變頻器技術(shù)及應(yīng)用

1、變頻器技術(shù)及應(yīng)用變頻器技術(shù)及應(yīng)用第第1章章 變頻器的主電路變頻器的主電路11 三相交流異步電動機簡介三相交流異步電動機簡介v111三相交流異步電動機的構(gòu)造和原理三相交流異步電動機的構(gòu)造和原理1籠形轉(zhuǎn)子異步電動機籠形轉(zhuǎn)子異步電動機 圖11籠形轉(zhuǎn)子異步電動機的構(gòu)造a）外形b）定子c）轉(zhuǎn)子（短路繞組）11 三相交流異步電動機簡介三相交流異步電動機簡介2繞線轉(zhuǎn)子異步電動機繞線轉(zhuǎn)子異步電動機 圖12繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的構(gòu)造a）外形與接線b）轉(zhuǎn)子繞組11 三相交流異步電動機簡介三相交流異步電動機簡介3旋轉(zhuǎn)原理旋轉(zhuǎn)原理圖13三相交流異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理a）三相交變電流b）三相繞組c）旋轉(zhuǎn)原理11 三相交流異

2、步電動機簡介三相交流異步電動機簡介v4基本公式基本公式 n0同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。 n0pf60f電流的頻率；p磁極對數(shù)；nM轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。降低定子電壓 轉(zhuǎn)子串電阻 基頻向下調(diào)速 基頻向上調(diào)速 5.調(diào)速方法11 三相交流異步電動機簡介三相交流異步電動機簡介v112生產(chǎn)機械對無級調(diào)速的要求 圖13生產(chǎn)機械對無級調(diào)速的要求舉例隨著各種加工技術(shù)的不斷進步，許多生產(chǎn)機械對無級調(diào)速的要求也越來越迫切。以50年代龍門刨床刨臺的拖動系統(tǒng)為例，其拖動系統(tǒng)采用-(發(fā)電機-電動機組)調(diào)速系統(tǒng)，如圖所示。圖中，直接拖動刨臺的是直流電動機DM，DM由直流發(fā)電機G1提供電源，G1又由交流電動機AM來帶動，AM在帶動G

3、1的同時，還帶動一臺勵磁發(fā)電機G2。G2發(fā)出的電，一方面為DM和G1提供勵磁電流，同時也為控制電路提供電源。除此以外，為了改善DM的機械特性，還采用了一臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴的交磁放大機DMA?？梢?，為了實現(xiàn)無級調(diào)速，簡直已經(jīng)到了不惜工本的地步。這充分說明了:生產(chǎn)機械對電動機進行無級調(diào)速的要求是多么地迫切！11 三相交流異步電動機簡介三相交流異步電動機簡介v113變頻可以無級調(diào)速 圖14變頻可以調(diào)速設(shè)2p4，則：fX050Hzn001500rmin nM01440 rmin12電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程 v121電動機從電網(wǎng)取用電功率時的作功過程電動機從電網(wǎng)取用電功

4、率時的作功過程 1能量的載體能量的載體電動機的定子電路電動機的定子電路 圖15定子取用電功率的電路a）定子繞組b）三相電路示意圖c）單相電路示意圖d）繞組的電動勢12電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程v2作功要點作功要點 作用的一方：電源電壓U1 反作用的一方：定子繞組的反電動勢E1 作功的標(biāo)志：電路內(nèi)有電流I112電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程3定子繞組的等效電路與電動勢平衡方程定子繞組的等效電路與電動勢平衡方程圖16定子繞組的等效電路a）主磁通和漏磁通b）等效電路與電動勢平衡12電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程122轉(zhuǎn)

5、子從定子側(cè)吸收能量的作功過程轉(zhuǎn)子從定子側(cè)吸收能量的作功過程圖17異步電動機的磁路a）定子電流的合成磁場b）定子磁動勢c）轉(zhuǎn)子磁動勢的去磁作用v2作功要點作功要點作用的一方：定子繞組的磁動勢I1N1反作用的一方：轉(zhuǎn)子繞組的磁動勢I2N1作功的標(biāo)志：磁路內(nèi)有磁通112電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程12電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程v3轉(zhuǎn)子的等效電路轉(zhuǎn)子的等效電路圖18轉(zhuǎn)子的等效電路a）籠形轉(zhuǎn)子b）轉(zhuǎn)子電路c）等效轉(zhuǎn)子d）等效靜轉(zhuǎn)子e）輸出機械能f）一相等效電路12電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程v4磁動勢的平衡磁動勢的平衡

6、 圖19磁動勢的平衡a）磁動勢的平衡b）電流平衡c）電流矢量圖12電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程v123負載得到機械能時的作功過程負載得到機械能時的作功過程 1能量的載體能量的載體機械的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)機械的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)圖110拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡12電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程v2作功要點作功要點作用的一方：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TMKTI2 1cos2反作用的一方 ：負載的阻轉(zhuǎn)矩TL作功的標(biāo)志：拖動系統(tǒng)以一定的轉(zhuǎn)速nM（nL）運行12電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程電動機在能量轉(zhuǎn)換中的作功過程v124小結(jié)小結(jié)圖111能量傳遞小結(jié) v131交直交變頻器的結(jié)構(gòu)與原

7、理交直交變頻器的結(jié)構(gòu)與原理 1基本框圖基本框圖圖112 交直交變頻器框圖v2單相逆變橋單相逆變橋圖113 單相逆變橋原理a）單相逆變橋電路b）負載所得電壓波形v3三相逆變橋三相逆變橋圖114 三相逆變橋a）三相逆變電路b）輸出電壓波形v132逆變器件的條件與發(fā)展逆變器件的條件與發(fā)展 1逆變器件的條件逆變器件的條件 圖115 逆變器件承受的電壓和電流（1）能承受足夠大的電壓和電流。（2）允許長時間頻繁地接通和關(guān)斷。（3）接通和關(guān)斷的控制必須十分方便。 v2逆變器件的發(fā)展逆變器件的發(fā)展（1）起步始于晶閘管 圖116SCR逆變）逆變電路 ）電壓波形 ）電流波形小電流塑封式小電流塑封式小電流螺旋式小電

8、流螺旋式大電流螺旋式大電流螺旋式大電流平板式大電流平板式圖形符號圖形符號（2）普及歸功GTR（） 圖117GTR逆變）逆變電路 ）電壓波形 ）電流波形AKGGTR特點1.輸出電壓 可以采用脈寬調(diào)制方式，故輸出電壓為幅值等于直流電壓的強脈沖序列，如圖(b)所示。2.載波頻率 由于GTR的開通和關(guān)斷時間較長，故允許的載波頻率較低，大部分變頻器的上限載波頻率約為1.21.5kHz左右。3.電流波形 因為載波頻率較低，故電流的高次諧波成分較大，如圖1-17(c)所示。這些高次諧波電流將在硅鋼片中形成渦流，并使硅鋼片相互間因產(chǎn)生電磁力而振動，并產(chǎn)生噪音。又因為載波頻率處于人耳對聲音較為敏感的區(qū)域，故電動

9、機的電磁噪音較強。4.輸出轉(zhuǎn)矩 因為電流中高次諧波的成分較大，故在50Hz時，電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩與工頻運行時相比，略有減小。（3）提高全靠IGBT（）圖118 IGBT逆變）逆變電路 ）電壓波形 ）電流波形IGBT變頻器的主要特點1.電流波形大為改善 載波頻率高的結(jié)果是電流的諧波成分減小，電流波形十分接近于正弦波，如圖1-18(c)所示，故電磁噪聲減小，而電動機的轉(zhuǎn)矩則增大。2.功耗減小 由于IGBT的驅(qū)動電路取用電流小，幾乎不消耗功率。3. 瞬間停電可以不停機 這是因為，IGBT的柵極電流極小，停電后，柵極控制電壓衰減較慢，IGBT管不會立即進入放大狀態(tài)。故在瞬間停電或變頻器因誤動作而跳閘

10、后，允許自動重合閘，而可以不必跳閘，從而增強了對常見故障的自處理能力。 可以說，IGBT為變頻調(diào)速的迅速普及和進一步提高奠定了基礎(chǔ)。結(jié)論:期待百年的最根本的關(guān)鍵是:直到20世紀(jì)80年代，才出現(xiàn)了符合要求的開關(guān)器件。 14變頻器的輸出電壓與頻率變頻器的輸出電壓與頻率v141變頻調(diào)速出現(xiàn)的新問題變頻調(diào)速出現(xiàn)的新問題 1頻率下降時的能量變化頻率下降時的能量變化 變頻調(diào)速出現(xiàn)了一個新問題:當(dāng)頻率下降時，電動機的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的下降而下降，但輸入功率和頻率之間卻并無直接關(guān)系。于是在輸入和輸出功率之間將出現(xiàn)能量的失衡，這種失衡必將反映在傳遞能量的磁路中。所以，要說清楚變頻變壓的問題，必須從電動機的能量傳

11、遞環(huán)節(jié)入手。 圖119頻率下降出現(xiàn)的新問題v2磁路飽和的結(jié)果磁路飽和的結(jié)果 圖120勵磁電流和飽和程度的關(guān)系a）簡單磁路b）磁路在不飽和段c）磁路在深度飽和段TMKT1 I2cos2 (1) 磁通減小的后果電動機的電磁轉(zhuǎn)矩將達不到額定值，從而使帶負載能力下降。(2) 磁通增大的后果勵磁電流的波形將發(fā)生嚴(yán)重的畸變，是一個峰值很高的尖峰波。即使磁通增加不多，勵磁電流的峰值也會增加得很大。v3保持磁通不變的途徑保持磁通不變的途徑 （1）從能量角度看圖121保持磁通不變的途徑a）頻率下降的結(jié)果b）變頻也要變壓14變頻器的輸出電壓與頻率變頻器的輸出電壓與頻率（2）從電動勢的角度看 14變頻器的輸出電壓與

12、頻率變頻器的輸出電壓與頻率（3）頻率和電壓的調(diào)節(jié)比14變頻器的輸出電壓與頻率變頻器的輸出電壓與頻率14變頻器的輸出電壓與頻率變頻器的輸出電壓與頻率v142變頻又變壓的具體方法變頻又變壓的具體方法 1.PAM方式方式 脈沖幅值調(diào)節(jié)方式（Pulse Amplitude Modulation）由于PAM調(diào)制的結(jié)果是使逆變后的脈沖幅度下降，故稱之為脈幅調(diào)制。 實施PAM的線路比較復(fù)雜，因為要同時控制整流和逆變兩個部分。并且晶閘管整流后直流電壓的平均值并不和移相角成線性關(guān)系，也使兩個部分之間的協(xié)調(diào)比較困難。 14變頻器的輸出電壓與頻率變頻器的輸出電壓與頻率v142變頻又變壓的具體方法變頻又變壓的具體方法

13、 1（脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制 Pulse Width Modulation ）圖122 脈寬調(diào)制a）電路框圖b）頻率較高c）頻率較低將變頻器輸出波的每半個周期分割成許多個脈沖，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度和脈沖周期之間的“占空比”來調(diào)節(jié)平均電壓 。PWM的優(yōu)點是不必控制直流側(cè)，因而大大簡化了電路。經(jīng)PAM和PWM調(diào)制后，所得到的電動機電流的諧波分量將是很大的。 14變頻器的輸出電壓與頻率變頻器的輸出電壓與頻率v2正弦脈寬調(diào)制（）正弦脈寬調(diào)制（） Sinusoidal Pulse Width Modulation圖123 正弦脈寬調(diào)制a）電壓波形b）電流波形如果脈沖寬度和占空比的大小按正弦規(guī)律分布的話，便是正弦

14、脈寬調(diào)制(SPWM)，如圖所示。當(dāng)正弦量較小時，脈沖的占空比也較小;反之，當(dāng)正弦量為振幅值時，脈沖的占空比也較大。 SPWM的顯著優(yōu)點是:由于電動機的繞組具有電感性，因此，盡管電壓是由一系列的脈沖構(gòu)成的，但通入電動機的電流卻十分逼近于正弦波， 14變頻器的輸出電壓與頻率變頻器的輸出電壓與頻率3正弦脈寬調(diào)制的實現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制的實現(xiàn) （1）單極性調(diào)制 單極性調(diào)制的特點是，三角波是單極性的 圖124 單極性脈寬調(diào)制1.正弦波的頻率隨給定頻率而變;三角波的頻率原則上也跟著一起變化，但變化規(guī)律在不同品牌的變頻器中不盡相同。2. 正弦波的振幅按比值U1X/fX和給定頻率fX同時變化;三角波的振幅則不變。圖

15、中，當(dāng)u1X的振幅值較大時，所得到的脈寬調(diào)制波如圖所示;而當(dāng)u1X的振幅值較小時，所得到的脈寬調(diào)制波如圖所示。14變頻器的輸出電壓與頻率變頻器的輸出電壓與頻率（2）雙極性調(diào)制圖125 雙極性脈寬調(diào)制要具體地實施，必須實時地求出各相的正弦波與三角波的交點。它們的周期根據(jù)用戶的需要而隨時調(diào)整;并且，正弦波的振幅值也隨周期而變。只有在微機技術(shù)高度發(fā)達的條件下，才有可能在極短的時間內(nèi)實時地計算出正弦波與三角波的所有交點。并使逆變管按各交點所規(guī)定的時刻有序地導(dǎo)通和截止。這是近一百年中解決的第二個問題。 整流濾波有特點！整流濾波有特點！151整流與濾波電路整流與濾波電路 1濾波電容要均壓濾波電容要均壓圖1

16、27 整流及濾波電路 因為電解電容器的電容量有較大的離散性，故電容器組CF1和CF2的電容量常不能完全相等，這將導(dǎo)致它們承受的電壓UC1和UC2不相等，承受電壓較高的電容器組將容易損壞。為了使UC1和UC2相等，在CF1和CF2旁各并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻RC1和RC2，如圖所示。均壓原理如下: 假設(shè)CF1CF2，則UC1UC2。這時，CF2上的充電電流IR1必將大于CF1上的充電電流IR2，這樣，CF2上的電壓UC2有所上升，而CF1上的電壓UC1則有所下降，從而縮小了UC1和UC2的差異，使之趨向于平衡。151整流與濾波電路整流與濾波電路v2充電過程要限流充電過程要限流 圖128合上電源

17、時的充電過程a）直接充電b）加入限流電阻變頻器在接入電源之前，濾波電容CF上的直流電壓UD=0。因此，當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間，電源進線之間，猶如被短路了一般，使電源電壓瞬間下降而形成干擾。與此同時，將有一個很大的沖擊電流iC經(jīng)整流橋流向濾波電容，如圖 (a)所示，使整流橋可能因此而受到損害。為此，在整流橋和濾波電容器之間，接入一個限流電阻RL，把充電電流iC限制在一個較小的范圍內(nèi)，如圖 (b)所示，以消除剛接通電源時的沖擊。 限流電阻RL如果常時間接在電路內(nèi)，會影響直流電壓UD和變頻器輸出電壓的大小，同時，也增大了電路的損耗。所以，當(dāng)UD增大到一定程度時，必須把RL短路掉。 151整流與濾波

18、電路整流與濾波電路3直流電源指示為安全直流電源指示為安全圖130直流電路的電源指示如圖所示，由于C的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行，所以CF沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數(shù)分鐘。又由于C上的電壓較高，如不放完，對人身安全將構(gòu)成威脅。故在維修變頻器時，必須等HL完全熄滅后才能接觸變頻器內(nèi)部的導(dǎo)電部分，所以，HL的作用主要在于保護人身安全。 逆變器件旁邊為什么要逆變器件旁邊為什么要反并聯(lián)二極管？反并聯(lián)二極管？152逆變電路逆變電路 1逆變電路的結(jié)構(gòu)與輸出電壓逆變電路的結(jié)構(gòu)與輸出電壓圖131逆變電路及其輸出電壓152逆變電路逆變電路圖132R、L電路的復(fù)習(xí) 2.R、

19、L電路的復(fù)習(xí)電路的復(fù)習(xí) 152逆變電路逆變電路v3逆變電路的電流路徑逆變電路的電流路徑 （1）電動機狀態(tài)nMn0 圖33 電動機狀態(tài)a）空載示意圖b）矢量圖c）電路圖d）電壓、電流曲線152逆變電路逆變電路v（2）發(fā)電機狀態(tài)（nMn0）圖134發(fā)電機狀態(tài)a）重載示意圖b）矢量圖c）電路圖d）電壓、電流曲線152逆變電路逆變電路v圖中，每個逆變管旁邊，都反并聯(lián)一個二極管(VD)。其作用是:v1.為電動機繞組的無功電流返回直流電路時提供通路。在電動機狀態(tài)下，電流比電壓滯后1角，電流的瞬間流向如下:在0t1期間，電流與電壓是反方向的，說明是反電動勢克服外加電壓而作功，這時的電流便是通過反向二極管從電

20、動機流向直流回路的;在t1t2期間，電流與電壓是同方向的，說明是外加電壓克服反電動勢而作功，這時的電流便是通過IGBT管從直流回路流向電動機的。v2. 當(dāng)由于某種原因，電動機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時，反并聯(lián)二極管的作用是，為電動機的再生電能反饋至直流電路提供通路。在發(fā)電機(再生)狀態(tài)下，電流與電壓之間的相位差角超過了/2，從而，通過反向二極管流向直流回路的電流大于通過IGBT管流向電動機的電流，從整體效果上看，電動機是在“發(fā)電”。v3. 為電路的寄生電感在逆變管交替導(dǎo)通過程中釋放能量提供通路。152逆變電路逆變電路v4逆變橋輸出的禁忌逆變橋輸出的禁忌 （1）主電路的輸入、輸出不允許接錯 圖

21、135輸入、輸出不允許接錯a）電源接至輸出側(cè)b）接錯的后果逆變電路的輸出端是絕對不允許和電源相接的，舉例說明如圖所示。假設(shè)在某一瞬間，電源電壓為L1“”，L2“”，在同一瞬間，恰值V3導(dǎo)通，則電流從L1經(jīng)VD7、V3至L2，形成短路，V3管將立即損壞。V3和V6是交替導(dǎo)通的，中間只間隔幾個微秒(s)，所以，V6也隨即損壞。又由于雙極性調(diào)制時，V1、V3、V5工作時間的間隔也只有幾個微秒，而L1與L2之間線電壓的維持時間為10ms(50Hz時的半個周期)。所以，轉(zhuǎn)瞬之間，6個逆變管將損壞殆盡。因此之故，變頻器主電路的輸入端和輸出端之間是絕對不能接錯的 152逆變電路逆變電路v（2）輸出側(cè)不能接電容器圖136輸出側(cè)接電容器的后果如圖所示，如果在逆變電路的輸出端接入了電容器，則:當(dāng)與直流電路“”端相接的逆變管(V1、V3、V5)導(dǎo)通時，逆變管將額外地增加了電容器的充電電流;而當(dāng)與直流電路“”端相接的逆變管(V4、V6、V2)導(dǎo)通時，逆變管將額外地增加了電容器的放電電流。由于充電電流和放電電流的峰值往往是很大的，所以，將影響逆變管的使用壽命。如電容器的容量較大時，甚至