变频器原理与维修

变频器原理与应用SINAMICSGSINAMICSS变频器原理与应用绪论主要内容：变频器的概念和用途变频器的发展历程变频器的应用现状和发展趋势课程内容及学习要求变频器原理与应用变频器的概念变频器的用途三相交流电网3AC,400V,50Hz开关或接触器变频器异步电动机转速可调0～50Hz可调1.变频器的概念和用途变频器原理与应用直流调速系统的优缺点2.变频器的发展历程交流调速系统的优缺点变频器的诞生变频器的发展与成熟变频器原理与应用起步较晚已进入“黄金时期”国外品牌国内品牌变频调速的效果市场空间3.我国变频器的应用现状变频器原理与应用向专用型方向发展向人性化方向发展易用性不断提高4.变频器的发展趋势功率结构模块化智能化（信息化）优化电网接口变频器原理与应用总结重点：变频器的概念和用途。难点：变频器的发展趋势。绪论变频器的概念和用途变频器的发展历程、应用现状和发展趋势变频器原理与应用第1章基础知识主要内容：§1.1三相异步电动机§1.2三相异步电动机的起动和制动§1.3电力电子器件简介§1.4脉冲宽度调制（PWM）原理§1.5变频器的组成和分类变频器原理与应用§1.1三相异步电动机本节主要内容：三相异步电动机结构及工作原理三相异步电动机的电磁特性三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的调速方式变频器原理与应用1.三相异步电动机结构及工作原理三相感应电动机定子气隙转子机座端盖转子铁心轴转子绕组定子铁心定子绕组鼠笼型绕线型变频器原理与应用机座端盖风扇接线盒定子绕组鼠笼转子端环散热筋轴轴承图1.1三相感应电机的结构图变频器原理与应用图1.2三相感应电机的结构图变频器原理与应用变频器原理与应用鼠笼型转子变频器原理与应用绕线式转子变频器原理与应用ABC~CBAit1AZBXCYNS234NS56NSNSNSe2,i2ffT,nn1三相感应式电动机的工作模型规定电流从首端流入、末端流出时为正。123456变频器原理与应用旋转磁场旋转磁场的转速（同步速）电网频率电机的极对数pfn1160变频器原理与应用转差定义为：即转子与旋转磁场之间存在相对运动，是感应电动机稳定运行的必要条件。转差率定义为：其大小反映了电机的转速，即01nnn11/nnnS11nSn转差率变频器原理与应用E1=4.44K1N1ƒ1Φm=U1+△U※E1∝ƒ1Φm将△U忽略，则E1≈U1∝ƒ1Φm2.三相异步电动机的电磁特性感应电动势E1U1/ƒ1=常数变频器原理与应用机械特性的参数表达式2'122'2'211123/2epUrsTrfrxxs其中：p为电机极对数；U1为相电压有效值r1为定子每相绕组的内阻x1为每相漏阻抗r2’为折算到定子侧的每相电阻x2’为折算到定子侧的漏电阻电机参数一定，且U1，f1不变时，T仅与S有关。机械特性曲线)(nfT)(SfT3.三相异步电动机的机械特性11/nnnS变频器原理与应用D:理想空载点(同步点)C:额定运行点B:最大转矩点(拐点）A:起动点mmTTSS,临界转差率最大转矩QTTSn,1,0起动转矩理想空载点额定运行点最大转矩点起动点机械特性中四个关键点nT0图1.3感应电机的机械特性变频器原理与应用异步电动机的调速原理)1(60)1(11SpfnSn变频(他控式、自控式）变极调压串电阻串级电磁转差离合器耗能型有级调速设备费用高4.三相异步电动机的调速方式变频器原理与应用异步电动机的变极调速2p=4A1X1X2A2AXNSNSA1A2X1X2AXA1A2X1X2AXA1A2X1X2AXA1X1X2A2AXNS2p=2变频器原理与应用调速原理fpfn601连续可调1n、连续可调n主要设备—变频器V1V3V5V4V6V2~2dcU2dcUM逆变可调fUabc,整流dcU异步电动机的变频调速图1.4变频器的结构变频器原理与应用变频调速时的机械特性),(11constfUffN同步点最大转矩点：起动点：11fn2111)(,1fUTfSmm不变11211312111)(fffUfUTQ最大转矩对应的转速降：ppffnSnmm1601111mn不变Nff1U保持不变m弱磁调速QmTTnT0SNfmn'mn'1n'1f''1n''1fNff'''1'''mnZT12图1.5变频调速时的机械特性•ffn:恒转矩调速；•ffn:恒功率调速；变频器原理与应用调压调速nT0mT1nmS'1U''1UNUUU'1''1ZT123cba2knTZ1n1U21UTmmS不变21UTQ不变n异步电动机的改变转差率调速图1.6变转差率调速时的机械特性变频器原理与应用RmTmS不变QT1n不变nnT0mTmS1nQT'2r''2Rr'QT'mS1ZT2'ZT轻载调速范围不大调速前：1，S1调速后：2，S2绕线式感应电动机转子串电阻调速（串级调速）图1.7串电阻调速时的机械特性变频器原理与应用变极调速变转差率调速变频调速异步电动机的三种调速方式的比较变频器原理与应用§1.2三相异步电动机的起动和制动本节主要内容：三相异步电动机的起动方法三相异步电动机的制动方法变频器原理与应用1.三相异步电动机的起动方法要求:•有不太大的起动电流•足够大的起动转矩•动态转矩△T很小起动方法:•直接起动•降压起动•低频起动变频器原理与应用图1.8低频启动时的机械特性变频器原理与应用2.异步电动机的制动方法电动机的制动状态：指电磁转矩T与转子转速n方向相反的状态。制动方式:•直流制动：•回馈制动•反接制动变频器原理与应用直流制动•制动原理•制动过程图1.8直流制动原理图1.9直流制动机械特性变频器原理与应用回馈制动•制动原理•回馈制动的条件：nn1图1.10回馈制动机械特性变频器原理与应用小结重点：三相异步电动机的启动和制动方式难点：各种启动和制动方式的工作原理1.2三相异步电动机的起动和制动三相异步电动机的起动方式三相异步电动机的制动方式直接起动降压起动低频起动直流制动回馈制动反接制动变频器原理与应用§1.3电力电子器件简介本节主要内容：常用电力电子器件的基本特性。电力电子器件是变频技术发展的基础。在定性分析变频电路时，可将电力电子器件作为理想开关来对待。图1.11理想伏安特性变频器原理与应用1.功率二极管（DIODE）电气符号伏安特性IOIFUTOUFU特性单向导电性正向导通反向截至变频器原理与应用2.晶闸管（SCR）电气符号伏安特性内部结构变频器原理与应用开通条件•阳极和阴极间承受正向电压时，在门极和阴极间也加正向电压。•当阳极电流上升到擎住电流后，门极电压信号即失去作用，若撤去门极信号，晶闸管可继续导通；（擎住电流是使晶闸管由关断到导通的最小电流）关断条件•使晶闸管阳极电流IA小于维持电流IH（维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流）变频器原理与应用电气符号内部结构：GTO是一种多元功率集成器件，它是由十几个甚至数百个共阳极的小GTO元组成。伏安特性：与SCR的特性相似。导通与关断条件：导通条件与SCR相同，但关断时门极需要负脉冲。缺点•驱动功率大，驱动电路复杂；•工作频率不够高，一般在10KHz以下。优点•电压、电流容量较大，可达到6000V、6000A。•多应用于大功率高压变频器。3.门极可关断晶闸管（GTO）变频器原理与应用电气符号工作状态：GTR作为开关器件，应在截止（关）和饱和（开）两种状态之间交替。缺点•GTR耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。•目前GTR的应用一般被IGBT所替代。内部结构：与普通的双极结型晶体管类似。4.电力晶体管（GTR）伏安特性变频器原理与应用电气符号伏安特性转移特性导通条件：•uDS加正压，且•uGS﹥UGS(th))(开启电压)优点：驱动功率小，开关速度快缺点：电流容量小，耐压低5.电力场效应晶体管（MOSFET）变频器原理与应用电气符号等效电路输出特性导通条件：•uCE加正压，且•uGE﹥UGE(th))(开启电压)优点：•驱动功率小•开关速度快•电流容量大，耐压高6.绝缘栅双极晶体管（IGBT）变频器原理与应用IGCT是GTO的派生器件，其基本结构在GTO的基础进行了改进，如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的门极驱动电路等等。使IGCT不仅具有与GTO相当的容量，而且具有优良的开通和关断能力。目前，4000A、4500V及5500V的IGCT已研制成功。在大容量变频电路中，IGCT被广泛应用。7.集成门极换流晶闸管（IGCT）变频器原理与应用IPM是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一种。优点：高度集成化、结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系列技术难题。适合逆变器高频化发展方向的需要。目前，IPM一般以IGBT为基本功率开关元件，构成单相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。8.智能功率模块（IPM）变频器原理与应用重点：常用电力电子器件的基本特性难点：复合器件的特点1.3电力电子器件简介常用电力电子器件的基本特性不控器件：DIODE半控器件：SCR，全控器件：GTO，GTR,P.MOSFET复合器件：IGBT，IGCT功率集成电路：IPM小结变频器原理与应用§1.4脉冲宽度调制（PWM）原理电能变换的类型图1.2电力变换类型图1.12电能变换的类型变频器原理与应用AC/DC变换器图1.13整流电路变频器原理与应用DC/DC变换器图1.14直流斩波电路变频器原理与应用DC/AC变换器图1.15单相逆变电路变频器原理与应用AC/AC变换器图1.17交交变频器图1.16单相交流调压器变频器原理与应用本节主要内容：PWM的基本原理，调制方法SPWM逆变电路脉冲宽度调制（缩写为PWM）技术按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行调制，来得到所需要的等效波形。（交直交）变频器的结构图1.18交直交变频器变频器原理与应用理论基础:面积等效原理1.PWM技术的基本原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图1.19形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)变频器原理与应用图1.21冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）e(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)－输出电流，是电路的响应。图1.20惯性环节的电路变频器原理与应用OuωtSPWM波Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OuωtOuωt•SPWM波的特点：脉冲的宽度与正弦波的大小成正比。N值越高（即脉冲频率越高），SPWM越接近正弦波正弦脉宽调制（SPWM）将一个正弦波电压分为N等份把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替等效变频器原理与应用OwtUd-Ud•对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud•根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。变频器原理与应用调制方法:利用载波和调制波相比较的方式来确定SPWM波的脉宽和间隔。•调制波ur:所希望生成的正弦波•载波uc：等腰三角波或锯齿波2.单相SPWM逆变电路图1.22单相桥式SPWM逆变电路控制方式：按照调制脉冲的极性关系,SPWM逆变电路的控制方式分：•单极性控制•双极性控制变频器原理与应用单极性控制:任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期SPWM波单方向变化•ur＞uc时