学习情境一变频器的认识

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1、1 学习情境一变频器的认识学习目的：1、了解变频器的基本工作原理、类型及其应用。2、熟悉变频器的外形、结构及组成部件。3、掌握变频器的拆装步骤和方法。学习内容：1、变频器的基本工作原理、类型及其应用。2、拆装变频器的面板和上盖，熟悉各部分的组成和名称。教学过程（组织）一、相关知识点析变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。变频器技术随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术和自动控制理论等的不断发展而发展，其应用越来越广泛。 （一） 通用电动机三相鼠笼式异步电动机是感应电机中最常见的一种。1、 构造示意图2 2、感应电机一相等价回路3、电机的特性4、动画演示：三相异步电动机工

2、作原理。定子三相对称绕组，接通三相对称电源，流过三相对称电流，产生旋转磁场（电生磁），该磁场的速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该旋转磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生感应电势和电流（磁变生电），载流导体在磁场中受到电磁力的作用，形成电磁转矩（电磁生力），使转子朝着旋转磁场旋转的方向旋转。3 5、电机联接方式：Y/ 接法（二）电力电子器件简介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。常见的电力电子器件有如下几种：1、晶闸管（ SCR ）（1）结构与电路符号：电气图形符号内部等效电路伏安特性曲线（2）特性：其伏安特性是指SCR的阳极阴极之间电压和阳极电流

3、关系。（3）通与关断条件: 是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。当阳极电流上升到掣住电流（使晶闸管由关断到导通的最小电流）后，门极电压信号即失去作用，若撤去门极信号，晶闸管可继续导通；使晶闸管阳极电流IA小于维持电流IH，管子会自然关断。维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流。（4）优缺点： SCR属于电流控制型元件，其缺点是控制电路复杂、庞大，工作频率低，效率低等。SCR的优势在于电压、电流容量较大，目前仍广泛应用在可控整流和交- 交变频等变流电路中。2、门极可关断晶闸管（GTO ）（1）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

4、。小GTO 元内部是 PNPN 四层半导体结构，它的三个引出极也分别为阳极A、阴极 K、门极 G，其电气4 图形符号如下图所示。（2）特性 : 其伏安特性是指GTO 的阳极阴极之间电压和阳极电流关系。与SCR 的特性相似。（3）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。（4）优缺点： GTO 属于电流控制型元件，其缺点是驱动功率大，驱动电路复杂；关断控制易失败，工作频率不够高， 一般在 10KHz 以下。它的优势在于电压、 电流容量较大， 目前其电压可达到6000V、电流可达到6000A，多应用于大功率高压变频器。3、电力晶体管（GTR ）（1）结构单管 GTR结构与普通的

5、双极结型晶体管类似，多采用NPN结构，其电气图形符号如图所示。变频器用的GTR一般是 GTR模块，它是将两只或四只、六只甚至七只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内，这样的结构是为了耐高压、大电流，开关特性好。（2）特性GTR的伏安特性曲线表示GTR的基极电压和集电极电流的关系。（3）导通原理 : 和普通晶体管一样，是一种电流放大器件，有三种基本工作状态，即截止、放大、饱和。在变频电路中，GTR作为开关器件，应在截止（关）和饱和（开）两种状态之间交替，不允许工作在放大状态，否则管子的功耗将增大数百倍，使管子过热损坏。（4）优缺点：工作频率较低，一般在510KHz 。它又属于电流驱动

6、型器件，其驱动功率大，驱动电路复杂，而且GTR耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。目前GTR的应用一般被绝缘栅双极晶体管（IGBT）所替代。4、电力场效应晶体管（MOSFET ）（1）结构电力场效应晶体管（MOSFET）的三个引出极为：源极S、漏极 D、栅极 G 。变频器使用的电力场效应晶体管一般是N沟道增强型，其电气图形符号如图所示。5 （2）特性其伏安特性曲线反映了输出电压uDS和输出电流iD的关系，也称之为输出特性曲线。（3）工作特点：栅极电压uGS控制漏极电流iD：当 0uGS UGS(th)（开启电压）时，管子截止，无iD；当 uGSUGS(th)，uDS加正压，管子导通， ；DS越大则

7、 iD越大，在相同的uDS下， uGS越大， iD越大；uGS与 iD的关系称为电力场效应晶体管( Power MOSFET) 转移特性，其曲线如图所示。（4）优缺点： MOSFET属于电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单；开关速度快，开关频率可达500KHz 以上。缺点是电流容量小，耐压低。5、 绝缘栅双极晶体管（IGBT）（1）结构IGBT 是 MOSFET 和 GTR 取长补短相结合的产物，具有栅极G、集电极 C、和发射极E 的三个引出端。等效电路和电气图形符号。输入回路：电压控制型，控制信号为uGE，输入阻抗高，栅极电流iG约为零，驱动功率小；输出回路：为IGBT 的主

8、电路，与GTR 相同，工作电流为iC。（2）特性IGBT的输出特性曲线反映了输出电压uCE和输出电流iC的关系。（ 3）工作特点：工作在开关状态时，在阻断状态和饱和导通状态之间转换，不允许在放大状态停留。当 uGE UGE(th)（开启电压）时，IGBT 截止，无iC；当 uGEUGE(th)时， uCE加正压， IGBT 导通，其输出电流iC与驱动电压uGE基本呈线形关系。如图 1-12b 所示为 IGBT 的驱动电压uGE与输出电流iC的关系，此曲线称为IGBT 的转移特性曲线。（4）优缺点：优点是输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达到20KHz 以上，通态压降比 MOSFET 低

9、，输入阻抗高，耐压、耐流能力比MOSFET 和 GTR 提高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。在中小容量变频器电路中，IGBT 的应用处于绝对的优势。6 6、集成门极换流晶闸管（IGCT ）IGCT 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。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。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、智能功率模块（IPM ）IPM 是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、

10、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一种。这种功率集成电路特别适应逆变器高频化发展方向的需要，而且由于高度集成化，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。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。（三）变频器的原理、构成1、变频原理：变频器是把电压频率恒定的交流电变换成电压频率分别可调的交流电的变换器，是能够简单、自由地改变交流电动机转速的一种控制装置。改变交流电动机转速的方法：变频器是通过改变交流电动机电源频率实现调速的。调速原理：异步电动机的转速n=n0(1-s)= (1-s) 60f

11、 /p 同步转速： n0= 60f/p 转差率： S=( n0- n)/ n0（n 为电动机转速，r/min；n0为同步转速，r/min；P 为极对数； S 为转差率， f 为电源频率，Hz。 ）2、变频器的构成它是由主电路（整流器、中间直流环节、逆变器）、控制电路组成。M逆变器整流器控制电路控制指令运行指令中间直流环节负载侧 变流器电网侧 变流器控制指令DCACAC各组成部分功能：（1）主电路1）整流器把三相交流电整流成直流电；2）逆变器是利用功率器件，有规律地控制逆变器中主开关通断，从而得到任意频率的三相交流输出；3）中间直流环节的储能元件用于直流环节和电动机间的无功功率交换；（ 2）控制

12、电路：可完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，通外部接口电路发送控制信息，以实现各种保护功能。7 3、变频调速特点变频调速具有调速范围宽，调速平滑性好，调速前后的不改变机械特性硬度，调速的动态特性好等特点。其机械特性如图1-3 所示。图中的机械特性可分成两种情况 基频以下的恒磁通（转矩）变频调速基频：指电动机的额定频率。在基频以下调速时，采用U/? 控制方式以保持主磁通m的恒定。且此过程中， TM恒定，电动机带动负载的能力不变，转速差n 基本不变，所以调速后的机械特性平行地移动，电动机的输出转矩不变，属于恒转矩调速。当 ?1较低时，电动机的带动负载能力会变小，可采用电压（转矩）补偿方法来

13、提高电动机带动负载的能力，其机械特性曲线如下图虚线所示。 基频以上的弱磁（恒功率）变频调速由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率由额定值向上升高时，定子电压不可能随之升高，只能保持在额定值不变。这样必然会使m随着 ?1的升高而下降，类似于直流电动机的弱磁调速。由于 TM（ U1/?1）2，保持 U 1恒定时， TM随着 ?1的升高而下降，因此电动机的带负载能力减 小；随着?1的升高， m下降，电磁转矩T 下降，而转速上升，属于近似恒功率调速。（四） 变频器的分类1、按变流环节不同的分类（1）交直交变频器（2）交交变频器按直流电源的性质分类（1）电流型变频器8 （2）电压型变频器2、按输出电压

14、调节方式分类（1）脉冲幅值调节（PAM ） ： 是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。（2）脉冲宽度调制（PWM ） ： 利用全控型电力电子器件的导通和关断，将直流电压变成一定形状的电压脉冲序列， 实现变压变频控制。 变频器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM 方式来完成。目前使用最多的是正弦脉冲宽度调制（SPWM ） ：(1) 定义：即希望逆变器输出电压的正弦波形，其含义是通过调节脉冲宽度（脉冲占空比）来调节平均电压的方法。(2) SPWM 控制单极性三角波调制双极性三角波调制3、按控制方式分类（1）U/f 控制：按照电压、频率关系对变频器的频率和电压进行控制，为开环控制方式。它的

15、基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行，通过保持U/f 恒定使电动机获得所需的转矩特性。基频以下可以实现恒转矩调节器速，基频以上则可以实现恒功率调速。这种方式控制电路成本低，多用于精度要求不高的通用变频器。（2）SF 控制：即转差频率控制，是U/f=C 控制方式的一种改进，为闭环控制方式。在 U/f 控制方式下，如果负载变化，转速也会随之变化，转速变化量与转差率成正比。U/f 控制的静态调速精度较差，可采用S/F 控制方式来提高调速精度。此方式，变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统，与U/f 相比，调速精度与转矩特性较优。变频器的输出频率由电动机的实际转速与转差率之和来自动

16、设定，从而达到在调速控制的同时也使输出转矩得到控制。但该方式需要在电动机轴上安装速度传感器，并需依据电动机特性调节转差率，故通用性较差。（3）VC （矢量）控制基本概念：将交流电动机定子电流分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并加与控制，即模仿直流电动机的控制方式对电动机的磁场和转矩分别进行控制，可获得类似于直流调速系统的动态性能。由于在这种方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，该方式称为VC，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的等效过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的提高和改善。控制规律：三相二相变换（3/2 变换）；矢量旋转变换（VR） ；坐标变换（K/P） 。4、按用途分（ 1）专用型：为具体应用而设计，使用面窄、价格低、操作简单。包括：高性能专用变频器；高频 变 频 器 ； 高 压 大 容 量 变 频 器 ： 电 压 等 级 有3 kV 、 6 kV 、 10 kV 。（类型有高 -低-高型和直接高压型。 ）（2）通用型：用于机械传动调速，功