變頻器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、變頻器的結(jié)構(gòu)和工作原理,——郭春榮,一、三相異步感應(yīng)交流電動機的工作原理,1.旋轉(zhuǎn)磁場在一個可旋轉(zhuǎn)的馬蹄型磁鐵中間，放置一只可轉(zhuǎn)動的籠型短路線圈。當(dāng)轉(zhuǎn)動馬蹄形磁鐵時，籠型轉(zhuǎn)子就會跟著一起旋轉(zhuǎn)。這是因為當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動時，其磁感線(磁通)切割籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體，在導(dǎo)體中因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于籠型轉(zhuǎn)子本身是短路的，在電動勢作用下導(dǎo)體中就有電流流過 。該電流又和旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，驅(qū)動籠型轉(zhuǎn)子隨著磁場的轉(zhuǎn)向而旋轉(zhuǎn)

2、起來，這就是異步電動機的簡單旋轉(zhuǎn)原理。,在定子三相對稱的定子繞組中通入對稱三相電流即在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,一、三相異步感應(yīng)交流電動機的工作原理,電動機的旋轉(zhuǎn)磁場,一、三相異步感應(yīng)交流電動機的工作原理,2.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速在以上的分析中，旋轉(zhuǎn)磁場只有一對磁極，即p=1，當(dāng)電流變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場正好在空間轉(zhuǎn)過一周。對50Hz工頻交流電而言，旋轉(zhuǎn)磁場每秒在空間旋轉(zhuǎn)50周，n1=60f1=60×50r/min=3000r/m

3、in。若磁場有兩對磁極，p=2，則電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場只轉(zhuǎn)過0.5周，比磁極對數(shù)p=1情況下的轉(zhuǎn)速慢了一半，即n1=60f1/2=1500r/min。同理，在3對磁極p=3情況下，電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場僅旋轉(zhuǎn)了1/3周，即n1=60f1/3=1000r/min。以此類推，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場有p對磁極，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為： n1=60f1/p因此， 只要平滑地調(diào)節(jié)異步電動機的定子供電頻

4、率f1， 就可以平滑調(diào)節(jié)異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n1。 由于轉(zhuǎn)子是跟隨旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)的， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n=n1(1-s)， 所以變頻能通過同步轉(zhuǎn)速的改變實現(xiàn)異步電動機的無級調(diào)速。,一、三相異步感應(yīng)交流電動機的工作原理,表面看來，只要改變定子電壓的頻率f1就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的大小，但是事實上，只改變f1并不能正常調(diào)速。參考異步電動機的電壓方程 U 1≈E1 =4.44f1 K1 N1 Φ　　

5、 假設(shè)現(xiàn)在只改變f1進行調(diào)速， 設(shè)供電頻率f1上下調(diào)節(jié)， 而供電電壓U 1 不變， 因 為K1 N1常數(shù)， 則異步電動機的主磁通Φ必將改變： 如f1向上調(diào)， 則Φ會下降， 這使得拖動轉(zhuǎn)矩T下降，因為T=C TΦI2cosφ2 ， 電動機的拖動能力會降低， 對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載會因拖不動而堵轉(zhuǎn)； 如f1 向下調(diào)， 則Φ會增強， 這會帶來更大的危險， 因為電機鐵磁材料的磁化曲線不是直線而具有飽和特性， 設(shè)計電機時為了

6、建立更強的磁場， 其工頻下的工作點已經(jīng)接近磁飽和， 如再增強磁場勢必引起勵磁電流（體現(xiàn)在定子電流上）急劇升高， 最終燒壞電機。 由上可知， 只改變頻率f 實際上并不能正常調(diào)速。 在許多場合， 要求在調(diào)節(jié)定子供電頻率f 的同時， 調(diào)節(jié)定子供電電壓U 的大小， 通過U 和f 的不同配合實現(xiàn)安全的調(diào)頻調(diào)速。,一、三相異步感應(yīng)交流電動機的工作原理,由于Φ∝E1 /f1≈U1 /f1， 故調(diào)節(jié)三相異步電動機的供電頻率f1 時，按

7、比例調(diào)節(jié)供電電壓的U1的大小可以近似實現(xiàn)Φ為常數(shù)。 以星形接法的電機為例， 變頻調(diào)速時， 如供電50 Hz對應(yīng)220 V相電壓（一般為額定點）， 則25 Hz需提供110 V相電壓， 10 Hz需提供44 V相電壓。,保持E1 /f 1=常數(shù)控制方式的機械特性,二、變頻的控制方式,1、 u/f控制模式★ 控制特點：通過壓頻變換器使變頻器的輸出電壓與輸出頻率成比例的改變，即U/?=常數(shù)?！?性能特點：性價比高，輸出轉(zhuǎn)矩恒定即恒磁通控制

8、，但速度控制的精度不高。適用于以節(jié)能為目的和對速度精度要求較低的場合。★低頻穩(wěn)定性較差：在低速運行時，會造成轉(zhuǎn)矩不足，需要進行轉(zhuǎn)矩補償。該變頻器為開環(huán)控制，安裝調(diào)試方便。,二、變頻的控制方式,2、轉(zhuǎn)差頻率控制（U/f閉環(huán)控制） 電動機由于存在轉(zhuǎn)速差Δn ，且轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)矩T成正比，當(dāng)改變變頻器的輸出頻率，使變頻器的轉(zhuǎn)差Δn改變時，變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩T改變，變頻器的輸出轉(zhuǎn)速改變。就是通過控制轉(zhuǎn)差Δn，來控制電動機的轉(zhuǎn)矩，達到控制電動

9、機轉(zhuǎn)速的目的。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制原理。 由此可見，變頻器要想達到以上控制目的，必須采取閉環(huán)控制， 即變頻器要設(shè)閉環(huán)反饋輸入端子。,二、變頻的控制方式,轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器內(nèi)設(shè)比較電路和PID控制電路，處理目標(biāo)信號和反饋信號。控制系統(tǒng)工作時為閉環(huán)控制。變頻器給定一個目標(biāo)量，從變頻器的控制量中取回反饋量，反饋量和目標(biāo)量進行比較：當(dāng)反饋量小于目標(biāo)量，變頻器給出頻率上升信號使頻率上升， Δn上升，轉(zhuǎn)矩隨之上升，電動機的轉(zhuǎn)速隨之

10、上升；反之，變頻器給出頻率下降信號， Δn下降，轉(zhuǎn)矩隨之下降，電動機的轉(zhuǎn)速隨之下降。使電動機的實際轉(zhuǎn)速按給定目標(biāo)要求轉(zhuǎn)動。,二、變頻的控制方式,轉(zhuǎn)差頻率控制和U/f控制功能上的區(qū)別： U/f制變頻器內(nèi)部不用設(shè)置PID控制功能，不用設(shè)置反饋端子。而轉(zhuǎn)差頻率控制在變頻器的內(nèi)部要設(shè)比較電路和PID控制電路。如果用U/F控制變頻器實現(xiàn)閉環(huán)控制，要在變頻器之外配置PID控制板。,3、矢量控制 矢量控制是交流電動機用模擬直流電動

11、機的控制方法來進行控制。 1）將控制信號按直流電動機的控制方法分為勵磁信號和電樞信號 2）將控制信號按三相交流電動機的控制要求變換為三相交流電控制信號，驅(qū)動變頻器的輸出逆變電路。 變頻器控制方式：分為無傳感器（開環(huán)）和有傳感器（閉環(huán)）兩種控制方式。無傳感器控制方式是通過變頻器內(nèi)部的反饋形成閉環(huán)。,二、變頻的控制方式,二、變頻的控制方式,★ 控制特點：矢量控制是對電動機的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩） 進行控制，不能對電動機的間

12、接控制量進行控制。 1）使用前要進行自掃描，將電動機的參數(shù)掃入變頻器。 2）一臺變頻器只能控制一臺電動機。 3）矢量控制既能控制電動機的電流幅值，同時又能控制電流的相位（矢量控制名稱的由來）。★性能特點：可從零轉(zhuǎn)速進行控制，調(diào)速范圍寬；可對轉(zhuǎn)矩進行精確控制，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，速度控制精度高。,二、變頻的控制方式,4、轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，英語稱為DSC或DTC控制，是繼矢量控制技術(shù)之后又一種具有高控制

13、性能的交流調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機的數(shù)學(xué)模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（Band-Band控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。直接轉(zhuǎn)矩控制完成了交流調(diào)速的又一次飛躍。 直接轉(zhuǎn)矩控

14、制也是一對一控制，不能一臺變頻器控制多臺電動機，且不能用于過程控制。,二、變頻的控制方式,在各種薄膜或線材的收卷或放卷過程中，要求被卷物的張力F必須保持恒定即F＝C，為此:1)被卷物的線速度v也必須保持恒定即 v＝C，所以卷繞功率是恒定的；2)負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩隨被卷物卷徑的增大而增大:但為了保持線速度恒定，負(fù)載的轉(zhuǎn)速必須隨卷徑的增大而減小:(b) 用轉(zhuǎn)矩控制模式實現(xiàn) 恒張力運行 令變頻器在轉(zhuǎn)矩 控制模式下運行，將給 定信號設(shè)定在某一值

15、下不變。則電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TM也將不變，如圖 (b)中之曲線①所示: TM＝C 而動態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ則隨著卷徑D的增大而變?yōu)樨?fù)值，如圖(b)中之曲線③所示。拖動系統(tǒng)將處于減速狀態(tài)，滿足圖(c)所示的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。 改變給定轉(zhuǎn)矩的大小，可以改變卷繞的松緊程度,二、變頻的控制方式,變頻器的四種運行控制方式比較控制特點：通過壓頻變換器使變頻器的輸出電壓與輸出頻率成比例1. u

16、/f控制方式變頻器的改變，即u/f=常數(shù) 性能特點：性價比高，輸出轉(zhuǎn)矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。適用于以節(jié)能為目的和對速度精度要求較低的場合。低速運行時，會造成轉(zhuǎn)矩不足，需要進行轉(zhuǎn)矩補償。2. 轉(zhuǎn)差頻率控制方式變頻器該控制是一種閉環(huán)控制?？刂品绞接袃深悾阂皇怯盟俣葌鞲衅鲗㈦妱訖C的轉(zhuǎn)速作為反饋信號，以提高電動機的速度控制精度；另一類是將間接物理量如壓力、流量、溫度等通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，反饋回變頻器，以提高這

17、些間接控制量的控制精度。 該控制方式在變頻器內(nèi)部裝有PID調(diào)節(jié)器，可設(shè)置變頻器的控制速度和快速響應(yīng)性。 u/f控制方式適用于可變轉(zhuǎn)矩和恒定轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如風(fēng)機、水泵、帶式輸送機等,二、變頻的控制方式,3. 矢量控制方式變頻器 矢量控制是在變頻器內(nèi)部通過電子運算電路用模擬直流電動機的控制方法來控制交流電動機的。 控制特點：同時控制電流的幅值和相位，還可通過軟件來設(shè)定這種控制方式。 性能特點：可從零轉(zhuǎn)速進行控

18、制，低頻轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬；可對轉(zhuǎn)矩進行 精確控制；系統(tǒng)響應(yīng)速度快，速度控制精度高。 應(yīng)用范圍 分為無速度傳感器（通過內(nèi)閉環(huán)）和有速度傳感器（通過外閉環(huán)）兩種控制方法，這兩種控制方法都是直接控制（穩(wěn)定）電動機的轉(zhuǎn)速（或轉(zhuǎn)矩），不能作為其他量的控制（如壓力、流量、溫度等）。4. 直接轉(zhuǎn)矩控制方式變頻器 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差的大小由頻率調(diào)節(jié)器

19、來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制。 性能特點：可從零轉(zhuǎn)速進行控制，調(diào)速范圍寬；可對轉(zhuǎn)矩進行精確控制；系 統(tǒng)響應(yīng)速度快，速度控制精度高。 矢量適用于有較高的轉(zhuǎn)矩特性，OHZ仍保持輸出轉(zhuǎn)矩的場合，如造紙、軋鋼、機床、起重等。轉(zhuǎn)矩控制可對轉(zhuǎn)矩進行精確控制，適用于造紙、印染機械等轉(zhuǎn)矩控制場合。,三、變頻器的結(jié)構(gòu)原理,1、變頻器的分類：,交～交型:將頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可

20、調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變換率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄。主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。又稱直接式變頻器。交～直～交型:先將頻率固定的交流電整流后變成直流，在經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍上就有明顯優(yōu)勢。又稱為間接性變頻器。,三、變頻器的結(jié)構(gòu)原理,電壓型－整流后靠電容來濾波?，F(xiàn)在使用的大都為電壓型。電流型－整流后靠電感來

21、濾波。脈幅調(diào)制（PAM） － 輸出電壓大小通過改變直流電壓來實現(xiàn)。脈寬調(diào)制（PWM）－輸出電壓大小通過改變輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)。脈寬調(diào)制波（PWM波）將一個正弦波電壓分為N等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，脈沖的寬度與正弦波的大小成正比，這樣就得到寬度不等的脈沖列，簡稱為PWM波。,三、變頻器的結(jié)構(gòu)原理,按用途分類：專用，通用 專用變頻器 ：針對某一種（類）特定的控制對象而設(shè)

22、計的，如風(fēng)機、水泵用變頻器、電梯及起重機械用變頻器、中頻變頻器等。 通用變頻器： 是數(shù)量最多，應(yīng)用最廣泛的一種，也是我們講解的主要品種。而大容量變頻器主要用于冶金工業(yè)的一些低速場合。,三、變頻器的結(jié)構(gòu)原理,2、變頻器的組成（交～直～交型）,如下圖：,三、變頻器的結(jié)構(gòu)原理,a、主電路結(jié)構(gòu)該電路是現(xiàn)在通用的低壓變頻器主電路圖。不管什么品牌的變頻器，其主電路結(jié)構(gòu)基本如此。因為：整流電路和逆變電路是兩個標(biāo)準(zhǔn)模塊，沒有變化的空間。