变频调速控制柜的设计.doc

前 言 当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。 能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12%-55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代期），中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh，是国际先进水平的1.27倍。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。2 全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由Intel公司1983年开发生产的MCS - 96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8196KB、8196KC、8196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近TI公司推出的MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动应用领域起到了重要的作用。3 PWM技术PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。 其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。4 高压大容量交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为3000V，而我国的电网电压等级为6000V和10000V；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。 目前，研究较多的大功率逆变电路有：（1）多电平电压型逆变器（2）变压器耦合的多脉冲逆变器（3）交交变频器（4）双馈交流变频调速系统。 (一)多电平电压型逆变器 日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：1. 更适合大容量、高电压的场合。2.可产生M层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。3.电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/（M-1）。4. 效率高，消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。 (二)变压器耦合的多脉冲逆变器 变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为：1. 不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制；2. 模块化程度好，维修方便；3. 对相同电平数而言，所需器件数目最少；4. 无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波；5. 控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。(三)交交变频器 交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大（可达5000V/5000A），适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。(四)双馈交流变频调速系统 双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机；而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。 5 高性能交流调速系统 V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。 考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究：（1）磁通的准确估计或观测（2）无速度传感器的控制方法（3）电机参数的在线辨识（4）极低转速包括零速下的电机控制（5）电压重构与死区补偿策略（6）多电平逆变器的高性能控制策略 6 展望 在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。第一章.变频调速的基本原理1.1变频调速的原理和控制方式1.1.1变频调速的基本原理 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。 1.1.2变频调速的基本方式 一、变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 二、变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 三、串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。四、绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。五、定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点： 调压调速线路简单，易实现自动控制； 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。 调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。六、电磁调速电动机调速方法 电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。 电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点： 装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 调速平滑、无级调速； 对电网无谐影响； 速度失大、效率低。 本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。 七、液力耦合器调速方法 液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为： 功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要； 结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低； 尺寸小，能容大； 控制调节方便，容易实现自动控制。 本方法适用于风机、水泵的调速。1.2变频调速的突出特点与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制。电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。下面我们将简单介绍一下上面提到的变频器调速控制系统的各种主要优点。在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替传统亡利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。 因为以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高，所以通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。 由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行大的设备改造。 在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制受频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1：10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1：1000。此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转短。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。 利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实现电动机的正反转切换，必须利用开闭器等装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可以达到对输出进行换相的口的，很容易实现电动机的正反转切换而不需要专门设置正反转切换装置。 变频调速系统的上述特点可以用于采用交流拖动系统的传送带和移动工作台等以达到节能的目的。这是因为，在利用异步电动机进行佰速驱动的传送带以及移动工作台中，电动机通常一直处于工作状态，而采用变频器进行调速控制后，出于可以便电动机进行高频度的起停运转，可以使传送带或移动工作台只是在有货物或工件时运行，而在没有货物或工件时停止运行，从而达到节能的目的。 由于在变频器驱动系统电电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率进行的，当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈到变频器。而变频器则可以利用自己的制动回路将这部分能量以热能消耗或回馈给供电电网，并形成电气制动。此外，一些变频器还具有直流制动功能，即在需要进行制动时，可以通过变频器给电动机加上一个直流电压，并利用该电压产生的电流进行制动。同机械制动相比，电气制动有许多优点，例如体积小，维护简单，可靠件好等。但是也应该注意到，由于在静止状态下电气制动并不能使电动机产生保持转矩，所以在某些场合还必须采取相应的措施，例如和机械制动器同时使用等。 高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点之一。这是因为对于直流电动机来说，由于受电刷和换向环等因素的制约，无法进行高速运转。但是，对于异步电动机来说，由于不存在上述制约因素，理论上讲异步电动机的转速可以达到相当高的速度。由于异步电动机的转速为： n=120f（1-s）/p式中 n 电动机转速，r/min； f 电源频率，Hz； P 电动机磁极个数； s 转差率。 当用工频电源（50Hz）对异步电动机进行驱动时，二极电动机的最高速度只能达到3000r/min。为了得到更高转速，则必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行增速。与此相比，目前高频变频器的输出频率已经可以达到3000kHz所以当利用这种高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可以得到高达18000 r/min的高速。而且随着变频器技术的发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，因此进行更高速皮的驱动也将成为可能。 此外，与采用机械增速装置的高速驱动系统相比，出于采用高频变频器的高速驱动系统中并不存在异步电动机以外的机械装置，其可靠性更好，而且保养和维修也更加简单。 在变领器调速控制系统中，变频器和电动机是可以分离设置的。因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到适用于各种工作环境的交流调速系统，而对变频器本身并没有特殊要求。例如，对有防爆和防腐蚀要求的环境只需将电动机换为专用电动机，而使用普通的变频器并将其安装在有防爆和防腐蚀要求的环境之外的普通环境中即可。由于变频器本身对外部来说可以看作是一个可以进行调频调压的交流电源，可以用一台变频器同时驱动多台异步电动机或同步电动机，从而达到节约设备投资的目的。而对于直流调速系统来说，则很难做到这一点。当用一台变频器同时驱动多台电动机时，昔驱动对象为同步电动机，所有的电动机将会以同一速度（同步转速）运转，而当驱动对象为容量和负载都不相同的异步电动机时，则由于转差的原因，各电动机之间会存在一定的速度差。因为变频器是通过交流直流交流的电源变换后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几乎为定值。 此外，当用电网电源对异步电动机进行驱动时，电动机的起动电流为额定电流的56倍，而在采用变频器对异步电动机进行驱功时，由于可以将变频器的输出频率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而受频器输入端电源的容量也可以比较小。般来说，变频器输入端电源的容量只需为电动机输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压起动器的作用。 随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术也得到了充分地重视和发展，目前，由高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上已经达到和超过了直流电动机伺服系统。此外，小于异步电动机还具有对环境适应性强，维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的优点，所以在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能的交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。而且由于高件能的变频器的外部接口功能也非常丰富，可以将其作为自动控制系统中的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。由于变频器具有上述优点，因而在各种领域中得到了广泛的应用。表1-2给出了变频器在工业牛产个的主要应用1.3变频器的分类与特点变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着，图2-1示的基本结构。图2-1 变频器的基本结构图2-2给出了一个典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图。而对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中有时还有一个以DSP（数字信号处理器）为主的转矩计算用CPU以及相应的磁通检测和调节电路。 变频器内部电路的基本功能虽然变频器的种类很多，其内部结构也各有不同，但大多数变频器都具有图2-1给出的基本结构，它们的区别仅仅是控制电路和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而己。在介绍变频器的种类时我们将遇到变频器的分类方式的问题。变频器的分类可以有多种方式，例如可以按其主电路工作方式进行分类，可以按其开关方式进行分类，可以按其控制方式进行分类，还可以按其用途进行分类。下面就根据这几种分类方法对变频器进行简单介绍，以使对变频器尚不太热悉的读者能够对变频器有一个整体上的了解。（1）按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器的待点是将直流电源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流电源。1）电压型变频器。在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出；整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用。而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电压。在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏2）电流型变频器。在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中间电路的电抗将电流进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的，对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反内的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。由于在采用电流控制方式时可以将能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流利控制入式更适合于大容量变频器，电压型变频器和电流型变频器主电路的结构因其使用的换流器件的不同而有多种形式。关于这些电路的基本结构，可以参考其他有关资料。（2）按照开关力式分类。当谈到变频器的开关方式时通常讲的都是变频器逆变电路的开关方式。而在按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类时，则变频器可以分为PAW控制方式，PWM控制方式和高载频PWM控制方式二种。 1）PAM控制。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation（脉冲振幅调制）控制的简称，是一种在整流电路部分对输出电压（电流）的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。因为在PAM控制的变频器中逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调速力式。由于逆变电路换流器件的开关频率（以下简称载波频率）较低，在使用PAM控制方式的变频器进行调速驱动时具有电动机运转噪声小，效率高等待点。但是，由于这种控制人式必须向时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂。此外，这种控制方式也还具亩当电功机进行低速运转时波动较大的缺点。 2）PWM控制。PWM控制是Pulse Amplitude Modulation（脉冲宽度调制）控制的简称，是在逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的。为了使异步电动机在进行调速运转时能够史加平滑，目前在变频器中多采用正弦波PWM控制方式。所谓正弦波控制方式指的是通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。这种控制方式也称为SPWM控制。采用PWM控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种个良影响，转矩波功小，而且控制电路简单，成本低等特点，是目前在变频器中采用最多的一种逆变电路控制方式；但是，该入式也具有当载波频率不合适时会产生较大的电动机运转噪声的缺点。为了克服这个缺点，在采用PWM控制方式的新型变频器中都具有一个可以改变变频器载波频率的功能，以便使用户可以根据实际需要改变变频器的载波频率，从而达到降低电动机运转噪声的目的。3）高载频PWM控制。这种控制方式原理上实际是对PWM控制方式的改进，是为了降低电动机运转噪声而采用的一种控制方式。在这种控制方式中，载频被提高到人耳可以听到的频率（1020kHz）以上，从而达到降低电动机噪声的目的。这种控制方式主要用于低噪声则的变额器，也将是今后变频器的发展方向；由于这种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求、所用换流器件只能使用具有较高开关速度的IGBT或MOSFT等半导体元器件，目前在大容量变频器中的利用仍然受到一定限制。但是，随着电力电子技术的发展，具有较高开关速度的换流，元器件的容量将越来越大，所以预计采用这种控制方式的变频器也将越来越多。 PWM控制和高载频PW M控制都属于异步调速方式，即变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率。 （3）按照工作原理分类。当按照下作原理对变频器进行分类时按变频器技术的发展过程可以分为V/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。下面我们将分别介绍一下这三种控制方式的特点。1）V/f控制变频器。V/f控制是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/f（电压和频率的比）的值保持一定而得到所需的转矩特性。采用V/f控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求不太高的通用变频器。 2）转差频率控制变频器。转差频率控制方式是对V/f控制的一种改进。在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定，从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和V/f控制方式相比在负载发热较大变化时仍能达到较高的速度精度和具有较好的转矩特性。但是，由于采用这种按制方式时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特件调节转差，通常多用于厂家指定购专用电动机，通用性较差。 3）矢量控制变频器。矢量控制是20世纪70年代由西德Blaschke等人率先提出来的对交流电动机的种新的控制思想利控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法。矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其相垂直的产生转距的电流分量（转矩电流）计分别加以控制。出于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅佰和相依，即控制定于电流矢量，这种控制方式称为矢量控制方式。 矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能。采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹放，而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。所以已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。由于在进行矢量控制时需要准确地掌握对象电动机的有关参数，这种控制方式过去主要用于厂家指定的变频器专用电动机的控制。但是，随着变频调速理论和技术的发展以及现代控制理论在变频器中的成功应用，日前在新型矢量控制变频器中已经增加了自调整（Auto-tuning）功能。带有这种功能的变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对电动机的参数进行辨识并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而使得对普通的异步电动机进行仑效的欠量控制也成为可能。（4）按照用途分类。在上而介绍的变频器分类方式中我们是按照变频器的丁作原理对其进行分类的，仅是，对于一个变频器的用户来说，他关心更多的也可能足变频器的用途而不是其工作原理。厂面，我们介绍一下按照用途对变频器进行分类时变频器的种类。当按照用途对变频器进行分类时变频器可以分为以下几种类型。1）通用变频器。顾名思义，通用变频器的特点是其通用件。这里通用件指的是通用变领器可以对普通的异步电动机进行调速控制。随着变频器技术的发展和市场需要的不断扩大，通用变频器也在朝着两个方向发展：低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器。这两类变频器分别具有以下特点。简易型通用变频器是一种以节能为主安目的而削减了一些系统功能的通用变频器。它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对系统的调速性能要求不高的场所，并具有体积小，价格低等方面的优势。高性能多功能通用变频器在设计过程中充分考虑了在变频器应用汇总可能出现的各种需要，并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的淮备。在使用时，用户可以根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设定，也可以根据系统的需要选择厂家所提供的各种选件来满足系统的持殊需要。高性能多功能变频器除了可以应用于简易型变频器的所有应用领域之外，还广泛应用于传送带、升降装置以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有较高要求的许多场合。2）高性能专用变频器。随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的发展，异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展，采用矢量控制方式高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上已经达到和越过了直流伺服系统。此外，由于异步电动机还具有对环境适应性强、维护简单许多直流伺服电动机所不具备的优点，在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。3）高频变频器。在超精加工和岗性能机械区域中常常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器。这类变频器的输出频率可以达到3kHz，所以在驱动两极异步电动机时电动机的最高转速可以达到18000r/min。4）单相变频器和三相变频器。交流电动机可以分为单相交流电动机和二相交流电动机两种类型，与此相对应，变频器也分为单相变频器和三相变频器。二者的工作原理相同，但电路的结构不同。变频器对电动机进行控制，是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，对提供给电动机的电压、电流、频率进行控制以达到负载的要求，因此，即便变频器的主电路一样，逆变器件相同，单片机的位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果就不一样。所以控制方式是很重要的，它代表变频器的水平。1.4变频器的控制方式目前变频器对电动机的控制方式大体可分为：V/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等。前四种已获得成功应用，并有商品化产品，本章只讨论前2种控制方式。1.4.1vf恒定控制V/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压,使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压（Voltage）与频率 (Frequency)的比，称为V/f恒定控制。 此种控制方式比较简单，多用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。另外，空调等家用电器也多采用此控制方式的变频器。.控制原理 异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，在改变频率时，电动机的同步转速随着改变。当电动机带负载运行时，电动机转子转速略低于电动机的同步转速，即存在转差。转差的大小和电动机的负载大小有关。 保持V/f恒定控制是异步电动机变频调速最基本的控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。 电动机定子的感应电动势E14.44Kw1m f 1 N1 (2-1)式中 Kwl电动机绕组系数； f1 电源频率； N1 电动机绕组匝数； m每极磁通。电动机端电压和感应电动势的关系式为 UlE1+(r1+jx1)I1， (2-2) 在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。由式(2-1)可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的频率降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机感应电动势E不变，那么，由式(23)可知，电动机的磁通m将增大。由于电动机设计时电动机的磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。磁通出现饱和后将会造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗。而当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。在变频控制时，保持E / f恒定，可以维持磁通恒定。图2-3是采用恒定V/f控制的异步电动机变压变频调速的转矩特性曲线，图中横坐标为转速，纵坐标为转矩。由图可看出，随着频率的变化，转矩特性的直线段近似为一组平行线，电动机的最大转矩相同，但产生最大转矩时的转差不同，所对应的转差频率不变。 由于电动机的电动势检测比较困难，考虑到在电动机正常运转时电动机的电压和电动势近似相等，通过控制V/f恒定以保持磁通为恒定但是采用V/f恒定控制，在频率降低后，电动机的转矩有所下降。这是由于低速时的定子电阻压降所占比重增大，电动机端电压和电动势近似相等的条件已不满足。 V/f恒定控制常用在通用变频器上。这类变频器主要用于风机、水泵的调速节能，以及对调速范围要求不高的场合。控制的突出优点是可以进行电动机的开环速度控制。图2-3 异步电动机变压变频调速的转矩特性曲线 V/f恒定控制存在的主要问题是低速性能较差。其原因是低速时异步电动机定子电压降所占比重增大，已不能忽略，不能认为定于电压和电动机感应电动势近似相等，仍按V/f恒定控制已不能保持电动机磁通恒定。电动机磁通的减小，势必造成电动机的电磁转矩减小。 除了定子漏阻抗的影响外，变频器桥臂上下开关器件的互锁时间是影响电动机低速性能的重要原因对电压型变频器，考虑到电力电子器件的导通和关断需一定时间，为了防止桥臂上下器件在通断切换时直通，造成短路而损坏，在控制导通时设置一段开关导通延迟时间，在该时间内，桥臂上下电力电子器件处于关断状态，因此又称该延迟时间为互锁时间。互锁时间的长短与电力电子器件的种类有关对于大功率晶体管(GTR)，互锁时间约为1030s。对于绝缘栅晶体管(IGBT)，互锁时间约为310s。由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压降低。互锁时间造成的电压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速、电流的振荡，严重时变频器不能运行。 可以采用补偿端电压的方法即在低速时适当提升电压，以补偿定子电阻压降和开关互锁时间的影响。1.4.2矢量控制 矢量控制简介矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有直流电动机相类似的控制性能。直流电动机具有两套绕组，励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的，在空间上互差90；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。当进行闭环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。异步电动机亦有两套多相绕组(定子绕组和转子绕组)，其中定子绕组和外部电源相接，在定子绕组中流过定子电流。转于绕组只是通过电磁感应在转于绕组中产生感应电动势，并流过电流，同时定子侧的电磁能量转变为机械能供给负载。因此异步电动机的定子电流包括两个分量：励磁电流分量和转子电流分量。由于励磁电流是异步电动机定子电流的一部分，很难像直流电动机那样仅仅控制异步电动机的定子电流达到控制电动机转矩的目的。事实上，异步电动机所产生的电磁转矩和定子电流并不成比例，定子电流大并不能保证电动机的转矩大。例如，异步电动机起动时，定子电流几乎是额定电流的57倍，但起动转矩仅仅是额定转矩的0.81.2倍。但是，根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制。在认识矢量控制原理时，经常要碰到所谓的3/2、2/3变换的计算，这里的3、2指的是电动机的3相和2相。从产生电动机的旋转磁场看，3相绕组中通以3相对称电流可以产生圆形旋转磁场，2相绕组中通以互差90的电流亦可以产生圆形旋转磁场。因此从磁场的作用看，3相绕组所产生的磁场可以用2相绕组所产生的磁场来等效，这是分析电动机运行原理的基本方式。矢量控制中的3/2、2/3变换的计算亦是一种等效计算。将3相电动机等效为2相电动机后，电动机的定子绕组只有两个，而且在空间上互差90。同样，可以用2相绕组等效多相转于绕组。从几何上看，直流电动机的两套绕组在空间上亦是互差90，因而变换后的异步电动机具有和直流电动机相类似的绕组结构。矢量控制技术经过20多年的发展，在异步电动机变频调速中已经获得广泛应用。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。如果能对电动机参数(主要是转子电阻R2)进行实时辨识，则可随时修改系统参数。另外一种思路是设计新的控制方法，降低性能参数的敏感性。近年发展起来的直接转矩控制采用滞环比较控制电压矢量，使得磁通、转矩跟踪给定值，系统具有良好的静、动态性能，在电气机车、交流伺服系统中展现良好的应用前景。第二章 变频调速系统2.1开环调速系统2.1.1转速开环的电压型变频调速系统的结构该系统采用可控整流，是一种PWM变频调速系统.这种系统的特点是直流环节采用电容器滤波,逆变器输出电压为矩形波,而输出电流波形则由矩形波电压与电动机的正弦波反电动势之差形成,其波形接近于正弦波。这种变频器由于没有测速反馈,调速性能差于转速闭环系统,适用于调速要求不高的单电动机或多电动机传动系统,且一般采用能耗制动。2.1.2转速开环的电流型变频调速系统的结构该系统的整流桥控制部分直流双闭环调速系统类似,同样是一种调幅型PWM变频调速系统.逆变桥控制部分又与电压型变频调速系统的频率控制通道相似,相应的各主要环节的作用也类似.2.1.3电流跟踪型PWM变频调速系统的结构该系统主要由PWM控制信号发生器、反馈电路、驱动电路、PWM逆变主电路和电动机组成。各种类型的PWM调速系统的区别主要在PWM控制信号产生部分,其余部分差别不大。2.2闭环调速系统2.2.1转差频率及其控制思想转差频率控制系统是一种通过控制电动机转差频率来控制电动机转矩,从而控制电动机转速的控制方法。并且在控制过程中,近似保持磁通恒定的转速闭环变频调速方案,理论上可以获得与直流电动机闭环调速系统相似的调速性能。2.2.2转差频率控制的转速闭环调速系统该系统为了获得较好的动态响应，而且便于回馈制动，采用了交-直-交电流型主电路。能够在控制过程中保持磁通的恒定，能够限制转差频率为变化范围，且通过转差率调节异步电动机的电磁转矩，类似于不变励磁，调节电枢电流来调节拖动转矩的转速、电流双闭环直流调速系统。第三章 变频器的安装调试与维护3.1 变频器的设置环境变频器是精密的电子装置，为了保证其正常工作，在设置安装方面必须注意周围的环境条件。一般说来，在变频器的设置环境方面应考虑以下因素。（1） 环境温度。对安装在机壳内的变频器来说，所允许的环境温度一般为-10+40或4