变频器基本组成和原理

1.异步电动机调速方法——什么是变频调速

SIMOVERTMASTERDRIVES 1.异步电动机调速方法——什么是变频调速 SIMOVERTMASTERDRIVES 感应电机工作原理（公频电源/变频器） AC AC 0…V.mains 0…f.mains…f.max 400V 50Hz ASM ASM 400v 50Hz 1450 1/min 400v 50Hz 1450 1/min f f--- 频率 p--- 极对数 s---- 滑差 同步转速 n =60 — p f 转速 n =60 — (1-s) p Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-1

1.异步电动机调速方法

1.异步电动机调速方法

1.异步电动机调速方法

SIMOVERTMASTERDRIVES 2.变频器的总体结构 SIMOVERTMASTERDRIVES 变频器结构框图 电机 1/8的逆变器额定电流 < 电机额定电流 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 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-2

2.变频器的总体结构

2.变频器的总体结构

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 逆变器工作原理 合成电势 状态 切换 晶闸管号(×=导通) 电机电势 特殊 状态 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-18

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 全导通状态逆变器输出电压 状态切换 状态切换 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-19

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 逆变器输出电压/基波与谐波含量 例如 基波 5次谐波 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-20

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 调节逆变器输出电压rms值 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-21

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 电机电流/脉冲频率的影响 低脉冲频率 高脉冲频率 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-22

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 波形跟踪示例/变频器输出电压，电流 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-23

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 逆变器中续流二极管的作用 晶闸管1“导通” 晶闸管4“导通” 阻性负载逆变器电流 晶闸管1“导通” 晶闸管4“导通” 晶闸管1“导通” 晶闸管1“导通” 感性负载逆变器电流 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-24

※切换到修正的空间矢量调制取决于设定的脉冲频率 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 调制方式，调制深度与输出电压 调制深度 边缘触发调制 最大调制深度 = 96% 当电源电压为 400V时， V.rms.1.max = 401V 边缘触发调制 空间矢量调制 当电源电压为400V时，计算示例： 修正的空间 矢量调制 空间矢量调制 ※切换到修正的空间矢量调制取决于设定的脉冲频率 (在功能图中; f.p = 2.5KHz) Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-25

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 波形跟踪示例/空间矢量调制,边缘触发调制 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-26

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 异步空间矢量调制 指针位置：15度 Rms值：Z.rms=75% Rms值：Z.rms=25% 指针位置：30度 指针位置：30度 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-27

SIMOVERTMASTERDRIVES 3. 逆变器的工作原理 SIMOVERTMASTERDRIVES 瞬时值控制/脉宽调制 恒定频宽 可变频宽 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-28

4.变频器内部的主电路 滤波及限流电路

4.变频器内部的主电路

SIMOVERTMASTERDRIVES 4.变频器内部的主电路 SIMOVERTMASTERDRIVES 逆变器中续流二极管的作用 晶闸管1“导通” 晶闸管4“导通” 阻性负载逆变器电流 晶闸管1“导通” 晶闸管4“导通” 晶闸管1“导通” 晶闸管1“导通” 感性负载逆变器电流 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-24

4.变频器内部的主电路 能耗电路由制动电阻RB和制动单元Bv构成

4.变频器内部的主电路

SIMOVERTMASTERDRIVES 4.变频器内部的主电路 SIMOVERTMASTERDRIVES 变频器配置/用制动单元实现四象限运行 CONV 变频器 INV 逆变器 R 整流器 P 制动电阻 （直流母线） Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-5

SIMOVERTMASTERDRIVES 5. 主电路前端的改进 SIMOVERTMASTERDRIVES 6脉动整流结构框图/谐波分量 改进目标：提高电路的功率因数，减少谐波含量 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-7

SIMOVERTMASTERDRIVES 5. 主电路的改进 SIMOVERTMASTERDRIVES 12脉动整流桥结构框图/谐波分量 6脉动整流桥 12脉动整流桥 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-8

SIMOVERTMASTERDRIVES 5. 主电路的改进 SIMOVERTMASTERDRIVES AFE（有功前端）整流器结构框图/运行原理 改进目标：提高电路的功率因数，实现能量回馈 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-9

SIMOVERTMASTERDRIVES 5. 主电路的改进 SIMOVERTMASTERDRIVES COSΦ 控制原理 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-10

SIMOVERTMASTERDRIVES 5. 主电路的改进 SIMOVERTMASTERDRIVES 用整流/回馈单元实现四象限运行 直流母线电压不可调 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 在回馈方式与电源断电的情况下不会出现逆变颠覆 目标：实现能量回馈 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-6

5. 主电路的改进 近年来，有些公司推出了三电平低压变频器，在改善电流放形、减少对外界的干扰方 面*都取得了较好的效果。

5. 主电路的改进

6. 变频器内部的控制框图 主控电路的任务：对内控制电能变换，对外接受控制信号并输出状态

6. 变频器内部的控制框图 面板控制器：操作面板由显示器和键盘输入器构成，不同品牌变频器的操作面扳各不相同。 1.数据显示屏 (1)任功能预置时显示功能码和数据码 (2)在运行过程中用于显示各种数据：电 流、电压、转速等； (3)在发生故障时，显示故障原因的代码。 2.键盘输入器 (1)在进行功能预置时输入各功能的预置数据 (2)在进行面板操作时，输人各项操作指令.

6. 变频器内部的控制框图 外接给定与输入控制端

6. 变频器内部的控制框图 外接输出控制端

SIMOVERTMASTERDRIVES 7. 变频器的外围电路配置 SIMOVERTMASTERDRIVES 推荐的电路配置/输入-输出电路 隔离开关 熔断器 主接触器 HF-滤波器（A1,B1) 进线电抗器 变频器 运动控制 矢量控制 输出电抗器 不允许 电机 (1) (1)<四个输出电抗器；铁心或铁氧体 取决于脉冲频率 (2) (2)dv/dt - 滤波器，可以和电抗器结合 使用正弦滤波器，不带输出电抗器 (3) (3)输出接触器或隔离开关 电机 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-11

T—配电变压器 电源变压器总容量要比总负载大，当使用多个变频器或少量地使用交流电抗器和直流电抗器时，因变频器整流及电容性负载的影响，会造成电网波型的严重畸变和变压器过热。因此，变压器容量更要增大。

QF—断路器，用于安全跳闸断开电网； 断路器(QF)的后面可以接一台或多台变频器及其它负载，当变频器或其它负载因过电流故障时，可自动切断电源供电，防止事故扩大。当电网掉电时防止再来电自动接通的不安全，以及在维修时安全切断电源，断路器可以使用普通空气开关或高灵敏切断的断路器，视需要而定，选用时总通过电流应大于负载总电流1.5 倍以上。

KM—接触器，用于日常操作通断和电网掉电再来电时变频器不发生自启动；

FIL1—进线侧无线电干扰抑制电抗器，用于减少变频器对外界的无线电干扰； 无线电干扰抑制电抗器(FIL1、FIL2)因为变频器输出的是PWM(脉宽调制)波，包含了大量的高次谐波，谐波高频分量处于射频范围，变频器通过电源线和输出线向外发射无线电干扰。又由于变频器接在电网上，电网上各种干扰和瞬变浪涌也可干扰到变频器的控制回路敏感部分发生误动作，因此设置了无线电干扰抑制电抗器。它是使用三根进线(对单相是两根进线)，同方向在铁心或铁氧磁芯上绕制的电感，因三相三根线的正弦交流电瞬时值之和为零(单相正弦交流电两进线电流瞬时值也为零)，因此对正常供电，该电抗器不起作用，而对于共模电压(即在进线上出现的、瞬时值不能被抵消的干扰电压)该电抗器起到阻挡作用，抑制了共模干扰，起到良好的抑制无线电干扰使用。抑制的频段一般在10MHz 以下，因此电感量不必大，通常控制在2~33mH 左右，是在一个闭合磁路上穿过或绕上几匝导线而制成。对小容量变频器因电流较小，它是在同一磁芯上，三相线同方向绕几匝。对大容量变频器，因电流大、导线不好弯，则用多个磁芯，让三根导线同时穿过磁芯中孔而构成电抗器。

1ACL—电源侧交流电抗器，用于改善输入电流波形、提高整流器和电解滤波电容寿命、减少不良输入电流波形对外界电网的干扰、协调同一电源网上有晶闸管等变换器造成的波形影响、减少功率切换和三相不平衡的影响，因此也叫电源协调电抗器，在要求高的场合该电抗器便进一步改为较复杂的电力质量滤波单元； 电压型通用变频器电网电压交流转变为直流经整流后都经电容滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大，造成很大的谐波干扰，并使变频器整流桥和电容器容易损坏。当变压器容量大于变频器容量10 倍以上，电网配电变压器和输电线的内阻不能阻止尖峰脉冲电流时，当同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时，三相电源不平衡度大于3%时，都要对输入侧功率因数作提高和抑制干扰，都需使用电源侧交流电抗器。一般而言，电压源逆变器、电源侧交流电抗器的电感量，采用3%阻抗即可防止突变电压造成接触器跳闸，使总谐波电流畸变下降到原先的44%左右。实际使用中为了节省费用，常采用2%阻抗的电感量，但这对环保而言是不好的。比较好的场合应使用4%阻抗或更大的电抗器。一般常选2~4%的压降阻抗，这个百分数是对相电压而言，对于使用者，需考虑电感值和电流值两方面，电流值一定要大于等于额定值，电感值略有大小问题不大，偏大有利于减少谐波，但电压降落会超过3%，使用者还要考虑电源内部阻抗，电源变压器功率大于10 倍变频器功率，而且线路很短的场合，电源内阻小，不仅需要使用输入侧交流电抗器，而且要选择较大的电感值，例如选用4～5%阻抗的电感量。

DCL—直流电抗器，用于改善电容滤波(当前电压型变频调速器主要滤波方式是电容滤波)造成的输入电流波形畸变和改善功率因数、减少和防止因冲击电流造成整流桥损坏和电容过热，当电源变压器和输电线综合内阻小时(变压器容量大于电机容量10 倍以时)、电网瞬变频繁时都需要使通用变频器用直流电抗器。 直流电抗器接在滤波电容前，它阻止进入电容的整流后冲击电流的幅值，并改善功率因数、降低母线交流脉动。直流电抗器在变频器功率大于22kW 时建议都要采用，当变频器功率越大，越应该使用，因为没有直流电抗器时，变频器的电容滤波会造成电流波形严重畸变和进而使电网电压波形严重畸变，而且非常有害于变频器的整流桥和滤波电容寿命。直流电抗器的电感值的选择一般为同样变频器输入侧交流电抗器3%阻抗电感量的2~3 倍，最少要1.7 倍，

2ACL—输出侧交流电抗器，变频器输出是脉冲宽度调制的电压波(PWM 波)它是前后沿很陡的一联串脉冲方波，存在丰富的谐波，这些谐波有害于电机和负载的寿命(典型的是电机绕阻匝间瞬变电压dv/dt 过高，造成匝间击穿)，以及对周围电器干扰；当负载端电容分量大时，造成变频器的开关器件流过大的冲击电流，会损坏开关器件。使用输出侧交流电抗器可进行平滑滤波，减少瞬变电压dv/dt 的影响，并求得以下的改善： 1、降低了电机的噪音； 2、降低了输出高次谐波造成的漏电流； 3、减少了干扰； 4、保护了变频器内部的功率开关器件。 5、延长了电机的绝缘寿命。

变频器的输出是经PWM 调制的电压波，由于电动机绕组的电感性质能使电流连续，因此电流基本上是正弦形的，脉冲宽度调制(PWM)有着陡峭的电压上升和下降的前后沿，即dv/dt 很大，使得输出引线向外界发射含量极大的电磁干扰，并且在引出线对地、电机绕组匝间、绕组对地间都产生很大的脉冲电流，为了减轻变频器输出dv/dt 对外界的干扰，降低输出波形畸变，达到环保标准，减少对电机绕组的电压冲击造成绝缘损坏，降低电机的温升和噪音，避免在变频器输出功率管上因dv/dt 和流过过大的脉冲冲击电流使功率管损坏，以及降低负载短路造成对变频器的损伤，有必要在变频器输端增设交流电抗器。 值得指出的是脉冲电压通过长的输电线时，由于长线上波的反射叠加使得在长线(即变频器输出导线)超过临界长度后，电压有可能达到直流母线(变频器内直流母线)电压的2 倍。因此变频器输出线长度受到了限制，为解除这种限制，必须接入输出侧交流电抗器。接入后，送到电机等负载上的波形就接近正弦电压波形了。 但实际使用中，只要负载是电感性的，电抗器可采用1%阻抗或更低一些都是可行的，这是因为，PWM 调制频率远高于基波频率，已经相当于>(40-100)次谐波的范围，因此，输出侧交流电抗器电感量：输出侧交流电抗器的电感接法有一定讲究，绕制在磁芯上的导线头尾的位置关系到电感向外发射干扰能量的大小程度。在有变压器插入于变频器与负载之间的使用条件下，变压器输入绕组的漏抗和变压器损耗大大削弱了调制波，起到了输出侧电抗器的作用，因此有利于输出到负载电机的波形滤波平滑，此时往往有了输出侧变压器就可以省略输出侧交流电抗器。

FIL2—输出侧无线电干扰抑制电抗器，对输出布线距离>20m 时尤其需安装；

JR—热过载继电器，用于防止长时间过电流造成电机损坏。 热过载继电器用来防止电机过热，但这种保护并不可靠。对重要场合应实际检测电机温度，埋设温度检测元件到电机槽内或绕组附近。当变频器使用普通电机时，因PWM 波导致电机铁耗、铜耗和绝缘介质损耗的增加，温升会比通常应用时加大，因此热过载继电器的温度整定值应按电机绝缘等级选择。

电动机 如果低速时负载转矩比额定转矩大，则要加大电机功率和变频器功率才能应付低速运行。如当电机长期在低速运行时，因普通电机的风扇在电机轴上，风扇已不能有效散热，电机会严重发热。因此，要加大电机功率或让电机使用外部风扇冷却。 一般电机在使用变频器时，因变频器PWM 波有很高的脉冲前后沿，dv/dt 很大，绕阻匝间和对地绝缘很易损坏，这已成为变频器使用中一个问题。因此，应选用绝缘质量优良的电机产品。当高速运行时要注意电机在高速离心力下是否能承受，普通电机的转子离心机械强度是按额定转速设计的。对直径较大的电机，不要使用到额定转速的1.5 倍以上，否则就有危险。这时就应选用专门的变频电机。

SIMOVERTMASTERDRIVES 7. 变频器的外围电路配置 SIMOVERTMASTERDRIVES 变频器输出电缆长度/滤波器的影响 Masterdrives 矢量控制 两个输出电抗器 正弦滤波器 一个输出电抗器 dv/dt 一个滤波器 +两个输出电抗器 (I.max) 正弦滤波器 无输出电抗器 dv/dt 一个滤波器 无输出电抗器 (I.max) 滤波器对于1LA5,6,8电机 只对于空间矢量调制! Masterdrives 运动控制 不带输出电抗器 不带输出电抗器 以上适用于屏蔽电缆；非屏蔽电缆：×1.33 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-12

SIMOVERTMASTERDRIVES 7. 变频器的外围电路配置 SIMOVERTMASTERDRIVES 逆变器电流突变 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-13

VC: f.pulse<3kHz 铁芯电抗器 7. 变频器的外围电路配置 SIMOVERTMASTERDRIVES 逆变器电流突变 VC: f.pulse<3kHz 铁芯电抗器 f.pulse>3kHz 铁氧体电抗器 最多4个电抗器串联 MC: 不允许接输出电抗器 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-14

SIMOVERTMASTERDRIVES 7. 变频器的外围电路配置 SIMOVERTMASTERDRIVES 电机电压的畸变 谐波辐值 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-15

SIMOVERTMASTERDRIVES 7. 变频器的外围电路配置 SIMOVERTMASTERDRIVES 电压限制滤波器（dv/dt滤波器）的作用 谐波辐值 无dv/dt滤波器 有dv/dt滤波器 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-16

SIMOVERTMASTERDRIVES 7. 变频器的外围电路配置 SIMOVERTMASTERDRIVES 正弦滤波器的作用 逆变器输出电压（不带正弦滤波器） 正弦滤波器的输出电压 Siemens Automation and Drives Training Center in China 2-17