变频器原理与维修综述

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1、变频器原理与应用 SINAMICS GSINAMICS S 变频器原理与应用 绪论 主要内容： q 变频器的概念和用途 q 变频器的发展历程 q 变频器的应用现状和发展趋势 q 课程内容及学习要求 变频器原理与应用 n变频器的概念 n变频器的用途 三相交流电网 3 AC, 400V, 50 Hz 开关或接触器 变频器 异步电动机 转速可调 050Hz可调 1.变频器的概念和用途 变频器原理与应用 n 直流调速系统的优缺点 2.变频器的发展历程 n 交流调速系统的优缺点 n 变频器的诞生 n 变频器的发展与成熟 变频器原理与应用 n起步较晚 n已进入 “黄金时期” n国外品牌 n国内品牌 n变频

2、调速的效果 n市场空间 3.我国变频器的应用现状 变频器原理与应用 n向专用型方向发展 n向人性化方向发展 n易用性不断提高 4.变频器的发展趋势 n功率结构模块化 n智能化（信息化） n优化电网接口 变频器原理与应用 总结 重点：变频器的概念和用途。 难点：变频器的发展趋势。 绪论 n 变频器的概念和用途 n 变频器的发展历程、应用现状和发展趋势 变频器原理与应用 第1章 基础知识 主要内容： 1.1 三相异步电动机 1.2 三相异步电动机的起动和制动 1.3 电力电子器件简介 1.4 脉冲宽度调制（PWM）原理 1.5 变频器的组成和分类 变频器原理与应用 1.1 三相异步电动机 本节主要

3、内容： q 三相异步电动机结构及工作原理 q 三相异步电动机的电磁特性 q 三相异步电动机的机械特性 q 三相异步电动机的调速方式 变频器原理与应用 1.三相异步电动机结构及工作原理 三相感应 电动机 定子 气隙 转子 机座 端盖 转子铁心 轴 转子绕组 定子铁心 定子绕组 鼠笼型 绕线型 变频器原理与应用 机座机座 端盖端盖 风扇风扇 接线盒接线盒 定子绕组定子绕组鼠笼转子鼠笼转子 端环端环 散热筋散热筋 轴轴 轴承轴承 图图1.1 1.1 三相感应电机的结构图三相感应电机的结构图 变频器原理与应用 图图1.2 1.2 三相感应电机的结构图三相感应电机的结构图 变频器原理与应用 变频器原理与

4、应用 n 鼠笼型转子 变频器原理与应用 n 绕线式转子 变频器原理与应用 ABC CBA i t 1 A ZB X C Y N N S S 2 N N S S 3 N N S S 4 N N S S 5 N N S S 6 N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S e2, i2 f f f f T, T, n n n n1 1 n 三相感应式电动机的工作模型 规定规定 电流从首端流入 、末端流出时为 正。 1 2 3 4 56 变频器原理与应用 n 旋转磁场 旋转磁场的转速（同步速） 电网频率电网频率 电机的

5、极对数电机的极对数 变频器原理与应用 转差定义为： 即转子与旋转磁场之间存在相对运动，是感应电动机 稳定运行的必要条件。 转差率定义为： 其大小反映了电机的转速，即 n 转差率 变频器原理与应用 E1=4.44K1N11m=U1+U E11m 将U忽略，则E1U11m 2.三相异步电动机的电磁特性 n 感应电动势E1 n U1/1 =常数 变频器原理与应用 n 机械特性的参数表达式 其中：p为电机极对数； U1为相电压有效值 r1为定子每相绕组的内阻 x1为每相漏阻抗 r2为折算到定子侧的每相电阻 x2为折算到定子侧的漏电阻 电机参数一定， 且U1，f1不变时， T仅与S有关。 机械特性曲线

6、3.三相异步电动机的机械特性 变频器原理与应用 D D: : 理想空载点理想空载点( (同步点同步点) ) C:C: 额定运行点额定运行点 B:B: 最大转矩点最大转矩点 ( (拐点）拐点） A:A: 起动点起动点 临界转差率临界转差率最大转矩 最大转矩 起动转矩起动转矩 理想空载点 额定运行点 最大转矩点 起 动 点 n 机械特性中四个关键点 图1.3 感应电机的机械特性 变频器原理与应用 n异步电动机的调速原理 变频变频 ( (他控式、自控式）他控式、自控式） 变极变极 调压调压 串电阻串电阻 串级串级 电磁转差离合器电磁转差离合器 耗能型 有级调速 设备费用高 4.三相异步电动机的调速方

7、式 变频器原理与应用 n 异步电动机的变极调速 2 2p p = 4= 4 A1X1 X2A2 A X N N S S N N S S A A1 1 A A2 2 X X1 1 X X2 2 AX A A1 1 A A2 2 X X1 1 X X2 2 AX A A1 1 A A2 2 X X1 1 X X2 2 AX A1X1 X2A2 A X N N S S 2 2p p = 2= 2 变频器原理与应用 调速原理 连续可调、 连续可调 主要设备变频器 V1V3V5 V4V6V2 M 逆变可调整流 n 异步电动机的变频调速 图图1.4 1.4 变频器的结构变频器的结构 变频器原理与应用 变频

8、调速时的机械特性 同步点 最大转矩点： 起动点： 不变 最大转矩对应的转速降： 不变 保持保持 不变不变 弱磁调速 1 1 2 2 图图1.5 1.5 变频调速时的机械特性变频调速时的机械特性 ffn:恒功率调速； 变频器原理与应用 调压调速 1 1 2 2 3 3 c c b b a a 不变 不变 n 异步电动机的改变转差率调速 图图1.6 1.6 变转差率调速时的机械特性变转差率调速时的机械特性 变频器原理与应用 不变 不变 1 1 2 2 轻载调速 范围不大 调速前：1，S1 调速后：2，S2 绕线式感应电动机转子串电阻调速（串级调速） 图图1.7 1.7 串电阻调速时的机械特性串电阻

9、调速时的机械特性 变频器原理与应用 变极调速 变转差率调速 变频调速 n 异步电动机的三种调速方式的比较 变频器原理与应用 1.2 三相异步电动机的起动和制动 本节主要内容： q 三相异步电动机的起动方法 q 三相异步电动机的制动方法 变频器原理与应用 1.三相异步电动机的起动方法 n 要求: 有不太大的起动电流 足够大的起动转矩 动态转矩T很小 n 起动方法: 直接起动 降压起动 低频起动 变频器原理与应用 图图1.8 1.8 低频启动时的机械特性低频启动时的机械特性 变频器原理与应用 2.异步电动机的制动方法 n电动机的制动状态：指电磁转矩T与转子转速n方向 相反的状态。 n制动方式: 直

10、流制动： 回馈制动 反接制动 变频器原理与应用 n直流制动 制动原理 制动过程 图图1.8 1.8 直流制动原理直流制动原理图图1.9 1.9 直流制动机械特性直流制动机械特性 变频器原理与应用 n回馈制动 制动原理 回馈制动的条件：nn1 图图1.10 1.10 回馈制动机械特性回馈制动机械特性 变频器原理与应用 小结 重点：三相异步电动机的启动和制动方式 难点：各种启动和制动方式的工作原理 1.2 三相异步电动机的起动和制动 q三相异步电动机的起动方式 q三相异步电动机的制动方式 直接起动 降压起动 低频起动 直流制动 回馈制动 反接制动 变频器原理与应用 1.3 电力电子器件简介 本节主

11、要内容： q 常用电力电子器件的基本特性。 n电力电子器件是变频技术 发展的基础。 n在定性分析变频电路时， 可将电力电子器件作为理 想开关来对待。 图图1.11 1.11 理想伏安特性理想伏安特性 变频器原理与应用 1.功率二极管（DIODE） n电气符号 n伏安特性 I O I F U TO U F U n特性 单向导电性 正向 导通 反向 截至 变频器原理与应用 2.晶闸管（SCR） n电气符号 n伏安特性 n内部结构 变频器原理与应用 n开通条件 阳极和阴极间承受正向电压时，在门极和阴极间也 加正向电压。 当阳极电流上升到擎住电流后，门极电压信号即失 去作用，若撤去门极信号，晶闸管可继

12、续导通； （擎住电流是使晶闸管由关断到导通的最小电流） n关断条件 使晶闸管阳极电流IA小于维持电流IH （维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流） 变频器原理与应用 n电气符号 n内部结构：GTO是一种多元功率集 成器件，它是由十几个甚至数百个 共阳极的小GTO元组成。 n伏安特性：与SCR的特性相似。 n导通与关断条件：导通条件与SCR 相同，但关断时门极需要负脉冲。 n缺点 驱动功率大，驱动电 路复杂； 工作频率不够高，一 般在10KHz以下。 n优点 电压、电流容量较大 ，可达到6000V、6000A 。 多应用于大功率高压 变频器。 3.门极可关断晶闸管（GTO） 变频器原理与应用

13、n电气符号 n工作状态：GTR作为开 关器件，应在截止（关） 和饱和（开）两种状态之 间交替。 n缺点 GTR耐冲击能力差，易 受二次击穿损坏。 目前GTR的应用一般被 IGBT所替代。 n内部结构：与普通的 双极结型晶体管类似。 4.电力晶体管（GTR） n伏安特性 变频器原理与应用 n电气符号n伏安特性n转移特性 n导通条件： uDS加正压，且 uGSUGS(th) )(开启电压) n优点：驱动功率小，开 关速度快 n缺点：电流容量小，耐 压低 5.电力场效应晶体管（MOSFET） 变频器原理与应用 n电气符号n等效电路 n输出特性 n导通条件： uCE加正压，且 uGEUGE(th) )

14、(开启电压) n优点： 驱动功率小 开关速度快 电流容量大，耐压 高 6.绝缘栅双极晶体管（IGBT） 变频器原理与应用 nIGCT是GTO的派生器件，其基本结构在GTO的基础进 行了改进，如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的 门极驱动电路等等。 n使IGCT不仅具有与GTO相当的容量，而且具有优良的 开通和关断能力。 n目前，4000A、4500V及5500V的IGCT已研制成功。在 大容量变频电路中，IGCT被广泛应用。 7.集成门极换流晶闸管（IGCT） 变频器原理与应用 nIPM是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检 测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一 种。 n优点：高

15、度集成化、结构紧凑，避免了由于分布参数 、保护延迟所带来的一系列技术难题。适合逆变器高 频化发展方向的需要。 n目前，IPM一般以IGBT为基本功率开关元件，构成单 相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器 中广泛应用。 8.智能功率模块（IPM） 变频器原理与应用 重点：常用电力电子器件的基本特性 难点：复合器件的特点 1.3 电力电子器件简介 q 常用电力电子器件的基本特性 不控器件：DIODE 半控器件：SCR， 全控器件： GTO，GTR, P.MOSFET 复合器件： IGBT，IGCT 功率集成电路： IPM 小 结 变频器原理与应用 1.4 脉冲宽度调制（PWM）原理 n电

16、能变换的类型 图1.12 电能变换的类型 变频器原理与应用 nAC/DC变换器 图1.13 整流电路 变频器原理与应用 nDC/DC变换器 图1.14 直流斩波电路 变频器原理与应用 nDC/AC变换器 图1.15 单相逆变电路 变频器原理与应用 nAC/AC变换器 图1.17 交交变频器 图1.16 单相交流调压器 变频器原理与应用 本节主要内容： q PWM的基本原理，调制方法 q SPWM逆变电路 n脉冲宽度调制（缩写为PWM）技术 按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行 调制，来得到所需要的等效波形。 n（交直交）变频器的结构 图1.18 交直交变频器 变频器原理与应用 n 理论基础:面积等效原理 1. PWM技术的基本原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节 上时，其效果基本相同。 冲量窄脉冲的面积 效果基本相同环节的输出响应波形基本相同 图1.19 形状