整理变频器应用技术讲义及实验指导书Word格式.docx
《整理变频器应用技术讲义及实验指导书Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《整理变频器应用技术讲义及实验指导书Word格式.docx（79页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电磁转差离合器是调节励磁电流控制速度与转矩特性。
但总效率低，转筒需要冷却，不能产生制动力矩。
电气调速按调速性能分，有普通型和高性能调速型，按提供的电能类型，可分为直流调速和交流调速；
而交流调速还可以再分类。
目前国内生产的电气和机械调速的各种设备主要有：
变极调速电机、电磁调速电机及其调速装置、串级调速、变频调速装置及变频调速电机、直流调速装置及直流调速电机、调速液力偶合器、调速离合器、开关磁阻电机、微型电子调速电机、力矩电机等类型。
三．调速电动机
下面主要介绍几种常见的电气调速方法。
1．变极调速
异步电动机简单的调速之一就是倍级变极调速（p），见下表。
序号
极数（2P）1
极数（2×
2P）2
转矩比
T2/T1
功率比
（P2/P1）
特性
联结方法
1
YY
Y
0.5
恒转矩
2
YY
恒功率
3
△（D）
1.732
0.866
可变转矩
4
△
1.3
1.15
5
△△
0.577
0.288
可变功率
优点：
调速设备简单，运行可靠、机械特性较好（硬），有恒转矩调速、近似恒功率调速和可变转矩调速。
缺点：
有级调速，电动机结构复杂，精度不高。
应用：
恒转矩调速应用于起重电葫芦、运输传送带等；
恒功率调速应用于各种机床粗、精加工、风机、水泵负载等。
2．电磁调速电机
电磁调速电机又称为滑差电动机、电磁转差离合器调速电动机、涡流式电磁调速电动机，日本称之为变速电动机（VS电机）或涡流耦合电机（HC电机），台湾称之为自动变速电动机（AS马达）或涡流电动机（ED马达）。
结构：
笼型异步电动机（Y/YD）、电磁转差离合器及控制装置（包括测速发电机）三部分组成。
特点：
结构简单、加工方便、使用可靠、起动性能好、起动转矩大、可直接使用三相交流电源、控制系统简单、维护方便、价格低、调速范围宽、速度调节平滑，有一定的调速精度（2%左右）；
但在低速时效率低，而高速时特性软。
新技术是：
采用低电阻端环调速电机，效率有所提高。
应用场合：
起重机的松卷下落，但需要与电磁调速制动装置并用。
（负恒转矩）
3．串级调速
线绕转子异步电动机除了采用变频调速外，还可以采用串级调速，其转子通过集电环和电刷接入附加电阻或其他控制装置，以改善电动机的起动性能，具有起动转矩大，起动电流小等优点。
但调速是有级的，不能平滑调速；
串入电阻后，机械特性变软，在低速运行时如果负载增加，转速变化很大，且效率很低等。
4．变频调速
（略、后专门叙述）
5．直流电动机三种调速
（1）改变电枢串阻调速（Ra）
（2）改变电枢电压调速（Ua）
（3）改变励磁电流调速（
）
三种调速性能比较表
调速方式和方法
控制装置
调速范围
转差率
平滑性
动态性能
负载能力性质
效率
改变Ra
串Ra
变阻器或接触器
2：
低速时大
用变阻器好，其它差
无自动调节能力
低
改变Ua
电动机—发电机组
发电机或磁放大器或扩大机
10：
1~
20：
小
好
较好
60%~
70%
静止变流器
晶闸管变流器
50：
100：
80%~
90%
直流脉冲调宽
晶体管或晶闸管直流开关电路
改变In
串联Rn或用直流可变电源
直流电源变阻器
3：
5：
较大
差
磁放大器或扩大机
1.2变频调速的关键技术
直流电动机：
存在换向器，使直流电动机维护工作量加大，单机容量、最高转速及使用环境都受到限制。
变频调速器简称变频器，是将某一个频率一定的交流电变为频率和电压可调的交流电静止装置。
三相交流异步电动机发明于19世纪80年代（即1889年），由其转速n=60f（1—s）/p中可知，改变f可以改变转速，也就是说从发明异步电动机的那一天起，就已经知道通过改变f来调节电机转速的原理。
然而，变频器真正进入实用阶段的却是在20世纪80年代，中间经历了整整100年的时间。
那么，究竟是什么原因影响了变频器的实现呢？
关键技术有以下几个方面：
１．电力电子器件：
电力电子器件的发展为A.C调速奠定了技术基础。
不管是什么类型的变频器，都少不了“驱动器”，而驱动器的核心技术就是电力电子器件。
一直到50年代末才出现晶闸管，属于半控型器件（导通可控，但不能由门极控制关断，故须增加强迫换相电路），70年代出现功率晶体管（GTR）、门极关断晶闸管（GTO晶闸管）、功率MOS场效应管（Power ＭＯＳＦＥＴ）、绝缘栅双极晶体管（ＩＢＧＴ）、ＭＯＳ控制晶闸管（ＭＣＴ）等，都属于全控型器件（通、断都可以控制，无须强迫换相），使逆变器结构简单。
ＩＢＧＴ兼有ＭＯＳＦＥＴ和ＧＴＲ的优点，是用于中、小功率目前最流行的器件；
ＭＣＴ则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和ＭＯＳＦＥＴ的快速开关特性，是很有前景的大功率、高频率开关器件。
８０年代出现功率集成电路，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前应用于交流调速的智能功率模块ＩＰＭ，PIC（功率集成电路的一种），它簇拥ＩＢＧＴ作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我表现保护等多种智能功能，是发展方向。
大功率开关器件是实现变频调速的必要条件（基础），主要解决大功率、高可靠性以及高速开关等问题。
变频器的产生和发展，始终与大功率开关器件的进步紧密联系在一起，其性能的优劣也直接关系到变频调速系统的开关速度、驱动功率及价格。
２．变频技术：
直流电动机具有优良的外特性，这是众所周知的事实。
如何将交流异步电动机也以直流电动机相媲美的外特性来取代，是变频器一直追求的目标。
随着普通晶闸管构成的方波逆变器被全控型高频开关器件组成的ＰＷＭ（三角波脉冲宽度调制）逆变器所取代、ＳＰＷＭ（正弦波脉冲宽度调制）逆变器及其专用芯片的普遍应用、磁通跟踪型ＰＷＭ逆变器，即用电压矢量方法决定逆变器的开关状态来形成ＰＷＭ波形，并取代传统的ＳＰＷＭ技术，以及滞环电流型ＰＷＭ逆变器因其电流动态响应快、实现方便而受到重视，变频技术已经日趋完善。
目前随着开关频率的提高，使ＰＷＭ逆变器输出波形非常逼近正弦波。
但在电网一侧，尽管以不控整流器取代相控整流器，使基波的ｃｏsΦ接近于１，然而电流谐波成分大，总的ｃｏｓΦ仍很低，消除对电网的谐波污染并提高功率因数，是变频技术不可回避的问题。
近年来研究的谐振型逆变器，使功率开关在０电压或０电流下进行开关状态转换，开关损耗几乎为０，效率提高，体积减小，成本降低，这是很有发展前景的变频器。
在变频的同时，由于电压也会发生变化。
因此，在变频技术领域，解决好变频又变压是变频技术的关键问题。
３．控制技术：
７０年代提出矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解藕（强耦合），达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的，获得与直流调速系统同样优良的静、动态性能。
８０年代提出直接转矩控制理论，是把电动机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型ＰＷＭ逆变器的开关状态直接控制转矩。
因此，无须对定子电流进行解藕，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前受到各国重视。
当然计算机技术的引入，促进了模拟系统向数字系统转化，数字化使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，也大大提高了自动化程度。
近10年来，无速度反馈（矢量）控制技术理论得到了进一步的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器。
其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求。
速度的估算方法，除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。
无传感器控制技术不需要检测硬件，提高了系统可靠性降低成本，是今后变频控制技术重点研究的课题（问题：
安全性例如反应速度，控制精度、紧急制动）。
在控制技术领域，实现良好的机械特性是变频调速的目标。
1.3如何实现变频调速
异步电动机转速公式：
ｎ＝ｎ0（１－ｓ）＝６０ｆ１／Ｐ（１—ｓ）
调速方法：
ｆ、Ｐ、ｓ，后二者大都属于机械调速方法，暂不分析。
因此，变频调速通常是通过改变定子供电频率来改变旋转磁场速度，从而实现对电动机的速度调节。
由于异步电动机旋转磁场速度n0（n0也称为同步转速，n0=６０ｆ１／Ｐ）与电源频率f1成正比关系，可见，改变f1就可改变n0而实现调速。
1.3.1变频调速的控制方法
若改变频率f1，从转速公式可知道，则可以改变旋转磁场的转速n0，也就改变转子的转速n。
从上述公式看出，n与f1成正比；
但从电磁转矩公式T≈KU12/λmf12也看出，改变f1的同时，电磁转矩T也发生相反的变化（λm称为过载系数），T与f1成反比，而n从机械特性看，在一定范围内（0~SM）是与T成正比的。
可见，单独调整f1，难于实现n的有效调节。
如何解决这一问题？
通常采用下列方法：
一、恒转矩特性的控制
电动机一般工作在磁饱和曲线的弯曲处（弱饱和），若磁通增加，将引起铁芯过分饱和，励磁电流将急剧增加而发热，使cosa（功率因数）降低；
反之，电动机输出转矩下降，若负载不变，则引起定、转子都会过电流而发热。
因此，在变频时要维持恒磁通。
此种要求实现的方法有：
理论上要求E1/f1为常数（恒定）。
由于E1=4.44f1N1Kn1￠m（反电势），为保持￠m不变，在改变f1的同时，必须按比例改变感应电动势E1，即
E1/f1=K￠m，K是比例常数
可见，E1和f1需要协调控制，这是一种属于恒磁通调速的控制方法。
问题：
由于E1难于直接控制，因此，保持E1/f1恒定只是一种理想控制方法。
因为U1=E1—U漏，当忽略漏阻抗压降时，则U1≈E1，因此，实际上是采用保持U1/f1=K￠m的比例控制方式来进行调速的。
保持U1/f1=K￠m，可以近似地维持￠m恒定，这显然是很容易通过对定子相电压U1和频率f1进行协调控制来实现，但也带来误差（U1与f高低值有关，f高影响小，反之影响很大，因为定子漏抗与f有关，而U1又与漏抗有关）。
机械特性见图1-1（一般在低于额定f1N的小范围内进行调速）。
从机械特性曲线可以看出，对于同一转矩T，改变f1时，转速△n基本不变，直线斜率不变，机械特性平行移动，故属于恒转矩调速。
Km=Tm/TN。
这时的U/f曲线如下图1-1中的虚线所示。
问题1：
在额定频率（基频）以上调升速度时，同时也要提升电压U1，而电动机绕组是按额定电压等级U1N来设计的，U1超过U1N，电动机的运行将受到定子绕组绝缘强度的限制。
因此，定子电压不可能与频率成正比地升高，只能保持在额定值U1N上。
这样一来，由U1/f1=K￠m可知，￠m将随着f1的升高而反比例下降，类似于直流电动机调整特性，即直线部分的硬度随f1增加而迅速变软。
问题2：
在低频（远低于额定值）调速时，由于U1和E1都比较小，定子绕组的感抗也变得很小，此时电动机内压降（主要是内阻压降）所占比重增加，电动机的转矩不仅无法维持Tm，反而要下降。
为了获得恒定的转矩，必须通过检测定子负载电流来提高定子电压，以补偿电压的损失（压降）部分，以便于维持转矩恒定不变，这时的U/f曲线如图1-1中的实线所示。
故用上述方法的调速，只适用于调速范围不太大或转矩随转速下降而减小的负载。
实际解决方法：
对于调速范围大的负载，有的更希望在整个调速范围内维持恒转矩，且能保持U1/f1为常数来进行控制调速。
但由于降低f1时，U1也下降了（U1=E1—U漏）。
为此，必须随着f1的降低，适当提高U1来补偿r1上的压降。
那么U1如何变化呢？
显然它和参数Q=X/r1有关，Q越大，r1影响就越小。
在调速范围很大时，调节f1的同时（例如下降），再按原来的比例关系调节U1（也要下降）是不行的（实际应该提高）。
否则，低频空载时励磁电流将达到不能允许的数值。
这是因为在空载时r1上没有负载电流所产生的压降，将使磁路饱和。
因此，低频时最理想的是根据负载电流的变化来调节定子的电压，补偿这部分电压的损失。
二、恒功率特性的控制
恒功率调速一般是在保持电压为额定值的前提下（即保持U1=U1N），且S变化范围不大时，通过改变f1来控制电动机速度。
如果f1增加，则转矩T减少（上述），而同步机械角速度Ω=2πf1/pd，将随频率增加而增加。
即f1增加，转矩减小{T≈（m1pNU21/2π）（S/f1r2）}，转速增加（由机械特性可知），即Ω增加。
根据Pd=TΩ，这种调速可以看作恒功率调速（一般在高于额定f1N进行调速）。
如何才能在改变f的同时又保持恒功率特性呢？
为了使P=TfN．n/975=常数
须TfN．f1=TN．f1n
则TfN/TN=f1n/fn
由于U1/U1N=fn/f1n．
所以U1/
=U1N/
=常数
即若能保持U1/
为常数，则可保持调速过程中电动机的过载能力保持不变（恒功率特性）。
如下图所示。
当电动机在额定转速以上运行时，即当变频器输出频率超过电动机额定工作频率50Hz（或60Hz）时，电动机可以采取恒功率变频调速。
否则，若按恒磁通（恒转矩）变频调速时则应要求电动机的定子电压随着f1的升高而升高，这样一来，由于电动机绕组本身不允许耐受过高的电压，必须限制在允许的范围之内，以免电动机过载。
以上二种调速控制方式可以看出，第一种恒转矩特性控制中，若保持E1/f1为常数时，可以看作是一种比例控制方式，也属于恒转矩调速，适用于调速范围不太大或转矩随转速下降而减少的负载；
若通过改变U1/f1来保持Tm为常数时，实际它是恒磁通控制方式，适用于调速范围大的恒转矩性质的负载。
第二种保持Pd为常数的恒功率控制方式，适用于负载随转速的增高而变轻的场合。
目前都是通过这二种方式来实现变频调速的。
从总的来考虑，变频调速系统大都作为恒转矩调速系统来使用，用以实现固有机械特性以下的调速。
从图中可以看出，不同频率f1时，最大转矩Tmax不变，只有当f1很低时，（f4）由于内压降不可忽视，使U1/f1=常数下已经不能保持Φm为常数了，相当于在定子绕组中串入一个降压电阻，才会使转矩下降。
通常，在异步电动机变频调速系统中，为了得到较宽的调速范围，可以将恒转矩调速和恒功率调速方法结合起来应用。
当转速升到基速（即额定转速）以上时，考虑定子受额定电压的限制，因此在升高频率时需要保持定子电压不变（额定值），而随着频率的升高，磁通将减小，转矩也将见效，从而近似为恒功率调速；
在转速（低于额定转速）降低调速时，则采用恒转矩调速。
故得到如图1-4的机械特性。
1.3.2其他控制特性
变频调速器所控制的对象是各种各样的，不同的控制对象，其特性也有很大的差别。
下面根据几种常见的设备情况作些简要介绍。
一．平方转矩负载的控制特性
由于泵和风机为平方转矩负载，低速时，负载转矩降低较多，不需要很大的转矩。
因此，调速过程中就无须保持电压与频率之比为常数，所以，通过降低电压，还可以使电动机输入电流减小，效率提高，故常采用下方左图所示平方转矩负载的U/f比率控制特性曲线来对风机和泵进行调速控制。
下方右图曲线分别表示U/f比恒定和U/f比率控制下的总效率比较情况，显然，这种控制U/f比率（即在低速下降低电压），可使电动机产生与负载特性相适应的转矩，对平方转矩负载更为经济，节能效果高达55%，高效地利用电动机。
二．转矩提升特性
变频器设置有低速转矩提升设定开关和`U/f图形设定开关。
如某变频器转矩提升设定开关可提供16种（0~9、A~F）大小不同的转矩提升位置。
调节16种U/f图形，可获得所需要的恒转矩和恒功率特性。
三．加减速特性
电动机在起动加速过程中,将产生较大的起动电流和转矩,但变频器具有电流限制功能,而且通过控制系统使电动机实现低频低压的软起动.软起动时间是指变频器的输出频率从零到达最大值（或频率设定值）的时间；
在制动减速时,电动机制动再生能量不能向电网反馈,少部分作为电动机和变频器的损耗而消耗掉,大部分向制动电阻放电,并向变频器的电容器充电.但若减速过快,电容器电压升得过高,可能引起击穿。
因此,通过中间直流环节的过电压信号反馈,使频率下降速度以及同时引起的减速制动放慢,实现软停止。
软停止时间是指从运行频率降到零所需要的时间。
变频器也设有加减速时间设定开关，以实现电动机的软起动、制动减速软停止。
并针对不同机械惯量负载，设置了高速和低速两种方式。
一般用户希望以低速方式起动，特别是在大机械惯量负载时，低速方式起动是最合适的；
对机械惯量小的负载，为了提高劳动生产率，就应选择高速方式起动。
选择合适的加速时间和方式，可实现电动机的软起动，起动电流将限制在1.5倍额定电流之内。
高速方式调节范围大约在0.1～十几秒,低速方式在10～上千秒。
四．制动特性和过载特性
借助变频器内部直流（DC）制动调整电位器，制动转矩可分别调整为20%、40%、60%、80%、100%值。
DC制动的动作时间也可分别有高、低速两种方式，制动的时间也因此而不同。
变频器的过载能力为反时限特性，其允许在110%IN过载下连续运行，在150%IN下允许运行30秒或更长时间（由变频器性能而定）。
五．配用变频器后电动机的转矩特性
电动机配用变频器后，转矩特性要发生变化。
起动时，其起动转矩与用工频电源直接起动相比，多数电动机的转矩会变小。
如果原由电动机是与负载配合起动的，一旦配置新变频器后，则根据原有负载的起动转矩特性，则有可能不能起动。
另外，在低速运转区的转矩有比额定转矩减小的倾向。
所以，常需要加大变频器和电动机的容量。
在50Hz以上区域，由于输出电压不变，为恒功率特性，随着频率和转速的增加，输出转矩减小。
根据不同需要，变频器的最大输出频率不同，有50/60、120、240Hz或更高。
大容量通用变频器多属于在工频以下范围调速运转；
最高输出频率超过工频的边频器多为小容量（恒功率使用）。
在轻载时，采用高速可以提高生产率，但要注意不要超过电动机的容许最高运转速度。
小结
转矩T与转速n的关系根据负载种类是各种各样,大体上有以下几种:
1.恒转矩负载（T为一定值）—即使速度变化转矩也不大变化的负载。
1.恒功率负载（Tn为一定值）—转速越高转矩越小的负载。
3.平方减转矩负载（T/n2为一定值）—随着转速降低转矩也变小。
1.3.3变频调速器的分类
（1）按控制方式分为恒转矩调速和恒功率调速两类。
（2）按变频电源的结构型式可划分为AC-DC-AC（称间接变频，调频功能由逆变器实现，调压功能由不同实现的环节而定）和AC-AC（称直接变频）两类。
（3）按输出电源的稳定参量（整流电源提供的是恒压或恒流）可划分为电压型（具有电压源特性）和电流型两类（具有电流源特性）两类。
电压型变频器的AC-DC-AC中，中间环节主要采用大电容作为滤波器件，使DC近似恒压源，具有低阻抗特性；
而电压型AC-AC型中无须电容，但供电电网相对负载具有低阻抗，也可近似恒压源。
电流型变频器的AC-DC-AC中，中间环节主要采用大电感作为滤波器件，使DC近似恒流源；
在电流型AC-AC中，整流器和逆濒器两组都接有很大的电感，从而具有电流源的性质。
（4）在变频调速过程中，改变频率的同时也要改变电压。
变频变压常称为“调制”。
根据调制方式的不同，变频器又可分为PWM（脉冲宽度调制）和PFM（频率调制）两类。
（5）按逆变开关电路的工作方式可分为谐振式、定频硬开关式和定频软开关式。
（6）按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出和非正弦波输出。
（7）按逆变主电路的结构形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式。
（8）按逆变主开关器件类型，可分为晶体管、晶闸管、场效应管、IGBT等等。
（9）按变频器的变频频率，可分为工频（50Hz~60Hz）、中频（400Hz~十几KHz）和高频（十几KHz~MHz）。
在现代变频领域，如果功率比较大，20KHz的超音频也算作高频。
（10）按逆变电源的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。
1.4变频调速的基本原理
1.4.1变频器的基本结构
变频器通常是由输入电路（整流器）、滤波电路、逆变电路、输出电路、控制电路、保护电路及辅助电路等构成。
变频器主电路如下：
下面对各个部分作简要介绍：
1．输入电路，它包括三相交流电源、整流器和滤波器等，对于交流变频器来讲，这部分电路主要提供稳定的直流电源（恒压或恒流），而且还可能提供交流电动机制动时再生电流通路。
2．逆变器，主要是将直流电源变换为三相交流电源，不同的变频技术，最大的差异就是逆变器电路。
3．输出电路，一般包括输出滤波电路、驱动电路以及反馈电路等。
通常把前面三部分称为主电路。
4．控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变器开关管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变任务。
在变频技术中，控制电路和逆变主电路同样重要，也是衡量变频器质量的重要指标。
目前控制电路主要采用PLC技术来实现自动控制。
5．辅助电路和保护电路，辅助电路用于控制整流器将输入的交流电源变换为适合于控制电路工作的直流电源。
如果是直流输入，则是一个或几个DC/DC变换器。
保护电路主要包括：
1）输入过压、欠压保护。
过压、欠压通常是电网问题，故一般采
升级会员 