變頻器應(yīng)用1_第1章-變頻器主電路課件

1、變頻器應(yīng)用教程（第二版）張燕賓 編著第1章變頻器主電路第1章變頻器主電路1.1三相交流異步電動(dòng)機(jī)簡介1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系1.3交-直-交變頻器1.4變頻器的輸出電壓與頻率1.5交-直-交變頻器的主電路1.6變頻器各環(huán)節(jié)電流1.7變頻器的功率因數(shù)1.8載波頻率及其影響1.1三相交流異步電動(dòng)機(jī)簡介1.1.1三相交流異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和原理1.構(gòu)造(1)定子定子鐵心由硅鋼片疊成，鐵心槽中安置三相繞組。圖1-1異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造a)外形b)定子c)籠型轉(zhuǎn)子1.1三相交流異步電動(dòng)機(jī)簡介(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心也由硅鋼片疊成，鐵心槽中安置短路繞組，用得最多的是籠型轉(zhuǎn)子。2.原理(1)旋轉(zhuǎn)磁場圖1-2三

2、相電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場a)U相電流達(dá)到振幅值b)V相電流達(dá)到振幅值c)W相電流達(dá)到振幅值1.1三相交流異步電動(dòng)機(jī)簡介(2)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)原理旋轉(zhuǎn)磁場被靜止著的轉(zhuǎn)子繞組切割，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流，其方向由右手定則來判定，如圖1-3a所示。圖1-3異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理a)轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線b)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩1.1.2變頻調(diào)速原理1.1三相交流異步電動(dòng)機(jī)簡介1.異步電動(dòng)機(jī)的基本公式(1)同步轉(zhuǎn)速表1-1同步轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)的關(guān)系(2)轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之差。(3)轉(zhuǎn)差率(4)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nM2.變頻可以調(diào)速1.1三相交流異步電動(dòng)機(jī)簡介圖1-4變頻可以調(diào)速1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系1.2.

3、1電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)取用電能時(shí)的平衡關(guān)系1.能量的載體2.平衡要點(diǎn)(1)作用的一方圖1-5吸收電功率1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系(2)反作用的一方定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，也要被定子繞組所“切割”，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。(3)做功的標(biāo)志電路中有電流。3.電動(dòng)機(jī)的定子等效電路圖1-6電動(dòng)機(jī)的等效電路a)三相合成電流b)三相電路c)單相電路1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系4.反電動(dòng)勢的大小(1)瞬時(shí)值(2)有效值圖1-7反電動(dòng)勢的有效值a)參考波形b)頻率增加c)振幅值增大1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系1)在磁通振幅值相同的情況下，如頻率增大，在t時(shí)間內(nèi)，磁通的變化量將增加為2，如圖b所示，所以，

4、反電動(dòng)勢也增大；2)在頻率相同的情況下，如磁通的振幅值增大，在t時(shí)間內(nèi)，磁通的變化量將增加為3，如圖c所示，所以，反電動(dòng)勢也增大。5.電動(dòng)勢平衡方程(1)主磁通和漏磁通1)主磁通能夠穿過空氣隙與轉(zhuǎn)子繞組相鏈，從而把能量傳遞給轉(zhuǎn)子的部分，稱為主磁通，如圖1-8a中1所示。圖1-8定子側(cè)的電動(dòng)勢平衡a)主磁通和漏磁通b)磁通在電路中的反映1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系2)漏磁通不能通過空氣隙與轉(zhuǎn)子繞組相鏈，從而不起能量傳遞作用的部分，稱為漏磁通，如圖a中0所示。(2)電動(dòng)勢平衡方程當(dāng)外加電壓做功時(shí)，除了要克服反電動(dòng)勢外，還必須克服線圈的電阻和漏磁電抗。6.要點(diǎn)提示1)在電動(dòng)機(jī)的定子電路里，電源

5、電壓U1主要是克服了定子繞組的反電動(dòng)勢E1而做功的；2)反電動(dòng)勢E1的大小是和頻率密切相關(guān)的；3)阻抗壓降U1的大小主要取決于電流I1的大小，和頻率的關(guān)系不大，?？珊雎浴?.2.2轉(zhuǎn)子從定子側(cè)吸收能量的平衡關(guān)系1.能量的載體1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系圖1-9定子和轉(zhuǎn)子電流的磁通a)電動(dòng)機(jī)的磁路b)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢的去磁作用1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系2.平衡要點(diǎn)(1)作用的一方(2)反作用的一方當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，根據(jù)楞次定律，它要阻礙定子磁通的變化，所以，轉(zhuǎn)子繞組的磁動(dòng)勢是反作用的一方。(3)做功的標(biāo)志磁路內(nèi)有磁通。3.轉(zhuǎn)子繞組的等效電路(1)等效過程籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組

6、，由n根“籠條”構(gòu)成，每一根“籠條”為“一相”，故轉(zhuǎn)子電路是n相電路，如圖1-10a所示。1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系圖1-10轉(zhuǎn)子電路的等效變換a)籠型轉(zhuǎn)子b)多相-三相變換c)動(dòng)-靜變換1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系1)相數(shù)變換轉(zhuǎn)子的n相電路與定子的三相電路是無法統(tǒng)到一起的。2)動(dòng)靜變換(2)一相等效電路和定子相仿，因?yàn)槿嚯娐肥菍ΨQ的，所以，在分析時(shí)可以只拿一相來進(jìn)行觀察。圖1-11轉(zhuǎn)子的一相等效電路1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系4.磁動(dòng)勢的平衡圖1-12磁動(dòng)勢的平衡a)磁動(dòng)勢的平衡b)電流平衡c)電流相量圖5.要點(diǎn)提示(1)轉(zhuǎn)矩電流1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系(2)

7、勵(lì)磁電流它的大小與磁路的飽和程度有關(guān)。1.2.3負(fù)載得到機(jī)械能的平衡關(guān)系(見圖1-13)圖1-13拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡1.2電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的平衡關(guān)系1.能量的載體2.平衡要點(diǎn)(1)作用的一方(2)反作用的一方(3)作功的標(biāo)志拖動(dòng)系統(tǒng)以某一轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。3.電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩4.拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)5.要點(diǎn)提示1)轉(zhuǎn)矩平衡說明了，當(dāng)拖動(dòng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩(包括損耗轉(zhuǎn)矩)之間一定是平衡(相等)的：2)結(jié)合式(1-13)、式(1-14)和式(1-15)知：1.3交-直-交變頻器1.3.1交-直-交變頻器的結(jié)構(gòu)與原理1.基本框圖圖1-14交-直-交變頻器的主電路框

8、圖(1)整流先將電源的三相(或單相)交流電經(jīng)三相全波整流橋整流1.3交-直-交變頻器成直流電。(2)逆變直流電經(jīng)三相逆變橋 “逆變”成頻率和電壓都任意可調(diào)的三相交流電。2.單相逆變橋的結(jié)構(gòu)和原理圖1-15單相逆變橋及其工作過程a)單相逆變橋的構(gòu)成b)工作過程1.3交-直-交變頻器(1)前半周期令V1、V2導(dǎo)通；V3、V4截止。(2)后半周期令V1、V2截止；V3、V4導(dǎo)通。圖1-16三相逆變橋及其工作a)三相逆變橋的構(gòu)成b)三相逆變橋的輸出電壓1.3交-直-交變頻器1.3.2逆變器件的工作條件與發(fā)展1.逆變器件的條件(1)能承受足夠大的電壓和電流1)電壓我國三相低壓電網(wǎng)的線電壓均為380V，經(jīng)

9、三相全波整流后的平均電壓為513V，而峰值電壓則為537V。2)電流以中型的150kW的電動(dòng)機(jī)為例，其額定電流為250A，而電流的峰值為353A。圖1-17逆變器件承受的電壓和電流1.3交-直-交變頻器(2)允許頻繁地接通和關(guān)斷如上述，逆變過程就是若干個(gè)開關(guān)器件長時(shí)間地反復(fù)交替導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，這是有觸點(diǎn)開關(guān)器件所無法承受的。(3)接通和關(guān)斷的控制必須十分方便最基本的控制，如頻率的上升和下降、改變頻率的同時(shí)還要改變電壓等等。2.逆變器件與變頻器的發(fā)展(1)起步始于SCR20世紀(jì)60年代，大功率晶閘管(SCR)首先亮相，變頻調(diào)速也因此而得到了實(shí)施，出現(xiàn)了希望。圖1-18晶閘管在直流電路中a)門極

10、加正信號(hào)b)撤銷門極信號(hào)c)門極加脈沖信號(hào)1.3交-直-交變頻器圖1-19晶閘管逆變電路a)逆變電路b)輸出電壓波形c)電動(dòng)機(jī)電流波形1.3交-直-交變頻器圖1-20電力晶體管的內(nèi)部電路a)復(fù)合晶體管b)雙管模塊1.3交-直-交變頻器(2)普及歸功GTR(BJT)20世紀(jì)70年代，電力晶體管問世，把變頻調(diào)速推向了實(shí)用階段，于20世紀(jì)80年代初開始逐漸推廣。圖1-21GTR變頻器的主要特點(diǎn)a)逆變電路b)電壓波形c)電流波形1.3交-直-交變頻器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(qiáng)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(shí)間較長，故允許的載波頻率較低

11、，大部分變頻器的上限載波頻率約為1.21.5kHz。3)電流波形因?yàn)檩d波頻率較低，故電流的高次諧波成分較大，如圖c所示。4)輸出轉(zhuǎn)矩因?yàn)殡娏髦懈叽沃C波的成分較大，故在50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩與工頻運(yùn)行時(shí)相比，略有減小。(3)提高全靠IGBT20世紀(jì)80年代末，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的開發(fā)成功，使變頻器在許多方面得到了較大的提高。1.3交-直-交變頻器圖1-22IGBT的基本特點(diǎn)a)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)b)逆變電路c)電壓和電流波形1.3交-直-交變頻器1)控制部分控制信號(hào)為電壓信號(hào)uGE，柵極與發(fā)射極之間的輸入阻抗很大，故信號(hào)電流與驅(qū)動(dòng)功率(控制功耗)都很小。2)主體部分因?yàn)榕cGTR相同，

12、額定電壓與電流容易做得較大，故在中小容量的變頻器中，IGBT已經(jīng)完全取代了GTR。1)載波頻率高大多數(shù)變頻器的載波頻率可在315kHz的范圍內(nèi)任意可調(diào)，其電壓波形如圖c的上部所示。2)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c的下部所示，故電磁噪聲減小，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩則增大。3)瞬間停電可以不停機(jī)這是因?yàn)?，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(huì)立即進(jìn)入放大狀態(tài)。1.3交-直-交變頻器圖1-23IGBT模塊a)雙管模塊b)六管模塊1.4變頻器的輸出電壓與頻率1.4.1變頻調(diào)速出現(xiàn)的新問題1.異步電動(dòng)機(jī)的能量傳遞過程圖1-2

13、4異步電動(dòng)機(jī)的能量傳遞過程a)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)b)能量傳遞過程(1)輸入功率1.4變頻器的輸出電壓與頻率(2)電磁功率(3)輸出功率圖1-25變頻出現(xiàn)的新問題1.4變頻器的輸出電壓與頻率2.變頻調(diào)速出現(xiàn)的新問題(1)輸入功率在式(1-17)中，與輸入功率P1有關(guān)的各因子中，除cos1略有變化外，都和fX沒有直接關(guān)系。(2)輸出功率由于在等速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM總是和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的。(3)電磁功率由圖1-25可以看出，當(dāng)輸入功率P1不變而輸出功率P2減小時(shí)，傳遞能量的電磁功率PM必增大。3.磁路飽和的結(jié)果(1)磁化曲線在電動(dòng)機(jī)的磁路里，磁通的大小和勵(lì)磁電流I0的關(guān)系，稱為磁化曲線，如

14、圖1-26所示。1.4變頻器的輸出電壓與頻率圖1-26勵(lì)磁電流的波形a)磁路未飽和b)磁路飽和1.4變頻器的輸出電壓與頻率(2)勵(lì)磁電流的波形當(dāng)磁路未飽和時(shí)，勵(lì)磁過程在磁化曲線的線性段進(jìn)行，勵(lì)磁電流的波形如圖a所示。1.4.2變頻與變壓(1)準(zhǔn)確方法圖1-27保持磁通不變的方法1.4變頻器的輸出電壓與頻率(2)替代方法在式(1-8)中，定子繞組的阻抗壓降U所占比例較小，因此，用比較容易從外部進(jìn)行控制的外加電壓U1X來近似地代替反電動(dòng)勢E1X是具有現(xiàn)實(shí)意義的。(3)調(diào)頻比與調(diào)壓比圖1-28基本U/f線1.4變頻器的輸出電壓與頻率1.4.3變頻變壓的具體方法1.脈幅調(diào)制(PAM)圖1-29PAM調(diào)

15、制a)電路框圖b)頻率較高時(shí)c)頻率較低時(shí)1.4變頻器的輸出電壓與頻率2.脈寬調(diào)制(PWM)圖1-30PWM調(diào)制a)電路框圖b)頻率較高時(shí)c)頻率較低時(shí)1.4變頻器的輸出電壓與頻率3.正弦脈寬調(diào)制(SPWM)圖1-31SPWM調(diào)制a)正弦變化的波形b)SPWM的規(guī)律1.4變頻器的輸出電壓與頻率1.4.4正弦脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)1.單極性調(diào)制圖1-32單極性SPWM1.4變頻器的輸出電壓與頻率(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(shí)變化；三角波的振幅則不變。(3)計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)地計(jì)算

16、出各脈沖的上升沿和下降沿的時(shí)刻，如圖中之t1、t2、t3。2.雙極性調(diào)制圖1-33雙極性調(diào)制方式1.4變頻器的輸出電壓與頻率圖1-34雙極性調(diào)制工作特點(diǎn)1.5交-直-交變頻器的主電路1.5.1整流與濾波1.全波整流電路2.濾波與均壓電路圖1-35整流與濾波電路1.5交-直-交變頻器的主電路3.限流電路圖1-36限流電阻的作用a)低壓電路b)高壓無限流電阻c)高壓有限流電阻1.5交-直-交變頻器的主電路1.接通電源時(shí)的共同特點(diǎn)(1)產(chǎn)生很大的沖擊電流；(2)使電源電壓瞬間下降為0V。2.高、低壓電路的不同點(diǎn)(1)變壓器的副方繞組，能夠把合閘時(shí)的沖擊電流限制在允許范圍內(nèi)，如圖1-36a中之曲線所示

17、。(2)變壓器的副方電壓雖然瞬間降為0V，如圖中之曲線所示，但原方電壓所受影響不大。(1)合閘時(shí)的沖擊電流很大，如圖b中之曲線所示，該沖擊電流足以損壞整流管。(2)電網(wǎng)電壓瞬間降為0V，如圖中之曲線所示，這將對其他設(shè)備的正常運(yùn)行形成干擾。1.5交-直-交變頻器的主電路3.解決辦法4.直流電壓指示電路圖1-37直流電壓指示電路1.5交-直-交變頻器的主電路1.5.2逆變電路1.逆變電路的結(jié)構(gòu)圖1-38逆變電路的結(jié)構(gòu)a)逆變電路b)輸出電壓實(shí)際波形c)輸出電壓等效波形1.5交-直-交變頻器的主電路2.反向二極管的作用圖1-39逆變橋反并聯(lián)二極管的作用1.6變頻器各環(huán)節(jié)電流1.6.1變頻器的輸出電流

18、1.拖動(dòng)系統(tǒng)的基本原則2.變頻器的輸出電流圖1-40變頻器的輸出電流a)50Hz的輸出電流b)25Hz的輸出電流1.6變頻器各環(huán)節(jié)電流1.6.2輸入電流比輸出電流小1.變壓器的電流規(guī)律圖1-41變頻器與變壓器的類比a)變壓器b)變頻器1.6變頻器各環(huán)節(jié)電流2.變頻器的電流規(guī)律3.頻率下降時(shí)各環(huán)節(jié)電流的變化規(guī)律(1)各環(huán)節(jié)的功率損耗都忽略不計(jì)。(2)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩保持不變：圖1-42頻率下降時(shí)各環(huán)節(jié)電流的變化規(guī)律1.6變頻器各環(huán)節(jié)電流(1)電動(dòng)機(jī)的輸出功率PM2(2)電動(dòng)機(jī)的輸入功率PM1(3)直流回路的電流ID(4)變頻器的輸入電流IS1.6.3輸入電流不平衡1.整流橋接電阻負(fù)載圖1

19、-43三相整流橋向電阻負(fù)載供電1.6變頻器各環(huán)節(jié)電流2.整流橋接感性負(fù)載圖1-44變頻器內(nèi)的充、放電情形1.6.4輸入電流諧波多1.輸入電流的特點(diǎn)1.6變頻器各環(huán)節(jié)電流圖1-45輸入電流的波形及其諧波分析a)輸入電路b)電壓波c)電流波d)諧波分析1.7變頻器的功率因數(shù)1.7.1功率因數(shù)的定義1.功率因數(shù)的基本定義2.位移因數(shù)圖1-46滯后電流與諧波電流的功率a)滯后電流的功率b)諧波電流的功率1.7變頻器的功率因數(shù)3.畸變因數(shù)4.全功率因數(shù)1.7.2提高功率因數(shù)的方法1.接入交流電抗器圖1-47交流電抗器1.7變頻器的功率因數(shù)2.接入直流電抗器圖1-48直流電抗器a)直流電抗器在電路中位置b)外形c)接入直流電抗器后輸入電流的波形1.7變頻器的功率因數(shù)3.采用12脈波整流圖1-4912脈波整流1.8載波頻率及其影響1.8.1雙極性調(diào)制的死區(qū)圖1-50逆變管的交替導(dǎo)通a)開通與關(guān)斷過程b)交替導(dǎo)通的特點(diǎn)1.8載波頻率及其影響1.8.2載波頻率對輸出電壓的影響圖1-