变频调速应用技术.docx
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变频调速应用技术
变频调速应用技术讲座
第1章变频器的主电路
1．1 开发变频器的初衷
1．1．1 异步电动机的优点很突出
1．三相交流异步电动机的构造和原理
图1－1 笼形转子异步电动机的构造
a）外形 b）定子 c）转子（短路绕组）
――――――――――――――――――――――――――――――――――
定子绕组：
三相绕组：
中心线互差2π／3电角度。
转子绕组：
短路绕组：
形如松鼠笼，和外电路无联系。
优点：
结构简单坚固，价格低廉。
（1）笼形转子异步电动机
图1－2 绕线转子异步电动机的构造
a）外形与接线 b）转子绕组
――――――――――――――――――――――――――――――――――
转子绕组：
也是三相绕组，可通过集电环和电刷和外部的电阻相接
（2）绕纯转子异步电动机
2．旋转磁场
图1－3 三相交流电的合成磁场
a）A相电流最大 b）B相电流最大 c）C相电流最大
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
三相电流：
相位（时间）上互差2π／3电角度。
旋转磁场：
三相电流分别通入三相绕组，合成磁场是旋转磁场。
图1－4 异步电动机旋转原理
a）转子产生感应电流 b）转子导体受力产生电磁转矩
――――――――――――――――――――――――――――――――――
转子电流：
转子绕组切割旋转磁场，产生感应电动势和感应电流。
电磁转矩：
转子电流与定子磁场相互作用，产生电磁力和电磁转矩。
3．异步电动机旋转原理
4．基本公式
n0＝
n0—同步转速； f—电流的频率； p—磁极对数。
Δn＝n0－nM—转差s＝
＝
—转差率
p
2p
n0
nM
Δn
s
备注
1
2
3000
2900
100
0.033
5.5～7.5kW
2930
70
0.023
11～18.5kW
2970
30
0.01
45～160kW
2
4
1500
1460
40
0.027
11～15kW
1470
30
0.02
18.5～30kW
1480
20
0.013
37～315kW
3
6
1000
960
40
0.04
3～5.5kW
970
30
0.03
7.5～30kW
980
20
0.02
37～250kW
1．1．2 异步电动机的缺点也很突出
图1－5 生产机械对无级调速的要求举例
――――――――――――――――――――――――――――――――――
本来只需一台电动机，却用了三台同容量的电机。
不惜工本！
这说明：
生产机械对无级调速要求何等迫切！
生产机械要求无级调整调速
图1－6 变频可以调速
―――――――――――――――――――――――――――――――――只有变频，才可以实现无级调速！
1．1．3 异步电动机的世纪之梦
电动机怎样把电能转换成机械能？
1．2 异步电动机的能量转换过程
1．2．1 异步电动机输入电功率的过程（能量载体－定子电路）
1．作功要点
图1－7 定子取用电功率的电路
a）电动机输入电能 b）三相电路示意图 c）单相电路示意图
――――――――――――――――――――――――――――――――
作功的主体：
施加于定子绕组的电源电压，它要产生交变电流。
受体的反作用：
定子绕组的自感电动势（反电动势），它要阻碍电流交变。
作功的标志：
电路内有电流。
2．反电动势
图1－8 反电动势的实质与相关因素
a）定子绕组的反电动势 b）线圈的自感电动势 c）相关因素
―――――――――――――――――――――――――――――――――电动机中自感电动势的表现形式：
（1）线圈因切割自己电流的磁场而感应的电动势。
（2）线圈因自身电流的变化而感应的电动势。
感应电动势的瞬时值：
与磁通的变化率成正比：
e1＝－
感应电动势的有效值：
与磁通和频率的乘积成正比：
E1＝KEfΦ1
3．电动势平衡方程
图1－9 定子绕组的等效电路
a）主磁通和漏磁通 b）等效电路
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
主磁通：
能够穿过空气隙，把能量传递到转子的磁通。
在绕组中形成反电动势。
漏磁通：
不能穿过空气隙，不能传递能量的磁通。
在绕组中形成漏磁电抗。
电动势平衡方程：
＝－＋
1．2．2 电动机输出机械功率的过程（能量载体－输出轴）
1．作功要点
图1－10 拖动系统的转矩平衡
―――――――――――――――――――――――――――――――――作功的主体：
电动机的电磁转矩。
受体的反作用：
负载的阻转矩。
作功的标志：
拖动系统以一定的转速旋转。
2．转矩平衡方程
TM＞TL＋T0 → n↑
TM＜TL＋T0 → n↓
TM＝TL＋T0 → n＝C
1．2．3 定、转子传递能量的过程（能量载体－磁路）
图1－11 异步电动机的磁路
a）电动机的磁路 b）定、转子磁动势
―――――――――――――――――――――――――――――――――
作功的主体：
定子电流的磁动势：
I1N1
它要产生交变磁通。
受体的反作用：
转子电流的磁动势：
I2’N1
它要阻止磁通变化。
作功的标志：
磁路内有交变磁通。
1．作功要点
2．转子的等效电路
图1－12 转子的等效变换电路
a）多相电路 b）三相等效 c）静止等效电路
――――――――――――――――――――――――――――――――转子的每一根短路绕组都是一相。
所以，转子绕组为具有n相电路的多相绕组。
其等效电路的等效步骤如下：
第一步：
用等效三相绕组代替多相绕组。
要点：
等效绕组的匝数与定子绕组相同。
第二步：
用等效静止电路代替旋转电路。
要点：
负载等效电阻消耗的功率等于轴上的机械功率。
3．磁动势平衡方程（电流平衡方程）
图1－13 磁动势的平衡
a）转子等效电路 b）磁动势的平衡
――――――――――――――――――――――――――――
转子等效电路的电源：
转子绕组的感应电动势。
转子等效电路的负载：
与机械功率等效的电阻。
磁动势平衡方程：
＝－＋
电流平衡方程：
＝－＋
作用的一方
反作用的一方
损耗
电动势平衡方程
U1
E1
ΔU1
磁动势平衡方程
I1N1
I2’N1
I0N1
（电流平衡方程）
I1
I2’
I0
转矩平衡方程
TM
TL
T0
1．2．4
图1－14 电动机的等效电路
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
输入功率：
电功率，主要因素是电压和电流：
P1＝3U1I1cosφ1＝USI1cosφ1
输出功率：
机械功率，主要因素是转矩和转速：
P2＝
传递功率：
电磁功率，主要因素是磁动势和磁通，用PM表示。
电动机的等效电路
1．3 交－直－交变频器的构成
1．3．1 交－直－交变频器的结构与原理
1．基本框图
图1－15交－直－交变频器框图
―――――――――――――――――――――――――――――――――输入侧：
频率和电压都不可变的三相交流电：
fS＝50Hz；
US＝380V。
中间环节：
直流电：
fD＝0Hz；
UD＝1.35US＝513V
UDM＝1.41US＝537V
输出侧：
频率和电压都可变的三相交流电：
fX＝0～50Hz；
UX＝0～380V。
2．单相逆变桥
图1－16单相逆变桥原理
a）V1、V2导通 b）负载所得电压波形 c）V3、V4导通
―――――――――――――――――――――――――――――――――负载的正方向电流：
由V1、V2导通得到。
电流路径：
P（＋）→V1
→a→ZL→b
→V2→N（－）
∴电流方向：
a→b
电压：
uab为“＋”
负载的反方向电流：
由V3、V4导通得到。
电流路径：
P（＋）→V3
→b→ZL→a
→V4→N（－）
∴电流方向：
b→a
电压：
uab为“－”
3．变频方法
图1－17 变频方法
a）逆变桥 b）交替导通 c）频率较高 d）频率较低
―――――――――――――――――――――――――――――――――交流电的得到：
V1、V2和V3、V4不断交替导通。
变频的方法：
改变交替导通的快慢。
交替快→T小→fX高；
交替慢→T大→fX低。
4．三相逆变桥
图1－18三相逆变桥
a）三相逆变电路 b）输出电压波形
―――――――――――――――――――――――――――――――――
三相逆变桥：
由六个开关器件组成。
逆变要点：
三相之间互差（2π／3）电角度。
1．3．2 逆变器件
1．逆变器件的条件
图1－19逆变器件承受的电压和电流
―――――――――――――――――――――――――――――――
（1）能承受足够大的电压和电流。
（2）允许长时间频繁地接通和关断。
有触点器件都不能满足，
只能用无触点器件。
（3）接通和关断的控制必须十分方便。
2．IGBT管
图1－20 IGBT逆变
ａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形
―――――――――――――――――――――――――――――――――
绝缘栅晶体管：
主体部分：
与晶体管相同：
有集电极和发射极；
驱动部分：
与绝缘栅场效应管相同，为控制极。
优点：
工作频率高，可达20kHz。
故：
超静音；
高转矩。
1．4 变频器的输出电压与频率
变频变压为哪般？
1．4．1 电动机变频时出现的新问题
图1－21 频率下降出现的新问题
――――――――――――――――――――――――――――――――――
频率下降后各部分功率的变化
输入功率：
几乎不变。
输出功率：
随转速的下降而减小。
电磁功率：
∵P1＞P2
∴PM增加。
1．从能量关系看主磁通的变化
图1－22 励磁电流和饱和程度的关系
a）简单磁路 b）磁路在不饱和段 c）磁路在深度饱和段
―――――――――――――――――――――――――――――――――
磁化曲线：
描绘磁路中的磁通和励磁电流之间关系的曲线。
磁路饱和的结果：
励磁电流发生畸变，产生尖峰电流。
2．磁通增大的后果
3．保持磁通不变的途径
∵E1＝KEfΦ1
Φ1＝KΦ
∴
＝C → Φ1＝C
顶替办法：
＝C → Φ1≈C
设kf＝
kU＝
则kU＝kf → Φ1≈C
∴ 变频的同时也要变压，变频器常称为VVVF。
1．4．2 变频又变压的具体方法
图1－23脉宽调制
a）电路框图 b）频率较高 c）频率较低
――――――――――――――――――――――――――――――――
脉宽调制：
改变脉冲的占空比，达到在调频的同时也调压的目的。
好处：
只需由逆变电路一侧进行调节。
1．PWM（脉宽调制）
2．SPWM（正弦脉宽调制）
图1－24正弦脉宽调制
a）电压波形 b）电流波形
――――――――――――――――――――――――――――――
SPWM：
使脉冲序列的占空比按正弦规律分布。
3．正弦脉宽调制的实现
图1－25单极性脉宽调制
a）频率较高 b）频率较低
―――――――――――――――――――――――――――――――――载波：
振幅和频率都不变的等腰三角波。
调制波：
振幅和频率都按所要求的电压频率比改变的正弦波。
脉冲序列：
由调制波和载波的交点决定。
单极性调制
图1－26双极性脉宽调制
a）双极性调制的波形 b）双极性调制的工作特点
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
调制特点：
调制波和载波都是双极性的。
逆变特点：
同一桥臂的逆变管总是处于交替导通状态。
双极性调制
变频器的输出电压
图1－27 变频器的输出电压
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
输出电压波形：
高频、高压的脉冲序列。
输出电压高：
脉冲序列的占空比大。
输出电压低：
脉冲序列的占空比小。
载波频率的影响
1．4．3 载波频率的影响
1．载波频率含义（开关频率、脉冲频率）
图1－28 载波频率的含义
a）载波频率低 b）载波频率高
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
载波频率：
载波（三角波）的频率，也叫开关频率或脉冲频率。
载波频率与输出电压的波形。
载波频率的高低，只改变每半个周期内的脉冲数，理论上不影响电压的有效值。
2．载波频率对输出电压的影响
（1）双极性调制的工作特点
图1－29 双极性调制的工作特点
a）上、下两管交替导通 b）交替导通时的死区
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
设置死区的意义：
逆变管交替导通时，为保证在已导通的IGBT管充分截止后，才允许另一个IGBT管导通所必须的“等待时间”。
死区的定义：
从V1的截止指令到V4的导通指令之间的间隔时间。
（2）载
图1－30 载波频率与输出电压
a）载波频率低 b）载波频率高 c）输出电压与载波频率的关系
―――――――――――――――――――――――――――――――――
载波频率高→交替次数多→死区个数多→总死区大→输出电压低。
（2）载波频率对输出电压的影响
图1－31 载波频率的影响
a）影响输出电流的因素 b）输出电流与载波频率的关系
――――――――――――――――――――――――――――――――――
载波频率高：
（1）通过分布电容的漏电流I00大，加重了IGBT管的负担；
（2）开关损耗ΔpC增加，加大了IGBT管产生的热量。
∴ 允许的输出电流减小。
3．载波频率对输出电流的影响
变频整流
有特色！
1．5 交－直－交变频器的主电路
图1－32整流及滤波电路
a）低压整流滤波电路 b）变频器整流滤波电路
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――
低压滤波电路：
常用π形滤波。
变频器滤波电路：
不允许滤波电路有电压降，故不能用π形滤波。
均压电路：
使互相串联的电容器组的电压分配均衡。
1．5．1 整流与滤波电路
1．滤波电路的特点
图1－33 合上电源时的充电过程
a）低压直接充电 b）变频器直接充电 c）加入限流电阻
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――
合闸前状态：
滤波电容器两端的电压为0V，相当于短路。
合闸时特点：
（1）冲击电流很大；
（2）输入侧电压瞬间为0V。
限流电阻的作用：
减小冲击电流，改善输入侧电压波形。
2．充电过程要限流
图1－34 直流电路的电源指示
―――――――――――――――――――――――――――――――――直流电路指示灯的作用：
指示滤波电容器上的电荷是否已经释放完毕。
3．直流电源指示为安全
1．5．2 逆变电路
能量交换给出路！
1．逆变电路的结构与输出电压
图1－35 逆变电路及其输出电压
a）逆变电路结构 b）输出电压波形 c）输出等效电压
――――――――――――――――――――――――――――――――――逆变电路特点：
逆变管旁都反并联二极管。
输出电压特点：
是高频高压脉冲序列，其基波分量是正弦波。
2．R、L电路的复习
图1－36 R、L电路的复习
―――――――――――――――――――――――――――――
0～t1：
i1与u反方向，与eL同方向，是磁场作功；
t1～t2：
i1与u同方向，与eL反方向，是电源作功。
3．逆变电路的电流路径
图１－37电动机状态
a）空载示意图 b）矢量图 c）电路图
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
电动机状态特点：
nM＜n0。
电容器充电：
反电动势克服电源电压，通过反并联二极管向滤波电容器充电。
电容器放电：
电源电压克服反电动势，滤波电容器通过IGBT管向电动机绕组放电。
滤波电容器充放电特点：
充电时间＜放电时间，是电源作功，称为电动机状态。
（1）电动机状态《nM＜n0》
图1－38 发电机状态
a）重载示意图 b）矢量图 c）电路图
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
发电机状态特点：
nM＞n0。
滤波电容器充放电特点：
充电时间＞放电时间，故称发电机状态，或再生制动状态。
（2）发电机状态（nM＞n0）
输入电流
为啥名堂多？
1．6 变频器的输入电流
1．6．1 输入电流为啥比输出电流小？
1．概述
图1－39 变压器与变频器的输入、输出电流
a）变压器的输入、输出电流 b）变频器的输入、输出电流
变压器特点：
根据能量守恒原理，低压侧电流大于高压侧电流。
变频器特点：
低频时，输出电压低，故输出电流大于输入电流。
2．变频器的输出电流
2．变频器的输出电流
图1－40 电动机的电流
a）变压器的输出电流 b）变频器的输出电流
――――――――――――――――――――――――――――――――――变压器的输出电流：
取决于负载的多少：
负载多→RΣ小→I2↑
变频器的输出电流：
即电动机电流，取决于负载轻重：
TL↑→TM＝KMI2’Φcosφ2↑
→I2’↑
→IM↑
3．频率下降时各部分的功率与电流
图1－41各部分电流的变化规律
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
当频率下降时，变频调速系统各环节的功率同时下降，
但下降的原因各不相同。
1．6．2 输入电流为啥三相不平衡？
1．整流及滤波后的电压波形
图1－42 整流及滤波后的电压波形
a）三相交流电压 b）整流及滤波后波形
―――――――――――――――――――――――――――――――――负载为电阻时的特点：
各脉波电压对滤波电容器有序充电、均等放电。
结果：
三相输入电流是平衡的。
2．低频带电动机负载时的电压波形
图1－43 低频带电动机负载时的电压波形
a）电压波形 b）输出电流波形
――――――――――――――――――――――――――――――――――
特点：
负载也要向滤波电容器充、放电，且：
（1）因频率较低，充、放电的节奏与整流后的脉波不一致，故各脉波向电容器充电的有序性被破坏。
（2）因输出电流按正弦规律变化，各脉波和电容器向负载放电的均等性也被破坏。
结果：
三相输入电流不平衡。
1．6．3 输入电流为啥功率因数低？
图1－44输入电流的波形及其谐波分析
a）输入电流的形成 b）输入电流 c）输入电流的频谙分析
―――――――――――――――――――――――――――――――――输入电流特点：
（1）只有当电源电压高于直流电压时才有电流。
（2）高次谐波成分十分丰富。
1．输入电流的波形及其频谱
图1－45滞后电流与谐波电流的功率
a）滞后电流的功率 b）5次谐波电流的功率
――――――――――――――――――――――――――――――――――
滞后电流的特点：
部分时间出现负功率，使平均功率下降，功率因数降低。
谐波电流的特点：
所有高次谐波电流的平均功率都等于0，都是无功电流。
2．功率因数的两个方面
功率因数的公式
λ＝
＝υ•cosφ［PF＝DF·Kd］
式中，λ─全功率因数（PF）；
Ｐ─有功功率，kW；
Ｓ─视在功率，kVA；
cosφ─位移因数（DF）；
υ─电流的畸变因数（Kd），等于电流基波分量的有效值与总有效值之比：
υ＝
3．提高功率因数的方法
（1）配接交、直流电抗器
图1－46交、直流电抗器
――――――――――――――――――――――――――――――――
基本途径：
接入电抗器，削弱高次谐波电流。
交流电抗器：
因受阻抗压降的制约，只能将功率因数提高到0.85。
直流电抗器：
可将功率因数提高到0.9。
图1－47 12脉波整流
a）6脉波整流 b）12脉波整流
―――――――――――――――――――――――――――――――――
要点：
输入变压器有两个副方绕组，一个接Y形；另一个接Δ形。
效果：
功率因数可提高到0.95以上。
（2）采用12脉波整流
1．7 变频器的铭牌
1．7．1 铭牌数据
图1－48 变频器的铭牌
a）富士变频器铭牌 b）型号的含义
――――――――――――――――――――――――――――――――
型号中包含：
配用电动机容量。
输入侧数据包含：
电压、频率、电流。
输出侧数据包含：
电压范围、频率范围、容量、电流、过载能力。
图1－49 输出电压的调整
a）SPWM波形 b）适当提高电压 c）输出电压的极大值
―――――――――――――――――――――――――――――――――
SPWM的最大输出电压：
＜380V（受载波频率的影响）
提高最大电压途径：
合并部分脉冲。
方波的基波分量：
U1m＝653.5V；U1＝463V。
1．7．2 输出电压的调整余地
1．7．3 电流与功率因数
1．50Hz时的输入电流
（1）基波分量
I
（1）＞IM（因为变频器有损耗功率）
（2）全电流
IN＞I
（1）＞＞IM
2．功率因数
λ＝
＝
＝
＝0.69
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