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李巖/p>

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變頻器QQ群：62372201原則:輕理論、重基本概念、旨在解決實際問題內容:變頻器的基本原理、參數設置、應用技術、維護修理要求:多提問題:聽課時的問題、工作中遇到的問題第一講 交流調速原理摘要：變頻器進入實用階段，比發明異步電動機晚了近百年。分析其原因?了解影響實施變頻調速的主要問題。得出變頻同時還必須變壓的原理，以及正弦脈寬調制的具體實施方法。關鍵詞：異步電動機變頻器開關器件晶閘管電力晶體管絕緣柵雙極晶體管整流與逆變輸入功率輸出功率電磁功率磁路飽和正弦脈寬調制載波調制波調壓比調頻比

圖1－1異步電動機的構造定子:定子繞組、鐵芯、機座轉子鼠籠式1.結構繞線式:三相轉子繞組可串電阻異步電動機變頻可以調速的原理，是“與生俱來”的。然而，異步電動機發明于1889年，而變頻調速技術進入推廣普及階段，卻是在二十世紀八十年代，人們企盼了將近一個世紀！1．1三相異步電動機1．1．1交流電機結構簡單價低廉三相交流異步電動機的發明在電力拖動史上有著十分重要的意義。因為它的轉子電路不需要和外電路相聯接，轉子繞組由兩側端部互相短接的銅條或鋁條（俗稱鼠籠條）構成，可以自成回路，形狀象個“鼠籠”，故常稱為籠形電動機，如圖1－1所示。在所有電動機中，這種結構在簡單、堅固方面是首屈一指的。這帶來了使用壽命長、易于維修、以及價格低廉等極為突出的優點，使它在整個電力拖動領域獨占鰲頭。在二十世紀八十年代以前，約占工農業生產機械中電動機總量的85％以上。1．1．2生產要求速度調節 隨著各種加工技術的不斷進步，許多生產機械對無級調速的要求也越來越迫切。以50年代龍門刨床刨臺的拖動系統為例，其拖動系統采用Ｇ－Ｍ（發電機－電動機組）圖1－2刨臺的原拖動系統調速系統：圖中，直接拖動刨臺的是直流電動機DM，DM由直流發電機G1提供電源，G1又由交流電動機MA來帶動，MA在帶動G1的同時，還帶動一臺勵磁發電機G2。G2發出的電，一方面為DM和G1提供勵磁電流，同時也為控制電路提供電源。除此以外，為了改善DM的機械特性，還采用了一臺結構復雜、價格昂貴的交磁放大機DMA。可見，為了實現無級調速，簡直已經到了不惜工本的地步。這充分說明了：生產機械對電動機進行無級調速的要求是多么地迫切！圖1－2刨臺的原拖動系統1．1．3交流調速方法

電磁三大關系：帶電導體對外產生磁場。導體在磁場中運動產生感應電動勢。3.帶電導體在磁場中產生電磁力。1.帶電導體對外產生磁場。磁場：電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或變化電場產生的。帶電導體對外產生磁場。安培定則:表示電流和電流激發磁場的磁感線方向間關系的定則，也叫右手螺旋定則。

(1)通電直導線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環繞方向。

(2)通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。電磁感應electromagneticinduction

閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流，這種現象叫電磁感應現象

.右手定則

right-handrule:右手平展，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個平面內。把右手放入磁場中，若磁力線垂直進入手心（當磁感線為直線時，相當于手心面向N極），大拇指指向導線運動方向，則四指所指方向為導線中感應電流的方向(感生電動勢的方向)。電磁學中，右手定則判斷的主要是與力無關的方向。2.導體在磁場中運動產生感應電動勢。電磁力：電荷、電流在電磁場中所受力的總稱。也稱載流導體在磁場中受的力為電磁力。左手定則

left-handrule

：左手平展，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個平面內。把左手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心（手心對準N極，手背對準S極，）四指指向電流方向（既正電荷運動的方向），則大拇指的方向就是導體受力方向。3.帶電導體在磁場中產生電磁力。1．1．4交流電機旋轉原理

三相空間對稱靜止繞組通入三相對稱交變電流：三相繞組通入三相對稱交流電流：1．1．4交流電機旋轉原理

三相交流電流產生的旋轉磁場（P＝1）

1．1．4交流電機旋轉原理

轉子轉動原理示意圖1．1．4交流電機旋轉原理

旋轉磁場的反轉

1．異步電動機的轉速公式三相交流電動機中，一個十分重要的“角色”便是旋轉磁場，它是三個交變磁場合成的結果。這三個交變磁場的特點是：（1）產生磁場的交變電流在時間上互差三分之一周期（T∕3），這由三相交流電源本身的特點所決定；（2）三個磁場的軸線在空間位置上互差2π∕3電角度，這可以通過三相繞組在定子鐵心中的安排來實現。旋轉磁場的轉速稱為同步轉速，由下式決定：

n0＝ （1－1） 式中，n0—同步轉速，r∕min；f—電流的頻率，Hz；p—旋轉磁場的磁極對數。f=50Hz:p:123456n0:3000rpm15001000750600500n:29701450980740590495而異步電動機之所以被冠以“異步”二字，是因為其轉子的轉速n永遠也跟不上旋轉磁場的轉速n0。兩者之差稱為轉差：

Δn＝n0－nM

（1－2）

式中，Δn—轉差，r∕min；

nM—電動機的轉速，r∕min。 轉差與同步轉速之比，稱為轉差率：

s＝＝ （1－3） 式中，s—轉差率。約1～9％。 由式（1－1）和式（1－3），可以推導出：

nM＝（1－s） （1－4）

一．電動機機械特性

1．電機特性

電動機的帶負載能力主要體現在其機械特性上。所謂機械特性，是在某一轉速下，電動機所能產生的電磁轉矩的大小。電動機在沒有人為地改變其參數時的機械特性，稱為自然機械特性。異步電動機的自然機械特性及其能量圖如圖1所示。由圖可知，轉速下降時，由于轉差增大，轉子繞組切割旋轉磁場的速度也增大，轉子電流和電磁轉矩也都隨之增大。自然機械特性的主要特征可由三個點來描述：（1）．理想空載點

電動機輸出軸上的轉矩為0，稱為理想空載。這時，電動機的轉速可以達到同步轉速（旋轉磁場的轉速）n0。所以，理想空載點的坐標是：（0，n0）圖1電動機的自然機械特性（2）．起動點電動機剛接通電源，但轉速仍為0時稱為起動點，這時的轉矩稱為起動轉矩TS，也叫堵轉轉矩。因此，起動點的坐標是：（TS，0）通常，異步電動機的起動轉矩應大于額定轉矩的1.5倍：

TS≥1.5TMN（3）．臨界點異步電動機的機械特性有一個拐點K。在這一點，電動機所能產生的電磁轉矩最大，稱為臨界轉矩，用TK表示，K點稱為臨界點。與此對應的轉速稱為臨界轉速nK，相應地，有臨界轉差ΔnK和臨界轉差率sK。所以，臨界點的坐標是：（TK，nK）臨界轉矩與額定轉矩之比就是異步電動機的過載能力。通常，過載能力應大于2：

TK≥2.0TMN2．人工機械特性

電動機在人為地改變了某個參數后所得到的機械特性，稱為人工機械特性。就異步電動機而言，常見的有：（1）改變定子電壓 異步電動機在改變定子電壓后，其機械特性的特點如圖2a）中之曲線②（曲線①是自然機械特性）所示：

1）臨界轉矩減小為TK’；

2）臨界轉速nK不變。（2）改變轉子回路的電阻 這是繞線轉子異步電動機的調速方法。當轉子回路的電阻增大后，其機械特性的特點如圖2b）中之曲線③所示：

1）臨界轉矩TK不變；

2）臨界轉速下降為nK’。圖2異步電動機的人工機械特性

a）改變定子電壓b）改變轉子電阻sn風機負載CTm0n0UnomU0.7nomU0.5nom恒轉矩負載改變定子電壓調速異步電動機的調速方法:n=(1-s)式（1－4）表明，要改變異步電動機的轉速，有三辦法：a）改變磁極對數b）改變轉差率c）改變頻率smnn0sTe100TeTemaxTemax

三相異步電動機機械特性：2．異步電動機的調速方案（1）改變磁極對數 這可以通過改變定子繞組的接法來實現，如圖1－3a）所示。這種方法的缺點是十分明顯的：一臺電動機最多只能安置兩套繞組，每套繞組最多只能有兩種接法。所以，最多只能得到4種轉速，與無級調速相去甚遠。圖1－3異步電動機的調速方法

a）改變磁極對數b）改變轉差率snTmsm0n0sm1R2R2+RV1R2+RV2R2+RV310繞線型異步電動機改變轉子電阻調速（2）改變轉差率 這種方法適用于繞線轉子異步電動機，通過滑環與電刷改變外接電阻值來進行調速，如圖1－3b）所示。顯然，這是通過改變在外接電阻中消耗能量的多少來調速的，不利于節能。此外，由于增加了滑環與電刷，從而增加了容易發生故障的薄弱環節。snT0n0UnomU0.7nomU0.5nomABC10高轉子電阻電動機在不同電壓下的機械特性特點：理想恒轉矩負載下調速范圍增大,但靜差率太大；在堵轉轉矩下工作也不會燒壞電機；機械特性軟;為了能在恒轉矩負載下擴大調壓調速范圍,需使電機在較低轉速下穩定運行而又不至過熱,因此要求轉子有較高的電阻限流.三相異步電動機起動方法：1.小功率，直接驅動。2.降壓起動：自耦變壓器降壓、星－三角變換降壓。3.定子串電阻起動。4.轉子串電阻起動。5.變頻起動。三相異步電動機制動方法：1.反饋制動。（再生制動、發電反饋制動）2.反接制動。3.能耗制動。異步電動機的制動

異步電機與直流電機的制動一樣，也有再生制動，反接制動和能耗制動三種。1.反饋制動（再生制動、發電反饋制動）異步電動機的制動

1.再生制動突然降低電機定子側供電頻率或增加電動機的極對數,如圖②,電動機可以從電動狀態→發電狀態,將機械功率轉變為電功率回饋電網,電磁功率變負起制動作用.對于位能性負載,當定子三相電源的任意兩根線對調后,電動機機械特性如圖③所示,產生負轉矩起制動作用.nTn0-n0O①③ACn0/2②B2反接制動

為了使電機停轉,可以使定子三相電源中的任意兩根電源線對調使旋轉磁場反向,轉子與旋轉磁場轉向相反,電磁轉矩起制動作用..反接制動時,電動機從電網吸收電能,而又通過機械軸獲取機械能,因此反接制動熱損耗比較大,應在轉子中串接電阻限流.若制動目的是為了停車,則當電動機制動到停止時,應將電動機與電網脫離.Tn0-n0OAC3.直流能耗制動制動時將電動機定子脫離交流電網并通以直流磁場,該磁場與轉子導體作用產生感應電動勢和電流,該電流與原來的電流方向相反,產生一個與轉子相反的制動轉矩,使電機停.1．2變頻器開關器件目前應用得最為廣泛的是交－直－交變頻器，今通過其基本結構，來看看要實現變頻調速需要解決哪些問題。交－直－交變頻器的基本框圖如圖1－4所示，其工作過程是：先將電源的三相（或單相）交流電經整流橋整流成直流電，又經逆變橋把直流電“逆變”成頻率任意可調的三相交流電。其中，變頻的核心部分是“逆變電路”，其構成和原理如下述。1－4交－直－交變頻器的主電路框圖1．2．1變頻器的核心是逆變控制首先從比較簡單的單相逆變橋入手，其構成及工作過程如圖1－5所示。圖中，V1、V2、V3、V4為開關器件，組成單相逆變橋，接至直流電源P（＋）與N（－）之間，電壓為UD；ZL為負載。圖1－5單相逆變橋及其工作過程逆變電路的工作情況如下：（1）前半周期 令V1、V2導通；V3、V4截止。則負載ZL中的電流從a流向b，ZL上得到的電壓是a“＋”、b“－”，設這時的電壓為“＋”。圖1－6三相逆變橋及其工作（2）后半周期 令V1、V2截止；V3、V4導通。則負載ZL中的電流從b流向a，ZL上得到的電壓是a“－”、b“＋”，這時的電壓為“－”。上述兩種狀態如能不斷地反復交替進行，則負載ZL上所得到的便是交變電壓了。這就是由直流電變為交流電的“逆變”過程。三相逆變橋的電路結構如圖1－6所示。其工作過程與單相逆變橋相同，只要注意三相的相位之間互差三分之一周期（T∕3）就可以了。圖1－6三相逆變橋及其工作1．2．2逆變器件的要求

上述逆變過程看似簡單：無非是若干個開關反復地交替導通而已。但問題的關鍵恰恰在于這些開關器件上。因為，這些開關器件必須滿足以下要求：

1．能承受足夠大的電壓和電流 （1）電壓 我國三相低壓電網的線電壓均為380V，經三相全波整流后的平均電壓為:1.35*380=513V，而峰值電壓則為:1.414*380=537V。考慮到在過渡過程中，由于電感及負載動能反饋能量的效應，開關器件的耐壓應在1000V以上。 （2）電流 以中型的150kW的電動機為例，其額定電流為250A，而電流的峰值為353A。考慮到電動機和變頻器都應該具有一定的過載能力，該變頻器開關器件允許承受的電流應大于700A。 上述條件對于有觸點開關器件來說，是早已做到了的。2．允許頻繁地接通和關斷 如上述，逆變過程就是若干個開關器件長時間地反復交替導通和關斷的過程，這是有觸點開關器件所無法承受的。必須依賴于無觸點開關器件，而無觸點開關器件要能承受足夠大的電壓和電流，卻并非易事。可以說，正是這個要求，阻礙了變頻器的出現長達近百年之久。3．接通和關斷的控制必須十分方便 最基本的控制如：頻率的上升和下降、改變頻率的同時還要改變電壓等等。1．2．3電力電子基礎

上面所說的無觸點開關器件，實際上就是半導體開關器件。半導體器件在初期階段只能用于低壓電路中，當半導體器件終于能夠承受高電壓和大電流時，就形成了一門新的學科，即電力電子學。而變頻器和變頻調速技術也應運而生了。1．大功率晶閘管SCR

二十世紀六十年代，大功率晶閘管（SCR）首先亮相，變頻調速也因此而得到了實施，出現了希望。 晶閘管VR在直流電路中的工作情形如圖1－7所示，當門極G與陰極K之間加入正電壓信號UG時，VR導通，如圖a）所示。圖1－7晶閘管在直流電路中

a）門極加正信號b）撤消門極信號c）門極加脈沖信號

當門極與陰極之間撤消UG時，VT將繼續保持導通狀態，如圖b）所示。故晶閘管在直流電路中，一旦導通之后，是不能自行關斷的。 所以，只要在門極與陰極之間加入一個脈沖信號uG，則VR即可保持導通狀態，如圖c）所示，uG稱為觸發脈沖。 由晶閘管構成的逆變橋如圖1－8所示，UD是直流回路的電壓，設平均值為UD＝513V。如上述，晶閘管在直流電路中不具有自行關斷的能力。要想關斷已經導通的晶閘管，必須令晶閘管的陽極和陰極之間的0電壓，或加入反向電壓。圖1－8a）的大致工作情形如下：圖1－8晶閘管逆變電路圖1－8a）的大致工作情形如下： 假設晶閘管VR1已經處于導通狀態，這時，A1點的電位與直流正端（P端）相同，而如果VR3和VR5都處于截止狀態的話，則B1點和C1點都是0電位。如要關斷VR1，必須令VR3或VR5導通，今假設VR3導通。在VR3導通的瞬間，B1點的電位突然上升513V，由于電容器C13兩端的電壓是不能躍變的，故A1點的電位也同時上升513V，使VR1的陰極電位高于陽極電位，從而迫使VR1截止。由于晶閘管逆變橋是由同一側的晶閘管相互關斷的，所以，輸出的電壓波是矩形波，如圖1－8b）所示；而電流波則如圖1－8c）所示。 晶閘管變頻器除了電壓和電流波形不好外，并且因為用于相互關斷的電容器要求電壓較高、容量也較大，故價格昂貴。除此以外，在不同的負載電流下，晶閘管的關斷條件也并不一致，這又影響了其工作的可靠性。 所以，晶閘管雖然使變頻調速成為了可能，實現了近百年來人們對于變頻調速的企盼。但由于缺點較多，故并未達到普及推廣的階段。2．大功率晶體管（GTR）或雙極晶體管（BJT）

二十世紀七十年代，電力晶體管GTR問世，把變頻調速推向了實用階段，于八十年代初開始逐漸推廣。電力晶體管實際上是由兩個或多個晶體管復合而成的復合晶體管（達林頓管）構成，如圖1－9所示。也稱為大功率晶體管（GTR）或雙極晶體管（BJT）。 由于在變頻器內，開關器件主要用于逆變橋，故常把兩個GTR集成到一起，做成雙管模塊如圖b）所示，也有把六個GTR集成到一起，做成六管模塊的。又因為在變頻器中，各逆變管旁邊總要反并聯一個二極管，所以，模塊中的GTR旁邊，都已經把反并聯的二極管也集成進去了。圖1－9電力晶體管的內部電路就基本工作狀態而言，電力晶體管和普通晶體管是一樣的，也有三種狀態：放大狀態、截止狀態和飽和導通狀態。

GTR為電流控制型器件，功率大，飽和導通電壓低，驅動功率也大，開關頻率不夠高。圖1－10

GTR變頻器的主要特點

a）逆變電路b）電壓波形c）電流波形

GTR變頻器的逆變電路如圖1－10a）所示，其主要特點有： （1）輸出電壓 可以采用脈寬調制方式，故輸出電壓為幅值等于直流電壓的強脈沖序列，如圖b）所示。 （2）載波頻率 由于GTR的開通和關斷時間較長，故允許的載波頻率較低，大部分變頻器的上限載波頻率約為1.2～1.5kHz左右。 （3）電流波形 因為載波頻率較低，故電流的高次諧波成分較大，如圖c）所示。這些高次諧波電流將在硅鋼片中形成渦流，并使硅鋼片相互間因產生電磁力而振動，并產生噪音。又因為載波頻率處于人耳對聲音較為敏感的區域，故電動機的電磁噪音較強。（4）輸出轉矩 因為電流中高次諧波的成分較大，故在50Hz時，電動機軸上的輸出轉矩與工頻運行時相比，略有減小。3．絕緣柵雙極型晶體管IGBT

二十世紀八十年代末，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的開發成功，使變頻器在許多方面得到了較大的提高。

IGBT是場效應晶體管（MOSFET）和電力晶體管（GTR）相結合的產物。其主體部分與GTR相同，也有集電極（C）和發射極（E），而控制極的結構卻與MOSFET相同，是絕緣柵結構，也稱為柵極（G）圖1－11

IGBT的基本特點

a）結構特點b）基本電路IGBT其工作特點如下：（1）控制部分 控制信號為電壓信號uGE，柵極與發射極之間的輸入阻抗很大，故信號電流與驅動功率（控制功耗）都很小。（2）主體部分 因為與GTR相同，額定電壓與電流容易做得較大，故在中小容量的變頻器中，IGBT已經完全取代了GTR。 就是說，IGBT是一種以極小的控制功率來控制大功率電路的器件。變頻器所用的IGBT管，通常已經制作成各種模塊，如圖1－12所示。圖a）是雙管模塊，圖b）是六管模塊。圖1－11

IGBT的基本特點圖1－12所示。圖a）是雙管模塊，圖b）是六管模塊。 以IGBT為逆變器件的逆變電路如圖1－13a）所示。其主要特點如下： （a）載波頻率高：大多數變頻器的載波頻率可在（3～15）kHz的范圍內任意可調，其電壓波形如圖b）所示。 （b）電流波形大為改善：載波頻率高的結果是電流的諧波成分減小，電流波形十分接近于正弦波，如圖c）所示，故電磁噪聲減小，而電動機的轉矩則增大。（c）功耗減小：由于IGBT的驅動電路取用電流極小，幾乎不消耗功率。（3）瞬間停電可以不停機：這是因為，IGBT的柵極電流極小，停電后，柵極控制電壓衰減較慢，IGBT管不會立即進入放大狀態。故在瞬間停電或變頻器因誤動作而跳閘后，允許自動重合閘，而可以不必跳閘，從而增強了對常見故障的自處理能力。圖1－13

IGBT變頻器的主要特點

a）逆變電路b）電壓波形c）電流波形ＩＧＢＴ驅動電路的要求1.驅動信號波形一定要陡峭，有一定的功率。因為有極間分布電容存在，上下橋臂不允許同時導通。2.驅動的輸入電路要采取隔離措施。3.導通驅動信號為：+15~+20VDC過高會損壞IGBT；過低不能保證IGBT飽和導通；4.關斷驅動信號為：-5~-10VDC保證可靠關斷，且提高抗干擾能力。5.六路驅動電路，需要四路獨立電源：三個下橋臂可共用一路電源，三個上橋臂需用三路獨立電源，2.逆變管的驅動（1）IGBT對驅動信號的要求 從截止轉為導通時，應適當提高柵極電壓uG1的上升率，以縮短開通時間；從導通轉為截止時，應適當加入負偏壓uG2，以加快關斷過程。（2）驅動模塊舉例 驅動電路基本上都已經模塊化。今以EXB850模塊為例，其內部電路及管腳安排如圖16a）所示，外接電路如圖b）所示。其工作過程如下：當晶體管V3的基極得到驅動信號時，V3導通，管腳⒂與⒁之間的光耦合管導通，放大器AMP的輸出為“＋”，晶體管V1導通，控制電源的“＋”極從管腳⑵進入，經V1、管腳⑶接至IGBT的柵極。同時，IGBT的發射極經管腳⑴、穩壓管VS、管腳⑼接至控制電源的“0V”端。IGBT因G、E間得到正電壓而導通。這時，電容器C2上的充電電壓是上“＋”下“－”，電壓大小取決于穩壓管VS。圖16

IGBT的驅動電路

a）管腳圖b）驅動電路當驅動信號撤消后，V3截止，管腳⒂與⒁之間的光耦合管也截止，AMP的輸出為“－”，V1截止，而V2導通。這時，IGBT的柵極G經管腳⑶、V2、管腳⑼與電源的“0V”相接，而發射極E則與電容器C2的正端相接，IGBT的G、E間得到負偏壓，IGBT迅速截止。可以說，ＩＧＢＴ為變頻調速的迅速普及和進一步提高奠定了基礎。結論 期待百年的最根本的關鍵是：直到二十世紀八十年代，才出現了符合要求的開關器件。IPM智能功率模塊是先進的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優化的門極驅動以及保護電路構成。由于采用了能連續監測功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片，從而可實現高效的過流保護和短路保護。由于IPM智能功率模塊集成了過熱和欠壓鎖定保護電路，因而系統的可靠性得到了進一步提高。IPM智能功率模塊的性能特點使用智能功率模塊可以使生產廠家降低在設計、開發和制造上的成本。與普通的IGBT相比，在系統性能和可靠性上有進一步的提高。由于IPM集成了驅動和保護電路，使得用戶的產品設計變得相對容易，并能縮短開發周期；由于IPM通態損耗和開關損耗都比較低，使得散熱器減小，因而系統尺寸也減小；所有的IPM均采用同樣的標準化與邏輯電平控制電路相聯的柵極控制接口，在產品系列擴充時無需另行設計電路。IPM在故障情況下的自保護能力，也減少了器件在開發和使用中過載情況下的損壞機會。IPM有精良的內置保護電路以避免因系統失靈或過應力而使功率器件損壞的情況。內置保護功能的框圖如圖3所示。如果IPM模塊其中有保護電路動作，IGBT柵極驅動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號（FO）。

控制