变频器功能解析

1、王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统变频器功能解析王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 概述概述 现代通用变频器大都是采用二极管整现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件流和由快速全控开关器件 IGBT IGBT 或功率模或功率模块块IPM IPM 组成的组成的PWMPWM逆变器，构成交逆变器，构成交- -直直- -交电交电压源型变压变频器，已经占领了全世界压

2、源型变压变频器，已经占领了全世界0.50.5500kVA 500kVA 中、小容量变频调速装置中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。的绝大部分市场。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 “通用通用”，包含着两方面的含义：，包含着两方面的含义：（1 1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；）可以和通用的笼型异步电机配套使用；（2 2）具有多种可供选择的功能，适用于各种）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。不同性质的负载。 系统介绍系统介绍 图图6-376-37绘出了一种典型

3、的数字控制绘出了一种典型的数字控制通用变频器通用变频器- -异步电动机调速系统原理图。异步电动机调速系统原理图。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 1. 系统组成系统组成M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 1 1 频率给定的方式与选择频率给定

4、的方式与选择1.1 1.1 基础概念基础概念调节变频器输出频率具体方法调节变频器输出频率具体方法-提供给定信号的方式提供给定信号的方式。 (1) 面板给定方式面板给定方式(a) (a) 键盘给定频率的大小通过键盘上的升键键盘给定频率的大小通过键盘上的升键( (键键) )和降键和降键(q (q键键) )来来进行给定。键盘给定属于数字量给定，精度较高。进行给定。键盘给定属于数字量给定，精度较高。 (b) (b) 电位器给定部分变频器在面板上设置了电位器，频率大电位器给定部分变频器在面板上设置了电位器，频率大小也可以通过电位器来调节。电位器给定属于模拟量给定，精度小也可以通过电位器来调节。电位器给定

5、属于模拟量给定，精度稍低。稍低。 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 多数变频器在面板上并无电位器，故说明书中多数变频器在面板上并无电位器，故说明书中所说的所说的“面板给定面板给定”，实际就是键盘给定。，实际就是键盘给定。 变频器的面板通常可以取下，通过延长线安变频器的面板通常可以取下，通过延长线安置在用户操作方便的地方置在用户操作方便的地方. .王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压

6、变频调速系统 (2) (2) 外部给定方式外部给定方式 从外接输入端子输入频率给定信号，称为外部给定，或远控给定从外接输入端子输入频率给定信号，称为外部给定，或远控给定(a) (a) 外接模拟量给定外接模拟量给定 外接给定端子外部输入模拟量信号进行给定外接给定端子外部输入模拟量信号进行给定. 电压信号电压信号 010V、210V、010V、05V、15V、05V等。等。 电流信号电流信号 020mA、420mA等。等。(b) (b) 外接数字量给定外接数字量给定 外接开关量端子输入开关信号进行给定。外接开关量端子输入开关信号进行给定。 (c) (c) 外接脉冲给定外接脉冲给定 通过外接端子输入

7、脉冲序列进行给定。通过外接端子输入脉冲序列进行给定。 (d) (d) 通讯给定通讯给定 由由PLC或计算机通过通讯接口进行频率给定。或计算机通过通讯接口进行频率给定。 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统1.2 1.2 选择给定方式的一般原则选择给定方式的一般原则 (1) 1) 面板给定和外接给定面板给定和外接给定 优先选择面板给定。因为变频器的操作面板包括键盘和显示屏，优先选择面板给定。因为变频器的操作面板包括键盘和显示屏，而显示屏的显示功能十分齐全。而显示屏的显示功能十分齐全。

8、受联接线长度的限制，控制面板与变频器之间的距离不能过长受联接线长度的限制，控制面板与变频器之间的距离不能过长。 (2) (2) 数字量给定与模拟量给定数字量给定与模拟量给定 优先选择数字量给定。优先选择数字量给定。 (a) (a) 数字量给定时频率精度较高数字量给定时频率精度较高; ; (b) (b) 数字量给定通常用触点操作，非但不易损坏，且抗数字量给定通常用触点操作，非但不易损坏，且抗干扰能力干扰能力强。强。 (3) (3) 电压信号与电流信号电压信号与电流信号 优先选择电流信号。因为电流信号在传输过程中，不受优先选择电流信号。因为电流信号在传输过程中，不受线路电压降、接触电阻及其压降、杂

9、散的热电效应以及线路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应以及感应噪声等等的影响，抗干扰能力较强。感应噪声等等的影响，抗干扰能力较强。 但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况下，仍以选用电压给定方式居多。下，仍以选用电压给定方式居多。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统2 2 模拟量给定的调整功能模拟量给定的调整功能 2.1 2.1 概念概念 由模拟量进行频率给定时，变频器的给定信号由模拟量进行频率给定时，变频器的给定信号 (

10、(电压信电压信号号UGUG，或电流信号，或电流信号IGIG与给定频率与给定频率fXfX之间的关系曲线之间的关系曲线 f fX Xf(f() )，称为频率给定线，称为频率给定线。 1.基本频率给定线基本频率给定线 在给定信号在给定信号X X从从0 0增大至最大值增大至最大值XmaxXmax的过程中，给定频率的过程中，给定频率fXfX线性地从线性地从0 0增大到最大频率增大到最大频率fmaxfmax的频率给定线称为的频率给定线称为基本基本频率给定线。频率给定线。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变

11、频调速系统2. 2. 最大频率最大频率fmaxfmax 在数字量给定在数字量给定( (包括键盘给定、外接升速包括键盘给定、外接升速/ /降速给定、降速给定、外接多档转速给定等外接多档转速给定等) )时，是变频器允许输出的最高频率时，是变频器允许输出的最高频率; ;在模拟量给定时，是与最大给定信号对应的频率在模拟量给定时，是与最大给定信号对应的频率。3. 3. 频率给定线的调整频率给定线的调整 在生产实践中，生产机械所要求的最低频率在生产实践中，生产机械所要求的最低频率及最高频率常常不是及最高频率常常不是0Hz0Hz和额定频率和额定频率，需要对频率，需要对频率给定线进行适当的调整，使之符合生产实

12、际的需给定线进行适当的调整，使之符合生产实际的需要。要。 因为频率给定线是直线，调整的着眼点便是因为频率给定线是直线，调整的着眼点便是: : (a) (a) 频率给定线的起点频率给定线的起点 即当给定信号为最小值时对应的频率即当给定信号为最小值时对应的频率; ; (b) (b) 频率给定线的终点频率给定线的终点 即当给定信号为最大值时对应的频率。即当给定信号为最大值时对应的频率。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 3 3 模拟量给定的正、反转控制与滤波模拟量给定的正、反转控制与滤波

13、 3.1 3.1 模拟量给定的正、反转功能模拟量给定的正、反转功能 (1) (1) 控制方式控制方式 (a) (a) 由双极性给定信号控制由双极性给定信号控制 正信号控制正转，负信号控制反转。正信号控制正转，负信号控制反转。(b) (b) 由单极性给定信号控制由单极性给定信号控制 给定信号只有给定信号只有“”值，由给定信号中间的任意值作值，由给定信号中间的任意值作为正转和反转的分界点，。为正转和反转的分界点，。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(2) 2) 死区的设置死区的设置 用

14、模拟量给定信号进行正、反转控制时，用模拟量给定信号进行正、反转控制时，“0”0”速控速控制很难稳定，在给定信号为制很难稳定，在给定信号为“”时，常常出现正转或反时，常常出现正转或反转的转的“蠕动蠕动”现象。需要在现象。需要在“”速附近设定一个死区速附近设定一个死区XX，使给定信号从，使给定信号从-X-X到到XX的区间内，输出频率为的区间内，输出频率为0Hz0Hz。 (3) (3) 有效有效“0”0”的功能的功能 在给定信号为单极性的正、反转控制方式中，存在着在给定信号为单极性的正、反转控制方式中，存在着一个特殊的问题。万一给定信号因电路接触不良或其他原一个特殊的问题。万一给定信号因电路接触不良

15、或其他原因而因而“丢失丢失”，则变频器的给定输入端得到的信号为，则变频器的给定输入端得到的信号为“0”0”，其输出频率将跳变为反转的最大频率，电动机将，其输出频率将跳变为反转的最大频率，电动机将从正常工作状态转入高速反转状态。从正常工作状态转入高速反转状态。 变频器设置了一个有效变频器设置了一个有效“0”0”功能。变频器的最小给功能。变频器的最小给定信号不等于定信号不等于0(Xmin0)0(Xmin0)。如果给定信号。如果给定信号X X0 0，变频器将，变频器将认为是故障状态而把输出频率降至认为是故障状态而把输出频率降至0Hz0Hz。 例如，将有效例如，将有效“”预置为预置为0.3V0.3V。

16、则。则: : 当给定信号当给定信号X X0.3V0.3V时时, , 变频器的输出频率为变频器的输出频率为fmin;fmin; 当给定信号当给定信号X X0.3V0.3V时时, , 变频器的输出频率降为变频器的输出频率降为0Hz0Hz。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 3.2 3.2 模拟量给定的滤波时间模拟量给定的滤波时间 (1) (1) 滤波时间的含义滤波时间的含义 变频器在接受模拟量给定信号时，首先要进行滤波，图中，变频器在接受模拟量给定信号时，首先要进行滤波，图中，综坐标是

17、给定信号的百分数综坐标是给定信号的百分数X X。 滤波时间常数，是指给定信号上升至稳定值滤波时间常数，是指给定信号上升至稳定值6363所需的时间。所需的时间。(2) (2) 滤波时间的影响滤波时间的影响滤波时间太短：滤波时间太短：当变当变频器显示频器显示“给定频率给定频率”时，有可能不够稳定时，有可能不够稳定; ;滤波时间太长：滤波时间太长：当当调节给定信号时，给调节给定信号时，给定频率随给定信号改定频率随给定信号改变时的响应速度较慢。变时的响应速度较慢。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频

18、调速系统 4 4 辅助给定与其他功能辅助给定与其他功能 4.1 4.1 辅助给定功能辅助给定功能 1) 1) 基本概念基本概念 当变频器有两个或多个模拟量给定信号同时从不同的端子当变频器有两个或多个模拟量给定信号同时从不同的端子输入时，有一个为主给定信号，其他为辅助给定信号。输入时，有一个为主给定信号，其他为辅助给定信号。 大多数变频器的辅助给定信号都是叠加到主给定信号大多数变频器的辅助给定信号都是叠加到主给定信号( (相加或相减相加或相减) )上去的。叠加后在频率给定线如图中的曲线上去的。叠加后在频率给定线如图中的曲线和曲线和曲线所示。所示。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系

19、交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 (2) (2) 应用举例应用举例多单元拖动系统的同步运行多单元拖动系统的同步运行 在造纸、印染等机械中，整台机器具有若在造纸、印染等机械中，整台机器具有若干个单元，每个单元都有各自独立的拖动干个单元，每个单元都有各自独立的拖动系统系统, , 如图所示如图所示: :第单元由电动机拖第单元由电动机拖动，第二单元由电动机拖动动，第二单元由电动机拖动。 把第单元称把第单元称为主令单元为主令单元, , 后面的各单元称后面的各单元称为为从动单元从动单元。在这种情况下，总是要求被。在这种情况下，总是要求被加工

20、物在各单元的线速度一致加工物在各单元的线速度一致. . 因此，对于多单元拖动系统的要求是因此，对于多单元拖动系统的要求是: : 在调速时在调速时, , 各单元必须同时调节各单元必须同时调节; ; 各单各单元的运行线速度必须步调一致元的运行线速度必须步调一致, , 即实现同即实现同步运行。步运行。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 4.2

21、 4.2 频率给定的其他功能频率给定的其他功能( (1) 1) 频率指令的保持功能频率指令的保持功能 变频器在停机后变频器在停机后, , 是否保持停机前的运是否保持停机前的运行频率的选择功能。再开机时行频率的选择功能。再开机时, , 变频器的变频器的运行频率有两种状态可供选择运行频率有两种状态可供选择: : 保持功能无效保持功能无效 运行频率为运行频率为0Hz0Hz，如要回复到原来的工作频，如要回复到原来的工作频率，须重新加速。率，须重新加速。 保持功能有效保持功能有效 运行频率自动上升到停机前的工作频率。运行频率自动上升到停机前的工作频率。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交

22、直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(2) (2) 点动频率功能点动频率功能 点动点动是各类机械在调试过程中经常使用的操作是各类机械在调试过程中经常使用的操作方式。因为主要用于调试，故所需频率较低，一方式。因为主要用于调试，故所需频率较低，一般也不需要调节。所以，点动频率般也不需要调节。所以，点动频率( (用用fJfJ表示表示) )是是通过功能预置来确定的。有的变频器也可以预置通过功能预置来确定的。有的变频器也可以预置多档点动频率。多档点动频率。(3) (3) 频率给定异常时的处理功能频率给定异常时的处理功能 (a) (a) 给定信号

23、丢失给定信号丢失 当外接模拟频率给定信号因电路接触不良或断当外接模拟频率给定信号因电路接触不良或断线而丢失时，变频器处理方式的选择功能。例如，线而丢失时，变频器处理方式的选择功能。例如，是否停机，如继续运行，则在多大频率下运行等。是否停机，如继续运行，则在多大频率下运行等。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 ( (b) b) 给定信号小于最低频率时的处理给定信号小于最低频率时的处理功能功能 有的负载在频率很低时实际上不能运有的负载在频率很低时实际上不能运行，因而需要预置行，因而需要

24、预置“最低频率最低频率”。对。对应地，也就有一个最小给定信号。当应地，也就有一个最小给定信号。当实际给定信号小于最小给定信号时，实际给定信号小于最小给定信号时，应视为异常状态。应视为异常状态。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 5 频率的限制功能 5.1 5.1 上、下限频率上、下限频率 (1) (1) 生产机械对转速范围的要求生产机械对转速范围的要求 生产机械根据工艺过程的实际需要，常常要求对转速生产机械根据工艺过程的实际需要，常常要求对转速范围进行限制。以某搅拌机为例，要求的最

25、高转速是范围进行限制。以某搅拌机为例，要求的最高转速是600r/min600r/min，最低转速是，最低转速是150r/min150r/min。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 (b) (b) 变频器的上、下限频率变频器的上、下限频率 根据生产机械所要求的最高与最低转速，根据生产机械所要求的最高与最低转速，以及电动机与生产机械之间的传动比，可以推算以及电动机与生产机械之间的传动比，可以推算出相对应的频率，分别称为上限频率出相对应的频率，分别称为上限频率( (用用fHfH表示表示)

26、 )与下限频率与下限频率( (用用fLfL表示表示) )。在上例中，如传动比。在上例中，如传动比2 2，则，则: : (c) (c) 上限频率与最高频率的关系上限频率与最高频率的关系 上限频率小于最高频率上限频率小于最高频率 上限频率比最高频率优先上限频率比最高频率优先 上限频率是根据生产机械的要求来决定的，所上限频率是根据生产机械的要求来决定的，所以具有优先权以具有优先权. . 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 5.2 5.2 回避频率回避频率(1) (1) 概念概念 任何机械

27、在运转过程中，都或多或少会产生振动。任何机械在运转过程中，都或多或少会产生振动。每台机器又都有一个每台机器又都有一个固有振荡频率固有振荡频率，它取决于机，它取决于机械的结构。械的结构。 如果生产机械运行在某一转速下时，所引起的振如果生产机械运行在某一转速下时，所引起的振动频率和机械的固有振荡频率相吻合的话，则机动频率和机械的固有振荡频率相吻合的话，则机械的振动将因发生谐振而变得十分强烈械的振动将因发生谐振而变得十分强烈( (也称为机也称为机械共振械共振) )，并可能导致机械损坏的严重后果。，并可能导致机械损坏的严重后果。 设置回避频率设置回避频率fJ fJ的目的，就是使拖动系统的目的，就是使拖

28、动系统“回回避避”掉可能引起谐振的转速掉可能引起谐振的转速。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(2) (2) 回避频率的预置回避频率的预置 预置回避频率时，预置回避频率时，必须预置以下两个必须预置以下两个数据数据: : 中心回避频率中心回避频率fJfJ 即回避频率所在的即回避频率所在的位置位置; ; 回避宽度回避宽度fJfJ 即回避区域即回避区域(3) (3) 回避频率的数量回避频率的数量 大多数变频器都可大多数变频器都可以预置三个回避频以预置三个回避频率率王永华王永华扬州大学电气

29、工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统6 6变频引出的特殊问题变频引出的特殊问题1 1 保持磁通不变的必要性和途径保持磁通不变的必要性和途径(1) (1) 保持磁通不变的必要性保持磁通不变的必要性磁通减小磁通减小 任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过额定值的，相互作用的结果，电流是不允许超过额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小，导致带载能力降低。小，电磁转矩也必减小，导致带

30、载能力降低。(b) (b) 磁通增大磁通增大 电动机的磁路将饱和，由于在变频调速时，电动机的磁路将饱和，由于在变频调速时，运行频率运行频率fXfX是在相当大的范围内变化的，如不是在相当大的范围内变化的，如不采取措施的话，磁通的变化范围也是非常大的。采取措施的话，磁通的变化范围也是非常大的。 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流，流的波形严重畸变，产生峰值很高的

31、尖峰电流，如图所示。图的上半部是电动机的磁化曲线如图所示。图的上半部是电动机的磁化曲线;下半下半部则是励磁电流的波形。部则是励磁电流的波形。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 变频调速的一个特殊问题便是变频调速的一个特殊问题便是: 当频率当频率fX变化时，必须使磁通变化时，必须使磁通保持不变保持不变: const(2) (2) 保持磁通不变的方法保持磁通不变的方法 在调节频率时，必须保持反电动势在调节频率时，必须保持反电动势E1XE1X和频率和频率fXfX的比值不变。的比值不变。

32、但反电动势是由定子绕组切割旋转磁通而感但反电动势是由定子绕组切割旋转磁通而感生的，无法从外部进行控制。生的，无法从外部进行控制。用保持定子侧输入用保持定子侧输入电压和频率之比等于常数来代替电压和频率之比等于常数来代替: : 在改变频率时在改变频率时, , 必须同时必须同时改变定子侧的输入电压。改变定子侧的输入电压。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统2.2.变压变频存在的问题及原因分析变压变频存在的问题及原因分析(1) (1) 存在的问题存在的问题(a) (a) 衡量调速性能的主要因

33、素衡量调速性能的主要因素 电动机的基本功能是拖动生产机械旋转，因此，电动机的基本功能是拖动生产机械旋转，因此，在低频时的带负载能力便是衡量变频调速性能好在低频时的带负载能力便是衡量变频调速性能好坏的一个十分重要的因素。坏的一个十分重要的因素。(b) (b) 调压调频存在的问题调压调频存在的问题 满足满足constconst的情况下进行变频调速时，随的情况下进行变频调速时，随着频率的下降，电动机的临界转矩和带负载能力着频率的下降，电动机的临界转矩和带负载能力( (用有效转矩用有效转矩MEXMEX表示表示) )也有所下降，如图所示。也有所下降，如图所示。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工

34、程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(2) (2) 临界转矩下降的原因分析临界转矩下降的原因分析 (a) 电磁转矩的产生 异步电动机的电磁转矩是转子电流和磁通相异步电动机的电磁转矩是转子电流和磁通相互作用的结果。因此，问题的关键便是互作用的结果。因此，问题的关键便是: :在满足式在满足式(16)(16)的情况下，低频时能否保持磁通量基本不变？的情况下，低频时能否保持磁通量基本不变？

35、(b) (b) 电磁转矩减小的原因电磁转矩减小的原因 反电动势是定子侧输入电压减去阻抗压降的结果。反电动势是定子侧输入电压减去阻抗压降的结果。 当频率当频率fXfX下降时，输入电压下降时，输入电压U1XU1X随之下降。但随之下降。但在负载不变的情况下，电流在负载不变的情况下，电流I1I1及其阻抗压降却基及其阻抗压降却基本不变本不变, , 于是反电动势于是反电动势E1XE1X所占的比例必将减小。所占的比例必将减小。 磁通磁通MM也必减小，磁通不变的要求并没有真也必减小，磁通不变的要求并没有真正得到满足，结果是导致电动机的临界转矩也减正得到满足，结果是导致电动机的临界转矩也减小。小。王永华王永华扬

36、州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统7 V/F控制功能 7.1 V/F7.1 V/F控制模式控制模式 为了确保电动机在低频运行时，反电动势和频率之比保为了确保电动机在低频运行时，反电动势和频率之比保持不变，真正实现持不变，真正实现constconst，适当提高，适当提高U/fU/f比，使比，使KUKUKfKf，从而使转矩得到补偿，提高电动机在低速时的带负载能力。从而使转矩得到补偿，提高电动机在低速时的带负载能力。这种方法称为转矩补偿或转矩提升，这种控制方式称为这种方法称为转矩补偿或转矩提升，这种控

37、制方式称为V/FV/F控制模式。控制模式。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 (2) (2) 基本频率基本频率 与变频器的最大输出电压对应的频率称为基本频率，与变频器的最大输出电压对应的频率称为基本频率，用用fBAfBA表示。在大多数情况下，基本频率等于电动机的额表示。在大多数情况下，基本频率等于电动机的额定频率，如图所示定频率，如图所示。 (3) (3) 基本基本U/fU/f线线 在变频器的输在变频器的输出频率从出频率从0Hz0Hz上升到上升到基本频率基本频率fBAfBA的过程的

38、过程中中, , 满足满足KU=KfKU=Kf的的U/fU/f线线, , 称为基本称为基本U/fU/f线线 。 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 (4) (4) 弱磁点弱磁点 当电动机的运行频率高于额定频率时，当电动机的运行频率高于额定频率时，变频器的输出电压不再能随频率的上升而变频器的输出电压不再能随频率的上升而上升，如图上升，如图(b)(b)中之点以后所示。在这种中之点以后所示。在这种情况下，由于情况下，由于U/fU/f比将随频率的上升而下降，比将随频率的上升而下降，电动机磁路

39、内的磁通也因此而减，处于弱电动机磁路内的磁通也因此而减，处于弱磁运行状态。因此，通常把转折点称为磁运行状态。因此，通常把转折点称为弱磁点。弱磁点。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 7.2 U/f线的选择功能线的选择功能 (1) (1) 不同负载在低速时对不同负载在低速时对转矩的要求各类负载在低转矩的要求各类负载在低速时所呈现的阻转矩是很速时所呈现的阻转矩是很不一样的不一样的: : (a) (a) 二次方律负载二次方律负载 阻转矩与转速的二次方成阻转矩与转速的二次方成正比，如图中的

40、曲线正比，如图中的曲线所所示。低速时的阻转矩比额示。低速时的阻转矩比额定转矩小得多定转矩小得多; ; 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(b) (b) 恒转矩负载恒转矩负载 在不同的转速下在不同的转速下, , 负载的阻转矩负载的阻转矩基本不变基本不变, , 如图中之曲线如图中之曲线所所示。低速时的阻转矩与额定转示。低速时的阻转矩与额定转速时是基本相同的速时是基本相同的; ;(c) (c) 恒功率负载恒功率负载 在不同的转速下，负载功率在不同的转速下，负载功率保持恒定，其机械特性呈双

41、曲保持恒定，其机械特性呈双曲线状，如图中之曲线线状，如图中之曲线所示。所示。低速时的阻转矩比额定转速时低速时的阻转矩比额定转速时还要大得多还要大得多。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 (2) (2) 变频器对变频器对U/fU/f线的设置线的设置 因为每台变频因为每台变频器应用到什么负器应用到什么负载上是不确定的，载上是不确定的，而不同负载在低而不同负载在低频时对频时对U/fU/f比的要比的要求又很不一致。求又很不一致。使用户可以根据使用户可以根据电动机在低速运电动机在低速运行时负

42、载的轻重行时负载的轻重来选择来选择U/fU/f比，如比，如图所示图所示。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(3) U/f(3) U/f线的预置要点线的预置要点(a) (a) 预置不当的后果预置不当的后果 如果负载在低速时的转矩较大而转矩补偿如果负载在低速时的转矩较大而转矩补偿(U/f(U/f比比) ) 预置得较小，则低速时带不动负载。反预置得较小，则低速时带不动负载。反之之, , 如果负载在低速的转矩较轻而转矩补偿如果负载在低速的转矩较轻而转矩补偿(U/f(U/f比比) )预置得较

43、大，则补偿过分，低速时电动机的磁预置得较大，则补偿过分，低速时电动机的磁路将饱和，励磁电流发生畸变，严重时会因励磁路将饱和，励磁电流发生畸变，严重时会因励磁电流峰值过高而导致电流峰值过高而导致“过电流过电流”跳闸。跳闸。(b) (b) 预置要点预置要点 调试时，调试时，U/fU/f比的预置宜由小逐渐加大，每加比的预置宜由小逐渐加大，每加大一档，观察在最低频时能否带得动负载？及至大一档，观察在最低频时能否带得动负载？及至能带动时，还应反过来观察空载时会不会跳闸？能带动时，还应反过来观察空载时会不会跳闸？一直到在最低频率下运行时，既能带得动负载，一直到在最低频率下运行时，既能带得动负载，又不会空载

44、跳闸时为止又不会空载跳闸时为止. .王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 8 矢量控制功能8.1 8.1 基本思想基本思想 (1) (1) 对直流电动机的分析对直流电动机的分析 在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的。究其原因，是因为它具有两个十分重要的特点是最好的。究其原因，是因为它具有两个十分重要的特点: : (a) (a) 磁场特点磁场特点 它的主磁场和电枢磁场它的主磁场和电枢磁场在空间是互相垂直的在空间

45、是互相垂直的; ; (b) (b) 电路特点电路特点 它的励磁电路和电枢电路它的励磁电路和电枢电路是互相独立的，是互相独立的， 在调节转速时，在调节转速时，只调节其中一个电路的只调节其中一个电路的参数。参数。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 (2) (2) 变频器的矢量控制模式变频器的矢量控制模式 (a) (a) 基本构思基本构思 仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率的给定信号，分解成和直流电动机具有相同特点的给定信号，分解成和直流电动机具

46、有相同特点的磁场电流信号的磁场电流信号i i* *M M和转矩电流信号和转矩电流信号i i* *T T，并且假，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点。和直流电动机类似的特点。 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 对于控制电路分解出的控制信号对

47、于控制电路分解出的控制信号i i* *M M和和i i* *T T，根据电动机的参数进行一系列的等效变换，根据电动机的参数进行一系列的等效变换，得到三相逆变桥的控制信号得到三相逆变桥的控制信号i i* *A A、i i* *B B和和i i* *C C，对三相逆变桥进行控制，得到与直流电动对三相逆变桥进行控制，得到与直流电动机类似的硬机械特性机类似的硬机械特性, , 提高了低频时的带提高了低频时的带负载能力负载能力. .王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统王永华王永华扬州大学电气工程

48、系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 (b) (b) 无反馈矢量控制模式与有反馈矢量控制模无反馈矢量控制模式与有反馈矢量控制模式式 根据在实行矢量控制时，是否需要转速反馈根据在实行矢量控制时，是否需要转速反馈的特点，而有的特点，而有无反馈和有反馈矢量控制无反馈和有反馈矢量控制之分。之分。 无反馈矢量控制无反馈矢量控制是根据测量到的电流、电是根据测量到的电流、电压和磁通等数据，简接地计算出当前的转速，压和磁通等数据，简接地计算出当前的转速，并进行必要的修正，从而在不同频率下运行时，并进行必要的修正，从而在不同频率

49、下运行时，得到较硬机械特性的控制模式。由于计算量较得到较硬机械特性的控制模式。由于计算量较大，故动态响应能力稍差。大，故动态响应能力稍差。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统8.2 8.2 电动机数据的输入电动机数据的输入 如上述，要实现矢量控制功能，必须根据电动机如上述，要实现矢量控制功能，必须根据电动机自身的参数进行一系列等效变换的计算。而进行计算的最自身的参数进行一系列等效变换的计算。而进行计算的最基本条件，是必须尽可能多地了解电动机的各项数据。因基本条件，是必须尽可能多地了解

50、电动机的各项数据。因此，把电动机铭牌上的额定数据以及定、转子的参数输入此，把电动机铭牌上的额定数据以及定、转子的参数输入给变频器，就是实现矢量控制的必要条件。给变频器，就是实现矢量控制的必要条件。 自动检测功能自动检测功能 从上面所举例子可以看出，进行矢量控制时，所从上面所举例子可以看出，进行矢量控制时，所需数据中的相当部分，一般用户是很难得到的。这给矢量需数据中的相当部分，一般用户是很难得到的。这给矢量控制的应用带来了困难。对此，当代的许多变频器都已经控制的应用带来了困难。对此，当代的许多变频器都已经配置了自动检测电动机参数的功能。但检测的具体方法，配置了自动检测电动机参数的功能。但检测的具

51、体方法，各种变频器不尽相同。各种变频器不尽相同。 自动检测功能的英语名称是自动检测功能的英语名称是auto-tuning, auto-tuning, 故有的故有的变频器直译为变频器直译为“自动调谐自动调谐”功能功能, , 也有的称之为也有的称之为“自学习自学习”功能。功能。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 有反馈矢量控制有反馈矢量控制则必须在电动机输出则必须在电动机输出轴上增加转速反馈环节，如图中的虚线所轴上增加转速反馈环节，如图中的虚线所示。由于转速大小直接由速度传感器测量示。

52、由于转速大小直接由速度传感器测量得到，既准确、又迅速。与无反馈矢量控得到，既准确、又迅速。与无反馈矢量控制模式相比，具有机械特性更硬、频率调制模式相比，具有机械特性更硬、频率调节范围更大、动态响应能力强等优点。节范围更大、动态响应能力强等优点。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(2) (2) 矢量控制的主要优点矢量控制的主要优点 低频转矩大低频转矩大 即使运行在即使运行在1Hz(1Hz(或或0.5Hz)0.5Hz)时时, , 也能产生足够大的转也能产生足够大的转矩矩, ,且不会产生

53、在且不会产生在V/FV/F控制方式中容易遇到的磁路饱和现象。控制方式中容易遇到的磁路饱和现象。机械特性好机械特性好 在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特性基本上都是平行的。所有机械特性基本上都是平行的。动态响应好动态响应好 尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间一般都能小于一般都能小于100ms100ms。能进行四象限运行能进行四象限运行。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调

54、速系统 (2) (2) 速度控制的速度控制的PIDPID功能功能 当采用有反馈矢量控制模式时，变频器存在着一个转当采用有反馈矢量控制模式时，变频器存在着一个转速反馈的闭环系统，并且为此专门配置了速反馈的闭环系统，并且为此专门配置了PIDPID调节系统。调节系统。以利于在调节转速的过程中，或者拖动系统发生扰动以利于在调节转速的过程中，或者拖动系统发生扰动( (负负载突然加重或减轻载突然加重或减轻) )时，能够使控制系统既反映迅速，又时，能够使控制系统既反映迅速，又运行稳定。运行稳定。 因此，在具有矢量控制功能的变频器中，有两套因此，在具有矢量控制功能的变频器中，有两套PIDPID调调节功能节功能

55、: :(a) (a) 用于速度闭环控制的用于速度闭环控制的PIDPID调节功能调节功能; ;( (b) b) 用于系统控制用于系统控制( (例如供水系统的恒压控制等例如供水系统的恒压控制等) )的的PIDPID调节调节功能。功能。 两种两种PIDPID调节功能中，调节功能中，P(P(比例增益比例增益) )、I(I(积分时间积分时间) )、D(D(微分微分时间时间) )的作用对象不同，但原理是相同的。的作用对象不同，但原理是相同的。王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统 8.3 8.3

56、矢量控制的应用要点矢量控制的应用要点(1) (1) 应用矢量控制的注意点应用矢量控制的注意点 由于矢量控制必须根据电动机的参数进行一由于矢量控制必须根据电动机的参数进行一系列的演算，因此，其使用范围必将受到一些限系列的演算，因此，其使用范围必将受到一些限制。制。 (a) (a) 电动机的容量电动机的容量 电动机的容量应尽可能与变频器说明书中标明电动机的容量应尽可能与变频器说明书中标明的的“配用电动机容量配用电动机容量”相符，最多低一个档次。相符，最多低一个档次。 例如，变频器的例如，变频器的“配用电动机容量配用电动机容量”为为45kW45kW，电动机的下一档容量为电动机的下一档容量为37kW3

57、7kW。则该变频器只能在。则该变频器只能在配接配接45kW45kW或或37kW37kW的电动机时，矢量控制功能是有的电动机时，矢量控制功能是有效的。效的。 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(b) (b) 电动机的磁极数电动机的磁极数 以以2p=4(42p=4(4极电动机极电动机) )为最佳，要注意说明书中为最佳，要注意说明书中对磁极数的规定。对磁极数的规定。(c) (c) 电动机的型号电动机的型号 以生产变频器的同一家公司生产的标准电动以生产变频器的同一家公司生产的标准电动机或变

58、频调速专用电动机为最佳，一般的通用电机或变频调速专用电动机为最佳，一般的通用电动机也都可用。但特殊电动机动机也都可用。但特殊电动机( (如高转差电动机等如高转差电动机等) )则不能用。则不能用。(d) (d) 电动机的台数电动机的台数 矢量控制只适用于一台变频器控制一台电动机的矢量控制只适用于一台变频器控制一台电动机的场合。场合。 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统9 转矩控制功能 9.1 9.1 转矩控制与转速控制的区别转矩控制与转速控制的区别(1) (1) 转速控制的特点转速控

59、制的特点 变频调速，都是以控制电动机的转速为目的的，变频调速，都是以控制电动机的转速为目的的， (a) (a) 变频器输出频率的大小变频器输出频率的大小( (从而电动机转速的高从而电动机转速的高低低) )随给定信号的大小而变随给定信号的大小而变. . (b) (b) 电动机的转矩大小是不能控制的电动机的转矩大小是不能控制的, , 它总是和它总是和负载的阻转矩处于平衡状态。因此负载的阻转矩处于平衡状态。因此, , 是随负载的是随负载的轻重而随时变化的轻重而随时变化的; ; (c) (c) 电动机转矩的限值是受发热和过载能力电动机转矩的限值是受发热和过载能力( (取决取决于临界转矩于临界转矩) )

60、制约的。制约的。 王永华王永华扬州大学电气工程系扬州大学电气工程系 交直流调速系统交直流调速系统第六章第六章 笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统(2) (2) 转矩控制的特点转矩控制的特点 转矩控制是矢量控制模式下的一种特殊控制方转矩控制是矢量控制模式下的一种特殊控制方式式 (a) (a) 给定信号并不用于控制变频器输出频率给定信号并不用于控制变频器输出频率的大小的大小, , 而是用于控制电动机所产生的电磁转矩而是用于控制电动机所产生的电磁转矩的大小，如图所示的大小，如图所示: :当给定信号为当给定信号为10V10V时，电动机时，电动机的电磁转矩为最大值的电磁转矩为最大值