变频器原理及维修与调试介绍
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西门子6SE70系列变频器 维修及调试课程
坚持学习和运动,这是保持热情的秘决—薛军
第一章：变频调速基础知识
在本章您将学到：
三相异步电机调速原理 三相异步电机调速方式 变频调速的特点及发展 变频调速的基本原理 变频同时需要调压的原因 调压调频实现的方法－SPWM
三相异步电动机调速原理
更为直观的交直交变频原理框图
R1R2:均压电阻 R0:预充电电阻
K R0 R 0 R R11
R Rb
Rb:制动电阻
UR ~
UI
b
R R2
VTb
M 3~
2
显示 设定 单 片 机
电压 检测
泵升 限制
电流 检测
温度 检测
电流 检测
接口
PWM 发生器
驱动 电路
为什么变频同时需变压
1、从能量关系看主磁通的变化
整流与滤波电路1
滤波电容要均压
注意: 要理解均压的正确意义
ห้องสมุดไป่ตู้
整流与滤波电路2
充电过程要限流
a）直接充电 b）加入限流电阻
思考:为什么限流电阻要并上KM2, 它是什么, 起什么作用?
注意: 一切皆要用心, 寸心不昧, 万法皆明!
逆变电路
逆变电路的结构
a）逆变电路 b）输出电压实际波形
c）输出电压等效波形
正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）
a）电压波形 b）电流波形
正弦脉宽调制的实现1
单极性调制
a）电压较大 b）电压较小
正弦脉宽调制的实现2
双极性调制
第二章 交－直－交变频器的主电路 在本章您将了解到：
整流滤波电路 逆变电路 逆变器工作原理 均压电阻的作用 限流电阻的作用 续流二极管的作用 逆变器的工作条件及发展
早 发 展 时 间
交流异步电动 机
晚
在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用 三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉 还是在一些性能较低的传动现场使用
变频调速概述及其特点
变频技术 交流变频是强弱电混合综合性技术，既要处理大电能的转换（整流、逆变），又 要处理信息的收集、变换和传输，因此它的技术分成功率转换和弱电控制两大部 分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问 题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问 题，目前广泛应用的是全数字控制技术。 变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极 变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）
逆变电路的电流路径1
逆变器件的发展 1
起步始于晶闸管
SCR逆变原理图 ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形
逆变器件的发展 2
普及归功GTR（BJT）
图1－18 GTR逆变 ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形
逆变器件的发展 3
提高全靠IGBT
图1－19 IGBT逆变 ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形
序号 优点
1 2 3 4 5 平滑软启，降低启动电流，减少变压器占有量，确保电机安全 在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度 无级调速，调速精度大大提高 电机正反向无需通过接触器切换 非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制
变频调速的发展历程
60年代 电机控制 算法 功率半 导体技术 计算机 技术 PWM技术 大功率传 PWM技术 70年代 80年代
思考:每个逆变器旁并的是什么, 起什么作用?
单相逆变原理
图1－14 单相逆变桥原理 a）单相逆变桥电路 b）负载所得电压波形
三相逆变原理
图1－15 三相逆变桥 a）三相逆变电路 b）输出电压波形
逆变器必须满足的条件
逆变器件的工作条件:
（1）能承受足够大的电压和电流。 （2）允许长时间频繁地接通和关断。 （3）接通和关断的控制必须十分方便。
2、从反电动势看主磁通的变化 ∵ E1＝KEfXΦ1 E ∴ Φ1＝KF· f ↑
1 X
保持磁通不变的途径
1、从能量角度看
2、从电动势的角度看 ∵ E1＝KEfΦ1 E ∴ → Φ1＝C f ＝C U 顶替办法： f ＝C → Φ1≈C ∴ 变频的同时也要变压，所以变频器常称为VVVF
1 1
变频又变压的具体方法
超静音变频器开始流行
动使用变
频器，体 积大，价 格高
解决了GTR噪声问题
变频器性能大幅提升 大批量使用，取代直流
完美无谐波
如：矩阵式变频器
变频器简要工作原理
交流低压交直交通用变频器系统框图
～
整流部分 交流 直流
储能环节 直流 控制系统
逆变部分 交流
M
整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波 逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦
V/F控制
SCR GTR
90年代 00年代 无速度矢量控制 算法优化 矢量控制 电流矢量V/F IGBT 单片机 DSP SPWM技术 IGBT大容量化 高速DSP 专用芯片 空间电压矢量 调制技术
更大容量 更高开关频率 更高速率和容量
PWM优化 新一代开关技术 未来发展方向
变频器体
积缩小， 开始在中 小功率电 机上使用
1480 3 6 1000 960
970
20 40
30
0.013 0.04
0.03 0.02
37～315 kW 3～5.5 kW
7.5～30 kW
980
20
37～250 kW
交流电机调速系统的发展历程
调速方式名称 变极调速 调压调速 转子串电阻调速 变频调速 交流异步电动 机 交流同步电动 机 控制对象 特点 有级调速，系统简单，最多4段速 无级调速，调速范围窄 电机最大出力能力下降，效率低 系统简单，性能较差 真正无级调速，调速范围宽 电机最大出力能力不变，效率高 系统复杂，性能好 可以和直流调速系统相媲美
定子旋转磁场的产生及电机转速公式：
S：转差率 N：转速
N=60F/P(1-S)
F：频率 P：极对数
标准异步电机速度参数一览
p 1 2p 2 n0 3000 nM 2900 2930 2970 2 4 1500 1460 1470 Δn 100 70 30 40 30 s 0.033 0.023 0.01 0.027 0.02 备 注 5.5～7.5kW 11～18.5 kW 45～160 kW 11～15 kW 18.5～30 kW
坚持学习和运动,这是保持热情的秘决—薛军
第一章：变频调速基础知识
在本章您将学到：
三相异步电机调速原理 三相异步电机调速方式 变频调速的特点及发展 变频调速的基本原理 变频同时需要调压的原因 调压调频实现的方法－SPWM
三相异步电动机调速原理
更为直观的交直交变频原理框图
R1R2:均压电阻 R0:预充电电阻
K R0 R 0 R R11
R Rb
Rb:制动电阻
UR ~
UI
b
R R2
VTb
M 3~
2
显示 设定 单 片 机
电压 检测
泵升 限制
电流 检测
温度 检测
电流 检测
接口
PWM 发生器
驱动 电路
为什么变频同时需变压
1、从能量关系看主磁通的变化
整流与滤波电路1
滤波电容要均压
注意: 要理解均压的正确意义
ห้องสมุดไป่ตู้
整流与滤波电路2
充电过程要限流
a）直接充电 b）加入限流电阻
思考:为什么限流电阻要并上KM2, 它是什么, 起什么作用?
注意: 一切皆要用心, 寸心不昧, 万法皆明!
逆变电路
逆变电路的结构
a）逆变电路 b）输出电压实际波形
c）输出电压等效波形
正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）
a）电压波形 b）电流波形
正弦脉宽调制的实现1
单极性调制
a）电压较大 b）电压较小
正弦脉宽调制的实现2
双极性调制
第二章 交－直－交变频器的主电路 在本章您将了解到：
整流滤波电路 逆变电路 逆变器工作原理 均压电阻的作用 限流电阻的作用 续流二极管的作用 逆变器的工作条件及发展
早 发 展 时 间
交流异步电动 机
晚
在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用 三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉 还是在一些性能较低的传动现场使用
变频调速概述及其特点
变频技术 交流变频是强弱电混合综合性技术，既要处理大电能的转换（整流、逆变），又 要处理信息的收集、变换和传输，因此它的技术分成功率转换和弱电控制两大部 分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问 题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问 题，目前广泛应用的是全数字控制技术。 变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极 变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）
逆变电路的电流路径1
逆变器件的发展 1
起步始于晶闸管
SCR逆变原理图 ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形
逆变器件的发展 2
普及归功GTR（BJT）
图1－18 GTR逆变 ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形
逆变器件的发展 3
提高全靠IGBT
图1－19 IGBT逆变 ａ）逆变电路 ｂ）电压波形 ｃ）电流波形
序号 优点
1 2 3 4 5 平滑软启，降低启动电流，减少变压器占有量，确保电机安全 在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度 无级调速，调速精度大大提高 电机正反向无需通过接触器切换 非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制
变频调速的发展历程
60年代 电机控制 算法 功率半 导体技术 计算机 技术 PWM技术 大功率传 PWM技术 70年代 80年代
思考:每个逆变器旁并的是什么, 起什么作用?
单相逆变原理
图1－14 单相逆变桥原理 a）单相逆变桥电路 b）负载所得电压波形
三相逆变原理
图1－15 三相逆变桥 a）三相逆变电路 b）输出电压波形
逆变器必须满足的条件
逆变器件的工作条件:
（1）能承受足够大的电压和电流。 （2）允许长时间频繁地接通和关断。 （3）接通和关断的控制必须十分方便。
2、从反电动势看主磁通的变化 ∵ E1＝KEfXΦ1 E ∴ Φ1＝KF· f ↑
1 X
保持磁通不变的途径
1、从能量角度看
2、从电动势的角度看 ∵ E1＝KEfΦ1 E ∴ → Φ1＝C f ＝C U 顶替办法： f ＝C → Φ1≈C ∴ 变频的同时也要变压，所以变频器常称为VVVF
1 1
变频又变压的具体方法
超静音变频器开始流行
动使用变
频器，体 积大，价 格高
解决了GTR噪声问题
变频器性能大幅提升 大批量使用，取代直流
完美无谐波
如：矩阵式变频器
变频器简要工作原理
交流低压交直交通用变频器系统框图
～
整流部分 交流 直流
储能环节 直流 控制系统
逆变部分 交流
M
整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波 逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦
V/F控制
SCR GTR
90年代 00年代 无速度矢量控制 算法优化 矢量控制 电流矢量V/F IGBT 单片机 DSP SPWM技术 IGBT大容量化 高速DSP 专用芯片 空间电压矢量 调制技术
更大容量 更高开关频率 更高速率和容量
PWM优化 新一代开关技术 未来发展方向
变频器体
积缩小， 开始在中 小功率电 机上使用
1480 3 6 1000 960
970
20 40
30
0.013 0.04
0.03 0.02
37～315 kW 3～5.5 kW
7.5～30 kW
980
20
37～250 kW
交流电机调速系统的发展历程
调速方式名称 变极调速 调压调速 转子串电阻调速 变频调速 交流异步电动 机 交流同步电动 机 控制对象 特点 有级调速，系统简单，最多4段速 无级调速，调速范围窄 电机最大出力能力下降，效率低 系统简单，性能较差 真正无级调速，调速范围宽 电机最大出力能力不变，效率高 系统复杂，性能好 可以和直流调速系统相媲美
定子旋转磁场的产生及电机转速公式：
S：转差率 N：转速
N=60F/P(1-S)
F：频率 P：极对数
标准异步电机速度参数一览
p 1 2p 2 n0 3000 nM 2900 2930 2970 2 4 1500 1460 1470 Δn 100 70 30 40 30 s 0.033 0.023 0.01 0.027 0.02 备 注 5.5～7.5kW 11～18.5 kW 45～160 kW 11～15 kW 18.5～30 kW