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1、变频器应用教程（第二版）张燕宾 编著第1章变频器主电路第1章变频器主电路1.1三相交流异步电动机简介1.2电动机在能量转换中的平衡关系1.3交-直-交变频器1.4变频器的输出电压与频率1.5交-直-交变频器的主电路1.6变频器各环节电流1.7变频器的功率因数1.8载波频率及其影响1.1三相交流异步电动机简介1.1.1三相交流异步电动机的构造和原理1.构造(1)定子定子铁心由硅钢片叠成，铁心槽中安置三相绕组。图1-1异步电动机的构造a)外形b)定子c)笼型转子1.1三相交流异步电动机简介(2)转子转子铁心也由硅钢片叠成，铁心槽中安置短路绕组，用得最多的是笼型转子。2.原理(1)旋转磁场图1-2三
2、相电动机的旋转磁场a)U相电流达到振幅值b)V相电流达到振幅值c)W相电流达到振幅值1.1三相交流异步电动机简介(2)转子旋转原理旋转磁场被静止着的转子绕组切割，转子绕组中将产生感应电动势和感应电流，其方向由右手定则来判定，如图1-3a所示。图1-3异步电动机的旋转原理a)转子绕组切割磁力线b)产生电磁转矩1.1.2变频调速原理1.1三相交流异步电动机简介1.异步电动机的基本公式(1)同步转速表1-1同步转速与磁极对数的关系(2)转差即转子转速与同步转速之差。(3)转差率(4)转子转速nM2.变频可以调速1.1三相交流异步电动机简介图1-4变频可以调速1.2电动机在能量转换中的平衡关系1.2.
3、1电动机从电网取用电能时的平衡关系1.能量的载体2.平衡要点(1)作用的一方图1-5吸收电功率1.2电动机在能量转换中的平衡关系(2)反作用的一方定子电流产生的旋转磁场，也要被定子绕组所“切割”，并产生感应电动势。(3)做功的标志电路中有电流。3.电动机的定子等效电路图1-6电动机的等效电路a)三相合成电流b)三相电路c)单相电路1.2电动机在能量转换中的平衡关系4.反电动势的大小(1)瞬时值(2)有效值图1-7反电动势的有效值a)参考波形b)频率增加c)振幅值增大1.2电动机在能量转换中的平衡关系1)在磁通振幅值相同的情况下，如频率增大，在t时间内，磁通的变化量将增加为2，如图b所示，所以，
4、反电动势也增大；2)在频率相同的情况下，如磁通的振幅值增大，在t时间内，磁通的变化量将增加为3，如图c所示，所以，反电动势也增大。5.电动势平衡方程(1)主磁通和漏磁通1)主磁通能够穿过空气隙与转子绕组相链，从而把能量传递给转子的部分，称为主磁通，如图1-8a中1所示。图1-8定子侧的电动势平衡a)主磁通和漏磁通b)磁通在电路中的反映1.2电动机在能量转换中的平衡关系2)漏磁通不能通过空气隙与转子绕组相链，从而不起能量传递作用的部分，称为漏磁通，如图a中0所示。(2)电动势平衡方程当外加电压做功时，除了要克服反电动势外，还必须克服线圈的电阻和漏磁电抗。6.要点提示1)在电动机的定子电路里，电源
5、电压U1主要是克服了定子绕组的反电动势E1而做功的；2)反电动势E1的大小是和频率密切相关的；3)阻抗压降U1的大小主要取决于电流I1的大小，和频率的关系不大，常可忽略。1.2.2转子从定子侧吸收能量的平衡关系1.能量的载体1.2电动机在能量转换中的平衡关系图1-9定子和转子电流的磁通a)电动机的磁路b)转子磁动势的去磁作用1.2电动机在能量转换中的平衡关系2.平衡要点(1)作用的一方(2)反作用的一方当转子绕组中产生感应电流时，根据楞次定律，它要阻碍定子磁通的变化，所以，转子绕组的磁动势是反作用的一方。(3)做功的标志磁路内有磁通。3.转子绕组的等效电路(1)等效过程笼型异步电动机的转子绕组
6、，由n根“笼条”构成，每一根“笼条”为“一相”，故转子电路是n相电路，如图1-10a所示。1.2电动机在能量转换中的平衡关系图1-10转子电路的等效变换a)笼型转子b)多相-三相变换c)动-静变换1.2电动机在能量转换中的平衡关系1)相数变换转子的n相电路与定子的三相电路是无法统到一起的。2)动静变换(2)一相等效电路和定子相仿，因为三相电路是对称的，所以，在分析时可以只拿一相来进行观察。图1-11转子的一相等效电路1.2电动机在能量转换中的平衡关系4.磁动势的平衡图1-12磁动势的平衡a)磁动势的平衡b)电流平衡c)电流相量图5.要点提示(1)转矩电流1.2电动机在能量转换中的平衡关系(2)
7、励磁电流它的大小与磁路的饱和程度有关。1.2.3负载得到机械能的平衡关系(见图1-13)图1-13拖动系统的转矩平衡1.2电动机在能量转换中的平衡关系1.能量的载体2.平衡要点(1)作用的一方(2)反作用的一方(3)作功的标志拖动系统以某一转速稳定运行。3.电动机的电磁转矩4.拖动系统的运行状态5.要点提示1)转矩平衡说明了，当拖动系统在某一转速下稳定运行时，电动机的电磁转矩和负载的阻转矩(包括损耗转矩)之间一定是平衡(相等)的：2)结合式(1-13)、式(1-14)和式(1-15)知：1.3交-直-交变频器1.3.1交-直-交变频器的结构与原理1.基本框图图1-14交-直-交变频器的主电路框
8、图(1)整流先将电源的三相(或单相)交流电经三相全波整流桥整流1.3交-直-交变频器成直流电。(2)逆变直流电经三相逆变桥 “逆变”成频率和电压都任意可调的三相交流电。2.单相逆变桥的结构和原理图1-15单相逆变桥及其工作过程a)单相逆变桥的构成b)工作过程1.3交-直-交变频器(1)前半周期令V1、V2导通；V3、V4截止。(2)后半周期令V1、V2截止；V3、V4导通。图1-16三相逆变桥及其工作a)三相逆变桥的构成b)三相逆变桥的输出电压1.3交-直-交变频器1.3.2逆变器件的工作条件与发展1.逆变器件的条件(1)能承受足够大的电压和电流1)电压我国三相低压电网的线电压均为380V，经
9、三相全波整流后的平均电压为513V，而峰值电压则为537V。2)电流以中型的150kW的电动机为例，其额定电流为250A，而电流的峰值为353A。图1-17逆变器件承受的电压和电流1.3交-直-交变频器(2)允许频繁地接通和关断如上述，逆变过程就是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件所无法承受的。(3)接通和关断的控制必须十分方便最基本的控制，如频率的上升和下降、改变频率的同时还要改变电压等等。2.逆变器件与变频器的发展(1)起步始于SCR20世纪60年代，大功率晶闸管(SCR)首先亮相，变频调速也因此而得到了实施，出现了希望。图1-18晶闸管在直流电路中a)门极
10、加正信号b)撤销门极信号c)门极加脉冲信号1.3交-直-交变频器图1-19晶闸管逆变电路a)逆变电路b)输出电压波形c)电动机电流波形1.3交-直-交变频器图1-20电力晶体管的内部电路a)复合晶体管b)双管模块1.3交-直-交变频器(2)普及归功GTR(BJT)20世纪70年代，电力晶体管问世，把变频调速推向了实用阶段，于20世纪80年代初开始逐渐推广。图1-21GTR变频器的主要特点a)逆变电路b)电压波形c)电流波形1.3交-直-交变频器1)输出电压可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列，如图b所示。2)载波频率由于GTR的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低
11、，大部分变频器的上限载波频率约为1.21.5kHz。3)电流波形因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大，如图c所示。4)输出转矩因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。(3)提高全靠IGBT20世纪80年代末，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开发成功，使变频器在许多方面得到了较大的提高。1.3交-直-交变频器图1-22IGBT的基本特点a)结构特点b)逆变电路c)电压和电流波形1.3交-直-交变频器1)控制部分控制信号为电压信号uGE，栅极与发射极之间的输入阻抗很大，故信号电流与驱动功率(控制功耗)都很小。2)主体部分因为与GTR相同，
12、额定电压与电流容易做得较大，故在中小容量的变频器中，IGBT已经完全取代了GTR。1)载波频率高大多数变频器的载波频率可在315kHz的范围内任意可调，其电压波形如图c的上部所示。2)电流波形大为改善载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接近于正弦波，如图c的下部所示，故电磁噪声减小，而电动机的转矩则增大。3)瞬间停电可以不停机这是因为，IGBT的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减较慢，IGBT管不会立即进入放大状态。1.3交-直-交变频器图1-23IGBT模块a)双管模块b)六管模块1.4变频器的输出电压与频率1.4.1变频调速出现的新问题1.异步电动机的能量传递过程图1-2
13、4异步电动机的能量传递过程a)异步电动机拖动系统b)能量传递过程(1)输入功率1.4变频器的输出电压与频率(2)电磁功率(3)输出功率图1-25变频出现的新问题1.4变频器的输出电压与频率2.变频调速出现的新问题(1)输入功率在式(1-17)中，与输入功率P1有关的各因子中，除cos1略有变化外，都和fX没有直接关系。(2)输出功率由于在等速运行时，电动机的电磁转矩TM总是和负载转矩相平衡的。(3)电磁功率由图1-25可以看出，当输入功率P1不变而输出功率P2减小时，传递能量的电磁功率PM必增大。3.磁路饱和的结果(1)磁化曲线在电动机的磁路里，磁通的大小和励磁电流I0的关系，称为磁化曲线，如
14、图1-26所示。1.4变频器的输出电压与频率图1-26励磁电流的波形a)磁路未饱和b)磁路饱和1.4变频器的输出电压与频率(2)励磁电流的波形当磁路未饱和时，励磁过程在磁化曲线的线性段进行，励磁电流的波形如图a所示。1.4.2变频与变压(1)准确方法图1-27保持磁通不变的方法1.4变频器的输出电压与频率(2)替代方法在式(1-8)中，定子绕组的阻抗压降U所占比例较小，因此，用比较容易从外部进行控制的外加电压U1X来近似地代替反电动势E1X是具有现实意义的。(3)调频比与调压比图1-28基本U/f线1.4变频器的输出电压与频率1.4.3变频变压的具体方法1.脉幅调制(PAM)图1-29PAM调
15、制a)电路框图b)频率较高时c)频率较低时1.4变频器的输出电压与频率2.脉宽调制(PWM)图1-30PWM调制a)电路框图b)频率较高时c)频率较低时1.4变频器的输出电压与频率3.正弦脉宽调制(SPWM)图1-31SPWM调制a)正弦变化的波形b)SPWM的规律1.4变频器的输出电压与频率1.4.4正弦脉宽调制的实现1.单极性调制图1-32单极性SPWM1.4变频器的输出电压与频率(1)正弦波的频率随给定频率而变；三角波的频率原则上也跟着一起变化，但变化规律在不同品牌的变频器中不尽相同。(2)正弦波的振幅按比值U1X/fX和给定频率fX同时变化；三角波的振幅则不变。(3)计算机将实时地计算
16、出各脉冲的上升沿和下降沿的时刻，如图中之t1、t2、t3。2.双极性调制图1-33双极性调制方式1.4变频器的输出电压与频率图1-34双极性调制工作特点1.5交-直-交变频器的主电路1.5.1整流与滤波1.全波整流电路2.滤波与均压电路图1-35整流与滤波电路1.5交-直-交变频器的主电路3.限流电路图1-36限流电阻的作用a)低压电路b)高压无限流电阻c)高压有限流电阻1.5交-直-交变频器的主电路1.接通电源时的共同特点(1)产生很大的冲击电流；(2)使电源电压瞬间下降为0V。2.高、低压电路的不同点(1)变压器的副方绕组，能够把合闸时的冲击电流限制在允许范围内，如图1-36a中之曲线所示
17、。(2)变压器的副方电压虽然瞬间降为0V，如图中之曲线所示，但原方电压所受影响不大。(1)合闸时的冲击电流很大，如图b中之曲线所示，该冲击电流足以损坏整流管。(2)电网电压瞬间降为0V，如图中之曲线所示，这将对其他设备的正常运行形成干扰。1.5交-直-交变频器的主电路3.解决办法4.直流电压指示电路图1-37直流电压指示电路1.5交-直-交变频器的主电路1.5.2逆变电路1.逆变电路的结构图1-38逆变电路的结构a)逆变电路b)输出电压实际波形c)输出电压等效波形1.5交-直-交变频器的主电路2.反向二极管的作用图1-39逆变桥反并联二极管的作用1.6变频器各环节电流1.6.1变频器的输出电流
18、1.拖动系统的基本原则2.变频器的输出电流图1-40变频器的输出电流a)50Hz的输出电流b)25Hz的输出电流1.6变频器各环节电流1.6.2输入电流比输出电流小1.变压器的电流规律图1-41变频器与变压器的类比a)变压器b)变频器1.6变频器各环节电流2.变频器的电流规律3.频率下降时各环节电流的变化规律(1)各环节的功率损耗都忽略不计。(2)转速改变时，负载的阻转矩保持不变：图1-42频率下降时各环节电流的变化规律1.6变频器各环节电流(1)电动机的输出功率PM2(2)电动机的输入功率PM1(3)直流回路的电流ID(4)变频器的输入电流IS1.6.3输入电流不平衡1.整流桥接电阻负载图1
19、-43三相整流桥向电阻负载供电1.6变频器各环节电流2.整流桥接感性负载图1-44变频器内的充、放电情形1.6.4输入电流谐波多1.输入电流的特点1.6变频器各环节电流图1-45输入电流的波形及其谐波分析a)输入电路b)电压波c)电流波d)谐波分析1.7变频器的功率因数1.7.1功率因数的定义1.功率因数的基本定义2.位移因数图1-46滞后电流与谐波电流的功率a)滞后电流的功率b)谐波电流的功率1.7变频器的功率因数3.畸变因数4.全功率因数1.7.2提高功率因数的方法1.接入交流电抗器图1-47交流电抗器1.7变频器的功率因数2.接入直流电抗器图1-48直流电抗器a)直流电抗器在电路中位置b
20、)外形c)接入直流电抗器后输入电流的波形1.7变频器的功率因数3.采用12脉波整流图1-4912脉波整流1.8载波频率及其影响1.8.1双极性调制的死区图1-50逆变管的交替导通a)开通与关断过程b)交替导通的特点1.8载波频率及其影响1.8.2载波频率对输出电压的影响图1-51载波频率对电压的影响1.8载波频率及其影响1.8.3载波频率对输出电流的影响1.线路漏电流增加图1-52载波频率对最大输出电流的影响a)电路中的分布电容b)最大输出电流与载波频率的关系2.开关损失增加1.8载波频率及其影响1.8.4载波频率对电磁噪音的影响图1-53载波频率对噪音的影响a)变频器的输出电流b)噪音与载波
21、频率的关系1.三相交流异步电动机从定子输入电功率，1.8载波频率及其影响而从转子输出机械功率。2.异步电动机在把电能转换成机械能的过程中，有三个重要的平衡关系：(1)电动势平衡方程(2)磁动势平衡方程(3)转矩平衡方程是电动机带动负载时的平衡方程。3.交-直-交变频器的核心部分是逆变电路，由若干个开关器件构成，现代变频器所用的开关器件，大多是IGBT管。4.电动机在变频运行时，必须注意使磁通保持不变。5.变频器的主电路由整流和逆变两大部分组成。(1)整流部分须注意滤波电容器串联时的均压、限制接通电源时的充电电流等；1.8载波频率及其影响(2)逆变桥中，每个开关管旁边必须反并联一个二极管，以利于直流电源与电动机绕组之间的能量交换；6. 变频器的输出电流取决于电动机负载的轻重，和输出频率无关。7.变频器的输入电流中含有十分丰富的高次谐波成分，而所有的高次谐波电流都是无功电流，所以，变频器输入侧的功率因数较低。8.载波频率对变频器的影响有：(1)载波频率高，变频器的输出电压将下降；(2)载波频率高，变频器允许输出的最大电流将减小；(3)载波频率低，电磁噪音将增大。
