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1、第一章变频调速技术根本理论及有用性第一节 概述实际的生产过程中离不开电力传动。生产机械通过电动机的拖动来进展预定的生产方式。20 世纪 50 年月前，电动机运行的根本方式是转速不变的定速拖动。对于掌握精度要求不高以及无调速要求的很多场合，定速拖动根本能够满足生产要求。随着工业化进程的进展，对传动方式提出了可调速拖动的更高要求。用直流电动机可便利地进展调速，但直流电机体积大，造价高，并且无节能效果。而沟通电动机体积小、价柏低廉、运行性能优良、重量轻，因此对沟通电动机的调速具有重大的有用性。使用调速技术后，生产机械的掌握精度可大为提高，并能够较大幅度地捉高劳动生产率和产品质量，且对诸多生产过程实施
2、自动掌握。通过大量的理论争论和试验，人们生疏到：对沟通电动机进展调速掌握，不仅能使电力拖动系统具有格外优秀的掌握性能，而且在很多生产场合中，还具有格外显著的节能效果。鉴于此，沟通变频调速技术获得了迅这进展和广泛应用。自从 20 世纪 80 年月以来，沟通电动机变频调速技术在工业化国家已开头了规模化的应用。目前，国外很多优秀的变频调速系统和成套设备已大举进人 中国市场，如欧洲的ABB，德国的西门子，丹麦的丹佛思，日本的三肯、三菱、松下、富士、春日，法国的施耐德，韩国的三星、LG、九德松益，美国的罗宾康，英国的欧陆等变频器系列；这些国家的厂商除直接供给成套设备外，还有 良好的售后效劳。国内目前也生
3、产了几种变频调速设备，其质量可与国外的变频器产品相抗衡，如佳灵公司的佳灵变颁器、深圳华为公司的ENYDRIVE 变频器等。变频调速技术在我国的进展及应用经受了一个曲折的过程。虽然直流电动机具有优秀的调速性能，但同时也存在着一些难以抑制的问题，如：直流电动机故障率较高，在各种应用场合不节能。噪声大等。工业及民用建筑中大批量沟通电动机在定谏拖动机械运转的状况下，由于无法与实际的运行工况相匹配，处于低效率运行，造成电能的铺张较大。这些传动系统由于沟通电动机的定速拖动，不能使传动与拖动系统具有良好的掌握性能。为解决沟通电动机的调速问题，实行了一些措施，如：滑差离合器调速、异步电动机的变极调速、定子调压
4、调速、转子串电阻调速等。直到后来消灭了绕线式异步电动机的串极词速及变频调速。尤其是变频调速，其适合于任何种类的沟通电动机，前景宽阔，进展尤为快速。在变频调速技术进展的初期，由于电力半导体元件体积大、牢靠性差、造价高，导致调速设备也存在体积大、价格昂贵、牢靠性差的缺点。进人70 年月后，电力半导体技术、大规模集成电路技术都获得了长足的进展，计算机技术向掌握领域深深地渗运与融入，使变频调速技术快速地进展起来。高性能、高牢靠性的调速变频装置已大量地进入工业、生活领域。20 世纪 80 年月以前，由于国产的可控硅元件在安全性、牢靠性、大功率化方面都没有过关，极大地限制了国内变频调速技术的进展。直至80
5、 年月初，我国的可控硅生产制造技术才取得了实质性的重大进展，生产出了能够长时间稳定、牢靠、安全工作的大功率可控硅元件。1982 年我国首次使用核潜艇艇放射潜射远程火箭，使用的电力系统就是国产的可控硅元件。自此之后，使用国产元件研制出的性能较好的变频调速设备间续问世。从总体上看，我国在变频调速设备所用的元器件生产技术、成套设备的生产技术与国外先进水平相比，还有较大差距。信任在不久的将来，我国的变频调速技术及应用将赶上国际先进水平。与传统的调速技术加直流电动机调速相比，变频调速具有极大的优越性， 整个调速系统体积小，重量轻、掌握精度高、保护功能完善，工作安全牢靠、 操作过程简使、逅用性强，使传动掌
6、握系统具有很优良的性能。用变频碉速装 置驱动电动机去拖动风机、水泵及其他机械时，与常规的不调速电机拖动相比， 节能效果格外可观。几十年来工业领域应用的一些单项节能技求，其数量级一 般为几个百分点，而承受变频调速技术后，在泵类及机械类工作运行中，可产 生 3040的节能效果，使节能数量发生了飞跃。对企业和用户来讲，对定应拖动时电耗较高的机械或设备，迸行变频调速 技术改造，或直接变频调速拖动，经挤效益是显著的，回收投资期也是较短的。从变频调速技术在我国的普及应用方面的状况看，存在着相当多企业对应 用这项技术的意义、重要性生疏缺乏的现象，缘由在于对这项技求的有关根底 理论、应用状况不生疏。因此，通过
7、出版一些关子变频调速技本的通俗性读物、专著，持续性地撰写一些介绍该技术及应用的文章，对于推动我国企业中相关 工程技术人员更深入地了解变频调速技术及应用状况是很有好处的。工作原理异步电动机的同步转这遵从电机学根本关系0n =60f/pl1)式中 f电源交变频率，Hz，我国工业频率 f 为 5Hz， p 电机定子磁极对数。电机学中还常用转差率 s 参量，其定义为：snon/sl2)电机实际转速为：n(60f/p(1sl3)设定频率 f 不变调整电机定子硅极对数 p，即可使同步转违 n0 与实际转速n 得到词节，这就是变极对数调速的原理。2. 变极调速时的机械特性争论电机拖动时，依据的一个重要关系是
8、电动机的电磁转矩M 与转速n 之间的关系，这个关系叫电动机的机械特性抽绘成曲线时，叫机械特性曲线。当没有迸行调速时，电机的电磁转矩 M 与转速 n 的关系曲线见图 1.l。从该机械特性中可看出：电磁转矩在较大范围内变化时，对应的电机转速变化范围却较小。图 1l 中 s。为临界转差率，它与最大转矩M对应。最大转矩一般是额Max定转矩的 2 倍左右。图 l2 给出了变极对数时的机械特性曲线。极对数调至1 对队极、2 对极、3 对极时，在同样的转矩M 值下，转速不一样，用此方法实现了阶跃式调速。3. 变极调速的特点该方法具有以下特点；它属于有极调速，即跳变式调速；要实施变极调速， 须通过外接定子绕组
9、掌握线路的切换来完成。变极调速适用于绕线式异步电动机。二、定子电压调速一工作原理以调整定子绕组电压的方式实现电机转速变化。1. 开环调压调速掌握理论中，定义能够自动跟踪将输出反响回输入侧，进展自动有差词节的掌握为闭环掌握：输出与输入无反响关系，即下能进展自动调整的掌握方式称为开环掌握。在开环状态下，对定子电压进展调整，由于电动机电磁转矩M 与定子电压 U 的平方成正比，而转矩 M 又与转速 n 受机械特性关系约束，故调整定子绕组电压的同时，电机转速也得到了调整。1图 13 给出了开环调压调速的示意图。当电压由 U调至 U时，机械特性2曲线由变换为曲线，此时转速对应两个不同值。在实际拖动场合中，
10、负载性质往往不同，有恒转矩负载，如风机、水泵类等。当电机拖动绞车起吊重物时，由于负载重量W 恒定，对绞车形成的阻转矩是定值，故这类负载称为恒转矩负载。在对风机、水泵的拖动中，转矩与转速的平方成正比，即转速稍有增加，引起转矩的增加幅度很大。恒转矩负载特性与风机、水泵负载特性分别见图14 中的曲线与曲线。对恒转矩负载，调压调速意义不大，由图l5 可见；当定子电压由U1 变2换为 U 时，转速由特性曲线上的A 点变到B 点，调整范围太小，仅限AB 间一小段。对风机、水泵类负载，调压调速的范围相对恒转矩负载要大一些，见图 16，但在低速段，电机定子绕组功率因数低，此种方法也不经济。2. 闭环调压调速d
11、d闭环调压调速系统中，使用了测速发电机，转速 n 不同，测速发电机输出电压 U 不同，系统中设定一个参考电压 U ，将 U 与 U 比较，得差动电压U， 经放大器处理，送至触发电路，依据 U 掌握触发脉冲的发出时刻，对应不同的电压值输出，即实现闭环的调压调速。二调速特点由于开关元件的关断与开通，使定子电压、电流中存在幅度较高的高次谐波重量，对电网影响较大，且功率囵数较低。此调速方法仅适用于中小型电动机。三.转子串电阻调速1. 工作原理在绕线式沟通异步电动机的转子绕组中，接人阻值可调整的变阻器，转变其阻值实现调速。图 17 中，sE 为转子电动势有效值，转子绕组电路中的电2流即是转于电动势所引起
12、； sX为转子漏2电感，r 为转子电阻，R 为外接变阻器。2w转子绕组电路串电阻实现调速的过程是：增加电阻 R 时，转子电流 I 减小，w2电动机转矩下降，此时负载转矩大于电动机电磁转矩，电机转速下降，直到负载转矩等于电磁载矩时，电机才在较低的转速下运行。减小电阻R 时，电机转速上w升。2. 调速特点此调速方法的词速范围小，同时由于使用接入电阻的方式调速，造成附加的能耗损失。在调速过程中，当调电阻 R 使之增大时，转速下降，电磁转矩下w降，此时转子线路中转子电动势增加转子电动势 sE ，使转子电流增加并又2导致电磁转矩增大，进而使电磁转矩等于负载转矩，这一过程负载转矩值不变。因此，转子串电阻调
13、速方式仅适用于恒转炬负载，如吊车提升系统，且转子串 电阻调速的线路较简洁。这种调速方法仅能在绕线式电动机上使用。四、串极调速1. 工作原理绕线式电机转子等效电路见图 18。假设在转子绕组中再串入一个与转子电动势 sE2 同频率的附加电动势E,则电路见图 1-9。当串入的附加电动势极性与转子电动势同极性时，则转子电路中合2电动势数值增加，转子回路中的电流增大，电磁转矩增大，转速增加；当串人的附加电动势与转于电动势 sE 极性相反时，转子电路中的合电动势减小，转子回路电流减小，电磁转矩降低，转速减小。2. 实现串极调速的方法222串极调速过程如下：转子电路中，转于绕组电动势 sE 与外加电动势E
14、迭加， 由于 sE 是正弦电动势，因此要求附加电动势 E 也是正弦电动势并与 sE 有一样的频率，要做到这一点技术难度相当大，故通过大功率整流元件将正弦转子电动势变为直流，而附加电动势也是直流电动势，但附加电动势是由可控硅可控整流，通过掌握可控硅开通关断时间，来调整附加电动势的平均值，即掌握了转子电路中的总电动势，这样通过调整总电动势来调整转子电流，进而掌握电动机的转速。TO实现串级调速的原理电路见图l10。图中 L 为平波电抗器，皿为绕线式异步电动机，E为逆变变压器。R 为整流器。I 为逆变器。2转子转差电动势 sE 经三相整流桥R 整流为直流电压 Ud，再由三相逆变器ddI 将直流功率 U
15、I 回馈给电网。平波电抗器 L 的作用是平抑直流电流 I的脉动。d逆变变压器的作用是使逆变器输出的沟通电压回馈给沟通电网。三.高功率因数串级调速系统近年来，消灭了一种高功率因数串极词速系统，它承受了方脉冲触发可控硅通断的工作方式，较好地改进了传统的串级调速系统的一些固有缺点。4. 串极调速评价（1） 优点是调速性能好。当电动机减速时，转子电路中的电能将通过逆变器馈回电冈，使减速过程中的机械能转化成电能，无损失地送回电网。因此， 这种调速方式节能效果较为显著。（2） 缺点。由于串级调速系统使用了较多的开关元件与电网耦合连接，系统中高次谐波窜入电网较严峻；另外，系统功率因数低。5. 适用范围串级调
16、速系统仅适用于绕线式异步电动机。第三节 变频调速及系统一、变频调速工作原理前面列出了电机学的一个根本公式n。60f/p式中电动机定子绕组的磁极对数 p 肯定，转变电源频率 f，即可转变电动机同步转速。异步电动机的实际转速总低于同步转速。而且随着同步转速而变化。电源频率憎加，同步转速n0 增加，实际转速也增加；电源频率下降，电机转速也下降，这种通过转变电源频率实现的速度调整过程称为变频调速。在工程中，鼠笼式电动机在电动机总数量中占主导局部。因此，对鼠笼式电动机的调速掌握成为建筑领域中电机调速的主要局部。在变频调速技术中， 向电动机供给频率可变的电源并掌握电动机的转这是由变频器完成的。变频器VVV
17、F是 Variable Voltage Variable Frequency等英文字头的缩写意思是变压变频器。二、调速掌握方式其掌握方式根本上有以下 3 种。1. 电源频率低于工频范围调整电源的工频频率在我国即 50Hz。电机定子绕组内的感应电动势公式为E = 4.44 f WRF(1-4)11W 11WR式中电机定子绕组匝数的常数；w1绕组系数； 电机每极磁通。11定子电压 U1 与定子绕组感应电动势 E的关系为U1=E1+I1Z115)式中 Z1 定子绕组每相阻抗；I1定子绕组相电流。假设无视定子压降 IZ ，则U 4.44 f WRF ，把该式整理成1111W 11EKf=(1-6111
18、1W1K=4.44f WR(1-71l1则 U /Kf18U ff电动机的电磁转矩M 与 / 2 成正比，假设下调电源频率 ，同时也下调111UU f，使 / 比值保持为恒量，则磁通不变，因此，转矩也保持常值，此1111时电动机拖动负载的力量不发生转变，这种掌握方式称为恒磁通调压调频调速， 也叫恒转矩调速。2. 电源频率高于工频范围调整f由于使电源频率1增加， /Uf11变小，而U1不能高于额定电压，在该掌握方U式中，保持不变。由于频率变高，由式18知道，定于磁通变小，11电磁转短 M 也变小，但电源频率增加导致电动机转速 n 增加，设电动机转动角速度 2n。电机的功率 P 是电磁转矩M 与角
19、速度 的乘积PM 19调整过程中，使频率 f 与转矩的变化呈肯定协调关系，从而保持电机功率 P 为恒量，即功率不发生变化，这种升频定压调速称为恒功率调速。3. 转差频率掌握三相异步电动机中，定子与转子之间的圆周空隙内有一旋转磁场，转速为0n ，电机转子实际转速为 n，n。n是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。Uf对频率、电压并行协调掌握，使/11不变，此时，磁通1也不变，在不变1的条件下，电磁转矩 M 与n。n2 成正比。对频率 f 进展调整，即调整了n。n，因此，在实现转速调整时也实现了转矩的调整。三、恒转炬与恒功率调速机械特性如前所述，保待磁通1 不变，调频调压，同时使U1/f1 为常数，
20、并且频率在低于工频的范围变化，这种调速方式称为恒转矩调速。恒转矩状况下，电机转速 n 与电磁转矩之关系即机械特性见图 111。A、B、C3 点处对应 3 个转速nnnAB、 、 C，但转矩相等。电源频率大于工频时的恒功率调速的机械特性如图 112 所示。四、变频调速核心没备变频器鼠笼型异步电动机的定子承受变频电源共电构成的变频调速系统是具有高效率和高性能的调速系统。通过转变定子供电频率，电机转速可得到宽范围的无极调整。对定子电压或电源以及频率按肯定规律进展协调掌握，可提高传动系统的运行特性。通过掌握转差率 n0n/n，电机可获得较抱负的快速响应特性。一旦承受闭环掌握系统，整个拖动及传动系统可获
21、得高精度及优良的传动特性。给电动机定子供给频率可变电源的设备就是变频器，变颁器是变频调速系 统的核心局部。变频器与电动机完善的掌握协作构成了性能优良的变频调速系 统。为分析变颁器的工作状况，下面给出异步电动机工作运行的一些必要学问。一异步电动机的特性由于异步电机中转子转速低于气隙旋转磁场的旋转速度即同步转速，故在转子回路中，将产生转差电动势该电动势产生转子电流，转子电流与旋转磁杨相互作用产生电磁转矩。1. 工频电源向异步电动机供电用工频 50Hz 电源给异步机供电，驱动电机运行时。下面给出转矩 M与转速 n 之间的关系见图 l13。从图中看出， 当转速与转矩反向时，电动机处于制动区；当转矩与转
22、速同向时，电动机处于电动区，当速皮高于同步转速后，电动机进入发电区，此时，转矩为负。定子电流 I1 与转速的关系如图 114 所示。工频电源供电时，电机转速从 0 开头增加，转矩也增加。到达最大转矩后， 又开头下降，在下降段与随速度增加而单调增加的负载转矩曲线相交，相交点 是稳定点。此时，电磁转矩与负载转矩平衡，电机稳定运行。留意上图中转矩特性 M 和 n 的关系，就是前面讲的机械特性，机械特性曲线中；转速 n 为纵坐标表示，电磁转矩M 为横坐标表示，上图把两个坐标挨次对调了。2. 用变频器给电动机供电下面我们争论用变频器给电动机供电时， 机械特性的变化状况。给出频率11在 1050Hz 时的
23、机械特性曲线，如图 l16 所示。留意，这组 特性是在 U /f 为常数条件下作出的即定子电压 U1 与电流频率 f1 的比值保持不变时作出的。11从图中看出，在 U /f 常数条件下，调整 f1 使转速得到调整，有一点很重要：在低速区即低频供电区，电磁转矩明显较正常速度下的转矩值小，假设这样，会消灭的后果是：在低速区，电机拖动转矩小。消灭这个问题是由于电机定子电压U1 是定子绕组感应电动势E1 与定子阻抗压降之和，当频率较低时，定子阻抗电压相对 干定子电压不能无视，造成转矩值下降。 解决这一问题的方法是承受端电压补偿， 可补常低频区或低速区时转矩损失，于是，得出用变频器供电时，电机的转矩特性
24、随频率而变的规律如图117 所示。变频器是介于电源与电动机之间的，电压与频率可调变的供电环节如图 l18 所示。二电压型逆变器与电流型逆变器从逆变器的主回路上看，假设主回路等效于电压源供电，再把电源的直流量通过开关及掌握元件，转化成沟通输出，这样的逆变器称为电压型逆变器。主回路等效于电流源供电，开关元件将其转换为沟通输出，这种类型的逆变器叫电流型逆变器。1. 电压型逆变器在分析变频器驱动异步电动 机运行时，常用到异步电动机的筒化等效电路，如图 119 所示。图I&I&中， 1 为定子电流， 2 为转子电流，1eI& 为励磁电流，U& 为定子电压，12由于分析根本是正弦规律，故电压、电流诸量均使
25、用复数。r 为定子电阻，r 为转子电阻，L 为定子与转子l的漏感之和，x 为励磁电感。e 为电动机反el2电动势，它用来与外加电压平衡。当无视励磁电流 I& 和定、转子电阻 r 、r 后，更简化的异步机等效电路见图l20。下面再来看电压型逆变器的图 121 及图l22。l23逆变器中的开关元件等效于开关，如开关 s 、s 、s 、s ，E4d为供电直流电压源。开关动作随时间变化的彼形为图 122a、b，对应ab的 U波形见图 122c。dd从波形图 122c、d中可看出：0t0时间段内，I 与 E 同方向，ddt0t1时间段内，I 与 E 反方向由电路原理可知，当某段电路电压与电流同向时，电功
26、率为正，该段电路吸取功率；当电压与电流反向时，电功率为负， 该段电路放出功率。从波形图可看出，逆变器工作时，既能吸取功率又能向外 馈送功率，在变频调速技术中，逆变器一般是向电网回馈功率。2. 电流型逆变器假设逆变器的主回路等效于电流源供电，再将电流源的直流量通过掌握开关元件变换为沟通输出，这样的逆变器叫电流型逆变器。图 123 为电流型逆变器的分析简图，图中用更简化的异步电动机等效电路代替异步电动机。在此，用单相的状况进展分折，三相异步机是对称三相电路，所以单相的状况自然地适用于三相状况。4 个开关元件的通断图及有关波形囹见图 124。dcd1E =U ，当时间趋近于 t 时刻时， S3、S4
27、 突然闭合，电流的实际方向由原来的自A 流向B 突然改为自B 流向A，发生电流突变，而电感上要抑制这个电流跳变，由Le Ldi/dt1知道，在 t 时刻，Ed 电压中含有了一个上跳尖脉冲，见图 124d。比较图 124c、d看到有一时间段oABd0t ，电流流 I 与 E 反向，此时负载功率为负，即负载向电冈回馈功率。在电流型逆变器中，用晶闸管作开关元件，使用了平滑电抗器，使之具有很强的抑制电流波动的力量，形成等效的电流源，而电压型逆变器中使用了大容量电容，抑制电压脉动，形成等效的电压源。三逆变器主回路的掌握方式逆变器的掌握方式分两种：电压掌握及电流掌握。与输出频率成比例地掌握输出电压，协调掌
28、握电压及频率，这一掌握方式叫电压掌握。当某些掌握场合，需要电机具有快速响应特性，此时可承受电流掌握方式。1. 电压掌握变频器中有一局部电路叫变流器，进展电流变换，还有一局部就是逆变器， 即把直流电量变换为沟通电量，输送给异步电动机。在电压掌握方式中，不管 逆变器承受晶闸管还是晶体瞥GTO 作主开关元件的逆变器,都在逆变器局部对电压及频率进展掌握。有些状况下，可在变流器局部掌握电压，在逆变器局部 掌握频率。2. 电流掌握 在电流掌握这种方式中，一般在变流器局部掌握电流，在逆变器局部掌握频率。四PAM 与PWM 输出掌握方式输出电压与输出电流的掌握手段有PAM 与 PWM 方式。1.PAM 掌握方
29、式PAM 是英文，Pulse Amplitude Modulation 的缩写意即脉冲幅度调整。PAM是转变电压源幅值Ed 或电流源幅值Id 的一种掌握输出方式。2.PWM 掌握方式PWM 是Pulse Width Modulation 的缩写，意即脉宽词节。PWM 掌握方式是输出波形的半个周期内发生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，使输出的波形含各次偕波成分少。这种掌握方式可用图 125 形象地说明。从图 1 25 中看到，当信号值大于三角调制波时，S1、S2 开关元件同步开通闭合，当信号恒小于三角调制波时，S3、S4同步闭合，输出Ed 电压。输出正负相间，幅值为Ed 的波形等效于信号
30、波。留意，以上分析是指电压词节过程而言的。(五逆变器构成的有关学问1. 用于逆变器主回路的开关元件常用于逆变器主回路中的开关元件有：晶闸管、可关断晶闸管GID、电力晶体管、电力场效应管等。晶闸管的导通用门极电流触发，假设要关断，须使正向阳极电流减小到维持 电流以下，或在阴极与阳极间加反向电压强行关断，晶闸管容量可以做得很大， 大容量逆变器中应用较多。可关断晶闸管GTO 也叫门极关断晶闸管，即用门极反向电流来关断GTO，有自关断力量。电力晶体管指达林顿连接的双极型晶体管，即常说的复合管构成方式。由于承受复合管连接方式，可将晶体管的工作电流做得很大，并仍可以较小的基极电流掌握主电路的通断。用电力晶
31、体管作主开关元件的逆变器，效率可以很高。电力场效应管是依据门极电压的电场效应掌握通断的单极晶体管，有自关断力量，但容量较小。2. 逆变器构成 构成框图见图 126。3. 逆变器的主回路为异步电动机供给调压调频电源 的电路叫逆变器主回路。主回路由三 局部构成：将50Hz 沟通电转换为直流 的变流器；吸取由变流器出来的直流 电量中脉冲成分的滤波器；将直流电 量再转换为沟通电量输出的逆变器。变流器是一个“交变直”的整流桥滤波器是一个L、C 混联的脉动成分吸取器。逆变器局部是“直变交的电量变换局部。4. 逆变器的掌握回路掌握回路包括以下郡分：运算单元、驱动单元、保护单元、电压和电流检测单元、速度检测单
32、元。由图 126 可见，掌握回路的作用是向主回路供给和发出掌握指令信号，掌握主回路进展调频、调压后，为异步电动机供电。当掌握回路中的速度检测单元不工作时，在回路的输出路径上没有速度检测量反响给系统，此时称系统工作在开环状态。当速度检测单元工作，速度检测量反响回系统，进而准确掌握速度，称调速系统工作在闭环状态。将电机速度，转矩及系统中有关电压、电流检测量送到运算单元，与设定参考值比较，依据肯定协调规律来掌握频率、电压。主回路开关元件需要掌握信号指令去导通与关断，驱动单元即供给这样的掌握指令。为使系统主回路及整个逆变器和调速系统不因过载、过流而损坏，设置了自动保护单元，在电路消灭上述故障时，能针对
33、整个系统进展安全保护，或停机或自动消退或减轻过载、过流、过压等。5. 逆变器的保护回路逆变器的保护回路即前面讲过的保护单元。保护回路有两大功能：对逆变器进展保护和对异步电动机进展保护。（1） 对逆变器的保护功能如下：1） 过载保护：逆变器输出电流超过额定值，并在额定值以上连续流通超过规定时间，这种状况叫过载。消灭过载时，保护环节动作，防止逆变器元件等损坏。2） 瞬时过流保护：当逆变器负载侧发生特别，如短路或电流特别，该保护环节马上停顿逆变器的工作，实现保护。3） 再生过电压保护：当逆变器掌握电机快速减速时，系统会将一都分机械能转换成的电能回馈电网，这样就导致直流电路电压上升并可能超过规定值，
34、保护环节动作，使逆变器停顿工作或瞬间停顿连续减速，来进展过电压保护。4） 瞬时停电保护：极短时间如几个毫秒内的停电，掌握回路还能正常工作，但停电时间再长一些，掌握回路就会发生误操作，词速系统工作会消灭问题，应马上迸行保护。5） 冷却风机特别保护：当冷却风机特别时，如不实行措施，时间一长，被风冷局部将发生热损坏，所以当冷却风机特别时，保护环节动作，切断相应电源，使逆变器停顿工作。（2） 保护回路对异步电动机设有以下保护功能；过载保护；超速保护；防失速过电流保护；防止失速再生过电压保护。6. 微机在逆变器中的使用现在的变频调速系统普遍地使用微机或单片机。由于微机的使用，变频调 速系统的自动化程度大
35、大提高，同时操柞筒易程度提高。启动挨次与停车挨次、保护挨次、运算挨次及掌握指令发出挨次、掌握参数设定，都可由微机自动进 行。使用微机带来的优点是；调试简洁；可进展故障自诊断；实现人机对话。五、典型变频器主回路构成方式一晶体管晶体管包括晶体二极管和晶体三极管。电力半导体技术的进展使得晶体管生产工艺技术不断得到改进，现已能生产额定电压 1000V，额定电流 300A，容量为几百个千伏安的电力晶体管，并已模块化。现代的电力晶体管以高耐压、大电流、高电流放大倍数为特征，使其在变倾调速技术中扮演越来越重要的角色，晶体管逆变器取代以晶闸管作开关元件的晶闸管逆变器已成为一个进展趋势。1. 晶体管逆变器主回路
36、及波形晶体管逆变器主回路如图 127 所示，逆变器主回路中， VT1VT6 是主开关元件， V1V6 是全桥整流电路中的二极管V7V12 这 6 个二极管称做续流二极管，作用是消退三极管开关过程中消灭的尖峰电压，并将能量反响给电 源；L 为平波电抗器，作用是抑制整流桥输出侧输出的直流电流的脉动使之平沿。三极管 VT1VT6 的开关状态由基极注入的电流掌握信号来确定。2. 电路优点（1） 不需换流回路，可做到体积小、效率高。（2） 工作时，开关频率可做得很高。在高频逆变器及脉宽调整型逆变器PWM中，晶体管逆变器是主要电路形式。（3） 一旦有过电流、短路发生，可自动关断基极掌握电流来实现逆变器回路
37、的自关断。(4)可实现高功率因数运行。二门极关断晶闸管GTOGTO 与通常所说的晶闸管略有不同。当门极注入反向掌握电流后，晶闸管自行关断，而通常的晶闸管要关断须使流通电流小于关断电流，这就要求有换 流回路，而 GTO 不需要换流回路。GTO 与电力晶体管相比，有耐压高、容量大、可流通电流大的特点，对于大容量变频器，开关元件承受GTO 的较多。MNlGTO 逆变器主回路见回l28。在GTO 逆变器主回路中V1V6 组成三相全桥整流，MN 两点电压U 是一个全波直流脉动电压；L 为电抗器，抑制主回路中直流电流的波浪因数即抑制脉动；C 为大容量滤波电容，作用是平滑整流桥输出的脉动电压；二极管 VR
38、与电抗L 的作用是：L 为限流电抗，当负载短路导致流经GTO开关元件的电流快速大幅度增加时，L 限制电流不超过关断电流以保持GTO 能随时受控关断，VR 为续流二极管，抑制 GTO 关断时两端的电压，为L 供给放电回略。每路GTO 都并联了二极管、电容、电阻，作用是吸取浪涌电流并保护GTO 不受过电压损伤。6 只GTO 元件承受电压与流通电流的关系都一样，仅彼此之间有固定的相位差， 而 GTO 的门极电压及电流由掌握回路给出。图l29 和图l30 给出了UMN波形 GTO 的电压。电流波形，GTO 门极掌握信号波形。2GTO 元件特别适合用于高耐压、大电流、大容量场合；GTO 可实现自关断可使
39、主回路简洁，并使整个装置更加小型化、重量轻、效率高； 掌握性能高于晶闸管同 类装置。三电压型晶闸管逆变器所谓电压型逆变器是指逆变器对于电动机来讲，相当于一个电压源，换流过程发生在逆变器内部，这种逆变器适合任何种类的负载。晶闸管的进展方向也是大容量化，同时要求高牢靠性化，随着电力电子技本的进展，晶间管的工作牢靠性已经很高了，容量也越来越大，l976 年实现了 10MVA 级的电压型晶闸管逆变器。l.电压型晶闸管逆变器主回路及波形图主回路及波形见 131.其中VK1VK6 组成了全拽三相整流桥；L1 为平彼电抗器；C1 为滤波电容；6 路开关元件为TA1 TA6 为关心晶闸管；V1V6 是反响二极
40、管； C2 与 C3 为换流电容；LU、LV、LW 起平抑电流脉动的作用，可向右侧逆变器开关元件供给连续性电流，而6 个主晶闸管是依次轮番导通的。U、V、W 是 3 个沟通输出端，向负载供给频率、电压可词控的沟通电压及电流，不过这沟通电压、电流不是正弦型而是趋正弦型的。图 132 给出一组波形图。g1g2g66 只主晶闸管的向极触发信号电压波形为U，U，.，U；输出端 U、V、W 的相电压波形为U 、U 、U， U 与V 端子的线电压为U，类似地有 U、U线电压。WU2电路优点UVWUVVW1该电路可承受多重单元并列化，并通过一个大容量耦合变压器将诸并列单元供给的能量耦合集中输出，形成大容量，
41、当承受多重并列化后，不仅容量可大幅度增加，而且输出电压、电流波形更接近正弦波型了。（2） 电压型逆变器的通用性很强，可驱动备种不同性质的负载。轴助电源可增加换流力量，使过负载容量增大。电压型晶闸管逆变器，由于通用性强，特别适合于一套变频设备同时带动多台负载甚至是性质备异的负载的状况。四电流型晶闸管逆变器电流型晶闸管逆变器属电流源性供电装置，因此，限制电流简洁，适合各种对电机进展频繁加速、减速操作的场合。1. 主回路与波形图l33 中整流局部承受三相全控桥，经平波电杭器L 为TW1TW6 主晶闸管供给电流。每个主晶闸管间承受线量接法接入的电容器叫换流电容器作用系帮助主晶闸管正常换流。当负载程度变
42、化大，负载较重时，为使主晶闸管工作换流稳定，可附加一个限幅电路。有了限幅回路后，换流过程中消灭的电动机端电压浪涌可被吸取并由此环节经变压器T 将能量回馈给电源。在过载容量小和负载变化范围不大时，则没有必要再附加这样一套限幅回路了。2. PWM 调制方式的电流型晶闸管逆变器为改善逆变器对电动机掌握性能，如：尽量抑制与消退逆变器输出电流的非正弦波而引起电动机的高频转矩脉动；使电机在低速状态下也能牢靠工作； 改善输出波形，此时可承受脉宽词制即PWM 方式。3 优点及应用场合由于晶闸管制造工艺技术水平的大大提高，使用高耐压的晶闸管可制造大容量的逆变器，承受脉宽调制PWM掌握方式，低速区调速性能也很优异
43、。电流型晶闸管逆变器适合于加、减速频繁且速度变化率大的掌握场合，如钢铁、造纸行业的变速掌握。五斩波PAM 逆变器与电源反响逆变器l.斩波PAM 逆变器在脉宽调制PWM掌握方式中，对应一个正弦输出包络，开关元件的开关频率多达几十次，对于一些高速及超高速运用的电动机，要求变颇器输出较高频率，如 300Hz400Hz，此时承受PWM 调制方式，开关元件的开关频率可能高达几千甚至上万赫，因此，这样高的开关频率对于 PWM 调制不再适宜。可承受斩波 PAM 掌握方式的逆变器。图 134 示出了典型斩波PAM 逆变器的主控回路。2电源反响逆变器在很多电机制动、启动频繁的场合，电机耗能状况随制动、启动过程而不同，启动时，逆变器向电机捉供电能，制动时，电机存贮的机械能需要再转变成电能回馈给电源，避开了制动过程的能量损失，具有良好的节能效果，电源反响逆变器就具有这样的作用。电源反响逆变器主回路如囹l34 所示。图中V1V6 构成变流器，VT7VT12 为逆变器；T 为反响变压器，通过反响变压器，电机制动过程中的电能能馈送回电源。六、异步电动机变频调速原则电机与拖动理论中，电动机定子电动势凤为E = 4.44 f W KFl1011111式中 f1定子电源频率；W1定子每相绕组总匝数；