变频器技术及应用...ppt

变频器技术及应用 第1章变频器的主电路 为什么要开发变频器 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 笼形转子异步电动机 图1 1笼形转子异步电动机的构造a 外形b 定子c 转子 短路绕组 1 1三相交流异步电动机简介 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 1 1三相交流异步电动机简介 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 1 1三相交流异步电动机简介 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 降低定子电压 转子串电阻 基频向下调速 基频向上调速 5 调速方法 1 1三相交流异步电动机简介 1 1 2生产机械对无级调速的要求 图1 3生产机械对无级调速的要求举例 随着各种加工技术的不断进步 许多生产机械对无级调速的要求也越来越迫切 以50年代龙门刨床刨台的拖动系统为例 其拖动系统采用 发电机 电动机组 调速系统 如图所示 图中 直接拖动刨台的是直流电动机DM DM由直流发电机G1提供电源 G1又由交流电动机AM来带动 AM在带动G1的同时 还带动一台励磁发电机G2 G2发出的电 一方面为DM和G1提供励磁电流 同时也为控制电路提供电源 除此以外 为了改善DM的机械特性 还采用了一台结构复杂 价格昂贵的交磁放大机DMA 可见 为了实现无级调速 简直已经到了不惜工本的地步 这充分说明了 生产机械对电动机进行无级调速的要求是多么地迫切 1 1三相交流异步电动机简介 1 1 3变频可以无级调速 图1 4变频可以调速 设2p 4 则 fX 0 50Hz n0 0 1500r min nM 0 1440r min 从电能到磁场能到机械能的作功过程有什么特点 1 2电动机在能量转换中的作功过程 1 2 1电动机从电网取用电功率时的作功过程 1 能量的载体 电动机的定子电路 图1 5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 2电动机在能量转换中的作功过程 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 1 2电动机在能量转换中的作功过程 3 定子绕组的等效电路与电动势平衡方程 图1 6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 1 2电动机在能量转换中的作功过程 1 2 2转子从定子侧吸收能量的作功过程 图1 7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 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 1 1 2电动机在能量转换中的作功过程 1 2电动机在能量转换中的作功过程 3 转子的等效电路 图1 8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 1 2电动机在能量转换中的作功过程 4 磁动势的平衡 图1 9磁动势的平衡a 磁动势的平衡b 电流平衡c 电流矢量图 1 2电动机在能量转换中的作功过程 1 2 3负载得到机械能时的作功过程1 能量的载体 机械的旋转系统 图1 10拖动系统的转矩平衡 1 2电动机在能量转换中的作功过程 2 作功要点作用的一方 电动机的电磁转矩TM KTI2 1cos 2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电动机在能量转换中的作功过程 1 2 4小结 图1 11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 12交 直 交变频器框图 1 3交 直 交变频器的构成及演变 2 单相逆变桥 图1 13单相逆变桥原理a 单相逆变桥电路b 负载所得电压波形 1 3交 直 交变频器的构成及演变 3 三相逆变桥 图1 14三相逆变桥a 三相逆变电路b 输出电压波形 1 3交 直 交变频器的构成及演变 1 3 2逆变器件的条件与发展 1 逆变器件的条件 图1 15逆变器件承受的电压和电流 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 1 3交 直 交变频器的构成及演变 2 逆变器件的发展 1 起步始于晶闸管 图1 16SCR逆变 逆变电路 电压波形 电流波形 晶闸管的外形 小电流塑封式 小电流螺旋式 大电流螺旋式 大电流平板式 图形符号 1 3交 直 交变频器的构成及演变 导通条件 除阳极加正向电压 必须同时在门极与阴极之间加一定的门极电压 有足够的门极电流 关断条件 阳极电流小于维持电流IH 晶闸管的几个特性 晶闸管具有可控性 晶闸管具有单向导电性 晶闸管一旦导通 门极将失去控制作用 导通后流过晶闸管的电流由主电路电源和负载来决定 1 3交 直 交变频器的构成及演变 2 普及归功GTR 电力晶体管 图1 17GTR逆变 逆变电路 电压波形 电流波形 1 3交 直 交变频器的构成及演变 GTR特点 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 大部分变频器的上限载波频率约为1 2 1 5kHz左右 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1 17 c 所示 这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流 并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动 并产生噪音 又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域 故电动机的电磁噪音较强 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 1 3交 直 交变频器的构成及演变 3 提高全靠IGBT 绝缘栅双极型晶体管 图1 18IGBT逆变 逆变电路 电压波形 电流波形 1 3交 直 交变频器的构成及演变 IGBT变频器的主要特点1 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1 18 c 所示 故电磁噪声减小 而电动机的转矩则增大 2 功耗减小由于IGBT的驱动电路取用电流小 几乎不消耗功率 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 故在瞬间停电或变频器因误动作而跳闸后 允许自动重合闸 而可以不必跳闸 从而增强了对常见故障的自处理能力 可以说 IGBT为变频调速的迅速普及和进一步提高奠定了基础 结论 期待百年的最根本的关键是 直到20世纪80年代 才出现了符合要求的开关器件 变频调速出现了什么新问题 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 频率下降时的能量变化 变频调速出现了一个新问题 当频率下降时 电动机的输出功率将随转速的下降而下降 但输入功率和频率之间却并无直接关系 于是在输入和输出功率之间将出现能量的失衡 这种失衡必将反映在传递能量的磁路中 所以 要说清楚变频变压的问题 必须从电动机的能量传递环节入手 图1 19频率下降出现的新问题 1 4变频器的输出电压与频率 2 磁路饱和的结果 图1 20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 TM KT 1I2 cos 2 1 磁通减小的后果电动机的电磁转矩将达不到额定值 从而使带负载能力下降 2 磁通增大的后果励磁电流的波形将发生严重的畸变 是一个峰值很高的尖峰波 即使磁通增加不多 励磁电流的峰值也会增加得很大 1 4变频器的输出电压与频率 3 保持磁通不变的途径 1 从能量角度看 图1 21保持磁通不变的途径a 频率下降的结果b 变频也要变压 1 4变频器的输出电压与频率 2 从电动势的角度看 1 4变频器的输出电压与频率 3 频率和电压的调节比 1 4变频器的输出电压与频率 1 4变频器的输出电压与频率 1 4 2变频又变压的具体方法 1 PAM方式脉冲幅值调节方式 PulseAmplitudeModulation 由于PAM调制的结果是使逆变后的脉冲幅度下降 故称之为脉幅调制 实施PAM的线路比较复杂 因为要同时控制整流和逆变两个部分 并且晶闸管整流后直流电压的平均值并不和移相角成线性关系 也使两个部分之间的协调比较困难 1 4变频器的输出电压与频率 1 4 2变频又变压的具体方法 1 脉宽调制PulseWidthModulation 图1 22脉宽调制a 电路框图b 频率较高c 频率较低 将变频器输出波的每半个周期分割成许多个脉冲 通过调节脉冲宽度和脉冲周期之间的 占空比 来调节平均电压 PWM的优点是不必控制直流侧 因而大大简化了电路 经PAM和PWM调制后 所得到的电动机电流的谐波分量将是很大的 1 4变频器的输出电压与频率 2 正弦脉宽调制 SinusoidalPulseWidthModulation 图1 23正弦脉宽调制a 电压波形b 电流波形 如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布的话 便是正弦脉宽调制 SPWM 如图所示 当正弦量较小时 脉冲的占空比也较小 反之 当正弦量为振幅值时 脉冲的占空比也较大 SPWM的显著优点是 由于电动机的绕组具有电感性 因此 尽管电压是由一系列的脉冲构成的 但通入电动机的电流却十分逼近于正弦波 1 4变频器的输出电压与频率 3 正弦脉宽调制的实现 1 单极性调制单极性调制的特点是 三角波是单极性的 图1 24单极性脉宽调制 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 图中 当u1X的振幅值较大时 所得到的脉宽调制波如图 所示 而当u1X的振幅值较小时 所得到的脉宽调制波如图 所示 1 4变频器的输出电压与频率 2 双极性调制 图1 25双极性脉宽调制 要具体地实施 必须实时地求出各相的正弦波与三角波的交点 它们的周期根据用户的需要而随时调整 并且 正弦波的振幅值也随周期而变 只有在微机技术高度发达的条件下 才有可能在极短的时间内实时地计算出正弦波与三角波的所有交点 并使逆变管按各交点所规定的时刻有序地导通和截止 这是近一百年中解决的第二个问题 整流滤波有特点 1 5 1整流与滤波电路 1 滤波电容要均压 图1 27整流及滤波电路 因为电解电容器的电容量有较大的离散性 故电容器组CF1和CF2的电容量常不能完全相等 这将导致它们承受的电压UC1和UC2不相等 承受电压较高的电容器组将容易损坏 为了使UC1和UC2相等 在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2 如图所示 均压原理如下 假设CF1 CF2 则UC1 UC2 这时 CF2上的充电电流IR1必将大于CF1上的充电电流IR2 这样 CF2上的电压UC2有所上升 而CF1上的电压UC1则有所下降 从而缩小了UC1和UC2的差异 使之趋向于平衡 1 5 1整流与滤波电路 2 充电过程要限流 图1 28合上电源时的充电过程a 直接充电b 加入限流电阻 变频器在接入电源之前 滤波电容CF上的直流电压UD 0 因此 当变频器刚接入电源的瞬间 电源进线之间 犹如被短路了一般 使电源电压瞬间下降而形成干扰 与此同时 将有一个很大的冲击电流iC经整流桥流向滤波电容 如图 a 所示 使整流桥可能因此而受到损害 为此 在整流桥和滤波电容器之间 接入一个限流电阻RL 把充电电流iC限制在一个较小的范围内 如图 b 所示 以消除刚接通电源时的冲击 限流电阻RL如果常时间接在电路内 会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小 同时 也增大了电路的损耗 所以 当UD增大到一定程度时 必须把RL短路掉 1 5 1整流与滤波电路 3 直流电源指示为安全 图1 30直流电路的电源指示 如图所示 由于C的容量较大 而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行 所以CF没有快速放电的回路 其放电时间往往长达数分钟 又由于C上的电压较高 如不放完 对人身安全将构成威胁 故在维修变频器时 必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分 所以 HL的作用主要在于保护人身安全 逆变器件旁边为什么要反并联二极管 1 5 2逆变电路 1 逆变电路的结构与输出电压 图1 31逆变电路及其输出电压 1 5 2逆变电路 图1 32R L电路的复习 2 R L电路的复习 1 5 2逆变电路 3 逆变电路的电流路径 1 电动机状态 nM n0 图 33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 5 2逆变电路 2 发电机状态 nM n0 图1 34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 1 5 2逆变电路 图中 每个逆变管旁边 都反并联一个二极管 VD 其作用是 1 为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路 在电动机状态下 电流比电压滞后 1角 电流的瞬间流向如下 在0 t1期间 电流与电压是反方向的 说明是反电动势克服外加电压而作功 这时的电流便是通过反向二极管从电动机流向直流回路的 在t1 t2期间 电流与电压是同方向的 说明是外加电压克服反电动势而作功 这时的电流便是通过IGBT管从直流回路流向电动机的 2 当由于某种原因 电动机转子的实际转速高于同步转速时 反并联二极管的作用是 为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路 在发电机 再生 状态下 电流与电压之间的相位差角超过了 2 从而 通过反向二极管流向直流回路的电流大于通过IGBT管流向电动机的电流 从整体效果上看 电动机是在 发电 3 为电路的寄生电感在逆变管交替导通过程中释放能量提供通路 1 5 2逆变电路 4 逆变桥输出的禁忌 1 主电路的输入 输出不允许接错 图1 35输入 输出不允许接错a 电源接至输出侧b 接错的后果 逆变电路的输出端是绝对不允许和电源相接的 举例说明如图所示 假设在某一瞬间 电源电压为L1 L2 在同一瞬间 恰值V3导通 则电流从L1经VD7 V3至L2 形成短路 V3管将立即损坏 V3和V6是交替导通的 中间只间隔几个微秒 s 所以 V6也随即损坏 又由于双极性调制时 V1 V3 V5工作时间的间隔也只有几个微秒 而L1与L2之间线电压的维持时间为10ms 50Hz时的半个周期 所以 转瞬之间 6个逆变管将损坏殆尽 因此之故 变频器主电路的输入端和输出端之间是绝对不能接错的 1 5 2逆变电路 2 输出侧不能接电容器 图1 36输出侧接电容器的后果 如图所示 如果在逆变电路的输出端接入了电容器 则 当与直流电路 端相接的逆变管 V1 V3 V5 导通时 逆变管将额外地增加了电容器的充电电流 而当与直流电路 端相接的逆变管 V4 V6 V2 导通时 逆变管