变频调速原理与应用模块化

1、模块化教学丛书变频调速原理与应用编者：邹火军广西机械高级技校电工教研室 第一篇 电动机原理第一讲：异步电动机的结构及等效电路 ·································第2页第二讲：异步电动机的电力拖动···

2、3;····································第5页第三讲：负载的类型与电动机的运行、电力拖动系统的组成·········

3、;·······第8页第四讲：第一章小结及习题讲解、变频器的发展及应用···················第10页第五、六讲：变频器的组成原理 ················&

4、#183;······················第12页第七讲：变频与变压 ·························

5、;························第15页第八讲：变频后异步电动机的特性 ······················

6、83;··············第19页第九讲：第二章小结及习题讲解、变频器的控制模式 ·····················第21页第十讲：变频器的控制模式 ·······

7、····································第23页第十一、二讲：各种频率参数及预置··········

8、3;·························第27页实验一：变频调速器的基本操作 ·····················

9、83;·················第29页实验二：变频调速的试运行 ·····························

10、3;·············第29页实验三：变频器的V/F曲线的测量 ·································&

11、#183;···第29页实验四：变频器的PU开环和闭环运行 ·································第29页实验五：变频器的组合操作 ······

12、3;····································第29页实验六：变频器的程序运行 ···········

13、;································第29页实验七：变频器的频率跳变操作 ··············

14、3;························第29页实验八：变频器的多段速运行 ······················

15、3;··················第29页第十三讲：变频器的其他常见功能、····························&#

16、183;········第30页第十四讲：变频器的保护功能 ······································&#

17、183;··第31页第十五讲：外接主电路与主要电器的选择 ·······························第32页第十六讲：外接给定电路 ··········

18、;···································第35页第十七讲：外接控制电路 ············&

19、#183;································第38页综合实验一：变频器的外部综合操作 ·············

20、3;·····················第41页综合实验二：变频调速与PLC控制综合实验 ························

21、83;····第43页综合实验三：变频器的安装、维护、调试 ·······························第43页第十八讲：变频调速的应用实例 ·······

22、83;·······························第43页第十九讲：总复习················

23、83;···································第45页 第一篇 电动机原理第一讲：异步电动机的结构及原理 教学目的和要求：掌握异步电动机的结构、铭牌、额定值；理解三相异步电动机的旋转原理。重点：三相异步电动机的旋转原理；

24、异步电动机的型号、额定值。学时分配：4学时一 异步电动机的结构如图11所示，三相异步电动机是由定子和转子两大部分及其它附件组成。图11 三相异步电动机的内部结构（一） 定子 定子由定子铁心、定子绕组和机座组成。1、定子铁心 如图12所示，定子铁心用薄硅钢片叠成，导磁。图12 定子铁心结构2、定子绕组 如图13所示，定子绕组用铜或铝制的绝缘线绕制而成，它有三相绕组对图13 三相异步电动机的定子绕组结构称嵌放在定子铁心槽内。三相对称绕组每相在空间互差 120o ，共有六根出线端引出机壳外，三相绕组的首端分别用U1、V1、W1表示，尾端用U2、V2、W2表示。为了便于改变接线，三相绕组的六个端线都接

25、在电动机定子壳体外的接线盒内。接线形式上要按电动机铭牌上的说明，接成星形或三角形。如图14所示。a）b）图14 三相定子绕组的接线方法a）绕组星形接法 b）绕组三角形接法3、机座 如图15所示，机座是用铸铁或铝铸造而成，它能固定铁心和支持端盖。图15 三相异步电动机的机座（二） 转子三相异步电动机转动的部分称为转子，是用硅钢片叠成的圆柱形铁心，与定子铁心共同形成磁路。转子外圆周有槽用以安放转子绕组。转子绕组有鼠笼式和线绕式两种。1、 鼠笼式：将铜条扦入槽内，两端用铜环短接，或直接用熔铝浇铸而成短路绕组。为了改善启动和运行性能，鼠笼式异步电动机一般采用斜槽结构，如图16所示。鼠笼式转子绕组如图1

26、7和18所示图16 三相异步电动机的转子图17 铸铝转子结构a）铸铝转子绕组 b）铸铝转子图18 铜条转子结构a）铜条转子绕组 b）铜条转子2、 线绕式：如图19所示，绕线式转子绕组与定子绕组相似，也是采用绝缘铜线绕制而成，然后对称嵌入转子铁心槽内。转子的三相绕组一般接成星形，三根引出线分别接在转轴上的三个铜制滑环上。环与环之间以及环与轴之间彼此绝缘。图19 三相异步电动机的绕线转子转子绕组通过电刷与外电路接通，如图110所示。图110 绕线式电动机转子绕组通附：变频调速的对象绝大多数是笼型电动机，如果对于某些绕线转子电动机也要进行变频调速的话，可以将转子三相绕组短接，为避免电刷与集电环之间因

27、接触不良而引起的故障，一般在集电环之前将它们短接，如图110所示：二 异步电动机的铭牌、额定值1铭牌由字母或数字组成，用来表示电动机的种类、规格和用途等，如图111所示。图111 三相异步电动机的铭牌（一）型号 Y 132 S- 2磁极数短轴伸机座中心高132mm鼠笼式异步电动机（YR绕线式异步电动机）2额定值额定值是指在保证电动机设计寿命的前提下，能够长期、安全、稳定运行时，电动机能承受的最大值。电动机铭牌上的额定值主要包括： 1）额定电压UN:指电动机在额定情况下运行时，外加于定子绕组上的线电压。 2）额定频率fN：我国交流电源的频率是50Hz,所以国产电动机的fN均为50Hz。 3）额定

28、功率PN:是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机轴上能够长期、安全、稳定输出的最大机械功率。 4）额定电流IN: 是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机定子绕组中能够长期、安全、连续通过的最大线电流。 5）额定转矩TN：该值在电动机的铭牌上没有数据，但却是一个非常重要的参数，它是指在额定电压、额定频率下运行时，电动机能够长期、安全、稳定输出的最大转矩。3绕组联接方式 接法或Y接法4铭牌额定数值计算1）、转矩和功率的关系 2）、输入功率和额定电压、额定电流的关系 （CosN是指定子绕组的功率因数）3）、效率 （1）损耗铁损耗铁心中的涡流损耗和磁滞损耗，与电源电压有关，是不变损耗。铜损耗通过定

29、子绕组和转子绕组中的电流发热产生的损耗，与电流的平方成正比，是可变损耗。机械损耗机械摩擦和空气阻力所产生的损耗。总损耗 P=P1P2（P1输入功率，P2输出功率）（2）效率 例题11：某三相异步电动机，额定输出功率PN=100KW，额定电压UN=380V，额定电流IN =183.5A, 功率因数CosN =0.9，额定转速nN=1460 r/min，求输入功率P1、效率、额定输出转矩TN。解：=×380×183.5×0.9=108.70kW =92% =9.55×=65.07N·m5.变频后有效输出值 当频率调节到fX时，电动机的外加电压也会发

30、生改变，此时的电动机已经不是在额定情况下运行，也就不能再用额定功率PN和额定转矩TN等额定值来衡量电动机的带负载能力，我们将电动机在任意频率fX下能够长期、安全、稳定输出的功率和转矩称作有效功率和有效转矩。在变频调速中，是用有效输出值这个概念来衡量电动机的带负载能力的。在fX频率下，如果电动机实际所带的负载超过了有效输出值，电动机就处在过载的工作状态。三三相异步电动机的旋转原理1、电动机定子上有三相对称绕组，如图112（a）（b） 所示；2、三相对称绕组中通入三相对称交流电，如图112（c） 所示；3、电机气隙空间产生旋转磁场，如图112（d） 所示。我们先来分析两极（一个N极，一个S极）旋转

31、磁场是怎样产生的。规定：三相交流电为正半周时，电流由绕组的首端流入，从末端流出；三相交流电为负半周时，电流由绕组的末端流入，从首端流出。（1）当t=0时，=0，U相绕组中没有电流，不产生磁场；是负值，V相绕组中的电流是由V2端流入，V1端流出；是正值，W相绕组中的电流是由W1端流入，W2端流出。用安培定则可以确定此瞬间的磁场方向，如图1-12（d）所示。（2）当t=/2时，和是负值，V相绕组中的电流是由V2端流入，V1端流出；W相绕组中的电流是由W2端流入，W1端流出；是正值，U相绕组中的电流是由U1端流入，U2端流出。用安培定则可以确定此瞬间的磁场方向，如图1-12（d）所示。（3）当t=时

32、，=0，U相绕组中没有电流，不产生磁场；是负值，W相绕组中的电流是由W2端流入，W1端流出；是正值，V相绕组中的电流是由V1端流入，V2端流出。用安培定则可以确定此瞬间的磁场方向，如图1-12（d）所示。同理可分析出当t=3/2、t=2时的磁场方向，如图1-12（d）所示。由此可见，三相对称绕组中通入三相交流电后，能产生一个随时间旋转的磁场。 t=0 t=/2 t= t=3/2 t=2d）图112 三相定子绕组两极旋转磁场的形成（4）旋转磁场的方向如图112所示，A相电接U相绕组，B相电接V相绕组，C相电接W相绕组，旋转磁场的旋转方向为顺时针，与三相交流电的相序ABC一致。如图113所示，A相

33、电接U相绕组，B相电接W相绕组，C相电接V相绕组，旋转磁场的旋转方向为逆时针，还与三相交流电的相序ABC一致。 （1）t=0 （2）t=/2图113 旋转磁场转向的改变因此，旋转磁场的旋转方向决定于通入定子绕组中的三相交流电的相序，且与相序ABC一致。只要调换电动机任意两相绕组所接电源的相序，旋转磁场即反转。（5）旋转磁场的转速如图112所示，对两极旋转磁场来说，当三相交流电变化一周时，磁场在空间旋转一周，若交流电的频率为，则磁场的转速 r/min；对四极（二个N极，二个S极）旋转磁场来说，当三相交流电变化一周时，磁场在空间旋转半周，若交流电的频率为，则磁场的转速 r/min；以此类推，对磁极

34、的电机，旋转磁场的转速： r/min4、转子绕组的导体处于旋转磁场中， 转子导体切割磁力线，并产生感应电动势和感应电流（右手定则）；感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力（左手定则）， 电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子沿旋转磁场方向转动，如图114所示。图114 三相异步电动机的转动原理5、根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。四、转差 转差率1、切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件；2、一般情况下，电动机的实际转速n低于旋转磁场的转速n1。因为假设n = n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n必然小于

35、n1。为此我们称三相电动机为异步电动机；3、旋转磁场的转速用n1表示，称同步转速，转子转速用n表示。转差：n= n1n4、转差率： 这是衡量异步电动机性能的一重要参数。在分析异步电动机运行时有着重要的地位。启动瞬间n=0，S=1，转子中的感应电动势和电流最大，反映在定子上，启动电流最大。接近同步转速时，nn1，S很小，转子和定子中的感应电动势和电流最小。额定转速时，n=nN S=SN，SN通常在0.05左右。例题12 有一台三相异步电动机，额定转速为1440r/min，求该电动机的额定转差率。解：同步转速 n1=60f1/p=3000/p由于异步电动机的额定转速略小于同步转速，所以n1=150

36、0r/min，p=2，四极电机。则： =（15001440）/1500=0.04五、交流电动机的转速根据电动机的转速为： 根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率及转差率有关，为此，控制交流电动机的转速有三种方法：1、改变磁极法；2、改变转差率；3、变频法。以往多用第1种或第2种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。六、运行理论 三相异步电动机的工作原理与变压器的工作原理相似，都是利用电磁感应的原理制成的。因此，三相异步电动机的定子绕组和转子绕组可以等效为变压器的一次绕组和二次绕组。但是，三相异步电动机是旋转的电气设备，又有不同之处，如图115所示。图115 旋

37、转时异步电动机的电路关系1、电源电压不变时，定子绕组中的主磁通基本不变：式中：-定子绕组中的相电压；-定子绕组每相的感应电动势；-定子绕组系数；-定子绕组每相的匝数；-定子中交流电的频率；-定子绕组中的主磁通的幅值。2、转子中感应电流的频率与转差率成正比：式中：-转子中感应电流的频率；-定子中交流电的频率；-三相异步电动机的转差率。3、转子中感应电流的大小与转差率有关，即：。式中：-转子中每相的感应电流；-转子不转时，转子中的感应电动势；-转子的直流电阻；-转子不转时，转子每相的漏电抗。当，即电动机刚启动或堵转时，转子中的电流最大，大约是额定电流的47倍。如图125所示的曲线（图中表示转子中的

38、额定电流）。4、转子功率因数也与转差率有关，。式中：-转子的功率因数。当时，即电动机刚启动时，功率因数最小，如图116所示的曲线。图116 转子电流和功率因数与转差率的关系5、电磁转矩式中：-电磁转矩；-电动机转矩常数，与电动机结构有关；-电动机结构常数。即电磁转矩与电压的平方成正比，电压的变化将显著影响电动机的输出转矩。小结：第二讲：异步电动机的机械特性 教学目的和要求：了解异步电动机的机械特性；掌握异步电动机的起动和制动；理解异步电动机的调速； 重点：三相异步电动机的机械特性；异步电动机的调速； 学时分配：2学时一异步电动机的机械特性1.机械特性实用公式：电磁转矩（I2 转子电流 Cos2

39、转子功率因数）转子电流和转子功率因数都与转差率有关，因此T与S（n）有关，如图21中的T-n曲线所示。 2异步电动机机械特性曲线图21 异步电动机机械特性T-n曲线曲线上的特殊点： 1）理想空载点：即上图的（T=0,n=n0）点，在这点上，电动机以同步转速n0运行，T=0。2）起动点：即上图的（T= TST,n=0）点，起动时带负载的能力一般用起动倍数来表示，即KST = TST/TN,式中，TN为额定转矩。（起动电流最大，功率因数最小，起动转矩TSt并不大）3）临界点：即上图的（T=Tm,n=nm）点，临界点是一个重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定区的分界点。在这点上，Tm表示了电动所

40、能产生的最大转矩，此时的转差率叫做临界转差率，用Sm表示，在电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用T表示：TTm/TN 普通电动机的T1.62.2之间，特殊的电动机如起重冶金机械专用的电动机T2.22.8。4）额定运行点：即上图的（T= TN,n=nN）点,在这点电动机处于额定运行状态。3.结论 1）稳定运行区（0SSm）， 机械特性为硬特性。负载变化时，转速变化很小。2）不稳定运行区（SmS1）, 机械特性为软特性。负载变化时，转速变化很大，带风叶型负载。3）三相异步电动机的过载能力强。过载系数：4）增大转子电阻,使Sm=1,则TSt=Tm。绕线式异步电动机常采用这种方法启动。二异步

41、电动机的起动和制动（一）异步电动机的起动电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程，叫做起动过程。电动机起动时电流很大，可以达到额定电流的57倍，而起动转矩却并不大，一般TST（1.82）TN，为了减少起动电流常用降低电压的方法来起动，对于大功率电动机的起动，利用变频器来进行软起动，效果显著。 笼型异步电动机常见的降压起动方法有：自耦变压器减压起动，Y起动，定子串电阻或串电抗减压起动等。（二） 异步电动机的制动电动机在工作过程中，如电磁转矩方向和转子的实际旋转方向相反，就称为制动状态。制动有再生制动、直流制动和反接制动，后两种常用在使电动机迅速停止的过程中。三 异步电动机的调速 （一）调速与速度

42、变化1.调速：是在负载没有改变的情况下，根据生产过程需要人为地强制性地改变拖动系统的转速。 2.速度改变：速度改变是由于负载的变化而引起拖动系统的转速改变。 （二）调速指标1 调速范围指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nLmax与最低转速nLmin之比,即：LnLmax/nLmin 一般变频器的最低工作频率可达到0.5Hz，最高工作频率可达到400Hz ，L400/0.5=800。2.调速的平滑性 指相邻两级转速的接近程度。两档转速差越小，调速的平滑性越好。在变频调速时，多数变频器输出频率的分辨率（相邻两级频率）为0.05Hz，以4级电机为例，则相邻两档的转速差为：n1.5r/min3.调

43、速的经济性 调速的经济性主要从两方面来衡量：1） 调速设备的投资和运行维修费用2） 电动机调速时引起的能量损耗4.调速后的工作特性1） 静态特性：指调速后机械特性的硬度。工程上常用静差度来表示：2） 动态特性指过渡过程中的性能。如：加减速过程是否快捷、平稳。遇到冲击性负载时，系统的转速能否迅速恢复等。（三） 调速的方法 异步电动机的转速公式：其中：p为电机的磁极对数；s为转差率；f1为电源的频率；n0为电动机的同步转速1.变极调速 即改变电动机的磁极对数p，就可达到改变电动机转速的目的。但是，由于变极调速时，速度几乎是成倍变化，所以变极调速的平滑性差。2.改变转差率S调速 包括绕线转子异步电动

44、机的转子串接电阻调速、串级调速及异步电动机的定子调压调速。3.变频调速 即改变电动机供电电源的频率以达到改变转速的目的。由于变频调速的调速性能优越，可以赶超直流调速系统的调速性能，它是近几年乃至将来的主要调速方式。小结：第三讲： 负载的类型与电动机的运行、电力拖动系统的组成教学目的和要求： 了解负载的类型、电力拖动系统的组成重点： 负载的类型、拖动系统的组成学时分配：2学时一负载的类型在电力拖动系统中，存在着两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩TL,一个是电动机的电磁转矩T。这两个转矩和转速之间的关系分别叫做负载的机械特性n = f (TL)和电动机的机械特性n = f (T)。由于电动机和

45、生产机械是紧密相连的，它们的机械特性必须适当配合，才能得到良好的工作状态。1.恒转矩负载恒转矩负载是指那些负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而与转速大小无关的负载。转矩特点：TL 常数功率特点：PLnL ,负载功率与转速成正比 2.恒功率负载 恒功率负载指负载转矩TL的大小与转速n成反比，而其功率基本维持不变的负载。各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一。 功率特点：PLFv常数，负载功率的大小与转速的高低无关。 转矩特点：TLFr ，F 卷取物的张力，r 卷取物的卷取半径。 根据负载的机械功率PL和转矩TL、转速nL之间的关系，有： ,即负载阻转矩的大小与转速成反比。 3.二次方律

46、负载 二次方律负载是指转矩与速度的二次方成正比例变化的负载，例如：风扇、风机、泵、螺旋桨等机械的负载转矩。 负载转矩：TLT0+KT 负载功率：PLP0+KP 【T0 、P0分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗】【KT 、KP分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数】二电动机的工作制和温升 （一）电动机的工作制1连续工作制2断续工作制3短时工作制 （二）电动机的温升 了解温升概念和温升规律三 电力拖动系统的组成 有电动机带动生产机械运行的系统叫做电力拖动系统；一般有电动机、传动机械、生产机械、控制设备等部分组成。如下图：在变频调速系统中，如果拖动的是恒转矩或恒功率负载，多数情况下是有传动机构的，

47、因为使用传动机构可以减小电动机和变频器的容量，在满足负载要求的前提下，降低了成本。对风机、水泵等二次方律负载来说，除连轴器外，一般不采用其他的传动机构。小结：第四讲：第一章小节和习题讲解、变频器的发展及应用 教学目的和要求： 了解变频器的发展；了解变频器的分类；了解变频器的应用。重点： 变频器的分类、应用。学时分配：2学时一第一章小节和习题讲解二变频器的发展 直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，已成为动力机械的主要拖动装置。很长一段时间里，在不变速拖动系统或调速性能要求不高的场合，采用的是交流电动机，而在调速性能要求较高的拖动系统中则主要采用的是直流电动

48、机。但是，进入20世纪70年代以后，随着电力电子技术和微电子技术的飞速发展，变频调速传动技术得到了长足的进步。变频调速被认为是一种理想的交流调速方法，它具有直流调速系统的调速性能，而且又能克服直流调速系统维护保养困难、寿命短等缺点，在越来越多的应用场合逐渐取代直流调速系统。特别是进入20世纪90年代，随着半导体开关器件IGBT、矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流，调速后异步电动机的静动态特性已经可以和直流调速相媲美。现在的各种变频器功能很多，操作也很方便，其寿命和可靠性也较以前有了很大的进步。 变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件

49、有GTO、GTR、IGBT以及智能模块IPM(Intelligent Power Module)，后面二种集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。IGBT集射电压Vce可3V,频率可达到20KHZ,内含的集射极间超高速二极管Trr可达150ns,1992年前后开始在通用变频器中得到广泛应用。其发展的方向是损耗更低,开关速度更快、电压更高,容量更大(3.3KV、 1200A), 目前，采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法大幅度降低了集电极一发射极之间的饱和电压VCE（sat）的第四代IGBT也已问世。第四代IGBT的应用使变频器的性能

50、有了很大的提高。其一是ICBT开关器件发热减少，将曾占主回路发热5070的器件发热降低了30。其二是高载波控制，使输出电流波形有明显改善；其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机运行的静音化；其四是驱动功率减少，体积趋于更小。而IPM的投入应用比IGBT约晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外围的驱动和保护电路甚至还有的把光耦也集成于一体，因此是种更为好用的集成型功率器件，目前，在模块额定由流10600A范围内，通用变频器均有采用IPM的趋向。二变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制

51、变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。三变频器的应用 变频调速已经被公认为最理想、最有发展前途的调速方式之一。其优势主要体现在以下几个方面： （一）变频调速的节能 由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到2060，这是因为风机、水泵的耗用功率与转速的三次方成正比，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果是十分可观的。据不完全统计，我国已经进行变频改造的风机、泵类负载约占

52、总容量的5以上，年节电约400亿KWh。 （二）变频调速在电动机运行方面的优势 变频调速很容易实现电动机的正反转，起动的加减速时间可以任意设定，进行制动时也很方便。 （三）以提高工艺水平和产品质量为目的的应用变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高企业的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。小结：第五、六讲：变频器的组成原理教学目的和要求：要求掌握变频器的组成；理解整流及逆变器工作原理。重点：交直交变频器的电路。学时分配：2

53、学时 一变频器的组成原理 （一）交直交变频器的电路 主电路如下图： 1.整流部分（交直）整流器是变频器中用来将交流变成直流的部分，它可以由整流单元、滤波电路，开启电路、吸收回路组成。 1）整流单元（VD1VD6）整流单元是由VD1VD6组成的三相整流桥，它们将工频380V的交流电整流成直流，平均直流电压可用下式表示： UD=1.35UL=1.35×380 = 513V UL电源的线电压 2) 滤波电容（CF） 滤波电容CF的作用是对整流电压进行滤波。CF是一个大容量的电容器，它是电压型变频器的主要标志，对电流型变频器来说滤波的元件是电感。 3）开启电流吸收回路 在电压型变频器的二极管

54、整流电路中，由于在电源接通时，CF中将有一个很大的充电电流，该电流有可能烧坏二极管，容量较大的还可以形成对电网的干扰。影响同一电源系统的其他装置的正常工作，所以在电路中加装了由RL , SL组成的限流回路，刚开机时，RL串入电路中，限制CF的充电电流，充到一定程度后SL闭合将其切除。 2.逆变部分 逆变部分的基本作用是将直流变成交流，是变频器的核心部分。1） 逆变桥 在图中，由V1V6组成了三相逆变桥，V导通时相当于开关导通，V截止时相当于开关断开。现在常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管（IGBT），大功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应管晶体管（MOSFET）等。2） 续流二

55、极管（VD7VD12）续流二极管VD7VD12 的功能有下面几个：a) 由于电动机是一种感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要VD7VD12提供通路。b) 降速时电动机处于再生制动状态，VD7VD12为再生电流提供返回直流的通路。c) 逆变时V1V6快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替地工作在导通和截止状态，在切换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。 3）缓冲电路（R01R06 、 VD01VD06 、C01C06）逆变管V1V6每次导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极之间的电压UCE极快的由0V升至直流电压值UD,这个过高的电压增长率会导致逆变管损坏，C0

56、1C06的作用就是减小电压增长率。V1V6每次由截止到导通瞬间，C01C06上所充的电压（等于UD）将向V1V6放电，该放电电流的初始值是很大的，R01R06的作用就是减小C01C06的放电电流。而VD01VD06接入后，在V1V6的关断过程中，使R01R06不起作用。而在V1V6的接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01R06 。3.制动部分1） 制动电阻变频调速在降速时处于再生制动状态，电动机回馈的能量到达直流电路，会使UD上升，这是很危险的。需要将这部分能量消耗掉，电路中的电阻RB就是用于消耗该部分能量的。2） 制动单元VB制动单元由大功率晶体管VB（IGBT）及采样、比较和驱

57、动电路构成，其功能是放电电流IB流过RB提供通路。二逆变原理 1.单相逆变电路单相逆变电路的原理图如下：当S1、S4同时闭合时，Uab电压为正；S2、S3同时闭合时，Uab电压为负。由于S1S4的轮番通断，从而将直流电压UD逆变成交流电压uab 。另外可以通过改变开关通断的速度来调节交流电的周期（频率）。 2.三相逆变电路三相逆变电路的原理图如下：图中S1S6组成了桥式逆变电路，这六个开关交替地接通、关断就可以在输出端得到一个相位互相差1200得三相交流电压。同样，调节开关得通断速度就可以调节交流电得频率，当然交流电的幅值可通过UD的大小来调节。小结：第七讲：变频与变压 教学目的和要求：要求掌

58、握逆变原理；理解三相逆变电路；理解变频与变压原理。重点：逆变原理；变频需要变压。学时分配：2学时一变频与变压 （一）变频需要变压改变逆变管的通断速度就可以改变变频器输出交流电的频率，其中，输出交流电的幅值等于整流后的直流电压。另外，电动机调速时仅仅改变变频器的输出频率，并不能正常调速，还必须同步改变变频器的交流输出电压。 1变频对电动机定子绕组反电动势的影响定子绕组的反电动势的表达式为：E1=4.44f1kN1N1M【4.44kN1N1均为常数，E1f1M】电动机电动势平衡： 为电动机定子绕组阻抗压降，可以忽略不计在额定频率时，可得到：U1E1 ,因此有： U1E1f1M如果U1没有变化，可以

59、认为E1也基本不变，假设频率从额定频率fN向下调节，M将增加，即 f1M,由于额定工作时电动机的磁通已经接近饱和，M的继续增大，将会使电动机铁心出现深度饱和，这样将使励磁电流急剧升高，导致定子电流和定子铁心损耗急剧增加，使电动机工作不正常。所以单纯调节频率的办法是行不通的。2额定频率以下的变频 为了在调节频率f1的同时能保证维持M不变（即恒磁通控制方式），当在额定频率以下调频时，保持E1/ f1常数就可以维持M不变，又U1E1（E1不好直接测量），所以只要维持U1/ f1常数也就可以基本维持M不变，即在额定频率以下调频时，调频的同时也要调压。3额定频率以上的变频 在额定状态时，由于电源电压不能

60、往上调节，所以在上调频率时，电压必须保持U1UN不变。（二）变频变压的实现方法a) SPWM的概念调频调压时，要维持U1/ f1常数，技术上有两种方法：脉幅调制（PAM）和脉宽调制（PWM）。脉幅调制（PAM）：其指导思想就是在调节频率的同时也调节整流后直流电压的幅值UD,以此来调节变频器输出交流电压的幅值。此方法控制电路很复杂，现在少用。脉宽调制（PWM）：它的指导思想是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可以控制输出电压的幅值。如下图所示：正弦波脉宽调制（SPWM）：占空比按正弦规律变化的脉宽调制方法。如下图所示的输出： 2单极性SPWM在单极性的调制方式中

61、，调制波为正弦波ura，载波为单极性的等腰三角波ut，如下图所示：V1、V2的导通、关断条件可用下表表示（以A相为例）：【ura>ut时，逆变管V1、V2导通，决定了SPWM系列脉冲的宽度t1 ; ura<ut时，逆变管V1、V2截止，决定了SPWM系列脉冲的间隔宽度t2】如果降低调制波的幅值，各段脉冲的宽度将变窄，输出电压的幅值也将相应减小；同属于一个桥臂的两个逆变管V1、V2的交替导通，流经负载的也是正负交替的交变电流。如下图所示：单极性SPWM调制特点：单极性SPWM逆变器输出的交流电压和频率均可由调制波电压ur来控制。只要改变ur的幅值，就可改变输出电压的大小，而只要改变u

62、r的频率，输出交流电压的频率也随之改变。可见只要控制调制波ur的频率和幅值，就可以既调频又调幅。 3双极性脉宽调制双极性脉宽调制是目前使用最多的方法，其特征是调制波（基准波）信号ur与载波信号ut均为双极性信号，在双极性SPWM方法中，所使用的基准信号为可变频变幅的三相对称普通正弦波ura、urb、urc ，其载波信号为双极性三角波ut 。双极性SPWM调制波形如右图所示： 调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此系列也是双极性的（上图只是画出了uA0 为正时的脉冲系列），输出线电压（uAB= uA0uB0）的脉冲也是双极性的。同样，同属于一个桥臂的两个逆变管不停地的交替导通、关

63、断，流经负载的是按线电压规律变化的交变电流。调节频率时基准正弦波的频率和幅值都要改变，载波信号（三角波）与基准正弦波的交点也将发生变化。所以每次调节频率后，开关点的坐标都需要重新计算，计算量之大是人工难以完成的，只有通过计算机这个工具才能在最短的时间内将开关点的坐标计算出来，从而完成控制各个逆变管实时通断来完成变频、变压的任务。小结：第八讲：变频后异步电动机的特性 教学目的和要求：了解变频后电动机的机械特性；理解fN 以下变频调速特性的修正；了解变频调速特性的特点重点：变频后电动机的机械特性。 学时分配：2学时一调频、调压比调频比：kffx/fN ， 其中：fx为调节频率；fN为额定频率调压比

64、：kuUx/UN ，其中：Ux为调节电压；UN为额定电压二变频后电动机的机械特性 机械特性上的几个特殊点：1理想空载点（0，n0x），n0x60 kf fN/p2临界转矩点（TKx，nKx） （三）对额定频率fN 以下变频调速特性的修正 1TKx减小的原因 当fx下降时，Ux也减小，电阻压降U在Ux中的比重越来越大，所以 2解决的办法1） 电压补偿：通过提高U/f比使TKx得到补偿2） 矢量控制：（控制各量，保证转矩或某一变量的不变，第3章详细介绍）（四）变频调速特性的特点1 恒转矩的调速特性2 恒功率的调速特性 恒转矩、恒功率的调速特性曲线小结：第九讲：第二章小结及习题讲解、变频器的控制模式

65、 教学目的和要求：理解V/F控制模式；理解V/F控制功能的选择；了解U/f控制曲线重点：V/F控制模式学时分配：2学时一 第二章小结及习题讲解二V/F控制模式 （一）V/F控制的概念V/F控制（也称转矩提升）是指通过提高U/f比来补偿f下调时引起的转矩T下降。 1完全补偿的V/F控制 其含义是不论频率f调多少，通过提高电源电压U都能使得最大转矩T与额定频率时的最大转矩相等，以保证电动机的过载能力不变，这种补偿称作全补偿。 2补偿过分的后果如果变频时的U/f比选择不当，使得电压补偿过多，即电压U提升过多，E在U中的比例相对减小（E/U减小），定子电流I1也增大，阻抗U也增大，而此时的电动机负载和

66、转速没有发生改变，转子的电流I2也没有发生改变，这样必将使定子励磁电流I0增大，结果就是磁通增大。但是磁通的增大会引起铁心饱和，而铁心的饱和会导致励磁电流的波形畸变，产生很大的峰值电流。补偿越过分，电动机铁心饱和越厉害，励磁电流I0的峰值越大，严重时可能会引起变频器过流而跳闸。因此，低频时U/f比不能盲目取大。但是一般U/f比是根据负载最重时的工况进行设定的，设定后是不能随负载而变的，所以在轻载时就会出现了补偿过分。一些高性能的变频器设置了自动转矩补偿功能，不过在实际中运行情况并不理想。 (二) V/F控制功能的选择变频器通常都是以U/f控制曲线的方式提供给用户，让用户选择1. U/f控制曲线

67、的种类 1）基本U/f控制曲线 把Ku=Kf时的U/f控制曲线称做基本U/f曲线，它表明了没有补偿时的电压Ux和fx之间的关系，它是进行V/F控制时的基准线。基本U/f曲线上，与额定输出电压对应的频率称为基本频率，用fb表示：fb=fN 。基本U/f控制曲线如右图：2）转矩补偿的U/f曲线特点：在fx0时，电压补偿值Ux不同，如右下图所示：适用负载：经过补偿的U/f曲线适用于低速时需要较大转矩的负载。且根据低速时负载的大小来确定补偿的程度，选择U/f线。 3）负补偿的U/f曲线特点：低速时，U/f线在基本U/f曲线的下方，这种低速时减少电压的做法叫做负补偿。见右下图中的01、02线使用负载：主

68、要适用于风机、泵类的平方率负载。正是由于这种负载在低速时转矩很小，从节能的角度考虑，电压可以减小。4）U/f比分段的补偿线特点：U/f曲线由几段组成，每段的U/f值均由用户自行给定，如下图所示：使用负载：主要适用于负载转矩于转速大致成比例的负载。在低速时补偿少，在高速时补偿程度需要加大。2.选择U/f控制曲线一般是通过实验的方法来选择。 小结：第十讲：变频器的控制模式 教学目的和要求：了解矢量控制基本概念；理解变频器矢量控制的基本思想；了解V/F控制与矢量控制的区别；了解各种基本的频率参数；理解加（减）速和起（制）动重点：矢量控制的基本思想；各种基本的频率参数学时分配：2学时一矢量控制矢量控制是一种高性能的异步电动机控制方式，它是从直流电动机的调速方法得到启发的，利用现代计算机技术解决了大量的计算问题。从而使得矢量控制方式得到了成功的实施。（一）直流电动机与异步电动机调速上的差异 1.直流电动机的调速特性直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，励磁绕组流过流过电流IF时产