变频器原理及应用

书号：48488ISBN：978-7-111-48488-2作者：王廷才印次：　责编：　开本：16字数：362千字定价：32.0所属丛书：普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类规划教材 机械工业出版社精品教材装订：平出版日期：2015-02-26　　　　 前言　　第1章 变频器的认识　　1.1 变频器概述　　1.1.1 变频器的发展　　1.1.2 变频器的分类　　1.1.3 变频器的应用　　1.2 异步电动机变频调速原理　　1.2.1 异步电动机变频调速机理　　1.2.2 三相异步电动机的机械特性　　1.2.3 三相异步电动机的变频起动　　1.2.4 三相异步电动机的变频制动　　1.3 变频器的结构与主要技术参数　　1.3.1 变频器的外形　　1.3.2 变频器的基本原理结构　　1.3.3 变频器的铭牌　　1.3.4 主要技术参数　　本章小结　　习题1　　第2章 变频器常用电力电子器件　　2.1 功率二极管　　2.1.1 功率二极管的结构与伏安特性　　2.1.2 功率二极管的主要参数　　2.1.3 功率二极管的选用　　2.1.4 功率二极管的分类　　2.2 晶闸管　　2.2.1 晶闸管的结构　　2.2.2 晶闸管的导通和阻断控制　　2.2.3 晶闸管的阳极伏安特性　　2.2.4 晶闸管的参数　　2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数　　2.2.6 晶闸管触发电路　　2.2.7 晶闸管的保护　　2.3 门极可关断（GTO）晶闸管　　2.3.1 CTO晶闸管的结构与工作原理　　2.3.2 GTO晶闸管的特性与主要参数　　2.3.3 GTO晶闸管的门极控制　　2.3.4 GTO晶闸管的缓冲电路　　2.4 电力晶体管（GTR）　　2.4.1 GTR的结构　　2.4.2 GTR的参数　　2.4.3 二次击穿现象　　2.4.4 CTR的驱动电路　　2.4.5 GTR的缓冲电路　　2.5 功率MOS场效应晶体管（P-MOSFET）　　2.5.1 P-MOSFET的结构　　2.5.2 P-MOSFET的工作原理　　2.5.3 P-MOSFET的特性　　2.5.4 P-MOSFET的主要参数　　2.5.5 P-MOSFET的栅极驱动　　2.5.6 P-MOSFET的保护　　2.6 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）　　2.6.1 IGBT的结构与基本工作原理　　2.6.2 IGBT的基本特性　　2.6.3 IGBT的主要参数　　2.6.4 IGBT的驱动电路　　2.7 集成门极换流晶闸管（ICCT）　　2.7.1 IGCT的结构与工作原理　　2.7.2 IGCT的特点　　2.7.3 ICCT变频器　　2.8 智能功率模块（IPM）　　2.8.1 IPM的结构　　2.8.2 IPM的主要特点　　2.8.3 IPM选择的注意事项　　本章小结　　习题2　　第3章 交-直-交变频技术　　第4章 交-交变频技术　　第5章 高（中）压变频器　　第6章 变频器的接线端子与功能参数　　第7章 变频器的控制方式　　第8章 变频调速系统的选择与操作　　第9章 变频器的安装与维护　　第10章 变频器应用实例　　第11章 变频器技术实训　　附录　　参考文献

变频器工作原理 　　变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 　　1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ 　　*1: r/min 　　电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm. 　　例如：2极电机 50Hz 3000 [r/min] 　　4极电机 50Hz 1500 [r/min] 　　结论：电机的旋转速度同频率成比例 　　本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。 　　另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。 　　因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。 　　n = 60f/p 　　n: 同步速度 　　f: 电源频率 　　p: 电机极对数 　　结论：改变频率和电压是最优的电机控制方法 　　如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。 　　例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V 　　2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？ 　　*1: 工频电源 　　由电网提供的动力电源（商用电源） 　　*2: 起动电流 　　当电机开始运转时，变频器的输出电流 　　变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动 　　电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。 　　通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。 　　通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。 　　3. 当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低 　　通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe) 　　变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。 　　当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。 　　举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。 　　因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie) 　　4. 变频器50Hz以上的应用情况 　　大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的。 　　如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以工作在50Hz以上。 　　当转速为50Hz时, 变频器的输出电压为380V, 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz, 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速. 　　这时的转矩情况怎样呢? 　　因为P=wT (w:角速度, T:转矩). 因为P不变, w增加了, 所以转矩会相应减小。 我们还可以再换一个角度来看: 　　电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为电子电阻, E为感应电势) 　　可以看出, U,I不变时, E也不变. 　　而E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 所以当f由50-->60Hz时, X会相应减小 　　对于电机来说, T=K*I*X, (K:常数, I:电流, X:磁通), 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小. 　　同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不变时, 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变-->最大转矩不变) 　　结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时, 电机的输出转矩会减小. 　　5. 其他和输出转矩有关的因素 　　发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。 　　载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。 　　环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值. 　　海拔高度: 海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了．

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