第一章 變頻器主電路

第一章變頻器主電路第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月變頻器技術(shù)與應(yīng)用（第一章）主要解決的問題1.異步電動機的變頻調(diào)速原理．2.何謂變頻器？ＶＶＶＦ的含義？具體實現(xiàn)的方法．3.交－直－交變頻器的主電路的基本結(jié)構(gòu)及各部分的功能．第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器的工作原理1.1三相交流異步電機結(jié)構(gòu)和原理第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月三相交流異步電機旋轉(zhuǎn)原理第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理旋轉(zhuǎn)磁場要被靜止著的轉(zhuǎn)子繞組切割，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，其方向由右手定則來判定。轉(zhuǎn)子繞組中的電流又和定子的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，方方向由左手定則決定，如圖1一C所示。由圖可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向和旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同。在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)起來。因為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的前提條件是轉(zhuǎn)子繞組必須切割旋轉(zhuǎn)磁場，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總要低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，故稱為異步電動機第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2變頻調(diào)速原理

1．異步電動機的基本公式（1）同步轉(zhuǎn)速：即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，計算公式如下：式中：n0―同步轉(zhuǎn)速（r/min);f一電源電壓的頻率（Hz);p―磁極對數(shù)。式〔1–

1）表明，當(dāng)電動機的磁極對數(shù)一定時，同步轉(zhuǎn)速與電源電壓的頻率成正比；而在額定頻率下，同步轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)的關(guān)系見表1-1。第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nM

：第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.結(jié)論：由式（1-4）知，改變電源電壓的頻率f，就改變了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），也就改變了電動機輸出軸的轉(zhuǎn)速：所以，調(diào)節(jié)頻率可以調(diào)速，并且可以無級調(diào)速，如圖1-

3所示第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3交一直一交變頻器的結(jié)構(gòu)與原理第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖1一10所示，其工作過程是：先將電源的三相（或單相）交流電經(jīng)整流橋整流成直流電，又經(jīng)逆變橋把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電。其中，變頻的核心部分是“逆變電路”

,其構(gòu)成和原理如下：第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月單相逆變橋的結(jié)構(gòu)和原理第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月三相逆變橋的電路結(jié)構(gòu)第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2逆變器件工作條件與發(fā)展(簡單了解)1.工作條件（1）能承受足夠大的電壓和電流由于電感及負載動能反饋能量的效應(yīng)，開關(guān)器件的耐壓應(yīng)在1000V以上?？紤]到電動機和變頻器都應(yīng)該具有一定的過載能力，該變頻器開關(guān)器件允許承受的電流應(yīng)足夠大。（2）允許頻繁地接通和關(guān)斷。第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（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、改變頻率的同時還要改變電壓等。上面所說的無觸點開關(guān)器件，實際上就是半導(dǎo)體開關(guān)器件。半導(dǎo)體器件在初期階段只能用于低壓電路中，當(dāng)半導(dǎo)體器件終于能夠承受高電壓和大電流時，就形成了一門新的學(xué)科，即電力電子學(xué)。而變頻器和變頻調(diào)速技術(shù)也應(yīng)運而生了。第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2．逆變器件與變頻器的發(fā)展（1）起步始于SCR：SCR為SiliconControlRectifier（硅可控整流器）的縮寫第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月如上述，晶閘管在直流電路中不具有自行關(guān)斷的能力。要想關(guān)斷已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，必須令晶閘管的陽極和陰極之間的電壓為0，或加入反向電壓。由于晶閘管在直流電路內(nèi)自身不能關(guān)斷，故主電路與控制電路都較復(fù)雜，工作不夠可靠，性能也不夠完善。所以未能達到推廣普及的階段。第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）普及歸功GTR(BJT)：電力晶體管也稱為大功率晶體管（GTR）或雙極型晶體管（BJT），實際上它是由兩個或多個晶體管復(fù)合而成的復(fù)合晶體管（達林頓管）,如圖1-16所示第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月GTR變頻器的逆變電路如圖1一17a所示，其主要特點有：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1-17b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1.2–1.5KHz.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1-17c所示。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。第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(3）提高全靠IGBT：20世紀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。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和電力晶體管（GTR）相結(jié)合的產(chǎn)物。其主體部分與GTR相同，也有集電極（C）和發(fā)射極（E）,而控制極（也稱為柵極G）的結(jié)構(gòu)卻與MOSFET相同，是絕緣柵結(jié)構(gòu)，如圖1一18a所示。第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月其工作特點如下：1）控制部分。控制信號為電壓信號uGE

，柵極與發(fā)射極之間的輸人阻抗很大，故信號電流與驅(qū)動功率（控制功耗）都很小。2）主體部分。因為與GTR相同，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。就是說，IGBT是一種以極小的控制功率來控制大功率電路的器件。第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月以IGBT為逆變器件的逆變電路與GTR的逆變電路基本相同，如圖1-

20a所示。其主要特點如下：1）載波頻率高。大多數(shù)變頻器的載波頻率可在3-

15kHz的范圍內(nèi)任意可調(diào)，其電壓波形如圖1-

20b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1-20c所示。3）控制功耗減小。4）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不會立即進入放大狀態(tài)。第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4變頻器的輸出電壓與頻率（VVVF原理）1．異步電動機的能量傳遞過程圖1一21a是異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理；圖1一21b是異步電動機的能量傳遞關(guān)系，具體說明如下：（1）輸人功率：三相交流異步電動機的輸人功率就是從電源吸取的電功率，用P1表示，計算公式如下：式中P1―輸人功率（kw）;UL

―電源線電壓（V）;I1―電動機的相電流（A）;cosφ1

―定子繞組的功率因數(shù)。第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電磁功率：定子輸人功率中減去定子繞組的銅損Pcu1和定子鐵心的鐵損Pfe1后，將全部轉(zhuǎn)換成傳輸給轉(zhuǎn)子的電磁功率PM，計算公式如下：式中:PM―電磁功率（kw);E1

―定子每相繞組的反電動勢（v）。第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）輸出功率：電動機的輸出功率就是軸上的機械功率，其大小由下式計算：式中TM

―電動機軸上的電磁轉(zhuǎn)矩〔N·m）;nM

―電動機的轉(zhuǎn)速（r/min）。２．變頻調(diào)速出現(xiàn)的新問題當(dāng)頻率下降時，輸入功率不變，輸出功率減小，傳遞能量的電磁功率必增大，將導(dǎo)致磁路嚴重飽和。第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)磁路飽和時，其勵磁電流的波形如圖1一23b中之曲線③所示。由圖可知，勵磁電流的波形將發(fā)生嚴重的畸變，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所以，在進行變頻調(diào)速時，有一個十分重要的要求，就是磁通Φ1

，必須保持基本不變：Φ1≈const第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月３.解決方法在式（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行控制的外加電壓U1x來近似地代替反電動勢E1

是具有現(xiàn)實意義的。即：式中U1x―當(dāng)頻率為fx時的外加電壓（V）。所以，變頻的同時也必須變壓，目的是為了保持磁通基本不變：第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.調(diào)頻比與調(diào)壓比設(shè)當(dāng)頻率下降為fx時，電壓下降為u

x，則：稱為頻率調(diào)節(jié)比，或簡稱調(diào)頻比。調(diào)壓比：第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)ku=kf

時，電壓與頻率成正比其Ux=

f（fx）曲線將通過原點，如圖1一24所示，稱為基本U/f線。這種通過調(diào)節(jié)U/f比來改變電動機特性的方法稱為V/F控制方式

第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.3變頻變壓的具體方法1．脈幅調(diào)制（PAM）第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月實施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。2．脈寬調(diào)制（PWM）占空比的定義是每個脈沖中．脈沖寬度所占的比例：占空比越大，等效的平均電壓就越大第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月PWM的優(yōu)點是不必控制直流側(cè)，因而大大簡化了電路。缺點：經(jīng)PAM或PWM調(diào)制后，所得到的電動機電流的諧波分量將是很大的3．正弦脈寬調(diào)制（SPWM）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。第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月正弦脈寬調(diào)制（ＳＰＷＭ）圖1－24正弦脈寬調(diào)制a）電壓波形b）電流波形第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置．ＶＶＶＦ的含義：為了保持電機磁通的不變，在頻的同時必須進行變壓．第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5交一直一交變頻器的主電路1.5.1整流與濾波第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月＋第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.2逆變電路第50頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1．三相逆變橋電路作用：由VI1～VI6組成，把直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電．2．反向二極管的作用圖1一34中，每個IGBT旁邊，都反并聯(lián)一個二極管（vD7-vD12)，也叫續(xù)流電路，功能是：（１）這電動機繞組的無功電流返回直流電路時提供通路；（２）當(dāng)頻率下降，從而同步轉(zhuǎn)速下降時，為電動機的再生電能反饋至直流電路提供通路；（３）為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路．第51頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月附：電動機狀態(tài)的工況：假設(shè)電動機帶動一個起升機構(gòu)向下運行，如圖l一35a所示。當(dāng)?shù)蹉^處于空鉤狀態(tài)時，吊鉤的自身重量不足以向下運行，必須由電動機來帶動。故電動機處于電動狀態(tài)。第52頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.3進一步認識主電路第53頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月１．主電路全貌（1）輸人電路：即從電