1、变变 频频 器器 的的 原原 理理 与与 结结 构构变频器的原理变频器的原理异步电动机的转速异步电动机的转速l异步电动机的转速按照下列公式计算：异步电动机的转速按照下列公式计算：l式中：式中：n1为气隙旋转磁场的转速，称为同步速，单位：转每分。为气隙旋转磁场的转速，称为同步速，单位：转每分。l其中：其中：f为电机供电电源频率，工频频率为为电机供电电源频率，工频频率为50Hz或或60Hzp为气隙旋转磁场的极数为气隙旋转磁场的极数,由电机的结构决定，为由电机的结构决定，为2，4，6，8，l对对50Hz工频，工频，2级，级，4级，级，6级，级，8级电机的同步转速分别为：级电机的同步转速分别为：300
2、0，1500，1000，750转每分转每分l同步转速实际上也是异步电机理想空载的情况下的转速，这时，同步转速实际上也是异步电机理想空载的情况下的转速，这时，转子的转速与定子所产生的旋转磁场转速相同，相对静止，称转子的转速与定子所产生的旋转磁场转速相同，相对静止，称为同步。为同步。转差转差率率l式中的式中的s为转子相对于气隙旋转磁场的转速差与同步速之比，称为转子相对于气隙旋转磁场的转速差与同步速之比，称为为转差率转差率。l通常情况下，通常情况下，转转差率很小，在差率很小，在8以内，所以普通异步电动机的以内，所以普通异步电动机的额定转速总是接近于同步转速，如额定转速总是接近于同步转速，如2910转
3、每分，转每分，1430转每分，转每分，975转每分，转每分，742转每分等等。转每分等等。电机的调速方式电机的调速方式l转差调速转差调速l变极调速变极调速l变频调速变频调速转差转差调速调速l通过改变电通过改变电机转差机转差的方法调节转速称的方法调节转速称为转差为转差调速。调速。l转差转差调速的实现是非常困难的。调速的实现是非常困难的。l对最常见的鼠笼式异步电动机，除了改变供电电压外，无法实对最常见的鼠笼式异步电动机，除了改变供电电压外，无法实现转差现转差调调速。速。l对于绕线转子电机，其转子回路中可以另外串入电阻，通过改变转子的对于绕线转子电机，其转子回路中可以另外串入电阻，通过改变转子的阻值
4、可以改变异步电机的机械特性曲线，具体讲就是改变产生最大转阻值，可以改变异步电机的机械特性曲线，具体讲就是改变产生最大转矩的转速，从而可以对应于负载转矩的转速，即工作点。矩的转速，从而可以对应于负载转矩的转速，即工作点。变极调速变极调速l电机具有多套绕组或一套绕组构成不同的接法，形成不同的极（对）数。电机具有多套绕组或一套绕组构成不同的接法，形成不同的极（对）数。l对应于不同的极数，同步速对应于不同的极数，同步速不同，转不同，转速就速就不同。不同。l优优点：点：不需要外加调速装置，只需接触器切换不同的绕组接法。不需要外加调速装置，只需接触器切换不同的绕组接法。l缺陷：缺陷：只能实现有限的有级调
5、速。只能实现有限的有级调速。调速精度低，反应慢。调速精度低，反应慢。绕组接法复杂，可靠性差。绕组接法复杂，可靠性差。电机效率和功率因数低。电机效率和功率因数低。电机成本高。电机成本高。不能频繁切换。不能频繁切换。变频调速变频调速l最好的方法就是变频调速，也就是改变电源频率，使得同步转速成比最好的方法就是变频调速，也就是改变电源频率，使得同步转速成比例变例变l化化，负载转速就可以与电源频率成正比地变化。这种装置称为变频器，负载转速就可以与电源频率成正比地变化。这种装置称为变频器l变频调速的优点：变频调速的优点：效率高，功率因数高。效率高，功率因数高。数字智能化，易于控制和调节。数字智能化，易于控
6、制和调节。固态硬件，可靠性高。固态硬件，可靠性高。可用于快速频繁起停，正反转等。可用于快速频繁起停，正反转等。动态和静态精度高。动态和静态精度高。容易集成到系统中。容易集成到系统中。起动和运行电流小。起动和运行电流小。适用于廉价可靠的鼠笼式异步电动适用于廉价可靠的鼠笼式异步电动机。机。变频调速目前已经成为异步电机调速的主流，现在已经可以控制同步电机变频调速目前已经成为异步电机调速的主流，现在已经可以控制同步电机等的调速。等的调速。变频器容量的选择变频器容量的选择l一般来说，变频器的额定电流要大于电机的额定电流。一般来说，变频器的额定电流要大于电机的额定电流。l1、同功率电机的额定电流因磁极数而
7、异，磁极数越大，额定电流越大。一、同功率电机的额定电流因磁极数而异，磁极数越大，额定电流越大。一般的变频器的额定电流是参照般的变频器的额定电流是参照4极电机的。极电机的。l2、变频器的额定电流因开关频率而异。开关频率越大，额定电流越小。、变频器的额定电流因开关频率而异。开关频率越大，额定电流越小。变频器的结构变频器的结构l通常变频器的结构为交直交，也就是将单相或三相交流电压整流成通常变频器的结构为交直交，也就是将单相或三相交流电压整流成为直流电压（为直流电压（ACDC)，然后再将直流然后再将直流“逆变逆变”成为所需频率的三相交流成为所需频率的三相交流电压（电压（DCAC)。l变频器最主要的部分
8、是逆变部分，而且有生产厂家单独生产逆变部分，变频器最主要的部分是逆变部分，而且有生产厂家单独生产逆变部分，所以有时又将变频器称为逆变器。所以有时又将变频器称为逆变器。l由于电机和变频器原理的原因，在额定电压以下，在改变输出频率的同由于电机和变频器原理的原因，在额定电压以下，在改变输出频率的同时，也要改变输出电压的有效值，这种形式称为可变电压，可变频率，时，也要改变输出电压的有效值，这种形式称为可变电压，可变频率，故又将变频器称为故又将变频器称为VVVF.变频器的主回路变频器的主回路变频器的主回路变频器的主回路 进线进线l变频器的进线电源可以是三相变频器的进线电源可以是三相380-500V，或三
9、相或三相200240V，也可以是单相也可以是单相200240V；也可以是也可以是690V。l电源电压在电源电压在690V以下称为低压变频器，以下称为低压变频器，1000V以上称为中压以上称为中压或高压变频器。或高压变频器。l进线电源的相序不影响电机的转向。进线电源的相序不影响电机的转向。变频器的主回路变频器的主回路 EMC滤波器滤波器lEMC滤波器用来抑制变频器对周围设备的射频干扰。滤波器用来抑制变频器对周围设备的射频干扰。l在变频器通电时，在变频器通电时，EMC滤波器通过接地电容产生对地电流，尤其是上电瞬间滤波器通过接地电容产生对地电流，尤其是上电瞬间会产生较大的漏电流。会产生较大的漏电流。
10、l变频器一般应用于工业场合，用接地的方式进行安全保护。变频器一般应用于工业场合，用接地的方式进行安全保护。l应用于民用配电场合时，有时无安全接地，而采用漏电开关应用于民用配电场合时，有时无安全接地，而采用漏电开关(RCD)，有时会有时会因此发生因此发生RCD误脱扣，这是正常的。解决的办法是将图中的接地断开。误脱扣，这是正常的。解决的办法是将图中的接地断开。变频器的主回路变频器的主回路 整流桥整流桥l大多数变频器采取三相全波整流，整流器件为功率二极管。大多数变频器采取三相全波整流，整流器件为功率二极管。l三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效
11、值的1.35倍，例如电网电倍，例如电网电压为压为400V，则这时直流母线电压为则这时直流母线电压为540V左右。但随着负载的波动，直流母线左右。但随着负载的波动，直流母线电压也会波动。电压也会波动。l单整流桥获得的电压波形每个周波有六个波头，称为六波头整流或六脉冲整单整流桥获得的电压波形每个周波有六个波头，称为六波头整流或六脉冲整流，这时的进线电流存在流，这时的进线电流存在6m+1/6m-1次谐波，如次谐波，如5，7，11，13，。变频器的主回路变频器的主回路 预充电电阻和预充电接触器预充电电阻和预充电接触器l上电瞬间，整流桥输出端将产生峰值上电瞬间，整流桥输出端将产生峰值1.414U的电压，
12、对储能电容快速充电。的电压，对储能电容快速充电。l为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻。在变频器上电时，整为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻。在变频器上电时，整流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后（如直流母线电压上升到额定电流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后（如直流母线电压上升到额定电压的压的70%）以上后，需要用接触器将该电阻旁路掉。在整个运行过程中，该）以上后，需要用接触器将该电阻旁路掉。在整个运行过程中，该电阻不起作用。电阻不起作用。l该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器。该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器。l
13、如果电网电压不稳定导致瞬间大幅度跌落，会引起预充电回路频繁动作，导如果电网电压不稳定导致瞬间大幅度跌落，会引起预充电回路频繁动作，导致其损坏。致其损坏。变频器的主回路变频器的主回路 储能电容储能电容l变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证。变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证。l该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联。该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联。l当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低；处于发电（制动）当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低；处于发电（制动）过程中，瞬间
14、会升高直流母线电压，若过程中，瞬间会升高直流母线电压，若太高，变太高，变频器则停止输出。频器则停止输出。l有些应用中，为了提高变频器的动态能力，或者在断电瞬间保持变频器斜坡停有些应用中，为了提高变频器的动态能力，或者在断电瞬间保持变频器斜坡停车，需要外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。车，需要外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。制动单元和制动电阻制动单元和制动电阻l制动单元是一个或一组晶体管制动单元是一个或一组晶体管,与制动电阻串联之后与制动电阻串联之后,接在直流母线上接在直流母线上.l当直流母线电压超过某规定电压时当直流母线电压超过某规定电压时,制动晶体管导通制动
15、晶体管导通,直流母线电容和电机向制直流母线电容和电机向制动电阻释放能量动电阻释放能量.使直流母线电压降低使直流母线电压降低,降低到另一规定电压后降低到另一规定电压后,制动晶体管截止制动晶体管截止.所以制动电阻的作用是能耗制动所以制动电阻的作用是能耗制动.l图中图中Tfr为制动晶体管为制动晶体管,PA-PB连接制动电阻连接制动电阻,PA-PB之间的二极管为保护用续流之间的二极管为保护用续流二极管二极管.l当变频器驱动负载需要克服惯性快速减速或停车时当变频器驱动负载需要克服惯性快速减速或停车时,或位能性负载持续下降时或位能性负载持续下降时,需要进行能耗制动需要进行能耗制动.变频器的主回路变频器的主回路 逆变桥逆变桥l逆变桥是变频器的核心部分逆变桥是变频器的核心部分,其作用是将直流电压通过其作用是将直流电压通过6个桥臂可控硅的反复个桥臂可控硅的反复轮流通断形成所需要的幅值和频率变化的三相交流输出电压轮流通断形成所需要的幅值和频率变化的三相交流输出电压.l逆变桥的桥臂的可控硅的类型主要是逆变桥的桥臂的可控硅的类型主要是IGBT绝缘珊双极型晶体管绝缘珊双极型晶体管.l通过逆变桥通过逆变桥,直流电压被斩波成为高频率的脉冲电压直流电压被斩波成为高频率的脉冲电压,由于它是由逆变管反复由于它是由逆变管反复开关形成开关形成,所以其频率称为开关频率所以其频率称为开关频率.
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