天津理工大学中环信息学院 教案首页
题目：电气传动基础知识（总第3讲）
讲授内容提要：
变频器的分类、通用变频器的结构和工作原理。
教学目的：
掌握变频器的分类方法，通用变频器的结构，单相逆变工作原理、三相逆变工作原理。
教学重点：
重点通用变频器的结构，逆变工作原理。
教学难点：
逆变工作原理。
采用教具和教学手段：
多媒体图片展示及实物展示。
授课时间：2014年 9月 4日
授课地点：第一 教学楼 1203 教室
注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。
第三讲
1.5 变频器的分类
通常有以下几种分类方式。
1、按供电电源电压等级分类
变频器可以分为低压变频器和高压变频器两类。
2、按控制算法分类
变频器可以分为普通型变频器和高性能变频器两类。
3、按用途分类 变频器可以分为通用变频器和专用变频器两类。
4、按变换方法分类
变频器可以分为交-直-交变频器和交-交变频器两类。交-直-交变频器又称间接式变频器，包括电压型（中间直流滤波环节采用大电容滤波）和电流型(中间直流滤波环节采用大电感滤波)两种。
按相数分单相三相有环流交－交变频器按环流情况分无环流正弦波按输出波形分变频器方波电压型按储能方式分电流型交－直－交变频器按调压方式分脉幅调制脉宽调制
专用变频器变频器通用变频器通用型变频器
1.6 通用变频器的结构和工作原理
1、通用变频器的结构
通用变频器的基本结构有四个组成部分，分别是：整流部分、中间直流部分、逆变部分、控制电路部分。
1——整流部分，把来自电网的恒压恒频交流电变成直流电，通常采用三相不可控整流电路；
2——中间直流部分，把脉动的直流电变成比较平滑的直流电，并且和负载之间进行无功能量交换；
3——逆变部分，把直流电变换成变压变频交流电，通常采用SPWM逆变电路，其输出是SPWM脉冲电压，这个电压加到电动机负载上，经电感滤波变成接近正弦波的电流波形；
4——控制电路部分，用来产生逆变电路所需要的各种驱动信号，这些信号受外部指令决定，有频率、频率上升下降速率、外部通断控制、变频器内部各种各样的保护和反馈信号综合控制等。
交—直—交变频器的电路
主电路如下图：
一、主电路 1．整流电路 组成：VD1~VD6。
功能：将工频交流电整流为脉动直流电。 整流原理：二极管整流过程。 2．滤波电路
组成：C
1、C
2、R
1、R2。
功能：将脉动直流电变为较平滑的直流电。 原理：电容滤波原理、电阻分压原理。 3．逆变电路
组成：VT1~VT
6、VD7~VD12。
功能：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电。 逆变原理：IGBT可控开关、SPWM原理。 4．指示电路 组成：R
4、HL。 5．制动单元 组成：VT
7、R5
功能：消耗电动机制动过程中的回馈能量，保护变频器。
制动单元工作原理：电动机制动时，回馈电流通过VD7~VD12给C
1、C2充电。当电容两端电压升到一定程度时，计算机控制VT7 导通，电容通过R5和VT7放电，电阻发热消耗能量，电容两端电压降低，电动机制动。
6．输入端子：R、S、T，连接电源。 7．输出端子：U、V、W，连接电动机。
二、控制电路
指为主电路提供控制信号，以完成电路输出调节、各种保护，实现输出指示的弱电电路。如图1-20下半部分。
各部分功能：
1．主控制板：单片机，变频器的控制中心 （1）整流部分（交—直）
整流器是变频器中用来将交流变成直流的部分，它可以由整流单元、滤波电路，开启电路、吸收回路组成。
1）整流单元（VD1~VD6）
整流单元是由VD1~VD6组成的三相整流桥，它们将工频380V的交流电整流成直流，平均直流电压可用下式表示：
UD=1.35UL=1.35×380 = 513V UL——电源的线电压
2) 滤波电容（CF）
滤波电容CF的作用是对整流电压进行滤波。CF是一个大容量的电容器，它是电压型
变频器的主要标志，对电流型变频器来说滤波的元件是电感。
3）开启电流吸收回路
在电压型变频器的二极管整流电路中，由于在电源接通时，CF中将有一个很大的充电电流，该电流有可能烧坏二极管，容量较大的还可以形成对电网的干扰。影响同一电源系统的其他装置的正常工作，所以在电路中加装了由RL , SL组成的限流回路，刚开机时，RL串入电路中，限制CF的充电电流，充到一定程度后SL闭合将其切除。
（2）逆变部分
逆变部分的基本作用是将直流变成交流，是变频器的核心部分。
1） 逆变桥
在图中，由V1~V6组成了三相逆变桥，V导通时相当于开关导通，V截止时相当于开关断开。现在常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管（IGBT），大功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应管晶体管（MOSFET）等。
2） 续流二极管（VD7~VD12）
续流二极管VD7~VD12 的功能有下面几个：
a) 由于电动机是一种感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要VD7~VD12提供通路。
b) 降速时电动机处于再生制动状态，VD7~VD12为再生电流提供返回直流的通路。 c) 逆变时V1~V6快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替地工作在导通和截止状态，在切换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。
3）缓冲电路（R01~R06、VD01~VD06、C01~C06）
逆变管V1~V6每次导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极之间的电压UCE极快的由0V升至直流电压值UD,这个过高的电压增长率会导致逆变管损坏，C01~C06的作用就是减小电压增长率。V1~V6每次由截止到导通瞬间，C01~C06上所充的电压（等于UD）将向V1~V6放电，该放电电流的初始值是很大的，R01~R06的作用就是减小C01~C06的放电电流。而VD01~VD06接入后，在V1~V6的关断过程中，使R01~R06不起作用。而在V1~V6的接通过程中，又迫使C01~C06的放电电流流经R01~R06 。 （3）制动部分 1） 制动电阻
变频调速在降速时处于再生制动状态，电动机回馈的能量到达直流电路，会使UD上升，这是很危险的。需要将这部分能量消耗掉，电路中的电阻RB就是用于消耗该部分能量的。 2） 制动单元VB
制动单元由大功率晶体管VB（IGBT）及采样、比较和驱动电路构成，其功能是放电电流IB流过RB提供通路。
2、单相逆变工作原理
单相逆变电路和逆变波形如图1-8所示。
图1-8单相逆变电路和逆变波形
逆变工作原理：
(1) 前半周期 令V
1、V2导通，V
3、V4截止，则负载ZL中的电流由a流向b，ZL上得到的电压是a+，b-，设这时的电压为“+”；
(2) 后半周期
令V
1、V2截止，V
3、V4导通，则负载ZL中的电流由b流向a，ZL上得到的电压是a-，b+，这时的电压为“-”。
上述两种状态不断地反复交替进行，则负载ZL上所得到的便是交变电压了。需要改变交变电压的频率时，只需要改变两组开关管的切换频率就行了，改变逆变器输出交变信号频率原理示意图如图1-9所示。
图1-9改变逆变器输出交变信号频率原理示意图
3、三相逆变工作原理
三相逆变电路和逆变波形如图1-10所示，其中V1—V6六个开关管如果采用不同的通断控制方式（1800导电方式、1200导电方式、SPWM控制），同时有2—3个位于不同相的开关管导通，则在负载上得到三相对称的交流电。例如开关管采用普通晶闸管、控制方式采用1800导电方式的三相逆变电路及逆变线电压和线电流波形如图1-11所示；开关管采用IGBT、控制方式采用SPWM控制的三相逆变电路及逆变线电压和线电流波形如图1-12所示。
图1-10三相逆变电路和逆变波形
图1-11普通晶闸管1800导电方式的三相逆变电路
