模块5电动机的变频控制

1、 G P1P2N1N2P1P2N1N2K GAKA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK T1T2G2Bii 1BG22Ciii 在极短时间内使两在极短时间内使两个三极管均饱和导通，个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。此过程称触发导通。211CCii 2BG21ii EGEA+_RGi2BiG21iG2iGEA+_R T1T2Gi2BiGi21Gi2EGG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 必须使可控硅阳极电流减小必须使可控硅阳极电流减小, ,直到直到正反馈正反馈效应效应不能维持。不能维持。 将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或

2、者在晶闸管的URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHoUIIG0IG1IG2正向平均电流正向平均电流)(曲曲线线UfI UFRM:晶闸管晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下, ,允允许重复加在许重复加在晶闸管晶闸管两端的正向峰值电压。两端的正向峰值电压。一般取一般取UFRM = = 80% UB0 。普通普通晶闸管晶闸管 UFRM 为为100V 3000V控制极开路时控制极开路时, ,允许重复作用在允许重复作用在晶闸管晶闸管元元 件上的反向峰值电压。件上的反向峰值电压。一般取一般取 URRM = 80% UBR 普通普通晶闸管晶闸管 URRM为为100

3、V3000VURRM：)(sin21m0mFIttdII 环境温度为环境温度为4040 C C及及标准散热条件下，标准散热条件下，晶闸晶闸管处于管处于全导通时全导通时可以连续通过的工频正弦可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。半波电流的平均值。 IF t 2 i如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为Im, 则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。额定电压额定电压, ,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者较小者额定正向平均电流额定正向平均电流( (IF) 晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流

4、为5A, ,额定电压为额定电压为700V。(1) 电路电路。uuu To, 0。0,To uuu+T t1 2 。uu,u T 0o:1t 。0,To uuu tuO晶晶闸闸管管不不导导通通。,0,0g1 ut t 。uuu To, 0gu tO tOuO 控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO导通角导通角 tuUd21O )d(sin221ttU 2cos145. 0LLOO RURUI2cos145. 0 U +TLeL tguO tTuO tOuO t1 tuO t22 +LTD+(1) 电路电路iL tOu tuO tTuO 2 tguOaRLD2T1b+T1T2RLu

5、oD1D2+T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a tOu tuO tT1uO2 动画动画 tguO tuUd1O )d(sin21ttUU 2cos19 . 0LO RURUI2cos19 . 0 U两种常用可控整流电路两种常用可控整流电路电路电路特点特点1. 该电路只用一只晶闸管，且其上该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。无反向电压。2. 晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D4u0RL+-+-电路电路特点特点 1. 该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起便起 续流二极管作用。续流二极管作用。(2)动画动画2. 由于由于T1

6、的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-动画动画u2a2 u2bu2ct1t2ut o ，一旦发生过，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将电流时，温度急剧上升，可能将PNPN结烧坏，造成元结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只件内部短路或开路。例如一只100A的的晶闸管晶闸管过电流过电流为为400A400A时，仅允许持续时，仅允许持续0.020.02秒，否则将因过热而损秒，否则将因过热而损坏；坏； 电压超过其反电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向击穿电压时，即使时间

7、极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。的电流较大，使器件受损。与晶闸与晶闸管串联管串联接在接在输入输入端端接在接在输出输出端端 RCRC 硒堆保护硒堆保护(硒整流片硒整流片)晶闸管元件晶闸管元件的阻容保护的阻容保护NPPN结结N型硅片型硅片2B1B1BBB1BRRRUU BBBBBB1BUURR 分压比分压比( (0.5 0.9) )UBB+_+_RP+_+_RB1RB2AUBB+_RP+_+_3 . 维持单结管导通的最小维持单结管导通的最小 电压、电流。电压、电流。 单结管由截止变导通单结管由截止

8、变导通 所需发射极电压所需发射极电压。IpIVV截止区截止区P 3. 不同单结晶体管的谷点电压不同单结晶体管的谷点电压谷点电流谷点电流都都 不一样。谷点电压大约在不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用之间。常选用 稍大一些，稍大一些， 稍小的单结晶体管，以增大输稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。出脉冲幅度和移相范围。Uvug。uvOORLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+C+RU2MRu2+uo+uZU2MuOouOzuOUP-UDR1R2RPCcRuZLugucuvUpRLT1D1D2T2OOUZuOO uL L单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路T1+U1RE1

9、-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR 输出脉冲可以直接从电阻输出脉冲可以直接从电阻R1引出引出(如前图如前图)，也可，也可通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管变压器副边串联二极管D1, 可将反向电压隔开，而可将反向电压隔开，而并联并联D2，可将反向电压短路。，可将反向电压短路。 R1AVR2R4R3RPDDZTC+_T1。 R1AV R2R4R3RP D DZTC+_ T1 R1AV R2R4R3RP D DZTC+_ T1R

10、1AV R2R4R3RP DDZTC+_待待充充电电瓶瓶 T1A1A2G通过控制电压的控制可实现双向导通。通过控制电压的控制可实现双向导通。A1A2G RC Tu双向二极管双向二极管变频器简介变频器简介变频器是将固定频率的交流电变换变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。为频率连续可调的交流电的装置。变频器的问世，使得交流调速在很变频器的问世，使得交流调速在很大程度上取代了直流调速。大程度上取代了直流调速。 什么是调速 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：

11、在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工工加时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就时要求电机高速运行。所以，我们就将调节将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速为调速；而用于完成这一功能的自动控制系；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。统就被称为是调速系统。什么是调速 目前调速系统

12、分目前调速系统分交流交流和和直流直流调速系统调速系统. 由于直流调速系统的调速范围广，静差率由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。统几乎都采用了直流调速系统。 近年来，随着电子工业与技术的发展，高近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。有取代直流调速系统发展趋势。什么是调速调速范围调速范围生产机械在额定负载生产机械在额定负载时要求电

13、动机提供的时要求电动机提供的最最高转速高转速nmax与最低转速与最低转速nmin之比之比称为调速范围，称为调速范围，用用D表示。即：表示。即：minmaxnnD 1 1、 通用机械的节能调速：通用机械的节能调速： 指指风机，泵风机，泵等机械，它们的用电量占全国发电总等机械，它们的用电量占全国发电总量的量的1/31/3，此类机械在不调速交流电机调速时，此类机械在不调速交流电机调速时， 风量风量和流量使用挡板和阀门调节，调速后可节电和流量使用挡板和阀门调节，调速后可节电3030 4040，而且优化了工艺过程，减少了管道和阀门的压，而且优化了工艺过程，减少了管道和阀门的压力，提高了设备的寿命，减少了

14、维修。力，提高了设备的寿命，减少了维修。 2 2、工艺调速：、工艺调速： 由于工艺的要求需要调速运行的机械，如由于工艺的要求需要调速运行的机械，如金属加金属加工，造纸工，造纸等需要稳态精度很高的领域，目前该领域正等需要稳态精度很高的领域，目前该领域正在向交流调速过渡。在向交流调速过渡。调速按应用领域的分类 3 3、牵引调速、牵引调速： 运输机械运输机械的电驱动，此类机械对设备的尺寸，重量和防护的电驱动，此类机械对设备的尺寸，重量和防护等级有有严格的要求，所以交流调速比较占优势。如等级有有严格的要求，所以交流调速比较占优势。如火车，轮火车，轮船船等系统。等系统。 4 4、 特殊调速：特殊调速：

15、对调速有特殊要求的调速系统，如调速范围达到对调速有特殊要求的调速系统，如调速范围达到1 1：50000500001 1：100000100000的场合，只能由特殊的永磁交流电动机实现。如的场合，只能由特殊的永磁交流电动机实现。如高高精度磨床，车床精度磨床，车床等等调速按应用领域的分类交（直）流电气传动系统的特点直流电气传动系统特点：直流电气传动系统特点：l控制对象：直流电动机控制对象：直流电动机l控制原理简单，一种调速方式控制原理简单，一种调速方式l性能优良，对硬件要求不高性能优良，对硬件要求不高 l电机有换向电刷（换向火化）电机有换向电刷（换向火化）l电机设计功率受限电机设计功率受限l电机易

16、损坏，不适应恶劣现场电机易损坏，不适应恶劣现场l需定期维护需定期维护交流电气传动系统特点：交流电气传动系统特点：l控制对象：交流电动机控制对象：交流电动机l控制原理复杂，有多种调速方控制原理复杂，有多种调速方式式l性能较差，对硬件要求较高性能较差，对硬件要求较高l电机无电刷，无换向火化问题电机无电刷，无换向火化问题l电机功率设计不受限电机功率设计不受限l电机不易损坏，适应恶劣现场电机不易损坏，适应恶劣现场l基本免维护基本免维护l7070年代以前直流占统治地位年代以前直流占统治地位l交流调速只在大功率电机调速上使用交流调速只在大功率电机调速上使用他励直流电动机的转速公式：他励直流电动机的转速公式

17、：EECIRUCEn式中：式中： U为他励电动的电枢电压为他励电动的电枢电压 I为电枢电流为电枢电流 E为电枢电动势为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻为电枢回路的总电阻 n为电机的转速为电机的转速 为励磁磁通为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数为由电机结构决定的电动势系数他励直流电机的调速方案EECIRUCEnl由直流他励电机有调速方式有由直流他励电机有调速方式有三种调速方三种调速方式式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。量的弱磁调速。l由于串电阻调速和弱磁调速都会使直

18、流他由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们中我们通常采用的是变电压调速。通常采用的是变电压调速。他励直流电机的调速方案用晶闸管触发整流用晶闸管触发整流整流电路实现电枢整流电路实现电枢电压可调，从而达电压可调，从而达到改变电机转速的到改变电机转速的目的。目的。这就是所谓的电这就是所谓的电源源电动机调速电动机调速系统（系统（VM）系统，它属于开系统，它属于开环系统。环系统。（1）容量大。）容量大。（2）转速高且耐高压。）转速高且耐高压。（3）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。）交流电机的体积小，结构简单、经济可

19、靠、惯性小。（4）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。（5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流 拖动系统一样的性能指标。拖动系统一样的性能指标。（6）交流调速系统能显著地节能。）交流调速系统能显著地节能。 从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。交流调速系统的特点交流电机的调速方案交流电机转速表达式：交流电机转速表达式：spfn1601l三类调速方法：三类调速方法：l变极对数变极对数p的调速、变转差率的调速、变转差率s调速及变电源频率调速

20、及变电源频率f1调速。调速。 原始的分类方法有原始的分类方法有： 1）变极调速变极调速；2）变变s调速调速：调压调速、绕线式异步电动机：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速；速、电磁转差离合器调速；3）变频调速变频调速。 科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）（1）转差功率消耗型）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。而被消耗掉。 特点特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步：系统的效率低，结构简

21、单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率回馈型）转差功率回馈型调速系统调速系统转差功率的少部分被消转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。以利用。 特点特点：效率高。串级调速属该类系统。：效率高。串级调速属该类系统。（3）转差功率不变型）转差功率不变型调速系统调速系统调速过程中，转差功率调速过程中，转差功率基本不变。基本不变。 特点特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。：效率最高。变极调速

22、、变频调速系统属于此类。交流异步电动机调压调速l恒转矩负载M3M3M3TULSVVC+-(a)(b)(c)图5-2 异步电动机调压调速原理调压器调压调压器调压饱和电抗器调压饱和电抗器调压晶闸管交流晶闸管交流调压器调压调压器调压交流异步电动机调压调速RU1U1VT2VTU02tl1 1）相位控制方式）相位控制方式l 通过改变晶闸通过改变晶闸管的导通角来改变输管的导通角来改变输出交流电压。电压输出交流电压。电压输出波形如图所示。出波形如图所示。 特点：输出电压较为特点：输出电压较为精确、快速性好；但精确、快速性好；但有谐波污染。有谐波污染。交流异步电动机调压调速 2）开关控制方式）开关控制方式 把

23、晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比间比t0/ tp来调节。输出电压波形如图所示。来调节。输出电压波形如图所示。U00t通pt断t特点：采用特点：采用“过零过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。触发，谐波污染小；转速脉动较大。交流异步电动机调压调速由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。而成。电磁转差离合器调速系统1、电磁转差离合器的结构、电磁转差离合器的结构电磁转差离合器

24、电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁电磁转差离合器电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。体组成。l1)直流励磁绕组：直流励磁绕组：由控制装置输出的可调压直流电由控制装置输出的可调压直流电供电，产生固定磁场；供电，产生固定磁场；l2)机座：机座：它既是离合器的结构体，又是磁路的一部它既是离合器的结构体，又是磁路的一部分；分；3)电枢：电枢：圆筒形圆筒形实心钢体实心钢体，兼有导磁、导电作用，直接套在，兼有导磁、导电作用，直接套在异步电动机的轴上，作为主动转子，转速与异步电动机相同。异步电动机的轴上，作为主动转子，转速与异步电动机相同。运行时，在电枢中感应电动势并产生运行时，在电枢中感应电动势并产生涡

25、流涡流；4)磁极：磁极：它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴上而输它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴上而输出转矩，在机械上与电枢无连接，借助气隙分开；出转矩，在机械上与电枢无连接，借助气隙分开；5)异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体；异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体；6)从动轴：从动轴：输出机械转矩；输出机械转矩；7) 磁导体：磁导体：它既是结构体又是磁路的一部分它既是结构体又是磁路的一部分。 电磁转差离合器调速系统2、电磁转差离合器的转动原理、电磁转差离合器的转动原理1）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：机座机座气隙

26、气隙电枢电枢气隙气隙磁极磁极导磁体导磁体机座；机座；2）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，在槽间部分磁力线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场；在槽间部分磁力线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场；3）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，电枢中感生电动势并产生电流（涡流）；电枢中感生电动势并产生电流（涡流）；4）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反应磁场，）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反应磁场，与主磁通合成并产生转矩；与主磁通合成并产生转矩；5）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极

27、就）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就带着生产机械一同旋转。带着生产机械一同旋转。 电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统3、电磁转差离合器的转速和转向、电磁转差离合器的转速和转向1）从动轴的转速）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小；取决于励磁电流的大小；2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。）从动轴的转向则取决于原动机的转向。电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。递功率的装置。电磁转差离合器调速系统（一）串电阻调速（一）串电阻调速 绕线式异步机在转子回路中串接电阻调速绕线式异步机在转子回路中串接电阻调速绕

28、线式异步电动机串级调速系统（二）串级调速（二）串级调速 在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。过改变附加电势的幅值和相位实现调速。l按产生直流附加电势方式的不同，可分为电气串级调按产生直流附加电势方式的不同，可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。速系统和机械串级调速系统。RRR滑环滑环电刷电刷定子定子转子转子起动电阻起动电阻 l串电阻调速串电阻调速22RR stTTOn1nmaxT2R2R stT l串电阻调速串电阻调速绕线式异步电动机串级调速系统 1.电气串级调速系统电气串级调速系统 系统中，直流附

29、加电势系统中，直流附加电势E由逆变器由逆变器UI产生，改变逆变角就产生，改变逆变角就改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势E，可实，可实现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功现串级调速。在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：率为： ，角速度，角速度 ，则电机输出转矩为：，则电机输出转矩为：2(1)MPs P0)1 (s常数0202)1 ()1 (PsPsPTMe，恒转矩调速特性。，恒转矩调速特性。2、机械串级调速系统、机械串级调速系统 机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势E由

30、直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变电枢电势，相当于改变直流附加电势电枢电势，相当于改变直流附加电势E的值，实现串级调的值，实现串级调速。速。 在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为： （1-s）P2+sP2=P2=常数。具有恒功率调速特性。常数。具有恒功率调速特性。交流电气传动系统的发展历程交流异步电机的机械特性公式交流异步电机的机械特性公式 n n60f/p(1-s)60f/p(1-s) n n：电机转速：电机转速 f f：给电机供电的交流电频率：给电机供电的交流电频率 p p：电机极

31、对数：电机极对数 s s：转差率：转差率 T：电机力矩N：速度n0负载1异步机机械特性负载2交流同步电机的机械特性公式交流同步电机的机械特性公式 n n60f/p60f/p n n：电机转速：电机转速 f f：给电机供电的交流电频率：给电机供电的交流电频率 p p：电机极对数：电机极对数 n0负载1负载2T：电机力矩同步机机械特性调速方式名称调速方式名称控制对象控制对象特点特点变极调速变极调速交流异步电动交流异步电动机机有级调速，系统简单，最多有级调速，系统简单，最多4 4段速段速调压调速调压调速无级调速，调速范围窄无级调速，调速范围窄电机最大出力能力下降，效率低电机最大出力能力下降，效率低系

32、统简单，性能较差系统简单，性能较差转子串电阻调速转子串电阻调速变频调速变频调速交流异步电动交流异步电动机机交流同步电动交流同步电动机机真正无级调速，调速范围宽真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高电机最大出力能力不变，效率高系统复杂，性能好系统复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美可以和直流调速系统相媲美早早晚晚发发 展展 时时 间间交流电气传动系统的发展历程l在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用l三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉三相交流鼠笼电机尽管调速

33、性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉 还是在一些性能较低的传动现场使用还是在一些性能较低的传动现场使用变频器及其特点变频器变频器 变频器是交流电气传动系统的一种变频器是交流电气传动系统的一种, ,是将交流工频电源转换成电压、频率均可是将交流工频电源转换成电压、频率均可 变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF ( Variable VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency Voltage Variable Frequency）变频器的控制对象变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相

34、交流同步电机，标准适配电机极数是三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/42/4极极序序号号优点优点1 1平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全安全2 2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度3 3无级调速，调速精度大大提高无级调速，调速精度大大提高4 4电机正反向无需通过接触器切换电机正反向无需通过接触器切换5 5非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制变频调速的优势（与其它交

35、流电机调速方式对比）变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）变频调速的发展历程电机控制算法功率半导体技术V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSP IGBT大容量化更高速率和容量如：矩阵式变频器大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP专用芯片00年代超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化 更大容量 更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用变频器分类供电

36、电源供电电源低压低压220V/1PH220V/1PH、220V/3PH220V/3PH、380V/3PH380V/3PH高压高压30003000、60006000、10000V/3PH10000V/3PH控制算法控制算法通用通用内置内置V/FV/F控制方式，简单，性能一般控制方式，简单，性能一般高性能高性能内置矢量控制方式，复杂，高性能内置矢量控制方式，复杂，高性能变换方法变换方法（拓朴结构）（拓朴结构）交直交交直交电压型（储能环节为电解电容）电压型（储能环节为电解电容）电流型电流型( (储能环节为电抗器）储能环节为电抗器）交交交交无储能环节无储能环节注：注：l交直交电压型变频器因结构简单，功

37、率因素高，目前广泛使用交直交电压型变频器因结构简单，功率因素高，目前广泛使用l常用设计功率在常用设计功率在315KW315KW变频器工作原理整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流交流低压交直交通用变频器系统框图交流低压交直交通用变频器系统框图直流直流交流整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波入电流非正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦，输出电流近似正

38、弦变频器工作原理单相逆变电路工作原理单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通 S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1逆变器的功能：逆变器的功能：l通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率l通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序变频器工作原理S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612 123 234 345 456 561 612三相逆变电路三相逆变电路Ed缺点：缺点：l输出电压的谐波分量太大输出电压的谐波分量太大l电机谐波损耗

39、增加，发热严重甚至烧坏电机电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机l转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳l直到从通信技术中采用直到从通信技术中采用PWMPWM调制才大大的缓解了以上问题调制才大大的缓解了以上问题电机变频调速系统变频调速系统变频调速系统变频调速系统变频调速系统变频调速系统一、变频器的基本类型一、变频器的基本类型变频器交-交变频器单相交-直-交变频器有环流按输出波形分按储能方式分按调压方式分电压型按相数分按环流情况分脉幅调制脉宽调制三相无环流正弦波方波电流型l1 1、 按变频器的工作原理分类按变频器的工作原理分类变频调速系统 交交-交变频器的主

40、电路结构交变频器的主电路结构交交交变频器交变频器是将恒压频的交流电一次是将恒压频的交流电一次变换成调压调频的交流电，变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成它由三组可逆整流器组成 通常用于大功率（500kw或1000kw以上）、低速（600r/min以下）的场合，如扎钢机、球磨机、水泥回转窑等 变频调速系统交交交变频器交变频器变频调速系统交交-直直-交变频器的结构交变频器的结构基本构成框图 是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经过逆变电路将直流变换成调压调频的交流电经过逆变电路将直流变换成调压调频的交流电 变频调速系统中间环

41、节是大电容器滤波，使直流中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压侧电压 恒定，变频器的输出电恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交直交称为交直交电压型电压型变频器变频器 中间环节是电感很大的电抗器滤波，中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电电源阻抗很大，直流环节中的电流流 可近似于恒定，逆变器输出可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直源，称为交直交电流型交电流型变频器变频器 变频调速系统变频调速系统 变频器对输出波形的调制既要变频，又要变压，变频变频器对输出波形的调制

42、既要变频，又要变压，变频是由逆变器完成的。而变压按输出电压调节方式不同，变是由逆变器完成的。而变压按输出电压调节方式不同，变频器有频器有PAMPAM、 PWM PWM 和和SPWMSPWM等多种方式等多种方式 变频器电压调节方式变频器电压调节方式PAM PAM 方式方式-脉冲幅值调节方式脉冲幅值调节方式 是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现去实现PWM PWM 方式方式-

43、脉冲宽度调节方式脉冲宽度调节方式 变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器变频器的输出电压和输出频率均由逆变器PWMPWM方式调节。方式调节。PWMPWM信号作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通信号作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断。断。 SPWM SPWM 方式方式-正弦脉冲宽度调节方式正弦脉冲宽度调节方式变频调速系统用可控整流器调压、逆变器调频用可控整流器调压、逆变器调频 用斩波器调压的交用斩波器调压的交直直交变频器交变频器 用用PWMPWM逆变器同时调压调频逆变器同时调压调频 变频

44、器电压调节方式变频器电压调节方式调压和调频分别在两个调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进环节上，由控制电路进行协调行协调 整流环节采用二极管不整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器进行调压，再用逆变器调频调频 用用PWMPWM逆变器，输出电压逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出冲宽度就可以调节输出电压值电压值 变频调速系统2 2、 按变频器的控制方式分类按变频器的控制方式分类（2 2）SFSF控制变频器（转差频率控制）控制变频器（转差频率控制）变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。变频器通过电

45、动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。在在S S很小的范围内，电动机的转矩近似地与转差角频率成正比。很小的范围内，电动机的转矩近似地与转差角频率成正比。控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。（3 3）VCVC变频器（矢量控制）变频器（矢量控制）将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量和与其将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量和与其垂直的产生转矩的电流分量，并分别加以控制。垂直的产生转矩的电流分量，并分别加以控制。矢量控制从原理上说可以得到与直流电动机相同的控制性能，矢量控制从原理上说可以得到与

46、直流电动机相同的控制性能，但是矢量控制的运算中要使用电动机的参数但是矢量控制的运算中要使用电动机的参数。 （1 1）U/fU/f控制变频器（压频比控制控制变频器（压频比控制）对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持U/fU/f恒定使电动机获得所需的转矩特性恒定使电动机获得所需的转矩特性变频调速系统3 3、 按变频器的用途分类按变频器的用途分类通用变频器通用变频器专用变频器专用变频器基本上采用电路结构简单的基本上采用电路结构简单的U/fU/f控制方式控制方式 分为高性能变频器（采用分为高性能变频器（采用VCVC控制方式）、控制方式）、高频变频器和高

47、压变频器高频变频器和高压变频器变频调速系统二、变频器中的半导体开关器件二、变频器中的半导体开关器件 1 1、晶闸管（、晶闸管（SCRSCR）属于半控型电力电子器件，在晶闸管的阳极和阴极间加正向电属于半控型电力电子器件，在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，使晶压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，使晶闸管导通，一旦导通，门极即失去控制作用。闸管导通，一旦导通，门极即失去控制作用。 特点是耐压高，电流大，抗冲击能力强特点是耐压高，电流大，抗冲击能力强 2 2、门极可关断晶闸管（、门极可关断晶闸管（GTOGTO）属于全控型器件，开通和关闭都

48、可以由脉冲实现。无须强迫换属于全控型器件，开通和关闭都可以由脉冲实现。无须强迫换相装置，损耗小，装置效率高，易于实现相装置，损耗小，装置效率高，易于实现PWMPWM控制。控制。 3 3、电力晶体管（、电力晶体管（GTRGTR）又称双极型晶体管，目前常用的又称双极型晶体管，目前常用的GTRGTR有单管、达林顿管和有单管、达林顿管和GTRGTR模模块块3 3大系列。缺点是耐冲击能力较差，易受二次击穿而损坏。大系列。缺点是耐冲击能力较差，易受二次击穿而损坏。 4 4、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT 是场效应管（是场效应管（MOSFETMOSFET）和电力晶体管（）和电力晶体管

49、（GTRGTR）的产物。当栅极）的产物。当栅极加正向电压时，加正向电压时，IGBTIGBT导通；当栅极加负电压时，导通；当栅极加负电压时，IGBTIGBT关断。关断。 变频调速系统A)小电流封装式 B)小电流螺旋式 D)大电流平板式C)大电流螺旋式E)电气符号图图2-1 晶闸管的外形和电气图形符号AGKAGK图2-3 GTO的电气符号GDSGDSN沟道P沟道图2-4 功率MOSFET电气符号沟道变频调速系统GCEIDICRBGCE（a）内部结构（b）简化等效电路（c）电气图形符号图2-6 IGBT的结构、简化等效电路及电气图形符号CEIDR2R1VT2VT1G图2-7 IGBT的实际等效电路变

50、频调速系统三、逆变电路三、逆变电路 以以IGBTIGBT为逆变器件的逆变电路。其主要特点如下为逆变器件的逆变电路。其主要特点如下： 1 1、载波频率高、载波频率高 大多数变频器的载波频率可在大多数变频器的载波频率可在3 315kHz15kHz的范围内任意可调。的范围内任意可调。 2 2、电流波形大为改善、电流波形大为改善 载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接近正弦波，故电磁噪声减小，而电动机的转矩增大。近正弦波，故电磁噪声减小，而电动机的转矩增大。 3 3、控制功耗减小、控制功耗减小 IGBTIGBT的驱动电路取用电流极小，几

51、乎不损耗功率。的驱动电路取用电流极小，几乎不损耗功率。 4 4、瞬间停电可以不停机、瞬间停电可以不停机 这是因为这是因为IGBTIGBT的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减较慢，较慢，IGBTIGBT不会立即进入放大状态。不会立即进入放大状态。 变频调速系统变频器的控制方式 U/fU/f控制方式控制方式 转差率频率控制转差率频率控制 矢量控制方式矢量控制方式 直接转矩控制方式直接转矩控制方式变频调速系统对变频调速的基本要求mmwkNfEU1111144. 4铁心过饱和铁心过饱和0I1cos1fm1fmTZT不变不变2I1I绕组过热绕组过热NmMTT带

52、负载能力不变带负载能力不变变频调速系统mwkNfEU1111144. 4constfUfU1111NNTTffUU1111与负载性质有关11Uconstf11Uconstf若若，为恒磁通控制方式或恒转矩调速。，为恒磁通控制方式或恒转矩调速。 若若，为恒功率调速。，为恒功率调速。 变频调速系统U/f 控制方式Nff constfU11MmT,不变不变Nff constU 1m2Tn2P不变不变对变频器的输出的电压和频率同时进对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持行控制，保持U/fU/f恒定使电动机获得所恒定使电动机获得所需的转矩特性需的转矩特性当当f 较低时，较低时，r1不能忽略不能忽略m

53、T通常通常 以以1UmT保持保持 不变（电压补偿）不变（电压补偿）变频调速系统脉宽调制技术脉宽调制技术在控制电路中采用载频信号 与参考信号 相比较的方法产生基极驱动信号。这里 采用单极性等腰三角形； 采用可变的直流电压。在 与 波形的交点处发生调制信号 PWMPWM逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形当三角波幅值一定，改变参考信号 的大小，输出脉冲宽度就随之改变，从而可以改变输出基波电压的大小。当改变载频三角波的频率，并保持每周期输出的脉冲数不变时，就可以改变基波电压的频率。 变频调速系统参考信号 改为正弦波信号 当改变参考信号 的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变

54、的频率时，输出电压频率即随之改变。 SPWMSPWM逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形变频调速系统负载的机械特性及变频系统的节能运行 电机与拖动理论将电动机负载分成三种形式：电机与拖动理论将电动机负载分成三种形式：恒转矩负载恒转矩负载恒功率负载恒功率负载二次方率负载二次方率负载负载形式不同，采用变频器调速后，节能效果也不一样负载形式不同，采用变频器调速后，节能效果也不一样变频调速系统恒转矩负载恒转矩负载典型的恒转矩负载带式输送机 负载转矩与转速无关 在调速过程中负载转矩TL保持不变负载功率PL与转速成正比 rFLT传输带与滚筒的摩擦力 滚筒半径 nP TL=常数 恒转矩负载在额定频率以下运行

55、时，其功率恒转矩负载在额定频率以下运行时，其功率消耗会下降，仅从这一点来看，恒转矩负载采用消耗会下降，仅从这一点来看，恒转矩负载采用变频器控制在额定频率以下运行时具有节能效果，变频器控制在额定频率以下运行时具有节能效果，且消耗功率与转速成正比关系；且消耗功率与转速成正比关系； 但从另一方面考虑，当采用机械手段或但从另一方面考虑，当采用机械手段或其他非电气手段进行调速时，也具有节能效果，其他非电气手段进行调速时，也具有节能效果，所以从节能效果来看，采用变频器并没有优势。所以从节能效果来看，采用变频器并没有优势。 因此，恒转矩负载在采用变频器进行调因此，恒转矩负载在采用变频器进行调速时，节能并非变

56、频应用的主要理由，改善设备速时，节能并非变频应用的主要理由，改善设备工艺特性、提高产品质量才是变频器应用的主要工艺特性、提高产品质量才是变频器应用的主要目的目的 变频调速系统恒功率负载恒功率负载典型的恒功率负载卷绕机械 特点是： 在卷绕过程中，为了保持卷装不变形（松卷或表面不平整），被卷物的张力F以及线速度V保持恒定，因此卷绕辊的转速n随着卷装直径D（半径r）的变化而变化。 负载功率为： PL=Fv =常数 负载转矩为： TL=Fr PL=常数n / 1 T 在调速过程中负载功率PL保持不变负载转矩TL与转速成反比 由于恒功率负载的输出功率是常数，因此采用变频器由于恒功率负载的输出功率是常数，

57、因此采用变频器调速运行的目的绝不是节能。调速运行的目的绝不是节能。 在卷绕控制系统中，采用的是具有转矩控制的高在卷绕控制系统中，采用的是具有转矩控制的高性能变频器，它可以直接将变频器的给定值设定为转矩。性能变频器，它可以直接将变频器的给定值设定为转矩。 在转矩控制方式下，电动机的转速大小取决于给在转矩控制方式下，电动机的转速大小取决于给定转矩与负载转矩比较的结果，而该结果只能决定拖动系定转矩与负载转矩比较的结果，而该结果只能决定拖动系统是加速运行还是减速运行，变频器的输出频率是不能调统是加速运行还是减速运行，变频器的输出频率是不能调节的。要使系统能稳定运行在某一线速度下，需要由设备节的。要使系

58、统能稳定运行在某一线速度下，需要由设备的主令电动机完成线速度的闭环控制，卷绕电机跟着主令的主令电动机完成线速度的闭环控制，卷绕电机跟着主令电机稳定运行，且保持恒张力控制要求。电机稳定运行，且保持恒张力控制要求。 转矩随转速转矩随转速n n的降低而增大（其实是随卷装半径的的降低而增大（其实是随卷装半径的增加而增大），因此要控制好这种系统，卷装直径的计算增加而增大），因此要控制好这种系统，卷装直径的计算就显得非常重要，并且一般转矩给定的方式为通讯给定，就显得非常重要，并且一般转矩给定的方式为通讯给定，在纺织印染行业的卷染机就是这一应用的代表。在纺织印染行业的卷染机就是这一应用的代表。变频调速系统二

59、次方率负载二次方率负载典型的二次方率负载典型的二次方率负载离心式风机和水泵离心式风机和水泵 多用于控制流体（气体和液体）的流量，其负载的阻转矩与转速多用于控制流体（气体和液体）的流量，其负载的阻转矩与转速的平方成正比关系，即：的平方成正比关系，即： 2LTLnKT 3LPLnKP 变频调速系统二次方率负载二次方率负载变频运行及节能变频运行及节能 由于风机、水泵等负载的功率消耗与电动机转速的三次方成正比，因此由于风机、水泵等负载的功率消耗与电动机转速的三次方成正比，因此当负载的转速小于电动机额定转速时，其节能潜力比较大。当负载的转速小于电动机额定转速时，其节能潜力比较大。 变频调速系统变频器变频

60、器基础问题基础问题 1、什、什么么是变频器？是变频器？ 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 2、PWM和和PAM的不同点是什麽？的不同点是什麽？ PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。变频器变频器基础问题基础问题 PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。 3、电压型与电流型有什么不同？ 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回