变频器的工作原理与控制方式及应用选型.docx

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变频器的工作原理与控制方式及应用选型

交流电机变频调速及其应用论文

浅谈变频技术在节能工程上的应用

院（系）名称

工学院机械系

专业名称

机械设计制造及其自动化

班级

学号

学生姓名

2011年10月27日 

摘要：

本文介绍了变频器的工作原理和控制方式，以及如何选择合理的型号。

文中遵循理论和实际相结合的原则，对变频器的工作原理和控制方式作了对比和分析，并且对变频器应用和选型过程中的注意事项以及如何根据负载的性质来确定选用变频器的型号进行了较详细的说明。

关键词：

变频器工作原理控制方式应用选型

异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。

作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。

近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。

使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

1．变频器工作原理

1.1变频调速原理

　　n＝60f（1－s）/p

（1）

　　式中　n---异步电动机的转速；

f---异步电动机的频率；

s---电动机转差率；

　　p---电动机极对数。

　　由式

（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

　　变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

　　1.2谐波抑制

　　变频器使用的突出问题就是谐波干扰，当变频器工作时，输出电流的谐波电流会对电源造成干扰。

虽然各变频器厂家对变频器谐波的治理均采取了措施且基本达到国家标准要求，但谐波仍然是变频器选型和使用中最需要关注的问题。

　　变频器的输出电压中含有除基波以外的其他谐波。

较低次谐波通常对电机负载影响较大，引起转矩脉动，而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加，使电机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制。

　　2变频器控制方式

　　2.1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

　　其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

因此人们又研究出矢量控制变频调速。

　　2.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式

　　它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。

经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。

但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

　　2.3矢量控制（VC）方式

　　矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。

然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

　　2.4直接转矩控制（DTC）方式

　　直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。

它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

　　2.5矩阵式交-交控制方式

　　VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交－直－交变频中的一种。

其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。

为此，矩阵式交－交变频应运而生。

由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。

它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。

其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。

　　3变频器控制方式的合理选用

　　控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。

目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约50多种。

选用变频器时不要认为档次越高越好，而要按负载的特性，以满足使用要求为准，以便做到量才使用、经济实惠。

　　4转矩控制型变频器的选型及相关问题

　　基于调速方便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速和调压调速方式。

在推出PWM磁通矢量控制的变频器数年后，又出现采用DTC控制技术的变频器，它能够用开环方式对转速和转矩进行准确控制，而且动态和静态指标已优于PWM闭环控制指标。

　　直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。

该模型每隔25μs产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，以确定最佳开关位置。

由此可以看出它是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。

　　4.1选型原则

　　首先要根据机械对转速（最高、最低）和转矩（起动、连续及过载）的要求，确定机械要求的最大输入功率（即电机的额定功率最小值）。

有经验公式

　　P=nT/9950（kW）

　　式中:

P--机械要求的输入功率（kW）；

　　n--机械转速（r/min）；

　　T--机械的最大转矩（N•m）。

　　然后，选择电机的极数和额定功率。

电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围，使连续负载容量高一些。

为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步转速，但必须小于电机允许的最大转速。

转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高转速等状态下的最大转矩。

最后，根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流的原则来确定变频器的参数与型号。

　　需要注意的是，变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40℃或25℃以下。

若使用环境超出该规定，则在确定变频器参数、型号时要考虑到环境造成的降容因素。

　　4.2变频器的外部配置及应注意的问题

　　4.2.1选择合适的外部熔断器，以避免因内部短路对整流器件的损坏变频器的型号确定后，若变频器内部整流电路前没有保护硅器件的快速熔断器，变频器与电源之间应配置符合要求的熔断器和隔离开关，不能用空气断路器代替熔断器和隔离开关。

　　4.2.2选择变频器的引入和引出电缆根据变频器的功率选择导线截面合适的三芯或四芯屏蔽动力电缆。

尤其是从变频器到电机之间的动力电缆一定要选用屏蔽结构的电缆，且要尽可能短，这样可降低电磁辐射和容性漏电流。

当电缆长度超过变频器所允许的输出电缆长度时，电缆的杂散电容将影响变频器的正常工作，为此要配置输出电抗器。

对于控制电缆，尤其是I/0信号电缆也要用屏蔽结构的。

对于变频器的外围元件与变频器之间的连接电缆其长度不得超过10m。

　　4.2.3在输入侧装交流电抗器或EMC滤波器根据变频器安装场所的其它设备对电网品质的要求，若变频器工作时已影响到这些设备的正常运行，可在变频器输入侧装交流电抗器或EMC滤波器，抑制由功率器件通断引起的电磁干扰。

若与变频器连接的电网的变压器中性点不接地，则不能选用EMC滤波器。

当变频器用500V以上电压驱动电机时，需在输出侧配置du/dt滤波器，以抑制逆变输出电压尖峰和电压的变化，有利于保护电机，同时也降低了容性漏电流和电机电缆的高频辐射，以及电机的高频损耗和轴承电流。

使用du/dt滤波器时要注意滤波器上的电压降将引起电机转矩的稍微降低；变频器与滤波器之间电缆长度不得超过3m。

　　5结束语

变频器的选型是一项需要认真对待的工作，选择时应按实际的负载特性，以满足使用要求为准，以便做到量才使用，经济实惠。

随着变频器的高智能化、高可靠性、低价格和免维护，变频器节能降耗的作用会更加明显。

【参考文献】

1．《变频器原理及应用》作者：

王廷才机械工业出版社2005

2．《变频器控制技术与应用》作者：

姚锡禄福建科技出版社2005

3．《工业变频器原理及应用》作者：

魏召刚电子工业出版社2006

4．《变频器原理及应用指南》作者：

吴忠智吴加林中国电力出版社2007