DX01(新36)第一讲变频器的主电路

1变频调速应用技术讲座张燕宾（0717－6833317；13972026878；[e-mail]）第1讲变频器的主电路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（1）笼形转子异步电动机图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。2（2）绕纯转子异步电动机2．旋转磁场图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。33．异步电动机旋转原理4．基本公式n0＝pf60n0—同步转速；f—电流的频率；p—磁极对数。Δn＝n0－nM—转差s＝0nn＝00nnnM—转差率p2pn0nMΔns备注12300029001000.0335.5～7.5kW2930700.02311～18.5kW2970300.0145～160kW2415001460400.02711～15kW1470300.0218.5～30kW1480200.01337～315kW361000960400.043～5.5kW970300.037.5～30kW980200.0237～250kW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。41．1．2异步电动机的缺点也很突出生产机械要求无级调整调速1．1．3异步电动机的世纪之梦图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！图1－6变频可以调速―――――――――――――――――――――――――――――――――要使结构简单坚固、价格低廉的异步电动机也能无级调速！51．2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。62．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＝－dtd感应电动势的有效值：与磁通和频率的乘积成正比：E1＝KEfΦ173．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：1U＝－1E＋1U81．2．2电动机输出机械功率的过程（能量载体－输出轴）1．作功要点2．转矩平衡方程TM＞TL＋T0→n↑TM＜TL＋T0→n↓TM＝TL＋T0→n＝C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。91．2．3定、转子传递能量的过程（能量载体－磁路）1．作功要点图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。102．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。113．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U1E1ΔU1磁动势平衡方程I1N1I2’N1I0N1（电流平衡方程）I1I2’I0转矩平衡方程TMTLT0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：11NI＝－12'NI＋10NI电流平衡方程：1I＝－'2I＋0I121．2．4电动机的等效电路图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＝3USI1cosφ1输出功率：机械功率，主要因素是转矩和转速：P2＝9550MMnT传递功率：电磁功率，主要因素是磁动势和磁通，用PM表示。13休息15分钟141．3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＝513VUDM＝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。152．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“－”163．变频方法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。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。171．3．2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。182．IGBT管图1－20IGBT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。191．4变频器的输出电压与频率1．4．1电动机变频时出现的新问题1．从能量关系看主磁通的变化图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。202．磁通增大的后果3．保持磁通不变的途径∵E1＝KEfΦ1Φ1＝KΦfE1∴fE1＝C→Φ1＝C顶替办法：fU1＝C→Φ1≈C设kf＝NXffkU＝NXUU则kU＝kf→Φ1≈C∴变频的同时也要变压，变频器常称为VVVF。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。211．4．2变频又变压的具体方法1．PWM（脉宽调制）2．SPWM（正弦脉宽调制）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。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。223．正弦脉宽调制的实现单极性调制交点方程：t＝f（Um，T）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。2324双极性调制变频器的输出电压图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。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。251．4．3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。262．载波频率对输出电压的影响（1）双极性调制的工作特点（2）载（2）载波频率对输出电压的影响图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。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―――――――――――――――――