D9901(新16)第一章变频器的主电路.doc

28

变频调速应用技术讲座
张燕宾（0717－6833317；13972026878；zyanbin@）
为什么
要开发变频器？
第1章 变频器的主电路

1．1 三相交流异步电动机简介

图1－1　笼形转子异步电动机的构造
a）外形　b）定子　c）转子
1．1．1　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
2．绕线转子异步电动机

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

3．旋转原理

图1－3　三相交流异步电动机的旋转原理
a）三相交变电流　b）三相绕组　c）旋转原理

4．基本公式
n0—同步转速，即旋转磁场的转速。
n0＝
f—电流的频率；　p—磁极对数； 　nM—转子转速。
Δn＝n0－nM —转差
s＝＝ —转差率
Δn＝s n0
nM＝n0－Δn＝n0－s n0
＝n0（1－s）＝(1－s)
p
2p
n0
nM
Δn
s
备 注

1

2

3000
2900
100
0.033
5.5～7.5kW
2930
70
0.023
11～18.5 kW
2970
30
0.01
45～160 kW

2

4

1500
1460
40
0.027
11～15 kW
1470
30
0.02
18.5～30 kW
1480
20
0.013
37～315 kW

3

6

1000
960
40
0.04
3～5.5 kW
970
30
0.03
7.5～30 kW
980
20
0.02
37～250 kW

图1－4　生产机械对无级调速的要求举例
1．1．2　生产机械对无级调速的要求

图1－5　变频可以调速
1．1．3　变频可以无级调速　

fX(Hz)
n0X(r/min)

fX(Hz)
n0X(r/min)
50
1500
50
1500
25

750
75
2250
5
150
100
3000
1．2　电动机在能量转换中的作功过程

异步电动机在
能量转换过程中
须克服
哪些阻碍作用？

1．2．1　电动机从电网取用电功率时的作功过程

图1－6　定子取用电功率的电路
a）定子绕组　b）三相电路示意图　c）单相电路示意图　d）绕组的电动势

1．能量的载体—电动机的定子电路
2．作功要点
作用的一方：电源电压U1
反作用的一方：定子绕组的反电动势E1
作功的标志：电路内有电流I1

图1－7　定子绕组的等效电路
a）主磁通和漏磁通　b）等效电路与电动势平衡

3．定子绕组的等效电路与电动势平衡方程

1．2．2　转子从定子侧吸收能量的作功过程

图1－8　异步电动机的磁路
a）定子电流的合成磁场　b）定子磁动势　c）转子磁动势的去磁作用

1．能量的载体—电动机的磁路
2．作功要点
作用的一方：定子绕组的磁动势I1N1
反作用的一方：转子绕组的磁动势I2’N1
作功的标志：磁路内有磁通Φ1

图1－9　转子的等效电路
a）笼形转子　b）转子电路　c）等效转子　d）等效静转子
e）输出机械能　f）一相等效电路
3．转子的等效电路

图1－10　磁动势的平衡
a）磁动势的平衡　b）电流平衡　c）电流矢量图
4．磁动势的平衡 　

1．2．3 负载得到机械能时的作功过程

图1－11　拖动系统的转矩平衡
1．能量的载体—机械的旋转系统
2．作功要点 　
作用的一方：电动机的电磁转矩 　TM＝KTI2’ Φ1cosφ2
反作用的一方 ：负载的阻转矩TL
作功的标志：拖动系统以一定的转速nM（＝nL）运行
1．2．4　小结

图1－12　能量传递小结

异步电动机发明于19世纪八十年代，
变频器成功于20世纪八十年代。
为什么期盼了
近百年？
1．3　交－直－交变频器的构成及演变
1．3．1　交－直－交变频器的结构与原理
1．基本框图

图1－13 交－直－交变频器框图

2．单相逆变桥

图1－14 单相逆变桥原理
a）单相逆变桥电路　b）负载所得电压波形

3．三相逆变桥

图1－15 三相逆变桥
a）三相逆变电路　b）输出电压波形

1．3．2　逆变器件的条件与发展

图1－16 逆变器件承受的电压和电流
1．逆变器件的条件
（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。
（3）接通和关断的控制必须十分方便。
2．逆变器件的发展

图1－17　SCR逆变
ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形
（1）起步始于晶闸管
（2）普及归功GTR（BJT）

图1－18　GTR逆变
ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形

（3）提高全靠IGBT

图1－19 　IGBT逆变
ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形

变频的同时
为什么
还要变压？
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　

图1－20　频率下降出现的新问题
1．频率下降时的能量变化

2．磁路饱和的结果

图1－21　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

图1－22　保持磁通不变的途径
a）频率下降的结果　b）变频也要变压
3．保持磁通不变的途径
（1）从能量角度看

（2）从电动势的角度看
∵ E1＝KEfΦ1
∴ ＝C　→　Φ1＝C
顶替办法：　＝C　→　Φ1≈C
∴　变频的同时也要变压，变频器常称为VVVF。
（3）频率和电压的调节比
当频率为fX时，有：
kF＝ —频率调节比
kU＝ —电压调节比
kU＝kF→＝C
fX
kF
UX
kU
50 Hz
1.0
380V
1.0
40 Hz
0.8
304V
0.8
30 Hz
0.6
228V
0.6
20 Hz
0.4
152V
0.4
10 Hz
0.2
76V
0.2
5 Hz
0.1
38V
0.1

1．4．2　变频又变压的具体方法
1．ＰＷＭ（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

2．正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）

图1－24 正弦脉宽调制
a）电压波形　b）电流波形
3．正弦脉宽调制的实现
（1）单极性调制

图1－25 单极性脉宽调制
a）电压较大　b）电压较小

（2）双极性调制

图1－26 双极性脉宽调制
1．4．3　载波频率

图1－27　载波频率的影响
a）电压波形　b）死区的概念　c）输出电压与载波频率的关系
1．死区的概念
　 2．载波频率与输出电压的关系
设：δt＝6μs， fΔ＝1.5kHz 则：
ⅰ）每秒内：Σδt＝6×2×1500＝18000μs＝18ms
ⅱ）每周期（20 ms）内：Σδt＝18000÷50＝360μs＝0.36 ms
ⅲ）每个周期内所占比例：ξ＝0.36÷20＝0.018
ⅳ）输出电压：UOUT＝380×（1－0.018）＝373V
比较
项目
fΔ＝1.5kHz
fΔ＝15kHz
δt＝6μs
δt＝4μs
δt＝3μs
δt＝6μs
δt＝4μs
δt＝3μs
UOUT
373V
375.4V
376.6V
311.6V
334V
345.8V
3．载波频率与电流的关系
载波频率
4kHz
8 kHz
12 kHz
16 kHz
电流相对值
100%
90%
70%
50%
整流滤波
　　不普通
1．5　交－直－交变频器的主电路

1．5．1　整流与滤波电路
1．滤波电容要均压

图1－28 整流及滤波电路

2．充电过程要限流

图1－29　合上电源时的充电过程
a）直接充电　b）加入限流电阻

3．直流电源指示为安全

图1－30　直流电路的电源指示

逆变器件旁边
为什么要
反并联二极管?
1．5．2　逆变电路

图1－31　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．逆变电路的结构

2．逆变电路的工作特点

图１－32 电动机状态
a）空载示意图　b）矢量图　c）电路图　d）电压、电流曲线　
（1）电动机状态《nM＜n0》

（2）发电机状态（nM＞n0）

图1－33　发电机状态
a）重载示意图　b）矢量图　c）电路图　d）电压、电流曲线

3．逆变桥输出的禁忌

图1－34　输入、输出不允许接错
a）电源接至输出侧　b）接错的后果
（1）主电路的输入输出不允许接错

图1－35　输出侧接电容器的后果
（2）输出侧不能接电容器
变频器的输入电流
为什么
小于输出电流？

1．5．3　主电路各部分的电流
1．概述

图1－36　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

2．变频器的输出电流

图1－37　电动机的电流
由图知，变频器输出电流的大小取决于负载的轻重。
3．频率下降时各部分的功率与电流

图1－38 各部分电流的变化规律

变频调速系统的
功率因数
究竟是高还是低？
1．6　变频器的功率因数

图1－39 输入电流的波形及其谐波分析
a）整流电路　b）输入电压　c）输入电流　d）频谙分析
e）输入电流波形的形成

1．6．1　变频器的输入电流

1．6．2　功率因数的完整定义

图1－40 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
1．功率因数的两个方面

2．功率因数的公式
λ＝＝υ•cosφ
式中，λ──全功率因数；
　Ｐ──有功功率，kW；
　Ｓ──视在功率，kVA；
cosφ──位移因数；
υ──电流的畸变因数，等于电流基波分量的有效值与总有效值之比：
υ＝
1．6．3　提高功率因数的方法

图1－41 交流电抗器
1．配接交、直流电抗器
（1）交流电抗器除了可以将功率因数提高至（０.７５～０.８５）外，还具有削弱浪涌电流和电源电压不平衡的影响。
（2）配接直流电抗器，功率因数可提高至０.９以上。
2．采用12脉波整流

图1－42　12脉波整流
a）6脉波整流　b）12脉波整流