变频器应用技能教案Word文档下载推荐.doc

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一是电机控制采用变频技术后可以节约电能，通过节能可以减少二氧化碳排放量，从而达到环保的目的；

二是电机控制采用变频技术后，电机的速度控制变得更加灵活方便，从而使工业自动化对速度控制变得更加容易。

第一节交流异步电动机的转速公式及变频器调速的慨念

N=60f1/p﹡（1-S）=n1（1-S）

由交流异步电动机转速公式可看出，影响转速的因素有电源频率f1，电机极对数p和转差率S。

因此，三相异步电动机就有了调压调速（体现在调转差率S），变极调速和变频调速三种方式。

对于变极调速，在拖动电路中的双速电机控制线路中已学习过了，这种方式只能进行成倍数的调速，如电动机由四极变为两极，转速由约1440转/分改变为约2850转/分。

能进行连续调速的方式就只有调压调速、滑差调速和变频调速这三种，这三种调速方式是目前普遍采用的方式。

调压调速，电磁滑差调速和变频速方式及比较见图2-1-1.

电动机

控制方式

原理图

转矩特性

优点

缺点

交

流电机

鼠笼式异步电动机

定

子

电

压

控

制

1、回路结构简单。

2、可以动力制动，控制性能良好

1、功率因数，效率随着速度的降低而降低

2、控制电机最大容量为30KW（空冷）。

磁

滑

差

离

合

器

1、回路结构简单。

2、电机结构坚固

1、效率随着速度的降低而降低

2、不能制动。

3、离合器部分体积大

变

频

率

1、速度控制范围广，效率高。

2可4象限运转，可进行转矩控制

回路结构较复杂。

图2-1-1交流异步电动机三种调速方式比较

由比较可见，变频调速具有调速范围广，效率高，还可以进行转矩控制等优点，因此，变频调速是三相异步电动机调速最好的一种方式。

实现变频调速的装置是变频调速器（简称变频器），它是通过将交流电的固定频率改变成可变频率来达到改变电动机转速的目的。

变频器就是接在交流电源和电动机之间的能的电器装置。

第二节变频调速器的分类

变频调速器按变换环节分，可分为交—交变频器和交—直—交变频器。

一、交——交变频器

交—交变频器是把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。

其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。

但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下（0—<

fn/2），所以它主要用于容量较大的低速拖动系统中，应用很少。

目前应用最多的是交—直—交变频器。

所以，如无特殊说明，一般讲变频器都是指交—直—交变频器。

二、交—直—交变频器

交—直—交变频器的结构组成如图1—1所示，主要由整流器UR、逆变器UI和直流器中间环节和控制器四个基本部分组成。

整流器UI先把电压频率固定的交流电（CVCF）整流器成直流电，直流中间环节进行滤波处理，逆变器UI再把直流电逆变成频率和电压连续可调的交流电（vvvF），由于把直流电逆变成交流电环节较易控制，因此，在频率的调节范围、以及改善变频后电动机的特性等方面。

都具有明显的优势。

所以，现代工业上得到广泛应用。

三、交—直—交变频器各主要部分的功能说明：

1、整流器UR

主要由6只二级管构成桥式整流电路。

功能是将电源的三相交流电（CVCF）整流成为直流电。

2、中间直流环节

又称为直流储能环节，主要由电抗器和电容器组成，功能是进行滤波和接受感性负载的无功率的回馈和交换。

3、逆变器UI

逆变器是变频器的核心板部分，主要是由6只半导体开关器件（一般都为IGBT管）组成，功能就是将直流电逆变成为交流电，在逆变过程中进行频率和电压的协调调节。

4、控制器

主要由微处理器和相应的软件构成，功能是接受指令、进行运算，对逆变器的开关器进行控制、对整流电压进行控制、完成各种保护功能和显示变频器各种运行数据。

第三节交—直—交变频器的主电路构成

交—直—交变频器的主电路如图1—2，电路说明如下：

一、交—直部分

1、整流管Ｄ１—Ｄ６的功能；

D1—Ｄ６组成三相整流桥，将电源的三相交流电整流为直流电。

如电源的线电压为ＵL，则三相全波整流后平均直流电压Ｕd的大小是Ud=1.35ＵＬ

我国三相电源的线电压为３８０ｖ，故全波整流后的平均直流电压Ｕd＝１.３５Χ380V=513V

2、波电容器ＣＦ的功能；

（１）滤平全波整流后的电压纹波；

（2）当负载变化时，使直流电压保持平稳。

3、限流电阻ＲＬ与ＳＬ的功能；

当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器Ｃｆ电电流是很大的。

过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二级管损坏。

为了保护整流桥，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串人限流电阻RL，其作用是将电容器CF的充电电流限制在允许范围以内。

开关SL的功能是；

当CF的充电到一定程度时，令SL接通，将RL短路掉。

许多新系列的变频器里，SL已由晶闸管代替，如图中虚线所示。

4、电源指示LED的功能；

LED除了表示电源是否接通以为，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上电荷是否已经释放完毕。

由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变器电路停止工作的状态下进行，因此如CF放电时间往往过长达数分钟。

又由于CF上得电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。

故在维修变频器时，必须等LED完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。

二、直—交部分

1、逆变器TR1—TR6的功能；

TR1—TR6组成逆变桥，把D1-D6整流所得的直流电，在“逆变”成频率可调的交流电。

这是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。

当前常用的逆变管绝大多数都采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

2、续流二级管VD1—VD6的功能；

（1）电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。

VD1—VD6为无功电流返回直流电源时提供“通道”。

（2）当频率下降、电动机处于再生制状态时，再生电流将通过VD1—VD6返回给直流电路。

（3）TR1—TR6进行逆变的基本工作过程是，同一桥臂的两个逆变管，处于不停地交替导通和截止的状态。

在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要VD1—VD6提供通路。

由于变频器载波频率很高，所以续流二极管VD7—VD12必须是高速二极管，而不能采用普通二极管。

三、直流制动单元

制动电阻RB的功能；

电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压Ud保持在允许范围内，制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。

由大功率晶体管GB及其驱动电路构成，其功能是为放电电流IBl流经RB提供通路。

第四节变频器的逆变元件IGBT

IGBT的基本结构如图1—3，其等效电路和图形符号见图1—4。

它有3个电极分别是漏极D（相当于晶体管的电极C）、源极S（相当于晶体管的发射极E）和栅极G（相当于晶体管B）。

IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号UGE，输入阻抗很高，栅极电流IG≈0，故驱动功率很小，因此IGBT又称为电压控制器件（大功率晶体管GTR是电流控制器件），由于IGBT是MOSFET和GTR相结合的复合管，所以其主电路部分则与GTR相同。

迄今，IGBT的击穿电压已做到1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A，由IGBT作为逆变器件的变频器容量已达250KVA以上。

此外，IGBT其工作频率高，可达20KHZ。

由IGBT作为逆变器件的变频器的载波频率一般都在10KHZ以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。

目前，在新系列的中小容量变频器中，IGBT已处于绝对优势的地位。

第五节变频器的三种控制方式

一般来说，当电动机在额定转速以下调速时，其带负荷能力将下降，这无疑给变频调速带来了暇点，影响其普及与推广。

所以，如何改善变频后的机械特性，就成为了人们关注的焦点。

一般的电开环变频调速系统虽然比较简单，但不能保证必要的调速精度，而且在动态过程中由于不能保持所需的转矩，动态性能也很差。

因此，这种系统中只能用于对调速精度和动态性能要求不高的场合。

我们知道，直流双闭环调速系统由良好的性能指标，它在静态上可以达到无差调节，在动态过程中又可维持电机的电磁转矩接近最大值，从而具有优良的动态性能。

这是因为在直流它激电动机中，只要调节电枢电流就可以控制电机的转矩，而在异步电动机中，转矩的控制却是一个困难而复杂的问题，从下面的分析可知，鼠笼式异步电动机的转矩与气隙磁通、转子电流以及转子电路的功率因素有关。

这些量都不是独立的变量，它们都是转差率的函数，而且又难以直接测量和控制。

异步电动的转矩之所以难以控制，其根本原因也就在于此。

如果不解决异步电动机的转矩控制问题，即使作成速度闭环系统，其动态性能仍得不到改善。

一V/F控制的基本概念

V/F控制是最早提出的一种比较简便的方法。

它是针对Ku=Kf下降时，△Ux在Ux中所占比例增大，造成ΦM和Tkx下降的情况，采取适当提高调压比而使Ku.>

Kf的方法，来抵偿比值△Ux在Ux的增大，最终使电动机的临界转矩得到补偿。

这种方法称为转矩补偿，因为是通过提高V/F比（即Ku>

kf）而得到的，故又称V/F控制或电压补偿。

二转差频率控制的基本慨念

转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转矩控制问题的方法之一，采用这种控制方案的调速系统，可以获得与直流恒磁通调速系统相类似性能。

由异步电动机电的转矩关系式M∝Ф*△ω可看出，如果维持气隙磁通Ф不变，则异步电动机电的转矩近似和转差角频率△ω（或转差频率f2）成正比。

因此只有在恒磁通的条件下，控制△ω（或f2），也就达到了控制转矩的目的。

这就是转差频率控制的基本思想。

三、失量控制的基本念

对于直流电动机，当励磁电流Ia不变时，即其磁通Ф不变，电磁转矩与电枢电流成正比，也就是说控制Ia就可以控制电磁转矩T。

因此在直流电动机中获得良好的动态特性是很容易实现的。

直流电动机的磁通Ф和电枢电流Ia可以独立进行控制，是一种典型的解藕控制，异步电动机的失量控制就是仿照直流电动机的控制方式，把定子电流的磁场分量和转矩分量解藕开来，分别加以控制，这种解藕实际上是把异步电动机的物理模型设法等效地变换成类似于直流电动机的模式，对磁场分量和转矩分量分别进行控制，使交流电动机得到与直流电动机一样优良的动态调速性能。

四、V/F控制、转差频率控制和失量控制的异同

1、V/F控制、转差频率控制和失量控制的相同之处是它们最终控制电动机的电磁转矩，即他们的控制目的是相同的。

2、V/F控制、转差频率控制和失量控制的不同之处是它们完成控制的手段和方法不同。

V/F控制是直接控制Ku和Kf的比率，来达到控制电动机的转矩的目的。

转差频率控制是基本保持电机气隙磁通的恒定，直接控制转差频率△ω来达到控制电机的转矩的目的。

失量控制则是将电机电流的磁场分量和转矩分量进行失量分解，再分别加以控制来达到控制电机的转矩的目的。

思考题

1、三相异步电动机有那几种调速方式？

能进行连续调速的方式有那几种？

2、变频调速的特点是什么？

变频器按变换环节可分为那两类？

3、交——直——交变频器主要由哪几部分构成？

其各部分的功能作用是什么？

4、IGBT的工作特点是什么？