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1、第一章第一章 变频器主电路变频器主电路本讲稿第一页，共五十六页变频器技术与应用（第一章）变频器技术与应用（第一章）主要解决的问题主要解决的问题1.异步电动机的变频调速原理2.何谓变频器？的含义？具体实现的方法3.交直交变频器的主电路的基本结构及各部分的功能本讲稿第二页，共五十六页第第1章章 变频器的工作原理变频器的工作原理1.1 三相交流异步电机结构和原理本讲稿第三页，共五十六页三相交流异步电机旋转原理三相交流异步电机旋转原理本讲稿第四页，共五十六页异步电动机的旋转原理异步电动机的旋转原理 旋转磁场要被静止着的转子绕组切割，转子绕组中将产生感应电动势和感应电流，其方向由右手定则来判定。转子绕组
2、中的电流又和定子的旋转磁场相互作用，产生电磁力和电磁转矩，方方向由左手定则决定，如图 1 一 C 所示。由图可知，电磁转矩的方向和旋转磁场的方向相同。在电磁转矩的作用下，转子将旋转起来。因为转子产生感应电动势和感应电流的前提条件是转子绕组必须切割旋转磁场，所以转子的转速总要低于旋转磁场的转速，故称为异步电动机本讲稿第五页，共五十六页1.2 1.2 变频调速原理变频调速原理 1 异步电动机的基本公式 （1）同步转速：即旋转磁场的转速，计算公式如下：式中：n0 同步转速（r/min);f 一电源电压的频率（H z);p 磁极对数。式 1 1）表明，当电动机的磁极对数一定时，同步转速与电源电压的频率
3、成正比；而在额定频率下，同步转速与磁极对数的关系见表 1-1。本讲稿第六页，共五十六页(2)转子转速 nM：本讲稿第七页，共五十六页2.结论：由式（1-4）知，改变电源电压的频率 f，就改变了旋转磁场的转速（同步转速），也就改变了电动机输出轴的转速：所以，调节频率可以调速，并且可以无级调速，如图 1-3 所示本讲稿第八页，共五十六页本讲稿第九页，共五十六页1.3 交一直一交变频器的结构与原理交一直一交变频器的结构与原理本讲稿第十页，共五十六页如图1 一 10 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
4、的核心部分是“逆变电路”,其构成和原理如下：本讲稿第十一页，共五十六页单相逆变桥的结构和原理单相逆变桥的结构和原理本讲稿第十二页，共五十六页三相逆变桥的电路结构三相逆变桥的电路结构本讲稿第十三页，共五十六页1.3.2 逆变器件工作条件与发展逆变器件工作条件与发展(简单了解简单了解)1.1.工作条件工作条件（1）能承受足够大的电压和电流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。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足够大。（2）允许频繁地接通和关断。本讲稿第十四页，共五十六页本讲稿第十五页，共五十六页（3）接通和关断的控制必须
5、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。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。本讲稿第十六页，共五十六页2 逆变器件与变频器的发展逆变器件与变频器的发展（1）起步始于 SCR：SCR 为 Silicon Control Rectifier（硅可控整流器）的缩写本讲稿第十七页，共五十六页如上述，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电压为 0，
6、或加入反向电压。由于晶闸管在直流电路内自身不能关断，故主电路与控制电路都较复杂，工作不够可靠，性能也不够完善。所以未能达到推广普及的阶段。本讲稿第十八页，共五十六页本讲稿第十九页，共五十六页（2）普及归功 GTR(BJT)：电力晶体管也称为大功率晶体管（GTR）或双极型晶体管（BJT），实际上它是由两个或多个晶体管复合而成的复合晶体管（达林顿管）,如图 1-16 所示本讲稿第二十页，共五十六页本讲稿第二十一页，共五十六页GTR 变频器的逆变电路如图 1 一 17a 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1-17b 所示。2）载波频
7、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 1.5 KHz.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1-17c 所示。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。本讲稿第二十二页，共五十六页本讲稿第二十三页，共五十六页(3）提高全靠 IGBT：20 世纪 80 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。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是场效应晶体管（MOSFET）和电力晶体管（G TR）相结合的产物。其主体部分
8、与 GTR 相同，也有集电极（C）和发射极（E）,而控制极（也称为栅极 G）的结构却与 MOSFET相同，是绝缘栅结构，如图 1 一 18a 所示。本讲稿第二十四页，共五十六页本讲稿第二十五页，共五十六页其工作特点如下：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人阻抗很大，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。本讲稿第二十六页，共五十六页本讲稿第二十七页，共五十六页以 IGBT 为逆变器件的
9、逆变电路与 GTR 的逆变电路基本相同，如图 1-20a 所示。其主要特点如下：1）载波频率高。大多数变频器的载波频率可在 3-15kHz 的范围内任意可调，其电压波形如图 1-20b 所示。2）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 1-20c 所示。3）控制功耗减小。4）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 不会立即进入放大状态。本讲稿第二十八页，共五十六页本讲稿第二十九页，共五十六页1.4 变频器的输出电压与频率（变频器的输出电压与频率（VVVF原理）原理）1 异步电动机的能量传递过
10、程图 1 一 21a 是异步电动机的旋转原理；图 1 一 21b 是异步电动机的能量传递关系，具体说明如下：（1）输人功率：三相交流异步电动机的输人功率就是从电源吸取的电功率，用P1表示，计算公式如下：式中P1 输人功率（kw）;UL 电源线电压（V）;I1 电动机的相电流（A）;cos 1 定子绕组的功率因数。本讲稿第三十页，共五十六页本讲稿第三十一页，共五十六页（2）电磁功率：定子输人功率中减去定子绕组的铜损Pcu1和定子铁心的铁损Pfe1 后，将全部转换成传输给转子的电磁功率PM，计算公式如下：式中:PM 电磁功率（kw);E1 定子每相绕组的反电动势（v）。本讲稿第三十二页，共五十六页
11、（3）输出功率：电动机的输出功率就是轴上的机械功率，其大小由下式计算：式中 TM 电动机轴上的电磁转矩 N m）;nM 电动机的转速（r/min）。变频调速出现的新问题当频率下降时，输入功率不变，输出功率减小，传递能量的电磁功率必增大，将导致磁路严重饱和。本讲稿第三十三页，共五十六页本讲稿第三十四页，共五十六页本讲稿第三十五页，共五十六页当磁路饱和时，其励磁电流的波形如图 1 一 23b 中之曲线 所示。由图可知，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所以，在进行变频调速时，有一个十分重要的要求，就是磁通1，必须保持基本不变：1
12、const本讲稿第三十六页，共五十六页.解决方法在式（1-8）中，定子绕组的阻抗压降 U 所占比例较小，因此，用比较容易从外部进行控制的外加电压U1 x 来近似地代替反电动势 E1 是具有现实意义的。即：式中 U1 x 当频率为 fx 时的外加电压（V）。所以，变频的同时也必须变压，目的是为了保持磁通基本不变：本讲稿第三十七页，共五十六页 3.调频比与调压比设当频率下降为 fx 时，电压下降为 u x，则：称为频率调节比，或简称调频比。调压比：本讲稿第三十八页，共五十六页当 k u=kf 时，电压与频率成正比其 Ux=f（fx）曲线将通过原点，如图 1 一 24 所示，称为基本 U/f 线。l
13、这种通过调节U/f 比来改变电动机特性的方法称为V/F控制方式 本讲稿第三十九页，共五十六页1.4.3 变频变压的具体方法变频变压的具体方法1 脉幅调制（PAM）本讲稿第四十页，共五十六页实施 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。2 脉宽调制（PWM）占空比的定义是每个脉冲中脉冲宽度所占的比例：占空比越大，等效的平均电压就越大本讲稿第四十一页，共五十六页本讲稿第四十二页，共五十六页PWM 的优点是不必控制直流侧，因而大大简化了电路。缺点：经 PAM 或 PWM 调制后，所得到的电动机电
14、流的谐波分量将是很大的3 正弦脉宽调制（SPWM）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。本讲稿第四十三页，共五十六页正弦脉宽调制（）正弦脉宽调制（）图124 正弦脉宽调制a）电压波形b）电流波形本讲稿第四十四页，共五十六页结论结论变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置 的含义：为了保持电机磁通的不变，在频的同时必须进行变压本讲稿第四十五页，共五十六页1.5 交一直一交变频器的主电路交一直一交变频器的主电路1.5.1 整流与滤波本讲稿第四十六页，共五十六页本讲稿第四十七页
15、，共五十六页本讲稿第四十八页，共五十六页本讲稿第四十九页，共五十六页1.5.2 逆变电路逆变电路本讲稿第五十页，共五十六页1三相逆变桥电路作用：由VI1VI6组成，把直流电转换成三相交流电2 反向二极管的作用图 1 一 34 中，每个 IGBT 旁边，都反并联一个二极管（vD7-vD12)，也叫续流电路，功能是：（）这电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路；（）当频率下降，从而同步转速下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路；（）为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路本讲稿第五十一页，共五十六页附：电动机状态的工况：假设电动机带动一个附：电动机状态的工况：假设电动机带动一个起
16、升机构向下运行，如图起升机构向下运行，如图 l 一一 35a 所示。当所示。当吊钩处于空钩状态时，吊钩的自身重量不足以吊钩处于空钩状态时，吊钩的自身重量不足以向下运行，必须由电动机来带动。故电动机处向下运行，必须由电动机来带动。故电动机处于电动状态。于电动状态。本讲稿第五十二页，共五十六页1.5.3 进一步认识主电路进一步认识主电路本讲稿第五十三页，共五十六页主电路全貌主电路全貌（1）输人电路：即从电源输入到变频器的电路，电压为电源电压 Us，电流即变频器的输入电流I s。（2）直流电路：即整流滤波后的电路，电压为 U D，电流为 ID。（3）输出电路：即从变频器输出到电动机的电路，如上所述，输出电压UMX的大小随输出频率 fx 的大小而变，输出电流 IM。则取决于电动机的负载轻重。本讲稿第五十四页，共五十六页 主电路外部接线的注意事项主电路外部接线的注意事项（1）输出端不允许接电源本讲稿第五十五页，共五十六页(2）输出端不能接电容本讲稿第五十六页，共五十六页