變頻器技術(shù)與應(yīng)用 教學課件 作者 薛曉明 模塊一二

1、Changzhou college of information technology software institute/institute comp,變頻器技術(shù)與應(yīng)用 The Technology of frequency converter and application,常州信息職業(yè)技術(shù)學院軟件、計算機系,學習方法,? 聽課 （啟發(fā)式、研討式）? 讀書 （課前預習、課后復習）? 作業(yè) （課后練習）,內(nèi)容介

2、紹,模塊1：概述模塊2：變頻器的工作原理模塊3：變頻器的基本知識模塊4： PLC與變頻器組成的調(diào)速電路模塊5： 變頻器選模塊6： 變頻器在工業(yè)上的應(yīng)用,,變頻器技術(shù)與應(yīng)用The Technology of frequency converter and application模塊1 概述,模塊1 概述,專題1.1 變頻器技術(shù)的發(fā)展專題1.2 變頻器的分類專題1.3 變頻器應(yīng)用,概述變頻

3、器就是利用電力半導體器件的通斷作用將固定電壓、頻率的交流電變換為頻率、電壓都連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置，主要用于對異步電動機的調(diào)速控制，它與電動機之間連接框圖如圖1-1所示。,圖1-1 變頻器與電動機的連接框圖,,專題1.1 變頻器技術(shù)的發(fā)展,1.1.1變頻器技術(shù)發(fā)展的歷程 1.1.2變頻器技術(shù)發(fā)展的趨勢,1.1.1變頻器技術(shù)發(fā)展的歷程,變頻調(diào)速被認為是一種理想的交流調(diào)速方法。但如何得到一個單獨向異步電動機供電的經(jīng)濟可靠的變頻

4、電源一直是交流變頻調(diào)速的主要課題。20世紀60年代中期，隨著普通晶閘管、小功率管的實用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置，它是將三相的工頻電源經(jīng)變換后，得到頻率可調(diào)的交流電，這個時期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價高，大多是為特定的控制對象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也不完善，調(diào)速后電動機的靜、動態(tài)性能還有待提高，特別是低速性能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。,,20世紀70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展

5、，變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進步，開始出現(xiàn)了通用變頻器。它功能豐富，可以適用于不同的負載和場合，特別是進入20世紀90年代，隨著半導體開關(guān)器件IGBT、矢量控制技術(shù) 成熟，微機控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動機的靜、動態(tài)特性已經(jīng)可以和直流調(diào)速相媲美。隨著變頻器的專用大規(guī)模集成電路、半導體開關(guān)器件、傳感器的性能越來越高，進一步提高變頻器的性能和功能已稱為可能?，F(xiàn)在的變頻器功能很多，操作也很方便，其壽命和可靠性也較以前有了

6、很大進步。,1.1.2變頻器技術(shù)發(fā)展的趨勢,在現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟生活中，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻器作為高新技術(shù)、節(jié)能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。變頻器技術(shù)是強弱電混合、機電一體化的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變）問題，同時又要處理信息的收集、變換和傳輸問題。在巨大電能轉(zhuǎn)換的功率部分要解決高電壓、大電流的技術(shù)問題及新型電力電子器件的應(yīng)用問題，而在信息的收集、變換和傳輸?shù)目刂撇糠?，則主要解決控制的

7、硬件、軟件問題。,目前變頻器技術(shù)主要發(fā)展方向為： 1、高水平的控制微處理器的進步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向。各種控制規(guī)律軟件化的實施，大規(guī)模集成電路微處理器的出現(xiàn)，基于電動機、機械模型、現(xiàn)代控制理論和智能控制思想等控制策略的矢量控制、磁場控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等高水平技術(shù)的應(yīng)用，使變頻控制進入了一個嶄新的階段。2、網(wǎng)絡(luò)智能化智能化的變頻器安裝到系統(tǒng)后，不必進行那么多的功能設(shè)定，就可以方便地操作使用，有明顯的工作狀態(tài)顯示

8、，而且能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷與故障排除，甚至可以進行部件自動轉(zhuǎn)換。利用互聯(lián)網(wǎng)可以遙控監(jiān)視，實現(xiàn)多臺變頻器按工藝程序聯(lián)動，形成最優(yōu)化的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。,3、結(jié)構(gòu)小型化緊湊型的變頻系統(tǒng)要求功率和控制元件具有很高的集成度。主電路中功率電路的模塊化、控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制技術(shù)，均促進了變頻裝置結(jié)構(gòu)小型化。4、高集成化提高集成電路技術(shù)及采用表面貼片技術(shù)，使裝置的容量體積比得到進一步提高。5、專門化根據(jù)某一類負載的特性、

9、有針對性地制造專門化的變頻器，這不但利于對負載的電動機進行經(jīng)濟有效的控制，而且可以降低制造成本。例如：風機、水泵專用變頻器、起重機械專用變頻器、電梯控制專用變頻器、張力控制專用變頻器和空調(diào)專用變頻器。6、開發(fā)清潔電能的變頻器隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對環(huán)境問題的重視，不斷減少變頻器對環(huán)境的影響已經(jīng)是大勢所趨。盡可能降低網(wǎng)側(cè)和負載的諧波分量，減少對電網(wǎng)的公害和電動機轉(zhuǎn)矩的脈動，實現(xiàn)清潔電能變換。 總之，變頻器技術(shù)的發(fā)展

10、趨勢是朝著智能、操作簡便、功能健全、安全可靠、環(huán)保低噪、低成本和小型化的方向發(fā)展。,專題1.2變頻器的分類,變頻器的種類很多，下面根據(jù)不同的分類方法對變頻器進行簡單介紹。 1.2.1、 按變頻器的電路組成分類1.2.2、按變頻器的控制方式分類1.2.3、按變頻器的用途分類,1.2.1、 按變頻器的電路組成分類從變頻器的電路組成來看，變頻器可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。,1. 交-交變頻器它是將頻率固定的交流電源直

11、接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，所采用的器件多，其應(yīng)用收到很大限制。,2、交-直-交變頻器先將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(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，以及變頻后電動機特性改善等方面，都具有明顯優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均屬于交-直-交變頻器。其組成方框圖如圖1-2所示。圖1-2

12、 交-直-交變頻器主電路方框圖,,根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲能方式來分，交-直-交變頻器又可分為電壓型和電流型兩種。1）電壓型整流后若是靠電容來濾波，這種交-直-交變頻器稱為電壓型變頻器，而現(xiàn)在使用的變頻器大部分為電壓型。2）電流型整流后若是靠電感來濾波，這種交-直-交變頻器稱為電流型變頻器，這種型式的變頻器較為少見。,根據(jù)調(diào)壓方式的不同，交-直-交變頻器又可分為脈幅調(diào)制（PAM）和脈寬調(diào)制（PWM）兩種。3）脈幅調(diào)制（PAM）變頻器

13、輸出電壓的大小是通過改變直流電壓（UD）來實現(xiàn)的，這種方法現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。4）脈寬調(diào)制（PWM）變頻器輸出電壓的大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)的。目前使用最多的是占空比按正弦規(guī)律變化的正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM方式。,1.2.2按變頻器的控制方式分類,按不同的控制方式，變頻器可分為U/f控制、矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制三種類型。1、變頻變壓控制（U/f）U/f控制即壓頻比控制。它的基本特點是對變頻器輸出的電壓和頻率同

14、時進行控制，通過保持U/f恒定使電動機獲得所需的轉(zhuǎn)矩特性。這種方式控制成本低，多用于精度要求不高的通用變頻器。,2、矢量控制（VC）根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學模型，利用坐標變換的手段，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并加以分別控制，即模仿直流電動機的控制方式對電動機的磁場和轉(zhuǎn)矩分別進行控制，必須同時控制電動機定子電流的幅值和相位，也可以說控制電流矢量，故這種控制方式被稱為矢量控制（VC）。交流電動機可獲得類似于直

15、流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能。矢量控制方式使異步電動機的高性能稱為可能。矢量變頻器不僅在調(diào)速范圍上可與直流電動機相媲美，而且可以直接控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的變化，所以已經(jīng)在許多需要精密或快速控制的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3、直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制通過控制電動機的瞬時輸入電壓來控制電動機定子磁鏈的瞬時旋轉(zhuǎn)速度，改變它對轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)差率，從而達到直接控制電動機輸出的目的。,1.2.3按變頻器的用途分類,對于用戶來說，最為關(guān)心的是變頻器得到用途。根據(jù)用

16、途的不同變頻器可分為通用變頻器和專用變頻器。,1、通用變頻器通用變頻器是變頻器家族中，數(shù)量最多，應(yīng)用最為廣泛的一種。顧名思義，通用變頻器的特點是通用性。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和市場需求的不斷擴大，通用變頻器也在朝著兩個方向發(fā)展：一是以節(jié)能為主要目的而簡化了一些系統(tǒng)功能的低成本簡易型通用變頻器，它主要應(yīng)用于水泵、風扇、鼓風機等對于系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高的場合，并具有體積小、價格低等方面的優(yōu)勢；二是在設(shè)計過程中充分考慮了應(yīng)用中各種需要的高性能多

17、功能通用變頻器，在使用時，用戶可以根據(jù)負載的特性選擇算法對變頻器的各種參數(shù)進行設(shè)定，也可以根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇廠家所提供的各種備用選件來滿足系統(tǒng)的特殊需要。高性能的多功能通用變頻器除了可以應(yīng)用于簡易型變頻器的所有應(yīng)用領(lǐng)域外，還可以廣泛應(yīng)用于電梯、數(shù)控機床、電動車輛等對調(diào)速系統(tǒng)的性能有較高要求的場合。過去，通用變頻器基本上采用的是電路結(jié)構(gòu)比較簡單的U/f控制方式，與矢量控制（VC）方式相比，在轉(zhuǎn)矩控制性能方面要差一些。但是，隨著變頻技術(shù)的

18、發(fā)展，目前一些廠家已經(jīng)推出采用VC的通用變頻器，以適應(yīng)競爭日趨激烈的變頻器市場的需求。這種多功能通用變頻器可以根據(jù)用戶需要切換為“U/f控制運行”或“VC運行”運行，但價格方面卻與U/f方式的通用變頻器持平。因此，隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，今后變頻器的性價比將不斷提高。,2、 專用變頻器1）高性能專用變頻器隨著控制理論、交流調(diào)速理論和電力電子的發(fā)展，異步電動機的矢量控制（VC）得到發(fā)展，矢量控制變頻器及其專用電動機構(gòu)成的交

19、流伺服系統(tǒng)已經(jīng)達到并超過了直流伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動機還具有適應(yīng)環(huán)境強、維護簡單等許多直流伺服所不具備的優(yōu)點，在要求高速、高精度的控制中，這種高性能交流伺服變頻器正在逐步代替直流伺服系統(tǒng)。2）高頻變頻器在超緊密機械加工中常采用高速電動機。為了滿足其驅(qū)動要求的需要、出現(xiàn)了采用PAM控制的高頻變頻器，其輸出主頻高達3KHz，驅(qū)動兩極異步電動機時的最高轉(zhuǎn)速為18000r/min。3）高壓變頻器高壓變頻器一般是大容量的變頻器，最高

20、功率可達5000KW，電壓等級為3KV、6KV、10KV。,專題1.3變頻器的應(yīng)用,變頻調(diào)速已被國內(nèi)外公認為最理想、最有發(fā)展前途的調(diào)速方式之一，它的應(yīng)用主要在以下幾個方面。1.3.1、變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用1.3.2、變頻器在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用1.3.3、變頻器在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用,1.3.1、變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用,風機、泵類負載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率可達到20％～60％，這是因為風機、泵類負載的實際消耗功率基本

21、與轉(zhuǎn)速的3次方成比例。當用戶需要的平均流量較小時，風機、泵類采用變頻調(diào)速使其轉(zhuǎn)速降低，節(jié)能效果非?？捎^。而傳統(tǒng)的風機、泵類采用擋板和閥門進行流量調(diào)節(jié)，電動機轉(zhuǎn)速基本不變，耗電功率變化不大。據(jù)統(tǒng)計，風機、泵類電動機用電量占全國用電量的31%，占工業(yè)用電量的50%。在此類負載上使用變頻調(diào)速裝置具有非常重要的意義。以節(jié)能為目的的變頻器的應(yīng)用，在最近幾十年來發(fā)展非常迅速，據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，我國已經(jīng)進行變頻改造的風機、泵類負載的容量占總?cè)萘康?％以

22、上，年節(jié)電約4×1010kW.h。由于風機、泵類負載在采用變頻調(diào)速后可以節(jié)省大量的電能，所需的投資在較短的時間內(nèi)就可以收回，因此在這一領(lǐng)域的應(yīng)用最廣泛。目前，應(yīng)用較成功的有恒壓供水、各類風機、中央空調(diào)和液壓泵的變頻調(diào)速，如圖1－3、圖1－4、圖1－5所示。,圖1－3 變頻器在風機上的應(yīng)用圖1－4 變頻器在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用,,圖1－5 變頻器在恒壓、恒液位供水系統(tǒng)的應(yīng)用,1.3.2、變頻器在自動化系統(tǒng)中的

23、應(yīng)用,由于控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器除了具有基本的調(diào)速控制之外，更具有了多種算術(shù)運算和智能控制功能，輸出頻率精度高達0．1％～0．01％。它還設(shè)置有完善的檢測、保護環(huán)節(jié)，因此在自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計量、導絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機；電弧爐自動加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制系統(tǒng)等，如圖1－6所示。,圖1－6變頻器在注塑機上的應(yīng)用,1.3.3、變頻器在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方

24、面的應(yīng)用,變頻器還廣泛地應(yīng)用于傳送、起重、擠壓和機床等各種機械設(shè)備的控制領(lǐng)域，它可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減少設(shè)備沖擊和噪聲，延長設(shè)備使用壽命。采用變頻調(diào)速控制后，可以使機械設(shè)備簡化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高整個設(shè)備的功能，如圖1－7、圖1－8是變頻器在生產(chǎn)線上的應(yīng)用。,圖1－7 變頻器在陶瓷生產(chǎn)線上應(yīng)用,,,圖1－8 變頻器在保溫棉生產(chǎn)線上的應(yīng)用,思考與練習,1、什么是變頻器？變頻器的作用是什么？

25、2、變頻器的發(fā)展趨勢是什么？3、按照用途變頻器有哪些種類？其中電壓型變頻器和電流型變頻器的只要區(qū)別在哪里？4、簡述變頻器的主要應(yīng)用場合。,模塊二 變頻器的工作原理,現(xiàn)在使用的變頻器主電路大多數(shù)為交-直-交電壓型變頻器，它整流器、中間電路和逆變器組成，而對逆變器的控制主要采用V/f控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種方式。變頻器的組成方框圖如圖2-1所示。圖2-1 變頻器的組成方框圖 專題2.1變頻器的主電路專題

26、2.2 變頻器的控制方式,,專題2.1變頻器的主電路,2.1.1、整流器（交-直）2.1.2、中間電路2.1.3、逆變器（直-交）,交-直-交電壓型變頻器典型主電路如圖2-2所示。圖2-2 交-直-交電壓型變頻器典型主電路,2.1.1、整流器（交-直）,圖中的整流器由VD1～VD6組成三相整流橋，它們將三相380V工頻交流電整流成直流，其整流前后的波形如圖2-3所示。從圖中可以看出，整流后的波形是一個脈動

27、的波形。圖2-3 三相橋式整流器的電壓波形（a）三相交流電壓波形 (b)輸出電壓波形,設(shè)電源的線電壓有效值為UL，那么三相全波整流后的平均直流電壓UD大小是：整流管VD1～VD6通常采用可以承受高電壓大電流具有較大耗散功率的電力二極管，其外形如圖2-4所示。圖2-4 電力二極管的外形（a）螺旋式二極管 (b)平板式二極管,2.1.2、中間電路,中間電路包括濾波電路、限流電路和制動電

28、路三部分。1、濾波電路整流電路輸出的整流電壓是脈動的直流電壓，必須加以濾波。圖中的濾波電容CF的主要作用就是對整流電壓進行濾波，另外，它在整流器與逆變器之間起去藕作用，以消除相互干擾。值得指出的是CF是一個大容量電容器，這樣可使加于負載上的電壓值不受負載變動的影響，基本保持恒定，通常稱這樣的變頻器為電壓型變頻器，電壓型變頻器逆變電壓波形為方波，而電流的波形經(jīng)電動機繞組感性負載濾波后接近于正弦波，如圖2-5所示。如果將濾波電路的元件改

29、為電感，如圖2-6所示，這樣可使加于逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流基本不受負載影響，通常稱這樣的變頻器為電流型變頻器，電流型變頻器逆變電流波形為方波，而電壓的波形經(jīng)電動機繞組感性負載的濾波后接近于正弦波，如圖2-7所示。,圖2-5 電壓型變頻器輸出電壓及電流波形,,圖2-6 電流型變頻器的電路框圖,,,圖2-7 電流型變頻器輸出電壓及電流波形,2、限流電路在電壓型變頻器的二極管整流電路中，由于在接通電源時，濾波電容CF的充

30、電電流很大，該電流過大時能使三相整流橋損壞，還可能形成對電網(wǎng)的干擾，影響同一電源系統(tǒng)的其他裝置正常工作。為了限制濾波電容CF的充電電流，在變頻器開始接通電源的一段時間內(nèi)，電路串入限流電阻RL，當濾波電容CF充電到一定程度時將SL閉合，將RL短接。3、制動電路制動電路包括制動電阻RB和制動控制管VB1）制動電阻RB。電動機在降速時處于再生制動狀態(tài)，回饋到直流電路中的能量將使電壓UD不斷上升，可能導致危險。因此需要將這部分能量消耗掉，

31、使UD保持在允許的范圍內(nèi)，制動電阻RB就是用來消耗這部分能量的。2）制動控制管VB。制動控制管一般由功率晶體管GTR（或IGBT）及其驅(qū)動電路構(gòu)成，其作用是控制流經(jīng)RB的放電電流。,2.1.3、逆變器（直-交）,1、電路組成逆變器的基本作用是將直流變成交流，是變頻器的核心部分。它一般由逆變橋、續(xù)流電路和緩沖電路組成。,（1）逆變橋圖2-2中，由V1～V6組成三相逆變橋，V1～V6工作在開關(guān)狀態(tài)，V1～V6導通時相當于開關(guān)接通，V1

32、～V6截止時相當于開關(guān)斷開。V1～V6交替通斷，將整流后的直流電壓變成交流電壓。目前，常用的逆變管有可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和智能功率模塊（IPM）等，它們的電氣圖形符號如圖2-8所示。圖2-8 常用逆變管的電氣圖形符號(a) GTO (b) MOSFET (c)IGBT,各自的特點如下：可關(guān)斷晶閘管（GTO）的優(yōu)點是電壓、電流容量較大，目前

33、其電壓可達到6000V，電流可達到6000A，多應(yīng)用于大功率高壓變頻器；其缺點是驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜；關(guān)斷控制易失敗，工作頻率不夠高，一般在10KHz以下。電力場效應(yīng)管（MOSFET）屬于電壓驅(qū)動型器件，輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單；開關(guān)速度快，開關(guān)頻率可達500KHz以上。MOSFET的缺點是電流容量小，耐壓低。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的輸出特性好，開關(guān)速度快，工作頻率高，一般可達20KHz以上，通態(tài)壓降比MOSF

34、ET低，輸入阻抗高，耐壓、耐流能力比MOSFET高，最大電流可達1800A，最高電壓可達4500V。目前在中小容量變頻器電路中，IGBT的應(yīng)用處于絕對優(yōu)勢。智能功率模塊（IPM）是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護電路、檢測電路集成在同一個模塊內(nèi)。這種功率集成模塊特別適應(yīng)逆變器高頻化發(fā)展方向的需要，而且由于高度集成化，結(jié)構(gòu)緊湊，避免了由于分布參數(shù)、保護延遲所帶來的一系列技術(shù)難題。目前IPM一般采用IGBT作為功率開關(guān)器件，構(gòu)成一相或三相

35、逆變器的專用功能模塊，在中小容量變頻器中廣泛應(yīng)用。,（2）續(xù)流電路續(xù)流電路由反向并聯(lián)在六個逆變管的六個續(xù)流二極管VD7～VD12組成。續(xù)流二極管主要有以下功能：1）由于電動機是一種感性負載，在導通的橋臂開關(guān)管關(guān)斷時，電流不可能降為零，此時由與其并聯(lián)的二極管進行續(xù)流，將其能量返回直流電源。2）當電機降速時，電動機處于再生制動狀態(tài)，VD7～VD12為再生電流返回直流電源提供通道。（3）緩沖電路緩沖電路由R01～R06，VD01～V

36、D06, C01～C06組成。當逆變管V1～V6每次由導通狀態(tài)切換至截止狀態(tài)的關(guān)斷瞬間，集電極和發(fā)射極（即C、E）之間的電壓UCE很快地由0V升至直流電壓UD，這過高的電壓增長率會導致逆變管損壞。C01～C06的作用就是減少電壓增長率。當逆變管V1～V6每次由截止狀態(tài)切換到導通狀態(tài)的瞬間，C01～C06上所充的電壓將向V1～V6放電。該放電電流的初始值是很大的，R01～R06的作用就是減小C01～C06的放電電流。而VD01～VD06接

37、入后，在V1～V6的關(guān)斷過程中，使R01～R06不起作用。而在V1～V6的接通過程中，又迫使C01～C06的放電電流流經(jīng)R01～R06。,2、逆變原理電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式是1800導通方式，即每個橋臂的導電角度為1800，同一組上下兩個橋臂的2個逆變管交替導電，6個逆變管每隔600觸發(fā)導通一次，相鄰兩相的逆變管觸發(fā)導通時間互差1200，一個周期共換相6次，對應(yīng)6個不同的工作狀態(tài),逆變器輸出的電壓波形如圖2-9所示。圖中

38、N為電動機的中心點。 從上述分析可以看出，通過6個開關(guān)的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過調(diào)節(jié)UD的大小來實現(xiàn)。,圖2-9 1800導電型三相逆變器的輸出電壓波形,專題2.2 變頻器的控制方式,2.2.1、變頻變壓（U/f）控制2.2.2、矢量控制（VC）2.2.3、直接轉(zhuǎn)矩控制,2.2.1、變頻變壓（U/f）控制,前已述及，改變逆變管的通斷速度就可改變

39、變頻器輸出交流電的頻率，其中輸出交流電的幅值等于整流后的直流電壓。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，異步電動機調(diào)速時僅僅改變變頻器輸出的交流電頻率，并不能正常調(diào)速，還必須同步改變變頻器的交流輸出電壓。這是為什么呢？,1、變頻對異步電動機定子繞組反電動勢的影響,由《電機學》中的相關(guān)知識可知，異步電動機的軸轉(zhuǎn)速為 （2-1）式中

40、 電動機的轉(zhuǎn)速（r/min）； 定子供電頻率（Hz）； 異步電動機的轉(zhuǎn)差率； 磁極對數(shù)。由公式2-1可知，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電動機的供電頻率 ，就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運行。異步電動機在調(diào)速時，電機的每相定子繞組的感應(yīng)電動勢E的有效值為 （2-2）式中， 旋轉(zhuǎn)磁場切割定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)

41、電動勢（V）； 定子供電頻率（Hz）； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 與繞組有關(guān)的結(jié)構(gòu)常數(shù)； 每極磁通量（Wb）。,,,,,,,,,,,,,由式（2-2）可知，如果定子每相電動勢 的有效值不變，改變定子供電頻率時會出現(xiàn)下面兩種情況：如果 大于電動機的額定頻率 ，氣隙磁通 就會小于額定氣隙磁通 ，結(jié)果電動機的鉄心沒有得到充分利用，造成浪費

42、。如果 小于電動機的額定頻率 。氣隙磁通 就會大于額定氣隙磁通 ，結(jié)果電動機的鉄心產(chǎn)生過飽和，從而導致過大的勵磁電流，使電動機功率因素、效率下降，嚴重時會因繞組過熱燒壞電動機。由此可見變頻調(diào)速時，單純調(diào)節(jié)頻率的辦法是行不通的。因此，要實現(xiàn)變頻調(diào)速，且在不損壞電動機的情況下充分利用電機鐵心，應(yīng)保持每極磁通 不變。,,,,,,,,,,,2、額定頻率以下的調(diào)速由式（2-2）可知，要保持氣隙磁通 不變，

43、當頻率 從額定頻率 向下調(diào)時，必須降低E，使E/f=常數(shù)，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。但繞組中的感應(yīng)電動勢不易直接控制，當電動勢的值較高時，可以認為電機的輸入電壓U=E,即可通過控制U達到控制E的目的，即保持 （2-3）通過以上分析可知，在額定頻率以下調(diào)速時（f<fN），調(diào)頻的同時也要調(diào)壓。在恒壓頻比條件下改變頻率時，異步

44、電動機的機械特性基本上是平行下移的，不同的運行速度，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩恒定，如圖2-10所示。因此，額定頻率以下的調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩”調(diào)速。,,,,,,,需要注意的是，當頻率較低，即電機低速時，U和E都較小，電機定子繞組上的壓降不能忽略。這種情況下，可以人為地提高定子電壓以補償定子壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。如圖2-11恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速部分所示，其中曲線1為U/f=常數(shù)時電壓、頻率關(guān)系曲線，曲線2為有電壓補償時（近似的E/f=常數(shù)）的電壓

45、、頻率關(guān)系。,,,（2）額定頻率以上的調(diào)速當電動機超過額定頻率 工作時，由于電壓U受其額定電壓 的限制不能再升高，只能保持 不變。必然使主磁通 隨著 的上升而減小，電機的最大電磁轉(zhuǎn)矩也減小，機械特性上移，但電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積即電機的輸出功率卻保持不變，如圖2-10恒功率調(diào)速部分所示。因此，額定頻率以下的調(diào)速屬于“恒功率”調(diào)速。 把額定頻率以下的調(diào)速和額定頻率以上的調(diào)速結(jié)合起來，可

46、得到變頻器的基本控制曲線如圖2-12所示。,,,,,,2、變頻變壓的實現(xiàn)方法1）SPWM的概念要使變頻器在頻率變化的同時，電壓也同步變化，并且保持U/f=常數(shù)，通常采用正弦脈寬調(diào)制的方法（Sinusoidal Pulse Width Modulation）簡稱SPWM方式。脈寬調(diào)制PWM的指導思想是將輸出電壓分解成很多脈沖，調(diào)頻時控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時間就可控制輸出電壓的幅值，如圖2-13所示。從圖中可以看到，脈沖的寬度

47、t1越大，脈沖的間隔t2越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明t1、t2和電壓平均值之間的關(guān)系，我們引入了占空比的概念。所謂占空比是指脈沖寬度與一個脈沖周期的比值，用D表示，即由此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以叫脈寬調(diào)制。在圖2-13a中為調(diào)制前的波形，電壓周期為TN，圖2-13b為調(diào)制后的波形，電壓周期為Tx。與圖2-13a相比，圖2-13b的電壓周期變大（也就是說頻率降低）

48、，電壓脈沖的幅值不變，而占空比則減小，故平均電壓降低。,,由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化，因此在一個周期內(nèi)的占空比也必須是變化的．也就是說在正弦波的幅值部分，D取大一些，在正弦波到達零處，D取小一些，如圖2-14所示。,可以看到這種脈寬調(diào)制，其占空比是按正弦規(guī)律變化的，因此這種調(diào)制方法被稱作正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM。在SPWM的脈沖系列中，各脈沖的度t1和脈沖間隔t2都是變化的。

49、 那么變頻器的正弦脈寬調(diào)制SPWM是如何產(chǎn)生的呢？通常是利用三個互差1200既變幅又變頻的正弦波參考電壓波Uru、Urv、Urw與載頻三角波uc互相比較后，得到三相幅值不變而寬度按照正弦規(guī)律變化的脈沖調(diào)制波，去控制逆變管的通斷時間進行調(diào)壓、調(diào)頻，經(jīng)過SPWM調(diào)制的變頻器U、V、W三個端子輸出的電壓波形Uu、Uv、Uw如圖2-15所示圖2-15 變頻器U、V、W三個端子輸出的電壓波形,二、

50、矢量控制（VC）矢量控制是通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及相位，用以維持電動機內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。它是從直流電動機的調(diào)速方法得到啟發(fā)，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)解決了大量的計算問題，從而使得矢量控制方式得到了成功的實施，成為高性能的異步電動機控制方式。1、矢量控制的理論基礎(chǔ)異步電動機的矢量控制是建立在動態(tài)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上的。數(shù)學模型的推導是一個專門性的問題，這里不再做數(shù)學推導，僅就矢量控制的概念做簡要的說明。,2.2.

51、2、矢量控制（VC）,矢量控制是通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及相位，用以維持電動機內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。它是從直流電動機的調(diào)速方法得到啟發(fā)，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)解決了大量的計算問題，從而使得矢量控制方式得到了成功的實施，成為高性能的異步電動機控制方式。1、矢量控制的理論基礎(chǔ)異步電動機的矢量控制是建立在動態(tài)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上的。數(shù)學模型的推導是一個專門性的問題，這里不再做數(shù)學推導，僅就矢量控制的概念做簡要的說明。,（1

52、）直流電動機的調(diào)速特征直流電動機具有兩套繞組，即勵磁繞組和電樞繞組，它們的磁場在空間上互差π／2電角度，兩套繞組在電路上是互相獨立的。直流電動機的勵磁繞組流過電流IF時產(chǎn)生主磁通ФM，電樞繞組流過負載電流IA，產(chǎn)生的磁場為ФA，兩磁場在空間互差π／2電角度。直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可以用下式表示： (2—4)當勵磁電流IF恒定時，Ф

53、M的大小不變。直流電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T和電樞電流IA成正比，因此調(diào)節(jié) (調(diào)節(jié)中ФA)就可以調(diào)速。而當IA一定時，控制IF的大小，可以調(diào)節(jié)ФM，也就可以調(diào)速。這就是說，只需要調(diào)節(jié)兩個磁場中的一個就可以對直流電動機調(diào)速。這種調(diào)速方法使直流電動機具有良好的控制性能。,（2）異步電動機的調(diào)速特征異步電動機雖然也有兩套繞組，即定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，但只有定子繞組和外部電源相接，定子電流是從電源吸取的電流，轉(zhuǎn)子電流是通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流

54、。因此異步電動機的定子電流應(yīng)包括兩個分量，即勵磁分量和負載分量。勵磁分量用于建立磁場；負載分量用于平衡轉(zhuǎn)子電流磁場。,（3）直流電動機與交流電動機的比較 1）直流電動機的勵磁回路、電樞回路相互獨立，而異步電動機將兩者都集中于定子回路。 2）直流電動機的主磁場和電樞磁場互差π／2。 3）直流電動機是通過獨立地調(diào)節(jié)兩個磁場中的一個來進行調(diào)速的，而異步電動機則做不到。 （4）對異步電動機調(diào)速的思考 既然直流電動機的

55、調(diào)速有那么多的優(yōu)勢，調(diào)速后電動機的性能又很優(yōu)良，那么能否將異步電動機的定子電流分解成勵磁電流和負載電流，并分別進行控制，而它們所形成的磁場在空間上也能互差π／2 ？如果能實現(xiàn)上述設(shè)想，異步電動機的調(diào)速就可以和直流電動機相差無幾了。,2、矢量控制中的等效變換,異步電動機的定子電流實際上就是電源電流，將三相對稱電流通入異步電動機的定子繞組中，就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場就是主磁場ФM，設(shè)想一下，如果將直流電流通入某種形式的繞組中，也能產(chǎn)生

56、和上述旋轉(zhuǎn)磁場一樣的ФM，就可以通過控制直流電流實現(xiàn)先前所說的調(diào)速設(shè)想。,（1）坐標變換的概念 由三相異步電動機的數(shù)學模型可知，研究其特性并控制運行時，若用兩相就比三相簡單，如果能用直流控制就比交流控制更方便。為了對三相系統(tǒng)進行簡化，就必須對電動機的參考坐標系進行變換，這就稱為坐標變換。在研究矢量控制時，定義有三種坐標系，即三相靜止坐標系（3 s）、兩相靜止坐標系（2s）和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系（2r）。,眾所周知，交流電動機三相對稱

57、的靜止繞組A、B、C通人三相平衡的正弦電流iA、iB、iC時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦分布，并以同步轉(zhuǎn)速ω1按A、B、C相序旋轉(zhuǎn)，其等效模型如圖2—16a所示。圖2—16b則給出了兩相靜止繞組α和β，它們在空間互差900，再通以時問上互差900的兩相平衡交流電流，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，與三相等效 圖2—17c則給出兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組M和T，在其中分別通以直流電流iM和iT，在空間產(chǎn)生合成磁動勢F。如果讓

58、包含兩個繞組在內(nèi)的鐵芯(圖中以圓表示)以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，則磁動勢F也隨之旋轉(zhuǎn)成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。如果能把這個旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速也控制成A、B、C和α與β坐標系中的磁動勢一樣，那么，這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和這兩套交流繞組等效了。當觀察者站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，會看到M和T是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組，如果使磁通矢量Ф的方向在M軸上，就和一臺直流電動機模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別。可以認為：繞組M相當于直流電動機的勵磁繞組，T相當于電樞

59、繞組。,,,(2)三相／二相(3s／2 s)變換三相靜止坐標系A(chǔ)、B、C和兩相靜止坐標系α和β之間的變換，稱為3s／2s變換。變換原則是保持變換前的功率不變。設(shè)三相對稱繞組(各相匝數(shù)相等、電阻相同、互差1200空間角)內(nèi)通入三相對稱電流iA、iB、iC形成定子磁動勢，用F3表示，如圖2-17a所示。兩相對稱繞組(匝數(shù)相等、電阻相同、互差900空間角)內(nèi)通人兩相電流后產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁動勢，用F2表示，如圖2-17b所示。適當選擇和改變兩

60、套繞組的匝數(shù)和電流，即可使F3和F2的幅值相等。若將這兩種繞組產(chǎn)生的磁動勢置于同一圖中比較，并使Fa與FA重合，如圖2-17c所示，完成三相／二相(3s／2s)變換。,（3）二相／二相(2s／2r)旋轉(zhuǎn)變換 二相／二相旋轉(zhuǎn)變換又稱為矢量旋轉(zhuǎn)變換。因為α和β繞組在靜止的直角坐標系(2s)上，而M、T繞組則在旋轉(zhuǎn)的直角坐標系(2r)上，所以變換的運算功能由矢量旋轉(zhuǎn)變換來完成。圖2-18為旋轉(zhuǎn)變換矢量圖。 圖2-18中，

61、靜止坐標系的兩相交流電流iα、iβ和旋轉(zhuǎn)坐標系的兩相直流電流iM、iT均合成為i1，產(chǎn)生以ω1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁動勢F1。由于F1∝i1，故在圖上亦用i1代替F1。圖中的iα、iβ、iM、iT實際上是磁動勢的空間矢量，而不是電流的時間相量。設(shè)磁通矢量為Ф，并定向于M軸上，Ф和α軸的夾角為φ，φ是隨時間變化的，這就表示i1的分量iα、iβ長短也隨時間變化，但i1（F1）和Ф之間的夾角θ1是表示空間的相位角。穩(wěn)態(tài)運行時θ1不變因此，iM、iT大小

62、不變，說明M、T繞組只是產(chǎn)生直流磁動勢。,3、變頻器矢量控制的基本方法,如圖2—16所示三種繞組所形成的旋轉(zhuǎn)磁場中，旋轉(zhuǎn)的直流繞組磁場無論是在繞組的結(jié)構(gòu)上，還是在控制的方式上都和直流電動機最相似?？梢栽O(shè)想有兩個相互垂直的直流繞組同處一個旋轉(zhuǎn)體上，通人的是直流電流iM*和iT*，其中iM*為勵磁電流分量，iT*為轉(zhuǎn)矩電流分量。它們都是由變頻器的給定信號分解而來的(*表示變頻中的控制信號)。經(jīng)過直／交變換，將iM*和iT*變換成兩相交流信號

63、iα*和iβ*，再經(jīng)二相／三相變換，得到三相交流控制信號iA*、iB*、iC*，去控制三相逆變器，如圖2-19所示。,因此控制iM*和iT*中的任意一個，就可以控制iA*、iB*、iC*，也就控制了變頻器的交流輸出。通過以上變換，成功地將交流電動機的調(diào)速轉(zhuǎn)化成控制兩個電流量iM*和iT*，從而更接近直流電動機的調(diào)速。 圖2-19中所示反饋信號一般有電流反饋信號和速度反饋信號兩種，電流反饋用于反映負載的狀態(tài)，使電流能隨負載而變化。

64、速度反饋反映出拖動系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異，從而以最快的速度進行校正，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。一般的矢量控制系統(tǒng)均需速度傳感器，然而速度傳感器會使整個傳動系統(tǒng)最不可靠，安裝也很麻煩，因此現(xiàn)代的變頻器又推廣使用無速度傳感器矢量控制技術(shù)，它的速度反饋信號不是來自于速度傳感器，而是通過CPU對電動機的一些參數(shù)進行計算得到的一個轉(zhuǎn)速的實在值。對于很多新系列的變頻器都設(shè)置了“無反饋矢量控制”這一功能，這里“無反饋”，是指不需要用戶在變頻器的

65、外部再加其他的反饋環(huán)節(jié)，而矢量控制時變頻器內(nèi)部還是存在反饋的。,三、直接轉(zhuǎn)矩控制,1、直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制之后發(fā)展起來的另一種高性能的異步電動機控制方式，該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡清明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展．直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想是在準確觀測定子磁鏈的空間位置和大小并保持其幅值基本恒定以及準確計算負載轉(zhuǎn)矩的條件下，通過控制電動機的瞬時輸入電壓來控

66、制電動機定子磁鏈的瞬時旋轉(zhuǎn)速度，改變它對轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)差率，從而達到直接控制電動機輸出的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，剛而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。,2、直接轉(zhuǎn)矩控制的特點及應(yīng)用不同于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制具有魯棒性強、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)好、控制結(jié)構(gòu)簡單、計算簡便等

67、優(yōu)點；它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感等問題，然而作為一種誕生不久的新理論、新技術(shù)，自然有其不完善、不成熟之處，一是在低速區(qū)．由于定子電阻的變化帶來了一系列問題，主要是定子電流和磁鏈的畸變非常嚴重；二是低速時轉(zhuǎn)矩脈動大，因而限制了調(diào)速范嗣。 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)必將有所突破，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。,思考與練習,1

68、、交-直-交變頻器主要由哪幾部分組成，并簡述每部分的作用。2、常用逆變管有哪些？各自有什么優(yōu)缺點？3、簡述逆變的原理。4、畫出變頻器的基本控制曲線。5、在何種情況下變頻也需變壓，在何種情況下變頻不能變壓？為什么？在上述兩 種情況下電動機的調(diào)速特性有何特征。6、當電動機具有恒轉(zhuǎn)矩、恒功率輸出時，反映在機械特性上有何特征？7、簡述變頻變壓的實現(xiàn)方法。8、矢量控制的理論基礎(chǔ)是什么？