電機變頻器基本原理概述

1、 目 錄一三相交流異步電機的基本理論二三相交流異步電機的變頻調速三交直交變頻器的基本原理四交直交變頻器的基本應用一三相交流異步電機的基本理論1.三相異步電動機的構造1.三相異步電動機的構造 三相異步電動機主要是由軸承蓋、端蓋、接線盒、定子鐵心、定子繞組、軸承、機座、風扇和罩殼等。2.右手螺旋定則磁場是由電流產(chǎn)生，磁場的情況可形象地用磁感線來描述。 右手螺旋定則的用法是：在圖（a）中用右手大拇指表示電流的方向，其他四指的回轉方向待變磁感線的方向；在（b）圖中有右手四個手指的回轉方向代表電流的方向，大拇指表示線圈內部磁感線的方向。c（a）直導線電流的磁場（b）線圈電流的磁場（a）三相繞組（b）三相

2、電流3.旋轉磁場的產(chǎn)生在匝數(shù)相同，形狀尺寸一樣，軸線在空間互差120。的三相繞組上通以三相電流。 U1、 V1 、W1為繞組的首段， U2、 V2 、W2為繞組的末段，i1、 i2 、i3為相應電流。（a）t=00（b）t=9003.旋轉磁場的產(chǎn)生三相電流通過三相繞組是所產(chǎn)生的合成旋轉磁場是個空間旋轉磁場當t=00時，i1=0， i20 ，i30，根據(jù)右手螺旋定則，產(chǎn)生合成磁場如虛線所示。當t=900時，i10， i20 ，i30，根據(jù)右手螺旋定則，產(chǎn)生合成磁場如虛線所示。（a）轉子電流有功分量與旋轉磁場的相互作用（b）轉子電流無功分量與旋轉磁場的相互作用（c）右手定則（d）左手定則4.電磁轉

3、矩的產(chǎn)生5.三相交流電動機工作原理 由此可見，三相異步電機的工作原理可以簡述如下：定子三相電壓U1產(chǎn)生定子三相電流I1，三相電流通過定子三相繞組產(chǎn)生旋轉磁場，由于轉子與磁場存在著相對運動，在轉子繞組中產(chǎn)生了感應電動勢E2。由于轉子繞組是閉合的，因而產(chǎn)生了感應電流I2， I2與旋轉磁場相互作用產(chǎn)生了電磁轉矩T，從而使轉子拖動生產(chǎn)機械以轉速n運轉。這一工作過程可以表示成：U1 I1 E2 I2 T n名稱名稱符號符號名稱名稱 符號符號額定功率PN同步轉速n0額定電壓UN磁極對數(shù)p額定電流IN轉差率s額定頻率fN電磁轉矩T額定轉速nN槽距角額定功率因數(shù)N極距額定效率N節(jié)距y5.三相交流電動機基本公式

4、符號6.三相交流電動機基本公式（a）轉差率）轉差率轉子轉速n與同步轉速n0之差，與同步轉速n0的比值稱作轉差率（slip），用s表示，即s=（ n0 -n）/ n0。因此轉子轉速： n=（1-s） n0（b）三相異步電動機的功率）三相異步電動機的功率 其中 m1為定子繞組的相數(shù)；U1為定子電壓；I1為定子電流；cos1為功率因數(shù)6.三相交流電動機基本公式（c）槽距角）槽距角 槽距角為電動機內部結構的參數(shù)，是轉子、定子繞線組線槽距離 其中 p為磁極對數(shù) z為電機的槽數(shù) （d）極距）極距 極距為定子繞組形成旋轉磁場的極數(shù)其中 p為磁極對數(shù) z為電機的槽數(shù) 6.三相交流電動機基本公式（i）電動機的效

5、率）電動機的效率（j）電動機電磁轉矩）電動機電磁轉矩（k）電磁轉矩的物理公式）電磁轉矩的物理公式6.三相交流電動機基本公式令其中 CT由電機結構決定的常數(shù) m為磁通最大值 I2cos2為轉子每相電流的有功分量（l）電勢能公式）電勢能公式 U1=E1=4.44kw1N1f1m6.三相交流電動機基本公式定子銅損耗 空載損耗定子鐵損耗總損耗電磁功率銅損耗轉子銅損耗平衡方程電動機轉軸上的機械功率二三相交流異步電機的變頻調速異步電機的各種運行狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)制動制動狀態(tài)狀態(tài)堵轉狀態(tài)堵轉狀態(tài)電動機狀態(tài)電動機狀態(tài)理想空理想空載狀態(tài)載狀態(tài)發(fā)電機發(fā)電機狀態(tài)狀態(tài)轉子轉速n0n00nn0 nn0 nn0 轉差率s1s1

6、1s0s0s01.三相交流異步電動機工作狀態(tài)轉子轉速n與同步轉速n0之差，與同步轉速n0的比值稱作轉差率（slip），用s表示，即s=（ n0 -n）/ n0。因此轉子轉速：n=（1-s） n02.三相交流異步電動機起動電機起動轉子電路串聯(lián)電阻起動直接起動減壓起動直接起動起動轉矩足夠但電流過大減壓起動起動方法簡單，但定子串電阻起動耗能較多轉子電路串聯(lián)電阻起動起動耗能較多2.三相交流異步電動機起動減壓起動（星形-三角形減壓起動）星形連接三角形形連接（a）星形-三角形減壓起動項目項目等式等式定子線電壓比定子相電壓比定子相電流比起動電流比電源電流比起動轉矩比2.三相交流異步電動機起動減壓起動（星形-

7、三角形減壓起動）星形-三角形減壓起動只適用于正常運行是為三角形聯(lián)結的電動機。起動時，定子繞組先按星形聯(lián)結，起動后再換成三角形聯(lián)結。2.三相交流異步電動機起動電機調速變壓調速變頻調速變極調速變頻調速調速范圍大，精準度高變極調速調速范圍窄，電機體積大變壓調速能耗大，調速不平滑3.三相交流異步電動機調速變頻調速（基頻以下）基頻以下，依據(jù)電機機械特性可知，在忽略定子漏阻抗的情況，在轉矩達到最大值時，U1=E1=4.44kw1N1f1m，保證U1與f1成正比，則m保持不變，此時電機具有特性保證U1與f1成正比，電機擁有最大輸出轉矩3.三相交流異步電動機調速變頻調速（基頻以下） 由此可見，基頻以下電機的基

8、本特性曲線是保證U1與f1成正比，其最大輸出轉矩不產(chǎn)生變化。所表現(xiàn)的為電機的基本特性，不是我們電機調速的必須方法。 即 當電機在基頻以下，保證U1與f1成正比通過變頻調速時，若輸出轉矩沒有達到最大時，改變定子電壓和頻率來改變電機的轉速；若輸出轉矩達到最大時，則無法再增加電機的最大輸出轉矩。3.三相交流異步電動機調速變頻調速（基頻以上）基頻以上，依據(jù)電機機械特性可知， 當功率達到最大時，其轉矩T與轉速n成反比，功率P保持不變。 此時的電機機械曲線為功率最大值保持不變，轉矩與轉速（頻率）成反比，其乘積保持不變。3.三相交流異步電動機調速變頻調速（基頻以上） 由此可見，基頻以上電機的基本特性曲線是保

9、證U1 一定，T1與f1成反比，其最大輸出功率不產(chǎn)生變化。所表現(xiàn)的為電機的基本特性，不是我們電機調速的必須方法。 即 當電機在基頻以上，保證U1 一定，T1與f1成反比通過變頻調速時，若輸出功率沒有達到最大時，改變定子電壓和頻率來改變電機的轉速；若輸出功率達到最大時，則無法再增加電機的最大輸出功率，若還需超頻調速，則依據(jù)電機特性曲線需減小負載。4.三相交流異步電動機制動電機制動回饋制動反接制動能耗制動反接制動反接制動，反接相序，產(chǎn)生起阻滯作用的反轉矩以便制動電機能耗制動能耗制動，定子繞組上加直流電流，利用轉子感應電流與靜止磁場的作用已達到制動的目的回饋制動，回饋制動，將制動反饋回的電流電壓反饋

10、回電網(wǎng)三交直交變頻器的基本原理1.變頻器的基本概念變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。2.交直交變頻器基本概念 交直交變頻器是一種間接

11、變頻，現(xiàn)將交流電變?yōu)橹绷麟姡趯⒅绷麟娮優(yōu)轭l率、電壓、電流可調的交流電，其主要包括三個部分：整流電路、中間電路、逆變電路。3.整流電路不可控整流電路 不可控整流電路使用的元件為功率二極管，不可控整流電路按輸入交流電源的相數(shù)不同分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。3.整流電路不可控整流電路三相橋式整流電路共有六只整流二極管，其中VD1、VD3、VD5三只管子的陰極連接在一起，稱為共陰極組；VD4、VD6、VD2三只管子的陽極連接在一起，稱為共陽極組。共陰極組三只二極管VD1、VD3、VD5在t1、t3、t5換流導通；共陽極組三只二極管VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6換流導通。一

12、個周期內，每只二極管導通13周期，即導通角為120。通過計算可得到負載電阻RL上的平均電壓為Uo = 2.34U23.整流電路可控整流電路 可控整流電路使用的元件為可控元件，通過改變控制電源的電流或是電壓，可以控制可控元件的通斷。晶閘管是半可控元件，控制電源控制晶閘管的導通，但晶閘管的關斷則需要兩端電流的降低。3.整流電路可控整流電路三相交流電源電壓uR、uS、uT正半波的自然換相點為1、3、5，負半波的自然換相點為2、4、6。當0時，讓觸發(fā)電路先后向各自所控制的6只晶閘管的門極(對應自然換相點)送出觸發(fā)脈沖，即在三相電源電壓正半波的1、3、5點向共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5 輸出觸發(fā)

13、脈沖；在三相電源電壓負半波的2、4、6點向陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6 輸出觸發(fā)脈沖，負載上所得到的整流輸出電壓ud波形如圖所示的由三相電源線電壓uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的正半波所組成的包絡線 3.整流電路可控整流電路1) 1) 三相全控橋整流電路任一時刻必須有兩只晶閘管同時導通，才能三相全控橋整流電路任一時刻必須有兩只晶閘管同時導通，才能形成負載電流，其中一只在共陽極組，另一只在共陰極組。形成負載電流，其中一只在共陽極組，另一只在共陰極組。2) 2) 整流輸出電壓整流輸出電壓u ud d波形是由電源線電壓波形是由電源線電壓u uRSRS、u uRTRT、u uST

14、ST、u uSRSR、u uTRTR和和u uRSRS的的輪流輸出所組成的。晶閘管的導通順序為：（輪流輸出所組成的。晶閘管的導通順序為：（VTVT6 6和和VTVT1 1）（VTVT1 1和和VTVT2 2）（VTVT2 2和和VTVT3 3）（VTVT3 3和和VTVT4 4）（VTVT4 4和和VTVT5 5）（VTVT5 5和和VTVT6 6）。）。3) 3) 六只晶閘管中每管導通六只晶閘管中每管導通120120，每間隔，每間隔6060有一只晶閘管換流。有一只晶閘管換流。4 4）觸發(fā)方式：可采用單寬脈沖觸發(fā)，也可采用雙窄脈沖觸發(fā)。）觸發(fā)方式：可采用單寬脈沖觸發(fā)，也可采用雙窄脈沖觸發(fā)。 3

15、.整流電路不同控制角時輸出電壓波形 6060時的電壓波形時的電壓波形三相橋式可控整流電路輸出電壓平均值計算三相橋式可控整流電路輸出電壓平均值計算三相橋式可控整流電路所帶負載為電感性時，輸出電壓平均值可用下三相橋式可控整流電路所帶負載為電感性時，輸出電壓平均值可用下式計算式計算 U Ud d=2.34=2.34U U2 2coscos 3.中間電路變頻器的中間電路有濾波電路和制動電路等不同的形式。濾波電路利用整流電路可以從電網(wǎng)的交流電源得到直流電壓或直流電流，但是這種電壓或電流含有頻率為電源頻率6倍的紋波，則逆變后的交流電壓、電流也產(chǎn)生紋波。因此，必須對整流電路的輸出進行濾波，以減少電壓或電流的

16、波動。這種電路稱為濾波電路。制動電路利用設置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電能的方式稱為動力制動或再生制動。3.中間電路電容濾波 通常用大容量電容對整流電路輸出電壓進行濾波。由于電容量比較大，一般采用電解電容。 二極管整流器在電源接通時，電容中將流過較大的充電電流(亦稱浪涌電流)，有可能燒壞二極管，必須采取相應措施。圖中給出幾種抑制浪涌電流的方式。 a)接入交流電抗 b)接入直流電抗 c)串聯(lián)充電電阻 抑制浪涌電流的方式3.中間電路電容濾波 采用大電容濾波后再送給逆變器，這樣可使加于負載上的電壓值不受負載變動的影響，基本保持恒定。該變頻電源類似于電壓源，因而稱為電壓型變頻器。電壓型變頻

17、器的電路框圖如圖（a）所示。電壓型變頻器逆變電壓波形為方波，而電流的波形經(jīng)電動機負載的濾波后接近于正弦波，如圖（b）所示。（a）電壓型變頻器的電路框圖 （b）電壓型變頻器的電壓和電流波形3.中間電路電感濾波 采用大容量電感對整流電路輸出電流進行濾波，稱為電感濾波。由于經(jīng)電感濾波后加于逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流基本不受負載的影響，電源外特性類似電流源，因而稱為電流型變頻器。圖（a）所示為電流型變頻器的電路框圖。圖（b）所示為電流型變頻器輸出電壓及電流波形。（a）電流型變頻器的電路框圖（b）電流型變頻器輸出電壓及電流波形3.中間電路制動電路利用設置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電

18、能的方式稱為動力制動或再生制動。圖為制動電路的原理圖。制動電路介于整流器和逆變器之間，圖中的制動單元包括晶體管VB、二極管VDB和制動電阻RB。如果回饋能量較大或要求強制動，還可以選用接于H、G兩點上的外接制動電阻REB。（a）制動電路的原理圖3.逆變電路工作原理逆變電路也簡稱為逆變器，圖（a）所示為單相橋式逆變器，四個橋臂由開關構成，輸入直流電壓E，逆變器負載是電阻R。當將開關S1、S4閉合，S2、S3斷開時，電阻上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關S1、S4打開，S2、S3閉合，電阻上得到右正左負的電壓。我們以頻率f交替切換S1、S4和S2、S3，在電阻上就可以得到圖3-13b所示的

19、電壓波形。 a) 單相橋式逆變電路 b) 工作電壓波形3.逆變電路.半橋逆變電路 圖（a） 為半橋逆變電路原理圖，直流電壓Ud加在兩個串聯(lián)的足夠大的電容兩端，并使得兩個電容的連接點為直流電源的中點，即每個電容上的電壓為Ud/2。由兩個導電臂交替工作使負載得到交變電壓和電流，每個導電臂由一個功率晶體管與一個反并聯(lián)二極管所組成。 （a) 半橋逆變 （b) 工作波形3.逆變電路全橋逆變電路 電路原理如圖（a）所示。直流電壓Ud接有大電容C，電路中的四個橋臂，橋臂1、4和橋臂2、3組成兩對，工作時，設t2時刻之前V1、V4導通，負載上的電壓極性為左正右負，負載電流io由左向右。t2時刻給V1、V4關斷

20、信號，給V2、V3導通信號，則V1、V4關斷，但感性負載中的電流io方向不能突變，于是VD2、VD3導通續(xù)流，負載兩端電壓的極性為右正左負。當t3時刻io降至零時，VD2、VD3截止，V2、V3導通，io開始反向。同樣在t4時刻給V2、V3關斷信號，給V1、V4導通信號后，V2、V3關斷，io方向不能突變，由VD1、VD4導通續(xù)流。t5時刻io降至零時，VD1、VD4截止，V1、V4導通，io反向，如此反復循環(huán)，兩對交替各導通180。其輸出電壓uO和負載電流iO見圖3-15b 所示。 （a） 全橋逆變電路 （ b） 工作波形4. SPWM控制技術 PAM (Pulse Amplitude Mo

21、dulation)脈幅調制型，是一種改變電壓源的電壓Ud或電流源Id的幅值，進行輸出控制的方式。 PWM (Pulse Width Modulation) 脈寬調制型，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調制周期來控制其輸出頻率。 SPWM（Sinusoidal PWM）正弦波脈寬調制型 ，SPWM控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波所需要的波形。 4. SPWM控制技術基本原理采樣控制理論有這樣一個結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的

22、輸出響應波形基本相同。例如圖所示的三種窄脈沖形狀不同，但面積相同（假如都等于1）。當它們分別加在同一個慣性環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。且脈沖越窄，其輸出差異越小。 （a） 沖量相等形狀不同的三種窄脈沖4. SPWM控制技術基本原理 根據(jù)上述理論，正弦波可用一系列等幅不等寬的脈沖來代替。如圖所示。（a）沖量相等形狀不同的三種窄脈沖4. SPWM控制技術PWM逆變電路的控制方式 1. 單極性方式 單極性控制方式波形見圖，載波uc在調制信號波ur的正半周為正極性的三角波，在負半周為負極性的三角波。 （a）單極性控制方式波形4. SPWM控制技術PWM逆變電路的控制方式 2.雙極性控制方式 雙極性控

23、制方式波形見圖，在ur的半個周期內，三角波載波是在正負兩個方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個方向變化的。 （a）雙極性控制方式波形4. SPWM控制技術SPWM逆變器的調制方式 在SPWM逆變器中，三角波電壓頻率ft與調制波電壓頻率(即逆變器的輸出頻率) fr之比Nftfr稱為載波比，也稱為調制比。根據(jù)載波比的變化與否，PWM調制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。4. SPWM控制技術SPWM逆變器的調制方式 (1). 同步調制方式 載波比N等于常數(shù)時稱同步調制方式。同步調制方式在逆變器輸出電壓每個周期內所采用的三角波電壓數(shù)目是固定的，因而所產(chǎn)生的SPWM脈沖數(shù)是一定的。其優(yōu)點是在逆

24、變器輸出頻率變化的整個范圍內，皆可保持輸出波形的正、負半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴格保證逆變器輸出三相波形之間具有120相位移的對稱關系。缺點是當逆變器輸出頻率很低時，每個周期內的SPWM脈沖數(shù)過少，低頻諧波分量較大，使負載電動機產(chǎn)生轉矩脈動和噪聲。4. SPWM控制技術SPWM逆變器的調制方式 (2) 異步調制方式 在逆變器的整個變頻范圍內，載渡比N不是一個常數(shù)。一般在改變調制波頻率fr時保持三角波頻率ft不變，因而提高了低頻時的載波比，這樣逆變器輸出電壓每個周期內PWM脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應地可減少負載電動機的轉矩脈動與噪聲，改善了調速系統(tǒng)的低頻工作特性。但異步調

25、制方式在改善低頻工作性能的同時，又失去了同步調制的優(yōu)點。當載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，它不可能總是3的倍數(shù)勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對稱性，因而引起電動機工作不平穩(wěn)。4. SPWM控制技術SPWM逆變器的調制方式 (3)分段同步調制方式 實際應用中，多采用分段同步調制方式，它集同步和異步調制方式之所長，而克服了兩者的不足。在一定頻率范圍內采用同步調制，以保持輸出波形對稱的優(yōu)點，在低頻運行時，使載波比有級地增大，以采納異步調制的長處，這就是分段同步調制方式。具體地說，把整個變頻范圍劃分為若干頻段，在每個頻段內都維持N恒定，而對不同的頻段取不同的N值，頻率低時，N值取大些。采用分段同步調制方式，需要增加調制脈沖切換電路，從而增加控制電路的復雜性。4. SPWM控制技術SPWM波形成的方法