變頻器的組成原理教案

1、湖南省技工學(xué)校理論教學(xué)教案注：教案首頁(yè)，教案用紙由學(xué)校另行準(zhǔn)備湖南省勞動(dòng)廳編制注：教案首頁(yè)，教案用紙由學(xué)校另行準(zhǔn)備湖南省勞動(dòng)廳編制教師姓名:學(xué) 科PLC執(zhí) 行 記 錄日期星期檢查 簽字班級(jí)節(jié)次課題變頻器的組成原理課型新授教學(xué)目的.掌握逆變電路的變壓變頻原理.掌握變頻器各組成部分及其功能教學(xué)重點(diǎn)變頻器各組成部分及其功能教學(xué)難點(diǎn)逆變電路的變壓變頻原理主要 教學(xué) 方法講授教具掛圖無(wú)教學(xué) 環(huán)節(jié) 時(shí)間 分配1、組織教學(xué)時(shí)間23、講授新課時(shí)間702、復(fù)習(xí)導(dǎo)入時(shí)間84、歸納小結(jié)時(shí)間55、作業(yè)布置時(shí)間5教學(xué)后記2014-2015 學(xué)年上學(xué)期2014-2015 學(xué)年上學(xué)期第課時(shí)復(fù)習(xí)引入變頻器的分類(lèi)講授新課變頻器

2、的組成原理1、交一直一交變頻器的電路 主電路如圖所示?，F(xiàn)對(duì)圖中各部分的作用做如下說(shuō)明。1）整流部分（交一直）整流器是變頻器中用來(lái)將交流變成直流的部分，它可以由整流單元、濾波電 路，開(kāi)啟電路、吸收回路組成。（1）整流單元（VD1VD6）圖中的整流單元是由VDVD6組成的三相整流橋，它們將工頻380V的交 流電整流成直流，平均直流電壓可用下式表示：U = 1.35U = 1.35 x 380 = 530V（2）濾波電容（CF）圖中的濾波電容CF其作用是對(duì)整流電壓進(jìn)行濾波。值得指出的是CF是一個(gè) 大容量的電容器，它是電壓型變頻器的主要標(biāo)志，對(duì)電流型變頻器來(lái)說(shuō)濾波的元 件是電感。（3）開(kāi)啟電流吸收回路

3、（RL、SL）在電壓型變頻器的二極管整流電路中，由于在電源接通時(shí)，CF中將有一個(gè) 很大的充電電流，該電流有可能燒壞二極管，容量較大時(shí)還可能形成對(duì)電網(wǎng)的干 擾。影響同一電源系統(tǒng)的其他裝置正常工作，所以在電路中加裝了由RL、SL組 成的限流回路，剛開(kāi)機(jī)時(shí)RL串入電路，限制CF的充電電流，充電到一定的程度 后SL閉合將其切除。對(duì)于使用最廣泛的交一直一交變頻器來(lái)說(shuō)，從結(jié)構(gòu)上可將其分成整流、逆變 和制動(dòng)三部分。益陽(yáng)高級(jí)技工學(xué)校2014-2015 學(xué)年上學(xué)期第課時(shí)益陽(yáng)高級(jí)技工學(xué)校UD 益陽(yáng)高級(jí)技工學(xué)校UD 2）三相逆變電路2）逆變部分逆變部分的基本作用是將直流變成交流，是變頻器的核心部分。（1）逆變橋由V

4、1V6組成了三相逆變橋，V導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)接通，V截止時(shí)相當(dāng)于 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)?，F(xiàn)在常用的逆變管有絕緣柵雙極晶體管（IGBT），大功率晶體管 （GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場(chǎng)效層晶體管（MOSFET）等。（2）續(xù)流二極管（VD7VD12）續(xù)流二極管vd7vd12的功能有下面幾點(diǎn)：a、由于電動(dòng)機(jī)是一種感性負(fù)載，工作時(shí)其無(wú)功電流返回直流電源需要VD7vd12提供通路。b、降速時(shí)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，vd7VD12為再生電流提供返回直流 的通路。c、逆變時(shí)V1V6快速高頻率地交替切換，同一橋臂的兩管交替地工作在導(dǎo) 通和截止?fàn)顟B(tài)，在切換的過(guò)程中，也需要給線(xiàn)路的分布電感提供釋放能量的通路。（3）緩

5、沖由路（褒rVD VDC C ）（3）灰七珀（Rm Rn二、VDm VDn二、Cm Cn）010601060106逆變管V1V6每次由導(dǎo)通狀態(tài)切換成截止?fàn)顟B(tài)的關(guān)斷瞬間，集電極和發(fā) 射極（即C、E）之間的電壓UCE極快地由0V升至直流電壓值UD，這過(guò)高的 電壓增長(zhǎng)率會(huì)導(dǎo)致逆變管損壞，c01c06的作用就是減小電壓增長(zhǎng)率。V1v6 每次由截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)瞬間，c01c06上所充的電壓（等于ud）將向 V1V6放電。該放電電流的初始值是很大的，R01R06的作用就是減小C01C 的放電電流。而VD01VD06接入后，在V1V6的關(guān)斷過(guò)程中，使R01R06不 起作用。而在V1V6的接通過(guò)程中，又

6、迫使C01C06的放電電流流經(jīng)R01R06。3）制動(dòng)部分（1）制動(dòng)電阻變頻調(diào)速在降速時(shí)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)回饋的能量到達(dá)直流電路，會(huì) 使UD上升，這是很危險(xiǎn)的。需要將這部分能量消耗掉，電路中制動(dòng)電阻RB，就 是用于消耗該部分能量的。（2）制動(dòng)單元VrB制動(dòng)單元由大功率晶體管VB （IGBT）及采樣、比較和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其功 能是為放電電流IB流過(guò)RB提供通路。2、逆變?cè)?）單相逆變電路單相逆變電路的原理圖中：當(dāng)S1、S4同時(shí)閉合時(shí)，Ub電壓為 正；S2、S3同時(shí)閉合時(shí)，Ub電壓為負(fù)。由于開(kāi)關(guān)S1S4的輪番通斷，從而將直流電壓UD逆變成了交流電壓u b 可以看到在交流電變化的一個(gè)周期中，一

7、個(gè)臂中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)如：S1、S2 交替導(dǎo)通，每個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通1800電角度。因此交流電的周期（頻 率）可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)通斷的速度來(lái)調(diào) 節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值2014-2015 學(xué)年上學(xué)期第課時(shí)三相逆變電路的原理圖見(jiàn)圖圖中，S1S6組成了橋式逆變電路，這6個(gè)開(kāi)關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可 以在輸出端得到一個(gè)相位互相差2n /3的三相交流電壓。當(dāng)S1、S1閉合時(shí)， U-V正；S3、52閉合時(shí)，U-V為負(fù)。用同樣的方法可得：S3、S6同時(shí)閉合和S5、S4同時(shí)uS| S2 I S| ON I .ON |Si ONS3 S4 S4 ON | S3 ON | S4 ONS5 S6 S5 ON I S6 S|

8、 S2 I S| ON I .ON |Si ONS3 S4 S4 ON | S3 ON | S4 ONS5 S6 S5 ON I S6 ON I S5 ON |W - U為了使三相交流電 -V、v-W、U-UUU在相位上依次 相差b)2n /3；各開(kāi)關(guān)的接通、關(guān)斷需符合 一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖中已標(biāo)明。b)根據(jù)該規(guī)律可得u U V V、 v-W、U-U-U波形如圖所 示。觀察6個(gè)開(kāi)關(guān)的位置及波形 圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：（1）同一橋臂上的開(kāi)關(guān)始終處于 交替打開(kāi)、關(guān)斷的狀態(tài)。（2）各相的開(kāi)關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差2n /3電角度。如S3比S1 滯后2n /3, S5比S3滯后2n /3。上述

9、分析說(shuō)明，通過(guò)6個(gè)開(kāi)關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要 調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的通斷諫度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過(guò)U_的大小D= 來(lái)調(diào)節(jié)。2、變頻器中的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件1）門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）門(mén)極可關(guān)斷晶閘管是在普通晶閘管SCR的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。從結(jié)構(gòu)上來(lái) 說(shuō)它有三個(gè)極：陽(yáng)極（A）、陰極（K）、門(mén)極（G）。其工作特點(diǎn)是：它是通過(guò)門(mén) 極信號(hào)進(jìn)行接通和關(guān)斷的晶閘管，其工作特點(diǎn)如下：（1）導(dǎo)通條件在門(mén)極和陰極之間加一正向電壓，即；G （十 ）、K （一），GTO導(dǎo)通。（2）關(guān)斷條件在門(mén)極和陰極之間加一反向電壓，G （一）、K （ + ）, GTO關(guān)斷。益陽(yáng)高級(jí)技工學(xué)校2014-2015

10、 學(xué)年上學(xué)期第課時(shí)GTO可以方便地通斷，是一種無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，它是逆變電路中的主 要開(kāi)關(guān)元件，但是GTO的關(guān)斷需極大的反向脈沖，控制容易失敗，工 作頻率也不夠高，所以GTO晶閘管在中小容量變頻器中已經(jīng)被新型 的大功率晶體管GTR所取代，但是在大容量變頻器中，GTO以其工 作電流大，耐壓高的特性，仍得到普遍應(yīng)用。2）大功率晶體管（1）結(jié)構(gòu)大功率晶體管，又叫雙極型晶體管（BJT），GTR在結(jié)構(gòu)上常采用 達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的形式，由多個(gè)晶體管復(fù)合組成大功率的晶體管，同時(shí)還 可將反相續(xù)流二極管與GTR組成一個(gè)模塊。GTR也像普通的晶體管一樣，有三個(gè)極，分 別是基極（B）、發(fā)射極（E）、集電極（C）。（2）GTR的

11、工作特征像普通的晶體管一樣，GTR也有三種工作狀 態(tài)，即放大、飽和、截止，在電力電子的應(yīng)用領(lǐng) 域中，GTR主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即飽和和截止 狀態(tài)。由于GTR作在大功率電路中，因此管子的功 耗是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，GTR在截止和飽和狀 態(tài)時(shí)其功耗是很小的，但是在放大狀態(tài)其功耗將增大百倍，因此，逆 變電路中的GTR在交替切換的過(guò)程中是不允許在放大區(qū)稍做停留的。GTR具有自關(guān)斷能力及開(kāi)關(guān)時(shí)間短、 飽和壓降低、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)，廣泛用于交流調(diào)速、變頻電源中。 在中小容量的變頻器中，曾一度占據(jù)了主導(dǎo)地位。GTR所需的驅(qū)動(dòng)功 率較大，故基極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，從而使得工作頻率難以提高，這是GTR存在的不足之

12、處。3）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）MOSFET與場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣也是有三個(gè)極，分別是源極S、漏極D和柵 極G，管子的連接及工作特性也基本與場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣。MOSFET是一個(gè)電 壓控制型器件，所需的驅(qū)動(dòng)功率很小，使用方便，開(kāi)關(guān)頻率比較高。其缺點(diǎn)是擊 穿電壓及工作電流都不是特別大，所以應(yīng)用不是特別廣泛。4）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）IGBT是一種結(jié)合了大功率晶體管GTR和功 率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET兩者特點(diǎn)的復(fù)合型器 件，它有三個(gè)極：集電極（C）、發(fā)射極（E）、柵 極（G），如圖所示?？刂菩盘?hào)為U ge。，輸入 阻抗很高，IG=0,它既有MOS器件的工作速度 快，驅(qū)動(dòng)功率小的特點(diǎn)，又具備了大功率晶體管 的電流大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。由于IGBT性能優(yōu)良，已全面取代了功率晶益陽(yáng)高級(jí)技工學(xué)校體管而成為中小容量電力變流裝置中的主力器件，并廣泛用于交流變頻調(diào)速、開(kāi) 關(guān)電源及其他設(shè)備中。同時(shí)I