变频器的基本组成和原理课程课件

变频器基本组成和原理11.异步电动机调速方法——什么是变频调速2ASMACACASM400V50Hz400v50Hz14501/min0…V.mains0…f.mains…f.max400v50Hz14501/min同步转速转速f---频率p---极对数s----滑差(1-s)感应电机工作原理（公频电源/变频器）SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-1

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=60pf—01.异步电动机调速方法——什么是变频调速31.异步电动机调速方法41.异步电动机调速方法51.异步电动机调速方法61/8的逆变器额定电流<电机额定电流电机变频器结构框图SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-22.变频器的总体结构在中、小容量变频器中应用得最广泛的是“交－直－交”电压型变频器72.变频器的总体结构82.变频器的总体结构9状态切换

特殊状态晶闸管号(×=导通)电机电势合成电势逆变器工作原理SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-183.逆变器的工作原理10状态切换状态切换全导通状态逆变变器输出电压SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-193.逆变器的工作原原理11例如基波5次谐波逆变器输出电压压/基波与谐波波含量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-203.逆变器器的工工作原原理12调节逆逆变器器输出出电压压rms值SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-213.逆变器器的工工作原原理13低脉冲冲频率率高脉冲冲频率率电机电电流/脉冲冲频率率的影影响SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-223.逆变器器的工工作原原理14波形跟跟踪示示例/变频频器输输出电电压，，电流流SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-233.逆变器器的工工作原原理15阻性负负载逆逆变器器电流流感性负负载逆逆变器器电流流晶闸管管1““导通通”晶晶闸管管4““导通通”晶闸管管1““导通通”晶晶闸管管1““导通通”晶闸管管1““导通通”晶晶闸管管4““导通通”逆变器器中续续流二二极管管的作作用SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-243.逆变器器的工工作原原理16边缘触触发调调制修正的的空间间矢量调调制空间矢矢量调调制边缘触触发调调制最大调调制深深度=96%当电源源电压压为400V时，V.rms.1.max=401V空间矢矢量调调制当电源源电压压为400V时，计计算示示例：：※切换到到修正正的空空间矢矢量调调制取取决于于设定定的脉脉冲频频率(在功功能图图中;f.p=2.5KHz)调制深深度调制方方式，，调制制深度度与输输出电电压SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-253.逆变器器的工工作原原理17波形跟跟踪示示例/空间间矢量量调制制,边边缘触触发调调制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-263.逆变器器的工工作原原理18Rms值：Z.rms=75%Rms值：Z.rms=25%指针位位置：：15度指针位置：：30度指针位置：：30度异步空间矢矢量调制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-273.逆变器的工工作原理19恒定频宽可变频宽瞬时值控制制/脉宽调调制SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-283.逆变器的工工作原理204.变频器内部部的主电路路滤波及限流流电路214.变频器内部部的主电路路22阻性负载逆逆变器电流流感性负载逆逆变器电流流晶闸管1““导通”晶晶闸管管4“导通通”晶闸管1““导通”晶晶闸管管1“导通通”晶闸管1““导通”晶晶闸管管4“导通通”逆变器中续续流二极管管的作用SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-244.变频器内部部的主电路路234.变频器内部部的主电路路能耗电路由由制动电阻阻RB和制动单元元Bv构成244.变频器内部部的主电路路25CONV变频器INV逆变器R整流器P制动电阻（直流母线线）变频器配置置/用制动动单元实现现四象限运运行SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-54.变频器内部部的主电路路266脉动整流流结构框图图/谐波分分量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-75.主电路前端端的改进改进目标：：提高电路路的功率因因数，减少少谐波含量量276脉动整流桥桥12脉动整流桥桥12脉动整整流桥结构构框图/谐谐波分量SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-85.主电路的改改进28AFE（有功前端））整流器结结构框图/运行原理理SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-95.主电路的改改进改进目标：：提高电路路的功率因因数，实现现能量回馈馈29COSΦ控制原理SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-105.主电路的改改进30直流母线电电压不可调调V.DC=100%(100%=1.35V.phase-to-phase.mains)cosφ=触发角α的函数方波电流直流母线电电压可调（（可控）100%<V.DC<200%(100%=1.35V.phase-to-phase.mains)-0.8<cosφ<+0.8正弦电流在回馈方式式与电源断断电的情况况下不会出出现逆变颠颠覆用整流/回回馈单元实实现四象限限运行SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-65.主电路的改改进目标：实现现能量回馈馈315.主电路的改改进近年来，有有些公司推推出了三电电平低压变变频器，在在改善电流流放形、减减少对外界界的干扰方方面*都取得得了较好的的效果。32335.主电路的改改进346.变频器内部部的控制框框图主控电路的的任务：对对内控制电电能变换，，对外接受受控制信号号并输出状状态356.变频器内部部的控制框框图面板控制器器：操作面板板由显示器器和键盘输输入器构成成，不同品品牌变频器器的操作面面扳各不相相同。1.数据显示屏屏(1)任功能预置置时显示功功能码和数数据码(2)在运行过程程中用于显显示各种数数据：电流、电压、、转速等；；(3)在发生故障障时，显示故障原原因的代码码。2.键盘输入器器(1)在进行功能能预置时输输入各功能能的预置数数据(2)在进行面板板操作时，，输人各项项操作指令令.366.变频器内部部的控制框框图外接给定与与输入控制制端376.变频器内部部的控制框框图外接输出控控制端38隔离开关熔断器主接触器HF-滤波器（A1,B1)进线电抗器器变频器运动控制矢量控制输出电抗器器不允许电机(1)(1)<四个输出电电抗器；铁铁心或铁氧氧体取决于脉冲冲频率(2)(2)dv/dt-滤波器，可可以和电抗抗器结合使用正弦滤滤波器，不不带输出电电抗器(3)(3)输出接触器器或隔离开开关电机推荐的电路路配置/输输入-输出出电路SIMOVERTMASTERDRIVESSiemensAutomationandDrivesTrainingCenterinChina2-117.变频器的外外围电路配配置39T—配电变压压器电源变压压器总容容量要比比总负载载大，当当使用多多个变频频器或少少量地使使用交流流电抗器器和直流流电抗器器时，因因变频器器整流及及电容性性负载的的影响，，会造成成电网波波型的严严重畸变变和变压压器过热热。因此此，变压压器容量量更要增增大。40QF—断路器，，用于安安全跳闸闸断开电电网；断路器(QF)的后面可可以接一一台或多多台变频频器及其其它负载载，当变变频器或或其它负负载因过过电流故故障时，，可自动动切断电电源供电电，防止止事故扩扩大。当当电网掉掉电时防防止再来来电自动动接通的的不安全全，以及及在维修修时安全全切断电电源，断断路器可可以使用用普通空空气开关关或高灵灵敏切断断的断路路器，视视需要而而定，选用时总总通过电电流应大大于负载载总电流流1.5倍以上。。41KM—接触器，，用于日日常操作作通断和和电网掉掉电再来来电时变变频器不不发生自自启动；接触器(KM)用于所控控变频器器日常操操作通断断，和电电网掉电电再来电电时防止止变频器器自动启启动，选选用时额定电流流也要大大于变频频器输出出电流1.5倍以上。。42FIL1—进线侧无无线电干干扰抑制制电抗器器，用于于减少变变频器对对外界的的无线电电干扰；；无线电干干扰抑制制电抗器器(FIL1、FIL2)因为变频频器输出出的是PWM(脉宽调制制)波，包含含了大量量的高次次谐波，，谐波高高频分量量处于射射频范围围，变频频器通过过电源线线和输出出线向外外发射无无线电干干扰。又又由于变变频器接接在电网网上，电电网上各各种干扰扰和瞬变变浪涌也也可干扰扰到变频频器的控控制回路路敏感部部分发生生误动作作，因此此设置了了无线电电干扰抑抑制电抗抗器。它它是使用用三根进进线(对单相是是两根进进线)，同方向向在铁心心或铁氧氧磁芯上上绕制的的电感，，因三相相三根线线的正弦弦交流电电瞬时值值之和为为零(单相正弦弦交流电电两进线线电流瞬瞬时值也也为零)，因此对对正常供供电，该该电抗器器不起作作用，而而对于共共模电压压(即在进线线上出现现的、瞬瞬时值不不能被抵抵消的干干扰电压压)该电抗器器起到阻阻挡作用用，抑制制了共模模干扰，，起到良良好的抑抑制无线线电干扰扰使用。。抑制的的频段一一般在10MHz以下，因因此电感感量不必必大，通通常控制制在2~33mH左右，是是在一个个闭合磁磁路上穿穿过或绕绕上几匝匝导线而而制成。。对小容容量变频频器因电电流较小小，它是是在同一一磁芯上上，三相相线同方方向绕几几匝。对对大容量量变频器器，因电电流大、、导线不不好弯，，则用多多个磁芯芯，让三三根导线线同时穿穿过磁芯芯中孔而而构成电电抗器。。431ACL—电源侧交交流电抗抗器，用用于改善善输入电电流波形形、提高高整流器器和电解解滤波电电容寿命命、减少少不良输输入电流流波形对对外界电电网的干干扰、协协调同一一电源网网上有晶晶闸管等等变换器器造成的的波形影影响、减减少功率率切换和和三相不不平衡的的影响，，因此也也叫电源源协调电电抗器，，在要求求高的场场合该电电抗器便便进一步步改为较较复杂的的电力质质量滤波波单元；；电压型通通用变频频器电网网电压交交流转变变为直流流经整流流后都经经电容滤滤波，电电容器的的使用使使输入电电流呈尖尖峰脉冲冲状，当当电网阻阻抗小时时，这种种尖峰脉脉冲电流流极大，，造成很很大的谐谐波干扰扰，并使使变频器器整流桥桥和电容容器容易易损坏。。当变压压器容量量大于变变频器容容量10倍以上，，电网配配电变压压器和输输电线的的内阻不不能阻止止尖峰脉脉冲电流流时，当当同一电电源上有有晶闸管管设备或或开关方方式控制制功率因因数补偿偿装置时时，三相相电源不不平衡度度大于3%时，都要要对输入入侧功率率因数作作提高和和抑制干干扰，都都需使用用电源侧侧交流电电抗器。。一般而而言，电电压源逆逆变器、、电源侧侧交流电电抗器的的电感量量，采用用3%阻抗即可可防止突突变电压压造成接接触器跳跳闸，使使总谐波波电流畸畸变下降降到原先先的44%左右。实实际使用用中为了了节省费费用，常常采用2%阻抗的电电感量，，但这对对环保而而言是不不好的。。比较好好的场合合应使用用4%阻抗或更更大的电电抗器。。一般常常选2~4%的压降阻阻抗，这这个百分分数是对对相电压压而言，，对于使使用者，，需考虑虑电感值值和电流流值两方方面，电电流值一一定要大大于等于于额定值值，电感感值略有有大小问问题不大大，偏大大有利于于减少谐谐波，但但电压降降落会超超过3%，使用者者还要考考虑电源源内部阻阻抗，电电源变压压器功率率大于10倍变频器器功率，，而且线线路很短短的场合合，电源源内阻小小，不仅仅需要使使用输入入侧交流流电抗器器，而且且要选择择较大的的电感值值，例如如选用4～5%阻抗的电电感量。。44DCL——直流电抗抗器，用用于改善善电容滤滤波(当前电压压型变频频调速器器主要滤滤波方式式是电容容滤波)造成的输输入电流流波形畸畸变和改改善功率率因数、、减少和和防止因因冲击电电流造成成整流桥桥损坏和和电容过过热，当当电源变变压器和和输电线线综合内内阻小时时(变压器容容量大于于电机容容量10倍以时)、电网瞬瞬变频繁繁时都需需要使通通用变频频器用直直流电抗抗器。直流电抗抗器接在在滤波电电容前，，它阻止止进入电电容的整整流后冲冲击电流流的幅值值，并改改善功率率因数、、降低母母线交流流脉动。。直流电电抗器在在变频器器功率大大于22kW时建议都都要采用用，当变变频器功功率越大大，越应应该使用用，因为为没有直直流电抗抗器时，，变频器器的电容容滤波会会造成电电流波形形严重畸畸变和进进而使电电网电压压波形严严重畸变变，而且且非常有有害于变变频器的的整流桥桥和滤波波电容寿寿命。直直流电抗抗器的电电感值的的选择一一般为同同样变频频器输入入侧交流流电抗器器3%阻抗电感感量的2~3倍，最少少要1.7倍，452ACL—输出侧交交流电抗抗器，变变频器输输出是脉脉冲宽度度调制的的电压波波(PWM波)它是前后后沿很陡陡的一联联串脉冲冲方波，，存在丰丰富的谐谐波，这这些谐波波有害于于电机和和负载的的寿命(典型的是是电机绕绕阻匝间间瞬变电电压dv/dt过高，造造成匝间间击穿)，以及对对周围电电器干扰扰；当负负载端电电容分量量大时，，造成变变频器的的开关器器件流过过大的冲冲击电流流，会损损坏开关关器件。。使用输输出侧交交流电抗抗器可进进行平滑滑滤波，，减少瞬瞬变电压压dv/dt的影响，，并求得得以下的的改善：：1、降低了了电机的的噪音；；2、降低了了输出高高次谐波波造成的的漏电流流；3、减少了了干扰；；4、保护了了变频器器内部的的功率开开关器件件。5、延长了了电机的的绝缘寿寿命。46变频器的的输出是是经PWM调制的电电压波，，由于电电动机绕绕组的电电感性质质能使电电流连续续，因此此电流基基本上是是正弦形形的，脉脉冲宽度度调制(PWM)有着陡峭峭的电压压上升和和下降的的前后沿沿，即dv/dt很大，使使得输出出引线向向外界发发射含量量极大的的电磁干干扰，并并且在引引出线对对地、电电机绕组组匝间、、绕组对对地间都都产生很很大的脉脉冲电流流，为了了减轻变变频器输输出dv/dt对外界的干扰扰，降低输出出波形畸变，，达到环保标标准，减少对对电机绕组的的电压冲击造造成绝缘损坏坏，降低电机机的温升和噪噪音，避免在在变频器输出出功率管上因因dv/dt和流过过大的的脉冲冲击电电流使功率管管损坏，以及及降低负载短短路造成对变变频器的损伤伤，有必要在在变频器输端端增设交流电电抗器。值得指出的是是脉冲电压通通过长的输电电线时，由于于长线上波的的反射叠加使使得在长线(即变频器输出出导线)超过临界长度度后，电压有有可能达到直直流母线(变频器内直流流母线)电压的2倍。因此变频频器输出线长长度受到了限限制，为解除除这种限制，，必须接入输输出侧交流电电抗器。接入入后，送到电电机等负载上上的波形就接接近正弦电压压波形了。但实际使用中中，只要负载载是电感性的的，电抗器可可采用1%阻抗或更低一一些都是可行行的，这是因因为，PWM调制频率远高高于基波频率率，已经相当当于>(40-100)次谐波的范围围，因此，输输出侧交流电电抗器电感量量：输出侧交交流电抗器的的电感接法有有一定讲究，，绕制在磁芯芯上的导线头头尾的位置关关系到电感向向外发射干扰扰能量的大小小程度。在有有变压器插入入于变频器与与负载之间的的使用条件下下，变压器输输入绕组的漏漏抗和变压器器损耗大大削削弱了调制波波，起到了输输出侧电抗器器的作用，因因此有利于输输出到负载电电机的波形滤滤波平滑，此此时往往有了了输出侧变压压器就可以省省略输出侧交交流电抗器。。47FIL2—输出侧无线电电干扰抑制电电抗器，对输输出布线距离离>20m时尤其需安装装；48JR—热过载继电器器，用于防止止长时间过电电流造成电机机损坏。热过载继电器器用来防止电电机过热，但但这种保护并并不可靠。对对重要场合应应实际检测电电机温度，埋埋设温度检测测元件到电机机槽内或绕组组附近。当变变频器使用普普通电机时，，因PWM波导致电机铁铁耗、铜耗和和绝缘介质损损耗的增加，，温升会比通通常应用时加加大，因此热热过载继电器器的温度整定定值应按电机机绝缘等级选选择。49电动机如果低速时负负载转矩比额额定转矩大，，则要加大电电机功率和变变频器功率才才能应付低速速运行。如当当电机长期在在低速运行时时，因普通电电机的风扇在在电机轴上，，风扇已不能能有效散热，，电机会严重重发热。因此此，要加大电电机功率或让让电机使用外外部风扇冷却却。一般电机在使使用变频器时时，因变频器器PWM波有很高的脉脉冲前后沿，，dv/dt很大，绕阻匝匝间和对地绝绝缘很易损坏坏，这已成为为变频器使用用中一个问题题。因此，应应选用绝缘质质量优良的电电机产品。当当高速运行时时要注意电机机在高速离心心力下是否