车床的主轴变频控制

1、课程设计论文摘 要本论文以普通车床为研究对象，对普通车床的主轴进行了变频调速的设计改造。简单介绍了普通车床的拖动系统及机械特性，然后重点介绍了普通车床的原拖动系统。根据电力电子学、变频器的设计原理，采用变频器对车床进行变频调速的设计，对车床的主传动系统进行了设计和校核。根据拖动系统的要求，对原拖动系统进行了合理的计算，并选择了合适的电动机和变频器型号。相比原拖动由齿轮箱来传动和调速，经过变频调速改造后，车床实际应用效果良好，同时还具备了节能、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围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。关键字：普通车床

2、；变频器；拖动系统目录1 绪论11.1 变频器技术的发展史11.2 变频调速控制系统的优势21.3 变频器技术的发展动向32 普通车床主轴的变频调速42.1 普通车床的主要功能与构造42.1.1 普通车床的主要功能42.1.2 普通车床的构造42.2 普通车床的拖动系统52.2.1 普通车床的运动系统52.2.2 普通车床主拖动系统的机械特性52.2.3 主拖动系统的负载功率62.2.4 主拖动系统的工作特点62.2.5 普通车床的原拖动系统72.3 车床主拖动的变频调速系统72.3.1 对变频调速系统的基本考虑72.3.2 一档传动比，且fXfN 方案72.3.3 一档传动比，且fmaxfN

3、方案92.3.4 两档传动比，且fmaxfN方案103 车床的变频调速123.1 选择电动机型号123.2 主要计算数据143.3 变频调速方案143.4 电动机容量不变的可行性核算164 变频器184.1 变频器的基本构成和工作原理184.1.1 变频器的基本构成184.1.2 变频器内部电路的基本功能184.2 变频器的种类194.3 变频器的主要功能214.3.1 系统所具有的功能214.3.2 频率设定功能234.3.3 与保护有关的功能244.4 变频器的选择244.5 变频器的功能参数表254.6 变频器的功能预置284.6.1 各参数的设定值表284.6.2 多段速的参数设定表2

4、9附录30结 论31参考文献32321 绪论1.1 变频器技术的发展史我国变频调速技术的发展概况:上世纪80年代外资变频器产品开始进入我国市场，随着我国经济的高速发展和人们节能环保意识的增强，90年代以来变频器在工业领域的应用越发普及，行业规模迅速扩大。在过去的20几年，我国变频器行业从起步阶段到目前正逐步开始趋于成熟，发展十分迅速。进入21世纪以来，我国中、低压变频器市场的增长速度超过了20%，远远大于近几年的GDP增长水平。随着国内对大规模变频装置的需求上升，高档变频产品的开发成功，变频器智能化的开发已经成为当务之急。我们的变频基本性能还没有达到相应的水准，市场还没有发育到这个程度。但是我

5、们已经看到国内一些变频企业进行了有益的研发实践，一方面消化国外的先进技术，一方面尝试推出自己的变频标准。因此，综合考虑变频器自身优势、行业及市场的发展速度、现状及潜力、良好的宏观环境，我国变频器行业的发展前景十分乐观我国电气传动与变频调速技术的发展简史:电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多

6、地改用调速传动以节约电能（节约15%20%或更多），改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。 我国电气传动产业始建于1954年当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来天津电气传动设计研究所的前身。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。国内许多合资公司生

7、产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。 变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的。(1) 应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。(2) 是节约能源的高新技术。(3) 是国际上技术更新换代最快的领域。(4) 是高科技领域的综合性技术。(5) 是替代进口，节约投资的最大领域之一。1.2 变频调速控制系统的优势与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流

8、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，可以用一台变频对多台电动机进行调速控制，电源功率因素大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。下面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上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。1.3 变频器技术的发展动向变频器进入试用期已超过1/4

9、个世纪，在此期间，作为变频器技术基础的电力电子技术个微电子技术都经历了飞跃的发展，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家则仍然在不断地为实现变频器的进一步小型化而做着新的努力。从技术方面来看，随着变频器市场的进一步扩大，今后变频器技术将会随着与变频器有关的技术的发展在下面几个方面进一步得到发展：(1)大容量和小体积化；(2)高性能和多功能化；(3)易操作性的提高；(4)寿命和可靠性增加；(5)无公害化。大容量化和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。近年来，采用电压驱动的电力半导体器件IGBT(Isolate

10、d Gate Bipolar Transistor,隔离门极双极晶体管)发展很快，并在迅速进入传统上使用BJT（双极功率晶体管）和功率MOSFET(场效应管)的各种领域。此外，以IGBT为开关器件的IPM（Intelligent Power Module,智能功率模块）和单片功率IC芯片将功率开光器件与驱动电路，保护电路等集成在同一封装内，具有高性能和可靠性好的优点，所以随着它们在大电流化和高耐压化方面的发展，必将在中小型变频器中得到更加广泛的应用。在变频器推广应用的初期，噪声问题曾经是一个比较大的问题。随着IGBT的低噪音变频器的出现，这个问题已经基本上得到了解决。但是，随着噪声问题的解决，

11、人们的目光又转向了变频器对周围环境的其他影响并在不断探索新的解决办法。例如，对于采用了二极管整流电路和电压形PWM逆变电路的变频器来说，变频器本身造成的高次谐波将给电源电压和电流带来畸变，并影响接于同一电源的其他设备。但是，通过在变频器中采用PWM整流电路，就可以基本上解决这个问题。虽然因为价格和控制技术等方面的原因目前采用PWM整流电路的变频器尚未得到推广，随着变频器技术的发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频器对环境的影响直至推出真正的无公害变频器已经成为大势所趋。2 普通车床主轴的变频调速2.1 普通车床的主要功能与构造2.1.1 普通车床的主要功能普通车床以加工圆柱体为主，如：加工圆

12、柱体的外圆、内圆及端面；圆柱体的钻孔和扩孔；在外圆与内圆表面车削螺纹，等。2.1.2 普通车床的构造如图2-1所示，主要部件有：图2-1 普通车床的构造2.2 普通车床的拖动系统2.2.1 普通车床的运动系统 普通车床的运行系统主要包括以下两种运动：1. 主运动 工件的旋转运动为普通车床的主运动，带动工件旋转的拖动系统为主拖动系统。2. 进给运动 主要是刀架的移动。由于在车削螺纹时，刀架的移动速度必须和工件的旋转速度严格配合，故中小型车床的进给运动通常由主电动机经进给传动链而拖动的，并无独立的进给拖动系统。2.2.2 普通车床主拖动系统的机械特性 1. 主拖动系统阻转矩的形成 主拖动系统的阻转

13、矩就是工件在切削过程中形成的阻转矩。理论上说切削功率用于切削的剥落和变形。故切削力正比于切削的材料性质和截面积，截面积由切削深度和走刀量决定。而切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其大小与下列因素有关：(1) 切削深度；(2) 进刀量；(3) 工件的材质与直径，等。2. 主拖动系统的负载特点(1) 在相当大的转速范围内，普通车床的允许切削深度和进刀量等都是相同的，因而具有恒转矩的特点。(2) 在高速段，由于受车床身机械强度及振动等的影响，速度越高，允许的切削深度和进刀量越小，阻转矩也越小，因而具有恒功率的性质。(3) 综上所述，普通车床的机械特性如图2-2所示。 nLmaxnBOATn

14、LD图2-2 车床的负载机械特性图中，D点以下是恒转矩区；D点以上是恒功率区。D点是分界点，一般来说，大约在nLD2处（nLD是分界点的转速，nLmax是最高转速）。但考虑到低速车削通常为粗加工，切削量较大。尤其是车削毛坯时，由于同心度较差和表面的不光滑，常会遇到较大的冲击力。所以，在实际处理时，通常取： nLDn/4 （2-1）2.2.3 主拖动系统的负载功率 如图2-2，主拖动系统的负载功率取决于高速段任一点转矩与转速的乘积： P =TLminn/9550 =TLma/9550 （2-2）由图可知，的大小与面积OADB成正比。2.2.4 主拖动系统的工作特点 1.调速范围宽 调速范围 L

15、由最高速nLmax与最低速nLmin的比值决定： L=nLmax/nLmin （2-3）通常：L=25150例如，国产CA5140型车床的=140，而意大利SAG型精密车床的=26.7。 2.低速时对过载能力要求较高 因为低速运行常用于粗加工，为了提高工作效率，切削深度和进刀量都较大。 3.高速是对过载能力要求较低 因为高速运行常用于精加工，非但切削深度较小，进刀量也往往不大。在正常情况下，出现过载的可能性极小。2.2.5 普通车床的原拖动系统普通车床通常是由齿轮箱来传动和调速的。他具有以下特点： 1. 恒功率性质 由于齿轮箱变速时，转矩的变化与转速的变化成反比，故具有恒功率的性质。所以对同一

16、切削用量而言，电动机的输出功率是不变的。如忽略齿轮箱的功率损耗不计，则在全调速范围内，都具有恒功率的特点。 2. 低速时过载能力强 在低速段，拖动系统经齿轮降速后的额定转矩将远远高于负载的最大阻转矩，具有极强的过载能力。2.3 车床主拖动的变频调速系统2.3.1 对变频调速系统的基本考虑(1) 由于调速范围很广，且要求有比较硬的机械特性。所以，以选用矢量控制方式为宜。对于普通车床来说，由于对动态响应要求不高，用“无反馈矢量控制”方式已经足够。 (2) 因为调速范围广，且高速段与低速段机械特性的特点不一样，故工作频率范围应不限于额定频率以下。 (3) 电动机的容量一般应此比原拖动系统的电动机容量

17、为大（详见下速）。 (4) 如上述，在低速段，可能出现较大的冲击过载，容易引起变频器的跳闸。所以，变频器的容量以比电动机容量大一档为好。2.3.2 一档传动比，且fXfN 方案1.基本工况 (1) 电动机和主轴之间的传动比只有一档，传动比 =nMnL （2-4） (2) 变频器的最大输出频率fmax等于电动机的额定频率fMN。从而，电动机的最高转速nMmax等于其额定转速nMN，它折算到负载轴上的值nMmax应大于负载要求的最大转速nLmax: nMmax=nMNnLmax （2-5）电动机额定转矩的折算值（折算到负载轴上的转矩）应大于负载的最大转矩的T:nLmaxnDBOATnLDnMN1A

18、HG2 TMNT （2-6）图4-3 一档传动比，且fXfN 时电动机的有效转矩线和车床的机械特性曲线综上所述，电动机的优先转矩线如图2-3的曲线2所示，曲线1是车床的机械特性曲线。为了便于比较，图中，电动机的转矩和转速均为折算到负载轴上的值。 2. 电动机的容量 在图2-3中，负载所需功率 PL =TminnLmax/9550 =TmaxLnLmax/9550 =LTmaxnLmax/9550 （2-7）其大小与面积OADB成正比。而电动机的容量则与面积OAHG成正比，其大小为： PM1=TMNnMN TLmaxnLmax/9550 =LPL （2-8）可见，采用了变频调速以后，电动机的容量

19、需增大aL倍以上。3. 电动机的工作频率范围 (1) 最高频率 fmax=fN。 (2) 最低频率 因为只有一档转速，故频率调节范围af为： af=fmax/fminnLmax/nLmax=aL （2-9） 当aL=40时，fmin50/40=1.25Hz 当aL=140时，fmin50/140=0.375Hz 异步电动机在这样低的频率下连续工作，如不用负载反馈，是比较困难的。2.3.3 一档传动比，且fmaxfN方案 1.基本工况(1) 电动机和主轴之间的传动比仍只有一档，但变频器的最高输出频率fmax允许超过额定频率fN。但一般不宜超过额定频率的1.5倍（即：fNfmax1.5fN）。 设

20、最大调频比kfmax=fmax/fN （2-10） 则：电动机的最高转速nMmax也约为额定转速nMN的Kfmax倍： nMnaxKfmaxnMN （2-11） (2) 电动机的额定转速nLmaxnDBOATnMmax1AHG2 nMN=nMmax/KfmaxnLmax/Kfmax （2-12）图2-4 一档传动比，且fmaxfN时电动机的有效转矩线和车床的机械特性曲线2. 电动机的容量 如图2-4，电动机的容量与面积OAHG成正比，其大小为 pM2=TMNnMN/9550 TLmax(nLmax/kfmax)/9550 =PM1/Kfmax （2-13）可见，频率范围过大之后，电动机的容量可

21、以比PM1减小kfmax倍，但与负载功率相比，仍需增大很多。3. 电动机的工作频率范围 设：最高频率为fmax=1.5fN=75Hz，则最低频率为 当aL=40时，fmin=70/40=1.875Hz ； 当aL=140时，fmin=70/140=0.54Hz2.3.4 两档传动比，且fmaxfN方案1. 基本工况 将电动机和主轴之间的传动比分成两档（且H和L），使变频器的输出频率fX、电动机的转速nM与负载转速nL之间的对应关系见表2-1。表2-1 频率、电动机转速与负载转速间的对应关系工作频率电动机转速低挡传动比负载转速高档传动比负载转速fminnMminLnLminHnLmidfmaxn

22、MmaxLnLmidHnLmax表中，nLmid是两档转速分界点的“中间速”。在低速档时，传动比为L，当fX从fmin到fmax（nM从nMmin到nMmax）时，nL从nLmin到nLmid；在高速档时，传动比为H，当fX从fmin到fmax（nM从nMmin到nMmax）时，nL从nMmin到nMmax。忽略电动机转差率变化的因素，则有： nLmid/nLminfmax/fmin=f （2-14） nLmax/nLmidfmax/fmin=f （2-15） L=nLnax/nLmin=f2 （2-16）作为两档之间的分界转速（中间速） nLmid=nLmax/f （2-17）所以，电动机工

23、作频率的范围 f=L （2-18）可见，采用两档传动比后，在负载的速度范围不变的情况下，工作频率的调节范围大大地缩小了nLmaxnDBOATnMN1AHG2图2-4 ；两档传动比的机械特性2.电动机容量 电动机的容量与面积OAHG成正比，如图2-4所示。其大小为 PM3=TMNnMN9550TLmaxnLmidkfmax9550=TLmaxnLmaxfkfmax9550 PM1fKfmax （2-19） 可见，采用两档传动比后，电动机容量可比PM1减小fkfmax倍。3. 电动机的工作频率范围 设：最高频率为fmax=1.5fN=75Hz，则最低频率为 当L=40时 fmin=7540=11.

24、86HZ 当L=140时 fmin=75140=6.34HZ 可见，最低工作频率增大了很多，变频调速系统在最低速时工作稳定性大大改善了3 车床的变频调速3.1 选择电动机型号1. 电动机的主要额定数据(1) 额定容量 2.2kW；(2) 额定转速 1420r/min；(3) 过载能力 2.5 2. 考虑到电动机的额定容量和过载能力，选择了YTSP100L1-4型变频调速三相异步电动机。 1) 简介 YTSP系列变频调速三相异步电动机电动机是为配合国外各类高性能的IGBT脉宽调制变频器而特殊设计的，使用时一般不需配用外接滤波器。电动机的各项性能指标同国外20世纪80年代水平相当，其基本技术条件符

25、合IEC34-1和GB755国际和国家标准的规定。电动机噪声低、振动小、调速范围广、外观新颖。YTSP系列变频调速三相异步电动机集国内外同类产品之优点，采用计算机辅助设计技术进行设计进行设计。为了使电动机能适应PWM变频电源供电的状况，在设计上，对定子、转子槽型和定子绕组分布形式做了特殊的考虑，以期获得一个较为合适的电感值，来抑制和减小时间谐波和由其一起的一系列电动机空间谐波所产生的不良影响。电动机的电磁负载设计也考虑了一定的裕度，这样，既能保证电动机在高频时的过载能力，又能在低频运行时仍能保持恒转矩输出。YTSP系列变频调速三相异步电动机绝缘结构的设计，考虑了采用IGBT的PWM变频器的高载

26、波频率的影响。由其是匝间绝缘，为了能够承受由高电压上升率在线圈匝间反复施加的陡度极大的冲击电压所导致的严酷考验，采用了特殊措施予以加强。在结构设计方面，YTSP系列的安装尺寸与Y系列相同，以便用户的配套和选用。系列的冷却方式有两种：一种为IC411系列，可以保证在该系列规定的频率范围（1070HZ）内实现恒转矩恒功率调速，并保证在此条件下长期运行，电动机绕组温升不超过允许值。另一种IC416系列，该系列使用单独的轴流风机强迫通风，保证了电动机在低速（12HZ）时恒转矩长期运行温升不超过允许值。2) 主要技术性能 (1) 电动机为连续工作制S1 (2) 电动机的额定电压为380V、频率为50Hz

27、。也可以给据用户要求确定额定点的电压和频率。(3) 电动机的绝缘等级为F级或H级，绝缘结构具有对变频器输出高载波频率电压的适应能力。(4) 电动机调速范围广。IC411系列可在1050HZ下实现恒转矩调速，5070HZ下实现恒功率调速；IC416系列在开环U/f控制的条件下，可实现350HZ时的恒转矩调速，50100HZ（315、355机座号的4极电动机为5070HZ）时的恒功率调速；在矢量控制的条件下，调速范围还可以扩大。(5) 过载能力强。能够承受额定转矩160%过载，历史1min。(6) 低速性能好。低速时性能平滑，无爬行现象。(7) 电动机的接线方式，250及以下机座号为Y联结，280

28、及以上机座号为联结。3) 结构形式 电动机的外壳防护等级为IP44，也可以按用户需要制成IP54：电动机的冷却方式分为全封闭外表轴向自扇冷却（IC411）及全封闭带单独轴流风机的外表轴向风机冷却（IC416）两种，也可以按需要制成其他冷却方式；电动机的结构及安装形式为LMB3、LMB5、LMB35，并可在这三种基本安装形式的基础上派生其它安装型式。根据用户要求可带电磁式制动器，齿轮减速机等附件。IC416系列可根据用户要求带各种高分辨率的传感器（光电编码器、旋转变压器及测速发电机）。4) 主要技术数据 YTSP100L1-4变频调速三相异步电动机主要技术数据见表3-1； 表3-1 YTSP10

29、0L1-4参数表型号功率/KW额定电流/A额定电压/V最大转矩额定转矩/倍转差率（%）重量/KgIC416IC411YTSP100L1-42.25.014.02.54.233303.2 主要计算数据1. 调速范围 由式（1-15）得： L=nLmax/nLmin=2000/75=26.72. 负载转矩(1) 恒转矩区 由式（1-1）得： nLD1200r/min/4=300r/min(2) 在各档转速下的负载转矩见表3-2（负载功率按PL=2k）表3-2 各档转度下的负载转矩档次12345678转速/（r/min）7512020030050080012002000转矩/（N.m）76.476.

30、476.476.445.828.719.111.5 (3) 电动机额定转矩 TMN=95502.2KW/1200r/min=17.5Nm3.3 变频调速方案1. 要求(1) 转速档次及控制方式不变，即仍有手柄的八个位置来控制6档转速。(2) 在高速区，过载能力不低于1.8(3) 尽可能不更换电动机。2. 确定恒转矩区 为了使低频运行时能够稳定可靠，赢尽量提高最低转速时的工作频率。具体方法是见效恒转矩区，取nLD=300r/min，从而：(1) 恒转矩区的调速范围LD=300/75=4(2) 最低工作频率 fmin=50HZ/2.5=20HZ3. 确定频率范围(1) 恒功率区的调速范围 L=20

31、00/300=6.7(2) 频率范围 采用两档传动比方案，由式（1-18）得： f=L=6=2.4(3) 中间速的大小 nLmid=2000r/min/2.4=833.3r/min 由于中间速nLmid在低速档与电动机的最高工作频率fmax相对应，而最高工作频率fmax不宜超过额定频率fN的两倍，故取： nLmid=200r/min2=400r/min4. 确定传动比(1)拖动系统的工作区 见表3-3表3-3 拖动系统的工作区传动比档次低速档低速档高速档高速档电动机工作区恒转矩区恒功率区恒转矩区恒功率区负载转速范围75300300500500100010001420工作频率范围 2050501

32、00305050100(2) 低速档传动比 L=2000/300=6.7 取 L=6(3) 高速档传动比H=2000/1000=2取 H=2由于所取的L和H值均为与计算值不同，故表3-3中的数据将有所调整。调整后的数据可见表3-4。3.4 电动机容量不变的可行性核算1. 核算公式(1) 低速档恒转矩区折算至负载轴 TMLT=TM （3-1） 带负载的过载能力 LT=MNTMLT/TL （3-2）(2) 低速档恒功率区核算至负载轴的电动机转矩 TMLP=TMLT （3-3）带负载的过载能力 LP=MNTMLP/TL （3-4）(3) 高速恒转矩区折算至负载轴的电动机转矩 TMHT=TMN （3-

33、5）带负载的过载能力 HT=MNTMN(4) 高速档恒功率区折算至负载轴的电动机转矩（按允许电流不变的原则计算） TMHP=TMHT带负载的过载能力 HP=(MNKfmax0.4)TMH2. 核算结果 跟据上述公式，将计算结果列于表3-4中。表3-4 各档转速的转矩核算结果负载转速/（r/min）7512020030050080012002000电动机转速/（r/min）450720120014201000142014201420电动机工作频率/Hz15.825.442.35035.2505050与表3-2中的各档负载转矩相比，可以看出：各档的过载能力基本满足要求。4 变频器4.1 变频器的基

34、本构成和工作原理4.1.1 变频器的基本构成 变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中叶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相似的基本结构。 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以及相应的磁通监测和调节电路。4.1.2 变频器内部电路的基本功能一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式可以使直流电压源也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是

35、对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要元器件是大容量的电解电容，而当整流电路是电流源时平滑电路则主要由大容量电感组成。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻及其它辅助电路。逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基极）驱动电路、外部接口电力以及保护电路等几个部分，也是变频器的核心部分。控制电

36、路的优劣决定了变频器性能的优劣。恐慌之际电路的主要作用是将检测电力得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D，D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。4.2 变频器的种类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。电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源，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

37、的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出。整流电流和直流中间电路其直流电压源的作用，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的频率的交流电压。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，还需要有专业的放电电容，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留在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供电动机。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

38、行控制的方式实现的。 (3) 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向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是可以将能量回馈电源，而且在出现负载短路等情况时也看更容易处理，电流型控制方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，可以参考本书第三章的有关内容或其它有关资料。2. 按照开关方式分类。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，PW

39、M可控制方式和高载频PWM控制方式三种。(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方式。 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音小，效率高等特点。但是，由于这种控制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较较复杂。此外，这种控制方式也还具有当电动

40、机进行低速运转时波动较大的特点。(2) PWM控制。PWM控制是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调试）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更加平滑，目前在变频器众多采用正炫波PWM控制方式，所谓正弦波PWM控制方式指的是通过改变PWM输的脉冲宽度，使输出电压的平均值接接近于正弦波。这种控制方式也被称为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不良反

41、应，转矩波动小，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，该方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音的缺点。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音的目的。(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，是为了降低电动机远转噪音而采用的一种控制方式。在这种控制方式中，载频波提高到人耳可以听到的频率（1020kHz）以上，从而到降低电动机噪音的目的。这种控制方式主要用于低噪音型的变频器，也

42、将是今后变频器的发展方向。由于这种控制方式对于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MOSFET等半导体元器件，目前在大容量变频器种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PWM控制都属于异步调速放方式，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。当按照工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。4.3 变频器的主要功能随着变频器技术

43、的发展，变频器，尤其是高性能通用型变频器的功能越来越丰富。在本章中我们将以通用型变频器为例，按其用途将变频器的主要功能进行分类并加以简单说明，以便不太熟悉变频器的读者了解和掌握。4.3.1 系统所具有的功能为了构成系统，变频器必须具有以下功能：(1) 全区域自动转矩补偿功能。由于电动机转子绕组中阻抗的作用，当采用V/F控制方式时，在电动机的低速区域将出现转矩不足的情况。因此，为了在电动机进行低速运行时对其输出转矩进行补偿，在变频器中采取了在低频区域提高V/F值的方法。这种方法称为变频器的转矩补偿功能或转矩增强功能。所谓全区域全自动转矩补偿功能指的是变频器在电动机的加速、减速和定常运行的所有区域

44、中可以根据负载情况自动调节V/F值，对电动机的输出转矩进行必要的补偿。关于这方面的内容请参考第2章中有关内容。(2) 防失速功能。变频器的防失功能包括加速过程中的防失速功能、恒速运行中的防失速功能和减速过程中的防失速功能三种。加速过程中的防失速功能和恒速运行过程中的防失速功能的基本作用是：当由于电动机加速过大或负载过大等原因出现过电流现象时，变频器将自动降低变频器的输出功率，以避免变频器因为电动机过电流而出现保护电路动作和停止工作的情况。对于电压型变频器来说，由于在电动机的减速过程中回馈能量将使变频器直流中间电路的电压上升，并有可能出现因保护电路动作带来的变频器停止工作的情况，减速过程中防失速

45、功能的基本作用是：在电压保护电路未动作之前暂时停止降低变频器的输出功率或减少输出频率的降低速率，从而达到防止失速的目的。 (3) 过转矩限定运行。过转矩限定运行功能的作用是对机械设备进行保护和保证运行的连续性。利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定，使得当电动机的输出转矩达到该设定时时变频器的停止工作并给出报警信号。(4) 无传感器简易速度控制功能。当选用该功能变频器时，将通过检测电动机电流而得到负载转矩，并根据负载转矩进行必要的转差补偿，从而得到提高速度控制精度的目的。利用该功能通常可以使速度变动率得到1/31/5的改善。在利用该功能时，为了能够正确地进行转差补偿，必须将电动机得空载

46、电流和额定转差等参数事先输入变频器。因此，必须对每一台电动机分别进行设定。(5) 带励磁释放型制动器电动机的运行。带励磁释放型制动器电动机的运行功能的作用是为了使变频器能够对带励磁释放制动器的电动机进行可靠的驱动和调速控制。对于起重机、自动仓库等负载来说，为了达到防止滑落和进行稳定可靠的停止的目的，需要使用带励磁释放制动器的电动机。为了与这种电动机进行有效的配合，变频器中采取了在低频区提高输出电压的同时设定一个防止电动机长时间流过饱和电流的区域的措施，以保证在使用这种电动机时制动器能够被可靠释放，如图所示。(6) 减少机械振动，降低冲击的功能。减少机械振动，降低冲击的功能主要用于机床、传送带和

47、起重机等，其作用是为了达到减少机械振动、降低冲击、保护机械设备和提高产品质量的目的。这些功能包括对V/F和转矩补偿值进行调节，选择S型加减速模式；选择停止方式，对载频进行调节，对电动机参数设定值进行调节，设定跳跃频率等。(7) 运行状态检测显示。运行状态检测显示功能是主要用于检测变频器的工作状态，根据工作状态设定机械运行的互锁，对机械进行保护并使操作者及时了解变频器的工作状态。(8) 出现异常后的再起动功能。变频器的这项功能的作用是，当变频器检测到某些系统异常时将进行自我诊断和再试，并在这些异常消失后自动进行复位操作和起动，重新进入运行状态。具有这项功能的变频器在系统发生某些轻微异常时无需使系

48、统本身停止工作，所以可以达到增加系统可靠性和提高系统运行效率的目的。由于在进行自我诊断的过程中变频器处于停止输出的的状态，在此过程中电动机的转速将会有一定程度的降低。对于这种程度的降低，变频器将通过自己的寻速功能对电动机的实际转速运行检测后输出相应的频率，直至电动机恢复原有速度。通常用户可以根据需要设定10以内的再试次数。(9) 3线顺序控制。3线顺序控制功能主要用于构成简单的顺序控制，可以通过自动复位型按键开关进行起/停和正/反转操作，如图所示。(10) 通过外部信号对变频器进行起/停控制。变频器通常都还具有通过外部信号强制性地使变频器停止工作的功能。这类功能包括：1) 外部基极遮断信号接点

49、。通过外部基极遮断信号接点的外部信号可以强制性地关断变频器逆变电路的基极（门极）信号，使变频器停止工作。2) 外部异常停止信号接点。当被驱动的机械设备出现异常时，也可以利用的外部信号强制性地使变频器停止工作。在这种情况下可以将电动机的停止模式选为控制频率减速停止模式或自由减速停止模式。4.3.2 频率设定功能变频器中和频率设定有关的功能主要有以下内容：(1) 多级转速设定功能。多级转速设定功能是为了使电动机能够以预定的速度按一定的程序运行。用户可以通过对多功能端子的组合选择记忆在内存种的频率指令。与用模拟信号设定输入频率相比,采用这种控制方式时可以达到对频率进行精确设定和避免噪音影响的目的。此外，该功能还为和PLC进行连接提供了方便的条件，并可以通过极限开关实现简易位置控制。(2) 频率上下限设定功能。频率上下限设定功能是为了限制电动机的转速，从而达到保护机械设备的目的而设置的。它通过设置频率指令的上下限，相对于输入信号偏置值和信号增益完成。 (3) 特定频率设定禁止功能（频率跳跃功能）。由于在进行调速控制的过程中，机械设备在某些频率上可能因与系统的固有频率形成共振而造成较大振动，应该避开这些共振频率。该功能就是为了这个目的而设置的。他可以用于泵、风机、机床等机械设备，以达到防止机械系统发生共振