1、第五章第五章 交流异步电动机调速及变频原理交流异步电动机调速及变频原理 2022-8-10 5.2 三相异步电动机的变频调速原理 5.3 通用变频器的基本结构与控制方式 5.1 交流异步电动机调速的基本类型目录目录Contents2022-8-10【知识目标知识目标】1.了解交流电动机调速的了解交流电动机调速的3种基本方法。种基本方法。2掌握通用变频器的基本结构及变频原理。充分理解和把握掌握通用变频器的基本结构及变频原理。充分理解和把握基频（额定频率）以下和基频以上两种情况下调频与调压协调基频（额定频率）以下和基频以上两种情况下调频与调压协调控制特性。控制特性。3了解通用变频器的各种分类方法和
2、控制方式。了解通用变频器的各种分类方法和控制方式。2022-8-105.1交流异步电动机调速的基本类型交流异步电动机调速的基本类型2022-8-10由异步电动机的转速公式：由异步电动机的转速公式：116011fnn(s)(s)p 可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。p（2 2）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。1f（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。s2022-8-10)1(60)1(11SpfnSn耗能型耗能型有级调速有级调速设备费用高设备费用高异步电动机的调速方式异步电动机的调速
3、方式：2022-8-10 科学分类方法（根据对转差功率的处理方法）分为三科学分类方法（根据对转差功率的处理方法）分为三类：类：（1 1）转差功率消耗型）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。热能而被消耗掉。特点特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2 2）转差功率回馈型）转差功率回馈型调速系统调速系统转差功率的少部分转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为被
4、消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。机械能予以利用。特点特点：效率高。串级调速属该类系统。：效率高。串级调速属该类系统。（3 3）转差功率不变型）转差功率不变型调速系统调速系统调速过程中，转差调速过程中，转差功率基本不变。功率基本不变。特点特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。2022-8-10一、变极调速一、变极调速 磁极对数磁极对数 p p 的改变，取决于电动机定子绕组的结的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。
5、机的磁极对数。电动机的同步转速取决于磁场的极对数电动机的同步转速取决于磁场的极对数)/(6011分转pfn 02022-8-10一、变极调速一、变极调速 2p180分）转/(50011p360分）转/(0003磁极对数磁极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速n n0 0)f(Hz501 3p120分）转/(00014p分）分）转转/(75090电动机的同步转速取决于磁场的极对数电动机的同步转速取决于磁场的极对数)/(6011分转pfn 02022-8-10U U相两个线圈，相两个线圈，顺向串顺向串联，联，定子绕组产生定子绕组产生4 4极极磁场。磁场。
6、反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组产生，定子绕组产生2 2极磁场。极磁场。以以4 4极变极变2 2极为例：极为例：2022-8-10目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作一种是从星形改成双星形，写作Y/YYY/YY，如图所示；，如图所示；Y-YYY-YY后后,电动机极数减少一半电动机极数减少一半,转速增大一倍转速增大一倍,即即 ，容许输出功，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负
7、载。矩调速，它适用于恒转矩负载。2YYYnn 变极时，调换相序，以变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电保证变极调速以后，电动机转动方向不变。动机转动方向不变。2022-8-10另一种是从三角形改成双星形，写作另一种是从三角形改成双星形，写作/YY/YY，如图，如图6-46-4所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。-YY-YY后后,极数减少一半极数减少一半,转速增大一倍转速增大一倍,即即 ，容许输出功，容许输出功率近似不变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率近似不变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。率负载。2YYn
8、n 变极时，调换相序，以变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电保证变极调速以后，电动机转动方向不变。动机转动方向不变。2022-8-10变极调速只用于笼型电动机。变极调速只用于笼型电动机。这种方法的缺点是十分明显的:一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能得到4种转速，与所要求的无级调速相去甚远。2022-8-10二、二、变转差率调速变转差率调速 1.1.改变定子电压调速改变定子电压调速)()/(/3221212211221lleLLsRRsRpUT异步电动机的机械特性方程式异步电动机的机械特性方程式:其中：p为电机极对数；U1为相电压有效值 R1为定子每相绕
9、组的内阻 Ll1为每相漏感 R2为折算到定子侧的每相电阻 Ll2为折算到定子侧的漏感2022-8-10调压调速的机械特性nT0S1mT1nNUmSNUUU1 1ZT2knTZn0（1 1）异步电动机调压调速时存在的问）异步电动机调压调速时存在的问题题 1 1）改变定子调压时调速范围不大）改变定子调压时调速范围不大（恒转矩负载）。如图（恒转矩负载）。如图1 1、2 2、3 3点。点。2 2）低速时运行稳定性不好低速时运行稳定性不好（如（如c c点），点），转子电流相应增大。为了既低转子电流相应增大。为了既低速运行稳定又不致过热，要求速运行稳定又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻。电动机转子
10、绕组有较高的电阻。1U0.7UN 1U0.5UN0 当当s s一定时，一定时，T U 2 ，改变，改变U U1 1得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载T TZ Z时，时，可得到不同的稳定转速，如下图中的可得到不同的稳定转速，如下图中的1 1、2 2、3 3点。点。同步转速同步转速n0 0不变，临界不变，临界转差率转差率Sm m不变不变2022-8-10（2 2）解决问题的措施）解决问题的措施 使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图所示。如图所示。eTS0n0n1NU1N7.0U1N5.0U10LT
11、图 5-7 高 转 子 电 阻 异 步 电 动 机在 不 同 电 压 下 的 机 械 特 性ABC 高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性可见：恒转矩负载下，可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电调速范围变大，转子电流减小。流减小。2022-8-10如下左图所示。单相调压电路如右图所示。M3M3M3TULSVVC+-(a)(b)(c)图5-2 异步电动机调压调速原理RU1U1VT2VT晶闸管单相调压电路晶闸管单相调压电路 U02t 晶闸管相位控制下的负载电压波形晶闸管相位控制下的负载电压波形 通过改变晶闸管通过改变晶闸管的导通角来改变的导通角来改
12、变输出交流电压的输出交流电压的大小。大小。获取交流电源的方法获取交流电源的方法 知识拓展知识拓展晶闸管交流调压装置晶闸管交流调压装置2022-8-10晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。2022-8-10（3 3）采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械）采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械特性硬度，又保证一定负载能力）。特性硬度，又保证一定负载能力）。转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转转子电阻的增大使调速范围扩
13、大，机械特性变软，转速转差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭速转差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。环控制。ASRM3TGnVVCGT-nUnUctU(a)（a）原理图）原理图 2022-8-10（4 4）调压调速系统闭环静态结构图）调压调速系统闭环静态结构图调节器晶闸管调压装置异步电动机转速反馈装置给定nUnU+-ctU1Un 调压调速系统静态结构框图调压调速系统静态结构框图 它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成晶闸管交流
14、调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电动机即可。动机即可。2022-8-10nT0S1mTmS1nQT2r2 RrQTmSZTZT轻载调速范轻载调速范围不大围不大调速前：调速前：1，S1调速后：调速后：2，S22.转子串电阻调速转子串电阻调速 绕线式异步电动机转子串电阻的绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性如图所示。转子串电阻机械特性如图所示。转子串电阻时同步转速和最大转矩时同步转速和最大转矩T Tm m不变，不变，临界转差率增大。临界转差率增大。0RmTmS不变不变QT1n不变不变n02022-8-10 转子串电阻调速的优点是：转子串电阻调速的
15、优点是：设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机如桥式起重机等。如桥式起重机等。缺点是：缺点是：转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。2022-8-103.3.串级调速串级调速 在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调
16、速。过改变附加电势的幅值和相位实现调速。其优点是：其优点是：可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。或高同步的连续调速。缺点是：缺点是：只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。2022-8-10三、电磁转差离合器调速三、电磁转差离合器调速（异步电动机本身并不调速）（异步电动机本身并不调速）电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁电磁转差离合器调速系统是由笼型异
17、步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。转差离合器以及控制装置组合而成。（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理从动部分从动部分电枢由笼型异电枢由笼型异步电动机带动，步电动机带动，称主动部分称主动部分 2022-8-10（1 1）电磁转差离合器的转速和转向）电磁转差离合器的转速和转向1 1）从动轴的转速）从动轴的转速n n取决于励磁电流的大小；取决于励磁电流的大小；2 2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。）从动轴的转向则取决于原动机的转向。电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递
18、功率的装置。置。电磁转差离合器的机械特性电磁转差离合器的机械特性n n1 1原动机转速；原动机转速；T Te e电磁转差离合器轴上输出转矩；电磁转差离合器轴上输出转矩；I IL L电磁转差离合器的励磁电流；电磁转差离合器的励磁电流；知识拓展知识拓展2022-8-10（2 2）电磁转差离合器闭环调速系统）电磁转差离合器闭环调速系统电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反馈控制，从而可获得馈控制，从而可获得10:110:1的调速范围。闭环系统的组成与相应的的调速范围。闭环系统的组成与相应的静特性如下图所示。静特性如下图所示。202
19、2-8-10 1)优点：l 线路简单，价格便宜；l 速度负反馈后调速相当精确（平滑调速）。2)缺点：l 低速运行时损耗较大（增加了滑差离合器）；l 调速效率较低。2022-8-10四、变频调速四、变频调速 交流变频调速技术的原理是把工频交流变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成频率和的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。变频器在英文译名是变频器在英文译名是VFD（Var
20、iable-frequency Drive）。）。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。）。2022-8-10它与直流调速系统相比具有以下显著优点：它与直流调速系统相比具有以下显著优点：（1）变频调速装置的大容量化。）变频调速装置的大容量化。（2）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。态品质好。（3）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，）
21、变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。置。（4）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、计算机、PLC联机，便于实现自动控制。联机，便于实现自动控制。（5）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的
22、交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%60。2022-8-10软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率改变频率；软起动器实际上是个调压器调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。软起动器与变频器软起动器与变频器 知识拓展知识拓展2022-8-105.2三相异步电动机的变频调速原理三相异步电动机的
23、变频调速原理2022-8-101 1变频调速的条件变频调速的条件 三相异步电动机定子绕组的反电动势三相异步电动机定子绕组的反电动势E E1 1的表达式为的表达式为 :E1=4.441N1KN1m=U1+U式中:E1定子绕组的感应电动势有效值 N1 定子每相绕组的匝数 KN1定子绕组的绕组系数，KN1 1 1 定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率 m 主磁通可见：E11m 将U忽略，则E1U11m定子电压定子电压漏阻抗压降漏阻抗压降2022-8-10 当当U1 E1=const时，由时，由E1U11m 知，知，1m电动机电动机磁路过饱和，导致过大的励磁电流，电动机因绕组过热而损坏。磁路过饱和，
24、导致过大的励磁电流，电动机因绕组过热而损坏。当当U1 E1=const时，由时，由E1U11m 知，知，1 m，铁芯利，铁芯利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩T ，电动机的负载能力，电动机的负载能力下降，电动机的容量得不到充分利用。下降，电动机的容量得不到充分利用。因此，为维持电动机的输出转矩不变，必须使主磁通因此，为维持电动机的输出转矩不变，必须使主磁通m=const，即，即U11=constE11=m2022-8-102 2基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速 m U11=constE11=因为变频的同时还要改变电压，所以
25、称为因为变频的同时还要改变电压，所以称为V/FV/F控制，也称为控制，也称为VVVFVVVF（Variable Voltage Variable Frequency Variable Voltage Variable Frequency）。）。2022-8-10),(11constfUffN11理想空载转速：理想空载转速：n1f1U1f1频率在额定频率附近下调时，频率在额定频率附近下调时，最大转矩可以近似认为不变。最大转矩可以近似认为不变。最大转矩最大转矩：Tm（)不变不变Tm频率不同时，最大转矩点对应的频率不同时，最大转矩点对应的转差转差 n=const，所以稳定工作区的，所以稳定工作区的机
26、械特性基本是平行的。机械特性基本是平行的。n n当当f 较低时，较低时，U 不能忽略，不能忽略，使使I1 mTm2022-8-10基频以下调速基频以下调速 这是恒压频比的控这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条制方式。在恒压频比条件下改变频率时，能够件下改变频率时，能够证明：机械特性基本上证明：机械特性基本上是平行下移的，如图所是平行下移的，如图所示。示。2022-8-10 解解 决决 方方 法法可用提高可用提高U1来补偿来补偿 U的影响，使的影响，使E1/1不变，即不变，即m不变，这种控制不变，这种控制方法称为方法称为电压补偿电压补偿，也称为，也称为转矩转矩提升。提升。通常提高通常提高U1 1
27、,来保持来保持Tm m不变。定子电源不变。定子电源频率频率f1 1越低，定子绕组电压补偿得越大。越低，定子绕组电压补偿得越大。结论：结论：从基频以下调速时，电磁转矩从基频以下调速时，电磁转矩T T恒定，电动机带负载的能力不变，恒定，电动机带负载的能力不变，属于恒转矩调速。属于恒转矩调速。2022-8-103 3基频以上恒功率（恒电压）变频调速基频以上恒功率（恒电压）变频调速 当当f1f1N时，时，U1=const，f m（属于弱磁调速）（属于弱磁调速）电磁转电磁转矩矩T P不变不变，属于恒功率调速。，属于恒功率调速。额定频率以上调频时，理想额定频率以上调频时，理想空载转速增大，最大转矩大幅空载
28、转速增大，最大转矩大幅减小。减小。最大转矩点对应的转差最大转矩点对应的转差 n几乎不变，但由于最大转矩几乎不变，但由于最大转矩减小很多，所以机械特性斜减小很多，所以机械特性斜度加大，特性变软。度加大，特性变软。2022-8-10基频以上调速基频以上调速 在基频在基频f1N以上变频调速以上变频调速时，由于电压时，由于电压U1=U1N 不变，不变，不难证明当频率提高时，同不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如右减小，机械特性上移，如右图所示。由于频率提高而电图所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减
29、小。由于转弱，导致转矩减小。由于转速升高了，可以认为输出功速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，基频以率基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率上变频调速属于弱磁恒功率调速。调速。2022-8-104 4变频调速特性的特点变频调速特性的特点f1f1N U11=constm不变，属于恒转矩调速不变，属于恒转矩调速 f1f1N U1=constm变小，电动机的功率变小，电动机的功率不变，属于恒功率调速不变，属于恒功率调速当当f 较低时，较低时，U不能忽略不能忽略mTP=T（）（）=const通常通常 U1 以保持以保持Tm不变（不变（电压补偿电压补偿）2022-8-105.3通用变频器的
30、基本结构通用变频器的基本结构 与控制方式与控制方式2022-8-10一、一、基基 本本 结结 构构主电路主电路控制电路控制电路2022-8-101 1主电路主电路 由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。将交流变将交流变成直流成直流D=1.35 380 513(V)U为泵生电压提为泵生电压提供放电回路供放电回路将直流电逆变成频率将直流电逆变成频率可调的交流电可调的交流电限制启动限制启动电流电流续流二极管续流二极管IGBT导通，并联二极管为再生电流导通，并联二极管为再生电流及能量返回直流电路提供通路及能量返回直流电路提供通路2022-8-10（1）整流电路）整流电
31、路VD1VD6组成三相不可控整流桥，将交流电组成三相不可控整流桥，将交流电变成变成513V的直流电，整流桥集成电路模块如图。的直流电，整流桥集成电路模块如图。2022-8-10滤波电路：滤波电路：滤波电容器滤波电容器C CF F有两个功能：一是滤平全波整流有两个功能：一是滤平全波整流后的电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。后的电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。电源指示电源指示HLHL：HLHL除了表示电源是否接通以外，还有一个十分除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CFC
32、F上上的电荷是否已经释放完毕。的电荷是否已经释放完毕。2022-8-10（2）能耗电路）能耗电路 电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超过电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超过此时的同步转速（此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压容两端）电压UD不断上升（即所说的不断上升（即所说的泵升电压泵升电压），这样变），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而
33、需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管制动单元由开关管VTB与驱动电路构成，其功能是用来控与驱动电路构成，其功能是用来控制流经制流经RB的放电电流的放电电流IB 2022-8-10电动和制动运行电动和制动运行2022-8-10单管单管IGBT IGBT单管：单管：IGBT，封装较模块小，电流通常在，封装较模块小，电流通常在100A以下以下（3 3）逆变电路）逆变电路 逆变管逆变管VT1VT6组成逆变桥将直流电逆变成频率、电组成逆变桥将直流电逆变成频率、电压都可调的交流电，是压都可调的交流电，是变频器的核心部分变频
34、器的核心部分。常用逆变模块有：。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化等，一般都采用模块化结构有结构有2单元、单元、4单元、单元、6单元。单元。2022-8-10IGBT模块：就是将多个模块：就是将多个IGBT集成封装在一起。集成封装在一起。目前市场上目前市场上15kW以上变频器使用的是以上变频器使用的是150A/200A/300A/400A/450A的两单元的两单元IGBT模块或模块或100A/150A的三相逆变的三相逆变IGBT模块。模块。全桥全桥IGBTIGBT单桥单桥IGBTIGBT2022-8-10IGBT整流桥与整流桥与IGBT整流桥与封装好
35、的整流桥与封装好的IGBT2022-8-10 集成整流桥集成整流桥+制动单元（制动单元（PFCPFC）+三相逆变（三相逆变（IGBTIGBT桥）桥）15kW以下小功率变频器多采用以下小功率变频器多采用25A/50A/75A的的PIM模块。模块。PIM结构包括三相全波整流和结构包括三相全波整流和67个个IGBT单元，即变频器的主回路单元，即变频器的主回路全部封装在一个模块内，在中小功率变频器上（全部封装在一个模块内，在中小功率变频器上（15kW以下）均使以下）均使用用PIM模块以降低成本。模块以降低成本。PIM（功率集成模块）（功率集成模块）知识拓展知识拓展功率集成模块功率集成模块PIM2022
36、-8-10 智能智能IPM模块问世已有十年之久。它将模块问世已有十年之久。它将IGBT、驱动电路、保护电路、驱动电路、保护电路集集成化成功率器件，用电流传感功能芯片，对过流和短路进行保护。成化成功率器件，用电流传感功能芯片，对过流和短路进行保护。IPM有有四种电路形式：单管封装（四种电路形式：单管封装（H），双管封装（），双管封装（D），六合一封装（），六合一封装（C），七），七合一封装（合一封装（R）。由于）。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，国内外小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，国内
37、外55KW以下的变频以下的变频器多数采用器多数采用IPM模块。模块。IPM有：短路保护（有：短路保护（SC），过流保护（），过流保护（OC），欠），欠压保护（压保护（UV），过热保护（），过热保护（OT），过压保护（），过压保护（OV）等。）等。IGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护 IPM（智能功率模块）（智能功率模块）智能功率模块智能功率模块IPM 知识拓展知识拓展2022-8-102.2.控制电路控制电路变频器控制部分一般有：变频器控制部分一般有：CPU单元、显示单元、单元、显示单元、电流检测、电压检测单元、输入输出控制端子、电流检测、电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关
38、电源驱动放大电路、开关电源等。等。CPU单元：采用16位、32位单片机或DSP，变频器专用单片机如：INTEL 87C196MH，速度为几十ns级。矢量控制型采用双CPU。主控制电路板主控制电路板DSP 电机控制专用电机控制专用CPU 软件烧制在软件烧制在DSP板上的板上的DSP中，其核心是中，其核心是根据电压及负载电流，来控制根据电压及负载电流，来控制6个逆变个逆变IGBT的的导通与关断，从而控制电机的运转。导通与关断，从而控制电机的运转。2022-8-10类别类别作用作用主要构成器件主要构成器件主电路整流部分将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分将直流转换为频率、电压均可变的交流
39、电，输出无相序要求IGBT制动部分消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT 和制动电阻,大功率制动单元外置上电缓冲降低上电冲击电流，上电结束后开关自动闭合，而后变频器允许运行限流电阻和开关储能部分保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态MCU(单片机）控制电路交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护DSP(或两个MCU）变频器的构成变频器的构成2022-8-10类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热
40、量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种变频器的构成变频器的构成2022-8-103.3.外部端子外部端子主回路接口主回路接口 工频电网输入380V 3PH/220V 3PH220V 1PHM3制动电阻直流电抗器三相交流电机 R S T P 1 (+)P B (-)U V W P E P O W E R S U P P LY M O T O R P/+PR2022-8-10主电路接口主电路接口3.3.外部端子外部端子控制电路端子控制电路端子控制电路输入端子控制电路输入端子开关量输入开关量输入模拟量输入模拟量输入编码器接口编码器接口控制电路输出端子控制电路输出端子开关量输出开关量输出模拟量输出
41、模拟量输出通信接口通信接口外接控制端子外接控制端子主要主要用于远距离、多功用于远距离、多功能控制能控制通信接口通信接口主要用于主要用于多电动机、系统控制多电动机、系统控制2022-8-10通信接口通信接口 变频器通常采用标准装备变频器通常采用标准装备RS485接口，配上选择通信接口，配上选择通信卡可以对应世界各地的变频器进行通信。卡可以对应世界各地的变频器进行通信。现现 场场 总总 线线OBUS（标准装备标准装备）DeviceNetProfibus-DPCC-LinkCANopenLonWorks 通信选用卡通信选用卡InterBus-SRS485板板2022-8-10二、二、分类分类1.1.
42、按变换环节分类按变换环节分类 按变换环节来分可以分为按变换环节来分可以分为交交-交直接变频器交直接变频器和和交交-直直-交交间接变频器。间接变频器。优点：没有中间环节，变换效率高。优点：没有中间环节，变换效率高。缺点：缺点：总设备投资大，交总设备投资大，交-交变频器的最大输出频率为交变频器的最大输出频率为30HZ，其应用受到限制。其应用受到限制。改变正反组切换频率改变正反组切换频率可以调节输出交流电可以调节输出交流电的频率，而改变的频率，而改变的的大小即可调节矩形波大小即可调节矩形波的幅值的幅值2022-8-10整流整流逆变逆变直流电压直流电压电源电压电源电压输出电压输出电压 变频器的电压波形
43、变化变频器的电压波形变化输出电压的平均值是正弦波正弦波（正弦波（脉宽调制脉宽调制）控制控制方式方式整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流直流直流交流交交-直直-交变频器：交变频器：目前三菱变频器目前三菱变频器大都为交大都为交-直直-交交变频器。变频器。2022-8-10交交-直直-交变频器主要有交变频器主要有3 3种结构形式种结构形式 调压和调频分别在两个环节调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调，上，由控制电路进行协调，但电网侧的功率因数低，输但电网侧的功率因数低，输出谐波大。出谐波大。整流环节采用不可控整流环节采用不可控整流，增设斩波器进行整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器变频调
44、压，再用逆变器变频，克服了功率因数低的，克服了功率因数低的缺点，输出谐波仍大。缺点，输出谐波仍大。调压和调频都在逆变器上调压和调频都在逆变器上进行，输出电压是一系列进行，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值，是最以调节输出电压值，是最好的一种调压调频方法。好的一种调压调频方法。2022-8-102 2按直流电路的滤波方式分类按直流电路的滤波方式分类 交交-直直-交变频器中间直流环节的交变频器中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感储能元件可以是电容或是电感，据此，据此，变频器分成变频器分成电压型变频器电压型变频器和和电流型变频器电流型变频器两大类。两大类
45、。输出交流电压是输出交流电压是矩形波或阶梯矩形波或阶梯波波，电流波形接近于正弦波，电流波形接近于正弦波 中间环节是大电容器滤波，使中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压直流侧电压UD D恒定，变频器的恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交想的电压源，称为交-直直-交电交电压型变频器。压型变频器。电压型变频器电压型变频器现在变频器大多都属于现在变频器大多都属于电压型电压型2022-8-10电流型变频器电流型变频器 输出交流电流是输出交流电流是矩形波或阶梯波矩形波或阶梯波，电压，电压波形接近于正弦波波形接近于正弦波 中间环节是电感很大的电抗器中间环节是电
46、感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流节中的电流ID可近似于恒定，逆可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直于理想的电流源，称为交直交交电流型电流型变频器。变频器。2022-8-103 3按输出电压的调制方式分类按输出电压的调制方式分类 按输出电压的调制方式分为脉幅调制（脉幅调制（PAM）方式和脉宽调制（脉宽调制（PWM）方式。（1 1）脉幅调制）脉幅调制可控整流器调压，逆变器调频，可控整流器调压，逆变器调频，调压和调频分别在两个不同的调压和调频分别在两个不同的环节上进行，控制复杂，较少环节上进行，控制复
47、杂，较少采用。采用。2022-8-10（2 2）脉宽调节）脉宽调节 脉宽调节脉宽调节（Pulse Width Modulation，PWM）方）方式指变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的式指变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占占空比空比来实现的。调节过程中，逆变器负责调频调压。来实现的。调节过程中，逆变器负责调频调压。2022-8-10SPWM调制载波PWM（Pulse Width Moduration）调制）调制lPWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压电压可变、频率可变的可变、频率可变的电压脉冲列。lSPWM调制是：采用三角波
48、和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦l载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同lGTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题（2 2）脉宽调节）脉宽调节 2022-8-104 4按变频控制方式分类按变频控制方式分类 根据变频控制方式的不同，变频器大致可以分根据变频控制方式的不同，变频器大致可以分4类：类：U/f控控制变频器制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器。控制变
49、频器。5 5按用途分类按用途分类 分为通用变频器和专用变频器。分为通用变频器和专用变频器。此外，变频器按电压等级可分此外，变频器按电压等级可分低压变频器和高压变频器低压变频器和高压变频器，低压变频，低压变频器分为单相器分为单相220V、三相、三相380V、三相、三相660V、三相、三相1 140V。高压（国际。高压（国际上称作中压）变频器分为上称作中压）变频器分为3kV、6kV和和l0kV 3种。如果采用公共直流种。如果采用公共直流母线逆变器，则要选择直流电压，其等级有母线逆变器，则要选择直流电压，其等级有24V、48V、110V、200V、500V、1 000V等。等。2022-8-10三、
50、控三、控 制制 方方 式式 1 1.U/f控制方式控制方式 U/f控制方式是指在变频调速过程中为了保持主磁控制方式是指在变频调速过程中为了保持主磁通的恒定，而使通的恒定，而使U/f=常数常数的控制方式，这是变频器的基的控制方式，这是变频器的基本控制方式。本控制方式。特点：结构简单，成本低，特点：结构简单，成本低，机械特性硬度好机械特性硬度好，可满，可满足一般传动平滑调速的需要；缺点是低频运行时，电动足一般传动平滑调速的需要；缺点是低频运行时，电动机容易出现机容易出现输出转矩不足，必须进行转矩补偿输出转矩不足，必须进行转矩补偿；开环运；开环运行时，控制性能相对差些。行时，控制性能相对差些。应用场
