变频器应用基础课件.ppt

1、变频器应用基础变频器应用基础变频器应用基础变频器应用基础第1章基础知识第4章变频器的分类和选择第3章 电力电子器件的触发与驱动电路第2章常用的电力电子器件第5章变频技术及原理第8章变频技术的综合应用第7章变频器的调试与维护第6章变频器的安装与接线第第1 1章基础知识章基础知识变频技术的常见类型1.1变频器的组成和特点1.2变频技术和变频器的发展及发展方向1.3变频器中常用的控制方式1.41.1变频技术的常见类型第第1 1章基础知识章基础知识直直变频技术即斩波技术交直变频技术即整流技术交交变频技术即移相技术 交直交变频技术直交变频技术即逆变技术常见类型常见类型 变频技术根据输入、输出的交、直流状

2、态，可分为如下类型：第第1 1章制图的基本知识章制图的基本知识 交 流直直 流流交 流移相振荡/逆变直 流整流斩波1.1变频技术的常见类型输 出输 入 1.2.1变频器的组成 1.2变频器的组成和特点第第1 1章制图的基本知识章制图的基本知识3.控制电路2.平波电路4.逆变电路1.整流电路 1.2.2变频电动机的特点 1、电磁设计 改善电动机对非正弦波电源的适应能力的方法：（1）尽可能的减小定子和转子电阻。（2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。（3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态。2、结构设计 注意的问题：（1）绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特

3、别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。（2）对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。（3）冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。（4）防止轴电流措施。（5）对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。第第1 1章制图的基本知识章制图的基本知识1.2变频器的组成和特点 1.3.1 变频技术的发展及发展方向 变频技术是应交流电机无级调速的需要而产生的，它的发展建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发和制造工艺水平的提高基础之上。变频技术的发展方向

4、是：（1）交流变频技术向直流变频技术方向转化。（2）变频技术功率器件向高集成智能功率模块方向发展。（3）变频装置的尺寸逐渐缩小。（4）变频技术实现高速度的数字控制。（5）变频技术实现模拟器与计算机辅助设计的优化结合。1.3变频技术和变频器的发展及发展方向第第1 1章制图的基本知识章制图的基本知识 1.3.2 变频器的发展及发展方向 变频器主要用于交流电动机的转速调节。变频器的应用：1.速度控制 2.节能 3.变频家电 变频器的主要发展方向：（1）实现高水平的自动控制。（2）开发节能变频器。（3）能够使得控制装置小型化。（4）实现高速度的数字控制。（5）能够利用模拟器与计算机辅助设计进行网络现场

5、控制。第第1 1章制图的基本知识章制图的基本知识1.3变频技术和变频器的发展及发展方向4.直接转矩控制 1.V/f控制3.矢量控制 5.最优控制2.转差频率控制6.其他非智能控制方式 4.1.1非智能控制方式1.4变频器中常用的控制方式第第1 1章制图的基本知识章制图的基本知识 4.1.2智能控制方式 1.神经网络控制：用在变频器的控制中。2.模糊控制：用于控制变频器的电压和频率。3.专家系统：利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式。4.学习控制：用于重复性的输入。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件常用电力电子器件的类型2.1晶闸管的结构、原理及测试2.2功率晶体管和功率

6、场效应晶体管2.3绝缘栅双极晶体管2.4常用晶闸管2.5功率集成电路2.6智能功率模块2.72.1常用电力电子器件的类型第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件1）不可控器件2）半控型器件3）全控型器件1.按器件被电路中控制信号所控制的程度分类1）单极型器件2）双极型器件3）复合型器件3.按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类1）电流驱动型2）电压驱动型2.按驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质分类 晶闸管又称为晶体闸流管或可控硅整流器。（包括：普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和光控晶闸管）1.晶闸管的结构2.2晶闸管的结构、原理及测试第

7、第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件晶闸管的外形、内部结构和电气图形符号 2.晶闸管的工作原理 晶闸管一旦导通后，控制极就失去了控制作用。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.2晶闸管的结构、原理及测试晶闸管导通条件实验电路 3.晶闸管的导通条件（1）晶闸管阳极电路加适当的正向电压。（2）门极电路加适当的正向电压（实际工作中，门极加正触发脉冲信号），且晶闸管一旦导通，门极将失去控制作用。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.2晶闸管的结构、原理及测试晶闸管的双晶体管模型 4.晶闸管的工作状态 晶闸管的特性是指在低发射极电流下电流放大系数很小，而当发射

8、极电流建立起来之后，迅速增大。工作状态：（1）正向阻断。（2）触发导通。（3）晶闸管关断。（4）反向阻断。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.2晶闸管的结构、原理及测试 晶闸管还存在以下几种可能导通的情况：（1）阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应，即硬开通。（2）阳极电压上升率 du/dt 过高。（3）结温较高。（4）光直接照射在晶体管硅片上，即光触发。5.晶闸管的基本特性 1）晶闸管的静态特性(1)晶闸管的阳极伏安特性。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.2晶闸管的结构、原理及测试晶闸管阳极伏安特性曲线（IG2IG1IG=0）（2）晶闸管门极伏安特性。

9、可靠触发区。（ADEFGCBA所围成的区域）不可靠触发区。（ABCJIHA围成的区域）不触发区。（OHIJO围成的区域）第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.2晶闸管的结构、原理及测试晶闸管门极伏安特性 2）晶闸管的动态特性 （1）开通过程包括延迟时间、上升时间。（开通时间 tgt 是指延迟时间与上升时间两者之和，即tgt=td+tr）（2）关断过程包括反向阻断恢复时间和正向阻断恢复时间。（关断时间tq是反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间之和，即 tq=trr +tgr）第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.2晶闸管的结构、原理及测试晶闸管开通和关断过程的波形

10、6.晶闸管的主要参数 第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件1）电压定额（1）正向重复峰值电压。（2）反向重复峰值电压。（3）通态（峰值）电压。（4）额定电压。（5）通态平均电压。2）电流定额（1）正向重复峰值电流。（2）反向重复峰值电流。（3）通态平均电流。（4）维持电流。（5）擎住电流。（6）浪涌电流。3）动态参数（1）断态电压临界上升率。（2）通态电流临界上升率。（3）额定结温。4）门极参数（1）门极触发电流。（2）门极触发电压。2.2晶闸管的结构、原理及测试 2.3.1 功率晶体管 功率晶体管也称为电力晶体管PTR。2.3功率晶体管和功率场效应晶体管第第2 2章常用的电力电

11、子器件章常用的电力电子器件 1.GTR的结构和工作原理 GTR的内部电流由电子和空穴两种载流子形成。主要特点：耐压高、电流大、开关特性好，通常至少采用两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，利用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。GTR内部结构与元件符号 2.GTR的基本特性 1）GTR的输出特性第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.3功率晶体管和功率场效应晶体管GTR的输出特性 2）GTR的动态特性 作为高频开关使用经常处于开通和关断的动态过程中。（1）开通过程。（2）关断过程。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件GTR开通和关断过程中的电流波形2.3功率晶体管和

12、功率场效应晶体管 3）GTR的主要参数第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2）集电极最大允许电流3）集电极最大耗散功率1）最高工作电压4）最高工作结温2.3功率晶体管和功率场效应晶体管 2.3.2 功率场效应晶体管 功率场效应晶体管（MOSFET）是一种单极型电压控制器件。1.功率MOSFET的种类、结构和工作原理 1）功率MOSFET的种类 按导电沟道可分为：N沟道类型：主要载流子是电子P沟道类型：主要载流子是空穴第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件几种常用的功率MOSFET的外形2.3功率晶体管和功率场效应晶体管 2）功率MOSFET的结构 小功率MOS管是横向

13、导电器件；功率MOSFET大都采用垂直导电结构，所以又称为VMOSFET。垂直导电结构大大提高了功率MOSFET的耐压和耐电流能力。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件功率MOSFET的结构和电气图形符号2.3功率晶体管和功率场效应晶体管 按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。3）功率MOSFET的工作原理 利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。工作过程：（1）关断。（2）导通。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.3功率晶体管和功率场效应晶体管 2

14、.功率MOSFET的基本特性 1）功率MOSFET的静态特性第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.3功率晶体管和功率场效应晶体管功率MOSFET的静态特性 （1）功率MOSFET的转移特性。反映输入电压和输出电流的关系：第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件GSDmdUdIg （2）功率MOSFET的输出特性。截止区。UGSUT，且ID=0，对应于GTR的截止区。饱和区。UGSUT，且UDSUGS-UT，当UGS不变时，ID几乎不随 UDS 的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。非饱和区。UGSUT，且UDSUGS-UT，漏源电压UDS和漏极电流 ID 之比近似

15、为常数。2.3功率晶体管和功率场效应晶体管 2）功率MOSFET的动态特性 （1）开通过程。延迟时间。上升时间。开通时间 td(on)是延迟时间td(on)与上升时间 tr 之和，即 ton=td(on)+tr （2）关断过程。延迟时间。下降时间。关断时间 toff 是延迟时间 td(off)和下降时间 tf 之和，即 toff=td(off)+tf （3）开关速度。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件功率MOSFET的动态特性2.3功率晶体管和功率场效应晶体管 3.功率MOSFET的主要参数 第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.3功率晶体管和功率场效应晶体管1

16、）漏极电压2）漏极直流电流5）极间电容4）栅源电压3）漏极脉冲电流幅值 绝缘栅双极晶体管（IGBT）优点：输入通态电压低、耐压高、承受电流大、驱动功率小、输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单。2.4绝缘栅双极晶体管第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件 1.IGBT的结构 IGBT的结构 2.IGBT的工作原理 场控器件，其开通、关断由栅射极电压 UGE 决定。工作过程:（1）导通过程。（2）关断过程。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.4绝缘栅双极晶体管IGBT的简化等效电路和电气图形符号 2.5.1门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（GTO）:是PNP

17、N四层三端半导体结构，引出电极包括阳极A、阴极K和门极G。2.5常用晶闸管第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件GTO的内部结构和电气图形符号 GTO克服了普通晶闸管需要体积庞大的换相电路、波形失真以及效率较低的缺点，同时又保留了普通晶闸管耐压高、通流能力大的优点，是理想的高电压、大电流的开关器件。主要特点：GTO是一个可控关断的全控型器件。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件GTO元的等效电路2.5常用晶闸管 2.5.2 集成门极换流晶闸管 集成门极换流晶闸管（IGCT）的特点：第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.5常用晶闸管高速、低功耗，具有较强

18、的关断能力。高速、低功耗，具有较强的关断能力。控制方便。控制方便。芯片薄。芯片薄。可在高频率下运行。可在高频率下运行。2.5.3 MOS控制晶闸管 MOS控制晶闸管（MCT）是将功率MOSFET与晶闸管复合而得到的器件。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件 1.MCT的结构 采用集成电路工艺制成的。MCT的结构2.5常用晶闸管 2.MCT的工作原理 MCT是通过激发P沟道的MOS管on-FET来开通晶闸管，通过激发N沟道的MOS管off-FET来关断晶闸管，这种MCT被称为P-MCT。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.5常用晶闸管MCT的等效电路和电气图形符号

19、 功率集成电路（PIC）是指将输出的功率器件及其驱动电路、保护电路和接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上。PIC包括：HVPIC是指由一个（或几个）横向高压器件与低压模拟/逻辑电路集成的单片集成电路。SPIC是指由一个（或几个）纵向功率器件与控制/保护电路集成的单片集成电路，也就是具有功率控制、信号处理和自保护功能的单片集成电路。2.6功率集成电路第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件PIC的典型构成框图 智能功率模块（IPM）是SPIC的一种类型，它由高速低功耗的管芯，优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。IPM有两种类型：一种是小功率IPM，其采用的是一种基于多层环氧树脂

20、粘合的绝缘技术。另一种是大功率IPM，其采用的是陶瓷绝缘和铜箔直接铸接工艺。2.7智能功率模块第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件IPM的两种类型 IPM的四种电路包括：单管封装H型、双管封装D型、六合一封装C型和七合一封装R型。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.7智能功率模块IPM的四种电路形式1.IPM的优点 （1）开关速度快。（2）低功耗。（3）快速的过流保护。（4）过热保护。（5）桥臂对管互锁。（6）抗干扰能力强。（7）驱动电源欠压保护。（8）IPM 内藏相关的外围电路。（9）无须对功率开关器件采取防静电措施。（10）减少了元器件数量，缩小了体积。（1

21、1）采用了专用IC对门极进行控制、保护，不需要考虑短路及开关浪涌电压带来的裕量问题，实现了真正的高性能化。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.IPM的保护功能 1）控制电源欠电压保护 2）过电流保护 3）短路保护 4）过热保护2.7智能功率模块 3.IPM的选用 首先要根据IPM的过电流动作数值来确定峰值电流 IC；其次要采用适当的热设计，以保证结温峰值永远小于最大结温额定值150，使基板的温度保持低于过热动作数值；最后再参考该元件型号、过电流保护OC动作数值来选用。第第2 2章常用的电力电子器件章常用的电力电子器件2.7智能功率模块有无短路保护时的电流、电压波形第第3 3章

22、电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路触发电路3.1全控型电力电子器件的驱动电路3.2电力电子器件的保护3.3 3.1.1 对触发电路的要求 3.1触发电路第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路触发信号要有足够的功率2触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步3触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡14 3.1.2单结晶体管触发电路 第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.1触发电路单结晶体管触发电路及波形 3.1.3同步电压为锯齿波的触发电路 3.1触发电路第第3 3章电力电子器件的触发

23、与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路同步电压为锯齿波的触发电路由同步环节，锯齿波形成及脉冲移相环节，脉冲形成、放大和输出环节，双窄脉冲形成环节和强触发及脉冲封锁环节五个基本环节构成。1.同步环节 在锯齿波触发电路中，同步就是要求锯齿波的频率与主回路的频率相同。2.锯齿波形成及脉冲移相环节 同步电压为锯齿波的触发电路中所包含的主要元件有V1、V9、V3、RP1、R2、R4、C2等，3.1触发电路第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.1.4 触发电路与主电路的同步 1.同步的概念 所谓同步，是指把一个与主电路晶闸管所受电源电压保持合适相位关系的电压提供给触发

24、电路，确保主电路各晶闸管在每一个周期中按相同的顺序和触发延迟角被触发导通。2.实现同步的方法 3.触发电路同步电压的确定 （1）根据晶闸管主电路的结构、所带负载的性质及采用的触发电路的形式，确定出该触发电路能够满足移相要求的同步电压与晶闸管阳极电压的相位关系。（2）用三相同步变压器的不同连接方式再配合阻容移相得到上述确定的同步电压。3.1触发电路第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路全控型器件：具有控制器件导通和关断的双重功能，这类器件又称为自关断器件。驱动电路是全控型电力电子器件主电路与控制电路之间的接口。其共同特点是：集电极电流变化时，基极电流自动调节使GT

25、R工作在临界饱和状态；采取多种保护措施；采用集成电路。1）对GTR基极驱动电路的要求：（1）导通时，要采用强驱动，驱动电流前沿要陡，并有一定幅度的过冲电流Ib1，以加速开通过程，减小开通损耗，过饱和系数一般为1.52。（2）GTR导通后，应相应减小驱动电流 Ib2，使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，以降低驱动功率，又可缩短关断时间。（3）GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流Ib3，迅速抽取基区的剩余载流子，以加快关断速度，减少关断损耗。3.2全控型电力电子器件的驱动电路第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路第第3 3章电力电子器件的触

26、发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.2全控型电力电子器件的驱动电路 （4）应能实现主电路与控制电路间的电气隔离，以保证安全，提高抗干扰能力。（5）应有较强的抗干扰能力，并具有一定的保护功能。2）驱动电路中的电气隔离 在驱动电路中，常采用光隔离或磁隔离来实现主电路与控制电路之间的电气隔离。理想的GTR基极驱动电流波形3.2全控型电力电子器件的驱动电路磁隔离所采用的器件，较典型的是脉冲变压器光耦合器的隔离情况脉冲变压器的电气符号及外形（b）外形第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路 3.3.1晶闸管的保护1）过电流及其保护 当线路发生超载或短路等情况时，晶

27、闸管的工作电流会超过允许值，形成过电流。3.3电力电子器件的保护第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路晶闸管装置可采用的过电流保护措施1进线电抗限流；2电流检测和过流继电器；3、4、5快速熔断器；6过电流继电器；7直流快速断路器 产生过电流的原因：电网电压波动太大；电动机拖动的负载过大；整流电路直流输出侧短路和逆变电路因逆变失败引起的短路；可逆传动环流过大或控制系统故障而产生的过电流；内部晶闸管损坏或触发电路故障使晶闸管误导通，造成相邻桥臂上的晶闸管导通，引起两相电源短路等。晶闸管装置可采用的过电流保护措施主要有以下几种：（1）快速熔断器保护。快熔常见的三种接法

28、3.3电力电子器件的保护第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路选用快熔时应注意以下几点：快熔的额定电压应大于或等于线路正常工作的电压（有效值）。快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流（有效值）。熔体的额定电流是有效值。（2）过电流继电器保护及脉冲移相保护。3.3电力电子器件的保护第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路（3）拉逆变过电流保护。（4）直流快速断路器保护。（5）进线电抗限制保护。3.3电力电子器件的保护拉逆变过电流保护电路第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路第第3 3章电力电子器件

29、的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护 2）过电压及其保护 过电压就是超过了晶闸管正常工作时允许承受的最大电压。（1）电路产生过电压的外部原因主要有雷击过电压和操作过电压。雷击过电压：是由于遭受雷击，雷电沿线路侵入而引起的过电压。操作过电压：是由电路开关分闸、合闸操作所引起的过电压。电网剧烈波动及干扰引起的过电压。（2）电路产生过电压的内部原因主要是电路状态变化时积聚的电 磁能量不能及时消散。其主要表现有：器件开、关引起的冲击过电压 和其他外来干扰引起的浪涌过电压。第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护晶闸

30、管的过电压保护措施晶闸管关断过电压波形 （3）晶闸管关断过电压及其保护。抑制关断过电压的阻容吸收电路第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护 （4）交流侧过电压及保护。指在接通或断开晶闸管整流电路的交流侧相关电路时所产生的过电压。交流侧过电压第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护 交流侧操作过电压都是瞬时的尖峰电压，一般来说，抑制这种过电压最有效的方法是并联阻容吸收电路。交流侧阻容吸收电路第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护 因

31、雷击或从电网侵入高电压干扰引起的过电压称为浪涌过电压。一般可采用阀型避雷器或具有类似稳压管稳压特性的硅堆或压敏电阻来抑制浪涌过电压。硅堆保护的接法第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护 压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结而成的金属氧化物非线性电阻，具有正反向都很陡的稳压特性。压敏电阻的伏安特性压敏电阻的几种接法第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护 （6）正向电压上升率和正向电流上升率的抑制。正向电压上升率du/dt 的抑制。抑制电压变化率的措施：第一种是给整流装置接上整流变压器；第二

32、种是对于没有采用整流变压器而由电网直接供电的装置。正向电流上升率di/dt的抑制。抑制电流变化率的措施：串联进线电感、桥臂电感，或采用整流式阻容电路。抑制正向电压上升率的电路第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护 3.3.2 晶闸管的串联与并联中的问题 1）晶闸管的串联晶闸管的串联电路及其伏安特性曲线第第3 3章电力电子器件的触发与驱动电路章电力电子器件的触发与驱动电路3.3电力电子器件的保护 2）晶闸管的并联晶闸管的并联电路及其伏安特性曲线第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择变频器的分类4.1变频器的选择4.2 4.1.1

33、按交流环节分类1.交直交变频器指先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电。4.1变频器的分类第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择交直交变频器第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择4.1变频器的分类 4.1.1按交流环节分类1.交交变频器指把电网固定频率的交流功率直接转换成频率可调的交流功率(转换前后的相数相同)，通常由三相反并联晶闸管可逆桥式变流器组成。交交变频器 4.1.2按直流环节的滤波形式分类1.电压型变频器 直流环节的储能元件是电容器。2.电流型变频器 直流环节的储能元件是电感线圈。第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选

34、择4.1变频器的分类电压型变频器和电流型变频器 4.1.3按控制方式分类1.电压频率比控制变频器 2.转差频率控制变频器 3.矢量控制变频器 4.直接转矩控制变频器第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择 4.1.4按功能分类1.恒转矩变频器 控制的对象具有恒转矩特性。2.平方转矩变频器 控制的对象在过载能力方面要求较低。4.1变频器的分类 4.1.5按用途分类1.通用变频器 2.高性能专用变频器 3.高频变频器 4.1.6按输出电压调制方式分类1.PAM方式 特点是变频器在改变输出频率的同时也改变了电压的振幅值。2.PWM方式 特点是变频器在改变输出频率的同时也改变了电压的脉冲占空

35、比。第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择4.1变频器的分类 4.1.3按输入电源的相数分类1.单相变频器又称为单进三出变频器。2.三相变频器又称为三进三出变频器。单相变频器三相变频器 4.2.1变频器的额定数据 1.输入侧的额定数据 1）额定电压在我国，中小容量变频器的输入电压主要有以下几种：（1）380 V，三相，绝大多数变频器常用电压。（2）220 V，三相，主要用于某些进口设备中。（3）220 V，单相，主要用于家用电器中。2）额定频率 常见的额定频率为50 Hz和60 Hz。4.2变频器的选择第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择第第4 4章变频器的分类和选择

36、章变频器的分类和选择4.2变频器的选择 2.输出侧的额定数据 1）额定电压 由于变频器的输出电压是随频率而变的，所以变频器是以最大输出电压作为额定电压的。2）额定电流（IN）是指允许长时间输出的最大电流，是用户选择变频器的主要依据。3）额定容量（SN）4）适配电动机功率（PN）是指变频器允许配用的最大电动机容量。5）输出频率范围 输出频率范围是指变频器输出频率的调节范围。NNNIUS3 6）过载能力 是指其输出电流超过额定电流的允许范围。第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择4.2变频器的选择 4.2.2 变频器容量的计算 当电动机的额定电压选定后（低电压为220 V和380 V）

37、，选择变频器容量时，主要是计算变频器的输出电流。选择变频器的原则：1.连续不变负载运行时变频器的容量变频器的过载能力 2.连续运行方式下变频器的容量 连续运行方式通常指负载不频繁加减速而连续运行的方式。第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择4.2变频器的选择 如果按电动机的实测最大工作电流选取，变频器的容量可以适当减小。变频器输出电流的波形变频器容量按最大电流选择的曲线 3.电动机在加减速时变频器的容量 变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择4.2变频器的选择转矩（电流）与速度关系曲线 4.电动机在频繁加减速时变频器的

38、容量 第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择4.2变频器的选择电动机运转时的特性曲线 5.电动机直接启动时变频器的容量 变频器的额定输出电流公式：IN IKKg第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择 6.电动机电流变化不规则时变频器的容量 变频器的额定输出电流公式：IN Imax 7.多台电动机由一台变频器控制时变频器的容量 注意问题：（1）在电动机总功率相等的情况下，由多台小功率电动机组成的一方，比台数少但电动机功率较大的一方的效率低。（2）多台电动机依次直接启动，该启动方式对变频器影响最大。（3）在确定软启动、软停止时，一定要按启动最慢的那台电动机进行确定。4.2变

39、频器的选择第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择 4）如有一部分电动机直接启动，可按下式进行计算 I N gKKINNIN)(212 8.电动机带动大惯性负载启动时变频器的容量计算 I N msNmNIKI21 9.电动机拖动较轻负载时变频器的容量计算电动机的电流波形4.2变频器的选择第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择4.2变频器的选择 4.2.3 变频器类型的选择 1.根据负载的要求选择变频器 1）恒转矩负载 2）平方转矩负载 3）恒功率负载 2.根据环境选择变频器 1）温度 变频器环境温度为-1050，一定要考虑通风散热。2）相对湿度 变频器的相对湿度应符合IE

40、C/EN 60068.2.6规定。3）抗震性 变频器的抗震性应符合IEC/EN 60068.2.3规定。4）抗干扰性 （1）外来干扰。（2）变频器产生的干扰。第第4 4章变频器的分类和选择章变频器的分类和选择4.2变频器的选择 3.根据相关参数选择变频器 U/f5 5 启动转矩和低速区转矩启动转矩和低速区转矩10104 4加减速时间加减速时间输出频率输出频率2 2最大瞬间电流最大瞬间电流1 1输出电压输出电压3 3调速范围调速范围6 6保护结构的选择保护结构的选择7 7电网与变频器的切换的选电网与变频器的切换的选择择8 8瞬停再启动的选择瞬停再启动的选择9 9第第5 5章变频技术及原理章变频技

41、术及原理交直交变频技术5.1PWM技术5.2交交变频技术5.3 5.1.1交直交变频技术的原理5.1交直交变频技术第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理交直交变频电路结构框图 按照不同的控制方式，交直交变频电路可分成：可控整流电路调压、逆变电路调频，不可控整流电路整流、斩波电路调压、逆变电路调频，不可控整流电路整流、脉宽调制逆变电路同时调压调频。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理交直交变频电路的三种控制方式第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理 根据中间直流环节采用滤波器的不同，变频电路又分为电压型变频电路和电流型变频电路。变频电路原理图5.1交直交变频技术 5.1.2电压型变

42、频技术 1.电压型逆变电路的主要特点 1）直流侧并联有大电容，相当于直流电压源，内阻很小，直流电压波形比较平直，基本无脉动。2）由于直流电压源的钳位作用，逆变器的交流输出电压被钳位为矩形波，与负载阻抗角无关。而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的变化而变化，其波形接近正弦波。3）当交流侧为电感性负载时需要提供无功功率，直流侧电容是缓冲负载无功能量的储能元件。为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，各桥臂都并联了续流二极管。4）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，由于直流电压无脉动，因此，传送功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.1交直交变频技

43、术 2.电压型逆变电路的基本电路 最简单的电压型变频电路由可控整流电路和电压型逆变电路组成。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.1交直交变频技术三相电压型变频电路的基本电路三相电压型桥式逆变电路第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理带泵升电压限制电路的变频电路可再生制动的变频电路 3.电压型逆变电路输出电压的调节 调节方式：1）调节直流侧电压 （1）采用可控整流器整流，通过对触发脉冲的相位控制直接得到可调直流电压。（2）采用二极管整流桥不可控整流，在直流环节增加斩波电路以实现调压。2）移相调压 实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。3）脉宽调制调压 是把逆变电路半个周期内的输出波形分

44、割成多个脉冲，通过对每个脉冲的宽度进行控制。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.1交直交变频技术第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理单相全桥式逆变电路及其波形 5.1.3电流型变频技术 1.电流型逆变电路的主要特点 （1）直流回路呈现高阻抗。（2）交流侧电流为矩形波，与负载性质无关；而输出的交流电压波形和相位因负载的变化而变化，其波形常接近正弦波。（3）可控器件不必反并联二极管。（4）传送功率的脉动是由直流电压的脉动来体现的。（5）可方便地实现再生回馈制动，不需要另加一套逆变电路。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.1交直交变频技术 2.电流型逆变电路的基本电路 第第

45、5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.1交直交变频技术三相电流型逆变电路的基本电路 常见的电流型逆变电路主要有单相桥式和三相桥式逆变电路。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.1交直交变频技术电流型单相桥式逆变电路及其波形三相交直交电流型变频电路 3.交直交电流型变频电路与电压型变频电路的性能比较 1）无功能量的缓冲 两种变频电路的主要区别在于用什么储能元件(电容器或电抗器)来缓冲无功能量。2）回馈制动第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理电流型变频调速系统的两种运行状态5.1交直交变频技术 3.适用范围 电压型变频电路属于恒压源，电压控制响应慢，所以适用于多台电动机同步运行时

46、的供电电源但不要求电动机快速加减速的场合。电流型变频电路适用于一台变频器给一台电动机供电的单电动机传动，但可以满足快速启动、制动和正反转可逆运行的要求。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理 5.1.4 脉宽调制型变频技术 基本原理是通过控制变频电路中开关元件的导通、关断时间和开关频率比来控制交流电压的大小和频率。按变频电路的输出电压和频率的控制方法分为。1）脉幅调制（PAM）：是一种通过改变直流电压的幅值进行输出电压调节的方式。5.1交直交变频技术 2）脉宽调制（PWM）：是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制频率来控制其输出频率。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.1交

47、直交变频技术 5.1.5 谐振型变频技术 1.直流环节谐振型逆变电路的基本原理 三相直流环节谐振型逆变电路的原理图 2.直流环节谐振型逆变电路举例 第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.1交直交变频技术一个谐振周期对应的等效电路直流环节并联谐振型逆变电路第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理直流环节并联谐振型逆变电路的等效电路电容电压与电感电流的波形直流环节并联谐振型逆变电路工作各阶段的等效电路冲量相同的电压窄脉冲的响应波形 5.2.1PWM技术原理概述 1.PWM控制的基本原理5.2PWM技术第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理形状不同而冲量相同的电压窄脉冲 2.单极性PW

48、M和双极性PWM PWM调制按调制脉冲的极性可分为:1）单极性PWM第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.2PWM技术PWM控制的基本原理单相桥式PWM逆变电路 2）双极性PWM第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.2PWM技术单极性PWM波形电感性负载时双极性PWM控制波形 5.2.2 PWM控制技术 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM逆变电路有异步调制和同步调制两种控制方式。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理rcffN载波比：1.同步调制 载波比 N 等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。调制信号频率变化时载波比 N

49、 不变。5.2PWM技术 2.异步调制 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步调制。载波比 N 虽变化而变化。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.2PWM技术同步调制异步调制 3.其他控制方式 第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.2PWM技术分段同步调制异步和同步分段调制 5.3.1交交变频技术的概述 是指不通过中间直流环节，而把电网工频交流电直接变换成不同频率的交流电的变频电路。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理5.3交交变频技术交交变频原理框图 1.交交变频电路的特点 优点：1）是直接变换，没有中间环节，且使用电网换相，提高了变流效率。第第5 5章变

50、频技术及原理章变频技术及原理5.3交交变频技术 2）和交直交电压型逆变电路相比，可以方便地实现四象限工作。3）由于输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成的因此，其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好，低频时输出波形接近正弦波。4）由于变频电路按电网电压过零自然换相因此，可采用普通晶闸管。缺点：1）接线复杂，使用的晶闸管较多。2）受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低，最高输出频率为电网频率的1/3或1/2。3）采用相控方式，功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。4）交流输入电流谐波严重且情况复杂，难于控制。第第5 5章变频技术及原理章变频技术及原理