调速方法很多，例如，转子串电阻调速、串级调速、调压调速等。随着

s

增大，电动机的机械特性会变软，效率降低。183.变频调速从机械特性分析，其调速性能比变极调速和变转差率调速要好得多，甚至可以达到近似直流电动机调压调速的性能，这也是变频调速的基本原理。下面分基频以下与基频以上两种调速情况进行分析。（1）基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速1）恒磁通变频调速原理。恒磁通变频调速实质上就是调速时要保证电动机的电磁转矩恒定不变。这是因为电磁转矩与磁通成正比的关系。192）保证磁通恒定的方法。由感应电动势公式

E1=4.44f1N1Φm

可知，每极磁通量的最大值

Φm=E1/（4.44N1

f1），其值的大小由

E1

和

f1

共同决定，对

E1

和

f1

进行适当控制，就可以使

Φm

的值保持恒定不变。由于一台电动机的

N1

始终为固定常数，所以只要保持

E1/f1

为固定常数，即可保持磁通恒定不变。203）恒磁通变频调速机械特性。如图所示是用VVVF变频器对三相交流异步电动机在基频以下进行变频控制时的机械特性，其控制条件为

E1/f1=常数。21三相交流异步电动机在基频以下进行变频控制时的机械特性（2）基频以上恒功率（恒电压）变频调速恒功率变频调速又称弱磁通变频调速，是考虑由基频

f1N

开始向上调速的情况。频率由额定值

f1N

向上增大，如果按照

U1/f1=常数的规律控制，电压

U1

也必须由额定值

U1N

向上增大，但实际上电压

U1

受额定电压

U1N

的限制不能再升高，只能保持

U1=U1N

不变。根据公式Φm=E1/（4.44N1

f1），主磁通

Φm

随着

f1

的上升而减小，这相当于直流电动机的弱磁调速，属于近似的恒功率调速方式。22三相交流异步电动机基频以下及基频以上两种调速情况下的变频调速控制特性如图所示。

23变频调速控制特性1-2

变频器的组成与工作原理241.了解变频器的分类。2.掌握变频器的工作原理和结构。3.了解变频器中常用的电力半导体器件。25学习目标一、变频器的分类变频器的分类方式有很多：按照主电路工作方式分类，可分为电压型变频器和电流型变频器；按照输出电压调制方式分类，可分为PAM（脉冲幅度调制）控制变频器、PWM（脉冲宽度调制）控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可分为

U/f

控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器；按照用途分类，可分为通用变频器、高性能专用变频器和高频变频器等。除此以外，变频器还有其他分类方式，具体可见下表。2627变频器的其他分类方式二、变频器的铭牌与型号1.变频器的铭牌如图所示是三菱FR-E840型变频器的额定铭牌（机身侧面），其主要内容包括变频器型号、额定输入、额定输出、制造编号和制造年月等。28三菱FR-E840型变频器的额定铭牌2.变频器型号变频器型号由代表不同含义的字母和数字组成，其型号含义如下：•A：表示电压等级。29•B：表示电源相数。•

C：表示变频器的额定容量或额定电流。30•D：表示通讯和功能安全的规格。•

E：表示标准规格产品的监视输出及额定频率、Ethernet规格产品及安全通讯规格产品所能使用的通讯协议。31•F：表示有无电路板涂层、导体镀层。32三、变频器的基本结构变频器分为交—交和交—直—交两种形式。目前，通用变频器大多采用交—直—交的变频变压方式。33交—交交—直—交交—交变频器是将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接变频器。交—直—交变频器则是先把工频交流电通过整流器变换成直流电，然后再把直流电逆变成频率、电压均可控制的交流电，又称间接变频器。变频器的基本构成如图所示，其主要由主电路和控制电路组成，其中主电路又包括电网侧变流器、中间直流环节和负载侧变流器三部分。如下图所示是变频器的内部结构示意图。34变频器的基本构成35变频器的内部结构示意图1.变频器的主电路通用变频器的主电路由三部分组成，一是交—直变换部分（整流电路），二是能耗制动部分（能耗制动电路），三是直—交变换部分（逆变电路），其电路图如图所示，各元器件的作用见下表。36通用变频器的主电路电路图37通用变频器主电路各元器件的作用38通用变频器主电路各元器件的作用2.变频器的控制电路变频器控制电路的作用是为主电路提供关键控制信号，其构成通常涵盖运算电路、检测电路、控制信号的输入输出电路以及驱动电路等多个环节。其核心职责在于实现对逆变器开关元件的精确开关控制、整流器电压的精准调控，并同时承担多种保护功能。在控制方式上，有模拟控制和数字控制两种，二者各有特点。39变频器控制电路主要由主控制板、键盘与显示板、电源板与驱动板、外接控制电路等构成，其控制原理框图如图所示。40变频器控制电路的控制原理框图（1）主控制板主控制板是变频器运行的控制中心，其核心器件是微控制器（单片机）或数字信号处理器（DSP），其主要功能有：1）接收并处理从键盘、外部控制电路输入的各种信号，如修改参数、正/反转指令等。2）接收并处理内部的各种采样信号，如主电路中电压与电流的采样信号、各部分温度的采样信号、逆变电路中各功率管工作状态的采样信号等。413）向外电路发出控制信号及显示信号，如正常运行信号、频率到达信号等，一旦发现异常情况，立刻发出保护指令进行保护或停车，并输出故障信号。4）完成SPWM调制，对接收到的各种信号进行判断和综合运算，产生相应的SPWM调制指令，并分配给逆变电路中各功率管的驱动电路。5）向显示板和显示屏发出各种显示信号。42（2）键盘与显示板变频器的键盘与显示板一般采用一体化设计，其中键盘的作用是向变频器发出运行控制指令，并对运行数据、运行状态等进行必要调整和修正；显示板则主要是展示主控制板上的各类数据，通常采用数码管或液晶板作为显示介质。43（3）电源板与驱动板变频器的内部电源普遍采用开关稳压电源，电源板主要提供以下直流电源：1）主控制板电源。为一组具有极好稳定性和抗干扰能力的直流电源。2）驱动电源。在逆变电路中，上桥臂三只功率管的驱动电路电源是相互隔离的三组独立电源，下桥臂三只功率管的驱动电路电源则采用共“地”设计。驱动电源与主控制板电源之间必须可靠绝缘。3）外控电源。为变频器外电路提供稳恒直流电源。44（4）外接控制电路外接控制电路可通过电位器、主令电器、继电器以及多种自控设备实现对变频器的运行控制，并输出变频器的运行状态、故障报警以及运行数据等信号，变频器外接控制电路一般包括外部给定电路、外接输入控制电路、外接输出控制电路和报警输出电路等。45四、变频器中的常用电力半导体器件1.整流器变频器使用的整流器通常采用由整流二极管构成的三相或单相整流桥设计，其核心功能是将交流电转换为直流电，以提供逆变电路和控制电路使用。在通用变频器中，整流模块的配置如图所示，其中小功率整流器主要接到单相220V交流电源，大功率整流器则接到三相380V交流电源。4647通用变频器中的整流模块2.逆变器逆变器是变频器的核心器件，其在控制电路作用下，可将直流电路输出的直流电转换成频率、电压均可控制的交流电。逆变器的常见结构形式是以六个功率开关器件组成的三相桥式逆变电路。目前，常用的开关器件有晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。48（1）晶闸管（SCR）晶闸管有平板式和螺栓式两种类型，如图所示。作为一种电流控制型元件，晶闸管的控制电路结构复杂，工作频率低，效率也不高，但其电压、电流容量大，目前仍广泛应用于可控整流和交—交变频等变流电路中。49平板式和螺栓式晶闸管（2）门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管如图所示，是一种多元功率集成器件，也属电流控制型元件，一般由十几个甚至数百个共阳极的小GTO单元组成。具有高阻断电压和低导通损失率的特性，其电压、电流容量较大，通常可达6000V和6000A，常用于大功率高压变频器中。50门极可关断晶闸管（3）电力晶体管（GTR）电力晶体管作为一种双极型大功率高反压晶体管，亦称巨型晶体管，其单管结构与常规双极型晶体管结构类似。在变频器的应用中，GTR通常以GTR模块形式呈现，该模块将2至7只单管GTR或达林顿式GTR的管芯集成于一个管壳内，旨在实现出色的耐高压、大电流及优良的开关特性。如图所示为电力晶体管的外形及内部结构。5152电力晶体管的外形及内部结构（4）电力场效应晶体管（MOSFET）电力场效应晶体管如图所示，是一种单极型的电压控制器件，其输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快，开关频率可达500kHz以上。变频器使用的电力场效应晶体管一般是N沟道增强型。53电力场效应晶体管（5）绝缘栅双极晶体管（IGBT）绝缘栅双极晶体管是一种复合型三端电力半导体器件，其外形如图所示。它将MOSFET与GTR的卓越性能融为一体，展现出了极佳的输出特性、高速的开关能力以及高频率的工作状态，通常其工作频率可超过20kHz。54绝缘栅双极晶体管的外形（6）集成门极换流型晶闸管（IGCT）集成门极换流型晶闸管如图所示，是一种新型功率半导体器件，该器件不仅继承了IGBT的高开关频率特性，同时还兼备了GTO的高阻断电压和低导通损失率优点。55集成门极换流型晶闸管（7）智能功率模块（IPM）智能功率模块是一种混合集成电路，是将大功率开关元件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一种，其外形和内部结构如图所示。56智能功率模块的外形和内部结构1-3

变频器的控制方式571.熟悉

U/f

恒定控制方式。2.熟悉转差频率控制方式。3.了解矢量控制方式。4.了解直接转矩控制方式。58学习目标在三相异步电动机的变频调速系统中，变频器能够基于电动机的具体特性，对供电电压、电流以及频率等进行精准而适当的控制。不同的控制方式直接影响电动机的调速性能、特性以及应用场景，从而带来各异的控制效果。目前，变频器在电动机控制领域的应用主要涵盖

U/f

恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等多种方式。59一、U/f

恒定控制变频器在调节电动机电源频率的同时，亦同步调整其电源电压，使电动机磁通维持恒定，这种控制方式被称为

U/f

恒定控制，亦称VVVF（变压变频）控制模式。实现变压变频的方式有很多，其中常用的有脉冲幅值调制（PAM）、脉冲宽度调制（PWM）和正弦脉冲宽度调制（SPWM）等。601.PAM方式PAM方式是通过改变直流侧的电压幅值来实现电压调控的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压来控制。PAM方式一般在采用晶闸管逆变器的中大功率变频器中应用较为广泛。612.PWM方式PWM方式是一种广泛应用的调制技术，其核心原理是在维持整流后直流电压恒定的情况下，通过调整输出脉冲的宽度（或以占空比的形式表示），同步调整输出频率，进而实现对等效输出电压的有效调节。6263PWM方式输出电压波形如图所示，变频器的输出电压和输出频率均采用PWM逆变器调节。由图分析可以看出，当载波信号

UC

的三角波幅值维持恒定时，调整参考信号

Ur

的幅值即可使输出脉冲宽度相应发生改变，进而实现对输出基波电压大小的调控。当改变载波信号三角波的频率，并保持每周期输出的脉冲数不变时，亦可改变基波电压的频率。643.SPWM方式采用PWM方式控制得到的输出电压波形为非正弦波，在用于驱动三相交流异步电动机时性能较差。如果让每半个周期的脉冲宽度都按正弦规律变化，即脉冲宽度先逐渐增大，再逐渐减小，输出电压也会按正弦规律变化，这就是工程中应用最多的正弦波脉宽调制（SPWM），如图所示。65PWM方式输出电压波形SPWM方式的显著特点是其半个周期内脉冲中心线保持等距分布，脉冲幅度恒定而宽度呈现变化，且变化遵循正弦分布规律。此外，各脉冲所覆盖的面积总和与正弦波下的面积呈现比例关系。这一特性使得SPWM调制波形更加接近正弦波，从而极大地减少了谐波分量的产生。66如图所示为

U/f

恒定控制的PWM变频器主控制电路框图。在此框图中，主电路开关器件的基极驱动信号是通过载波信号与正弦波参考信号的值被调整，脉冲宽度将随之变动，从而实现对主电路输出电压大小的控制。同时，当调整输出频率时，输出电压的频率亦会相应发生改变。6768U/f

恒定控制的PWM变频器主控制电路