第六章交流电动机调速及变频原理

1、交流电动机调速系统交流电动机调速系统第六章第六章 交流电动机调速及变频原理交流电动机调速及变频原理 交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.16.1 交流异步电动机调速的基本类型交流异步电动机调速的基本类型三相异步电动机的变频调速原理三相异步电动机的变频调速原理6.26.2通用变频器的基本结构与控制方式通用变频器的基本结构与控制方式6.36.3教教 学学 内内 容容交流电动机调速系统交流电动机调速系统学学 习习 目目 标标了解交流电动机调速的了解交流电动机调速的3 3种基本方法。种基本方法。理解通用变频器的各种分类方法和控制方式理解通用变频器的各种分类方法和控制方式 。 掌握通用变频器的基本结

2、构及变频原理掌握通用变频器的基本结构及变频原理 。概述n直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机。n交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相比。n随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生。交流电动机调速系统交流电动机调速系统直流电机的缺点:n直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修；n 换向火

3、花使直流电机的应用环境受到限制；n 换向能力限制了直流电机的容量和速度。交流电机没有上面的弱点。目前，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。交流电动机调速系统交流电动机调速系统 交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面： 一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速交流电动机调速系统交流电动机调速系统1. 一般性能的节能调速n 应用数量巨大：风机、水泵等通用机械的容量几乎 占工业电力拖动总容量的一半以上；n 过去的调速运行手段：因为过去的交流拖动调速比 较困难，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水 的流量，因而把许多电能白白地浪费了；n 如

4、果采用交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的 能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 30% 以上的电能，效果是很可观的。n 风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不 高，只需要一般的调速性能。交流电动机调速系统交流电动机调速系统2. 高性能的交流调速系统和伺服系统n许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动；n由于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。n由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。n 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，通过坐标变换，把交流

5、电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能。n又出现了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列高性能交流调速系统和交流伺服系统。交流电动机调速系统交流电动机调速系统3. 特大容量、极高转速的交流调速n直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。n 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。交流电动机调速系统交流电动机调速系统交流调速系统的主要类型 交

6、流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。 现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。交流电动机调速系统交流电动机调速系统交流电动机调速系统交流电动机调速系统由异步电动机的转速公式：由异步电动机的转速公式：116011fnn (s)(s)p 可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。p（2 2）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。1f（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。s6.1交流异步电动机调速的基本类型交流异步电动机调速

7、的基本类型交流电动机调速系统交流电动机调速系统)1(60)1(10SpfnSn异步电动机的调速方式异步电动机的调速方式：交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.1.1 变频调速变频调速 交流变频调速技术的原理是把工频交流变频调速技术的原理是把工频50Hz50Hz的交流电转的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。从而达到调节电动机转速的目的。 变频器在英文译名是变频器在英文译名是VFDVFD（Varia

8、ble-frequency DriveVariable-frequency Drive）。）。 变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVFVVVF（Variable Voltage Variable Frequency InverterVariable Voltage Variable Frequency Inverter）。）。 交流电动机调速系统交流电动机调速系统它与直流调速系统相比具有以下显著优点：它与直流调速系统相比具有以下显著优点： （1 1）变频调速装置的大容量化。）变频调速装置的大容量化。（2 2）变频调速系统调速范围

9、宽，能平滑调速，其调速静）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。态精度及动态品质好。（3 3）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。升功能，节省软起动装置。交流电动机调速系统交流电动机调速系统（4 4）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口

10、端子，可同计算机、部接口端子，可同计算机、PLCPLC联机，便于实现自动控制。联机，便于实现自动控制。（5 5）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到到20%20%6060。 交流电动机调速系统交流电动机调速系统软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率改变频率；软起动器实际

11、上是个调压器调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。 软起动器与变频器软起动器与变频器 知识拓展知识拓展交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.1.26.1.2变极调速变极调速 磁极对数磁极对数 p p 的改变，取决于电动机定子绕组的结的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。机的磁极对数。2p180分）转/( 50011p360分）转/( 0003磁极对数磁极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场

12、转过的空间角度同步转速同步转速n n0 0)f(Hz501 3p120分）转/( 00014p分）分）转转/( 75090电动机的同步转速取决于磁场的极对数电动机的同步转速取决于磁场的极对数)/( 6010分转pfn 交流电动机调速系统交流电动机调速系统U U相两个线圈，相两个线圈，顺向串联，顺向串联，定子绕组产生定子绕组产生4 4极磁场。极磁场。反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组，定子绕组产生产生2 2极磁场。极磁场。以以4 4极变极变2 2极为例：极为例：交流电动机调速系统交流电动机调速系统目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常

13、用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作一种是从星形改成双星形，写作Y/YYY/YY，如图，如图6-36-3所示；所示；Y-YYY-YY后后, ,电动机极数减少一半电动机极数减少一半, ,转速增大一倍转速增大一倍, ,即即 ，容许输出功率增大，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。用于恒转矩负载。2YYYnn 变极时，调换相序，以变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电保证变极调速以后，电动机转动方向不变。动机转动方向不变。交流电动机调速系统交流电动机调速系统另一种是从

14、三角形改成双星形，写作另一种是从三角形改成双星形，写作/YY/YY，如图，如图6-46-4所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。 -YY-YY后后, ,极数减少一半极数减少一半, ,转速增大一倍转速增大一倍, ,即即 ，容许输出功率近似不，容许输出功率近似不变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。2YYnn 变极时，调换相序，以变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电保证变极调速以后，电动机转动方向不变。动机转动方向不变。交流电动机调速系统交流电动机调速系统变极调速只用于笼型电

15、动机。变极调速只用于笼型电动机。 这种方法的缺点是十分这种方法的缺点是十分明显的明显的: :一台电动机最多只能一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能有两种接法。所以最多只能得到多只能得到4 4种转速，与所要种转速，与所要求的无级调速相去甚远。求的无级调速相去甚远。 只只适用于笼型异步电动机。这适用于笼型异步电动机。这种调速方法简单，但电动机种调速方法简单，但电动机结构复杂，较少应用。结构复杂，较少应用。交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.1.3 6.1.3 变转差率调速变转差率调速 1.1.改变定子电压调速改变定子电压调速 交流调压

16、调速交流调压调速)()/(/3221212211221lleLLsRRsRpUT异步电动机的机械特性方程式异步电动机的机械特性方程式:其中：p为电机极对数； U1为相电压有效值 R1为定子每相绕组的内阻 Ll1为每相漏感 R2为折算到定子侧的每相电阻 Ll2为折算到定子侧的漏感交流电动机调速系统交流电动机调速系统0, 0,1TSnnNNNTTSSnn,mTB1nS011n2D理想空载点理想空载点N=N0，S=0，T=0NTC额定运行点额定运行点NnN=NN，S=SN，T=TNN0NNTNmTBmS最大转矩点最大转矩点mmTTSS,TmSmAQT起起 动动 点点QTTSn, 1, 0交流电动机调

17、速系统交流电动机调速系统调压调速的机械特性nT0S1mT1nNUmSNUUU1 1ZT风机类负载特性n0（1 1）异步电动机调压调速时存在的问题）异步电动机调压调速时存在的问题 1 1）改变定子调压时调速范围不大（恒转）改变定子调压时调速范围不大（恒转矩负载）。如图矩负载）。如图1 1、2 2、3 3点。点。 2 2）低速时运行稳定性不好，如带风机类）低速时运行稳定性不好，如带风机类负载时，可得到较大的调速范围负载时，可得到较大的调速范围（如（如abcabc点），转子电流相应增大。点），转子电流相应增大。为了既低速运行稳定又不致过热，为了既低速运行稳定又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻

18、。要求电动机转子绕组有较高的电阻。1U0.7UN 1U0.5UN0 当当s s一定时，一定时， T U 2 ，改变，改变U U1 1得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载T TZ Z时，时，可得到不同的稳定转速，如下图中的可得到不同的稳定转速，如下图中的1 1、2 2、3 3点。点。同步转速同步转速n0 0不变，临界不变，临界转差率转差率Sm m不变不变交流电动机调速系统交流电动机调速系统（2 2）解决问题的措施）解决问题的措施 使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图所示如图所示机械特性变软。机械特

19、性变软。eTS0n0n1 NU1 N7.0U1 N5.0U10LT图 5 -7 高 转 子 电 阻 异 步 电 动 机在 不 同 电 压 下 的 机 械 特 性ABC 高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性可见：恒转矩负载下，可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电调速范围变大，转子电流减小。流减小。交流电动机调速系统交流电动机调速系统如下左图所示。单相调压电路如右图所示。如下左图所示。单相调压电路如右图所示。M3 M3 M3 T UL SV V C+-( a )( b )( c )图 5 - 2 异 步 电 动 机 调 压 调 速 原 理RU1U

20、1VT2VT图5-3 晶闸管单相调压电路晶闸管单相调压电路晶闸管单相调压电路 U02t图 5-4 晶 闸 管 相 位 控 制 下的 负 载 电 压 波 形 晶闸管相位控制下的负载电压波形晶闸管相位控制下的负载电压波形 通过改变晶闸管的导通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流通角来改变输出交流电压的大小。电压的大小。获取交流电源的方法获取交流电源的方法 知识拓展知识拓展晶闸管交流调压装置晶闸管交流调压装置交流电动机调速系统交流电动机调速系统晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。是负载输出谐

21、波分量低，适用于低电压大电流的场合。 三相全波星形联结的调压电路三相全波星形联结的调压电路交流电动机调速系统交流电动机调速系统（3 3）采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械特性）采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械特性硬度，又保证一定负载能力）。硬度，又保证一定负载能力）。 转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速转差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。转差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。ASRM3TGnVVCGT-nUnUctU(a)（a）原理图）原理图 交流电动机调速系统交流电动机调速系统（4）

22、调压调速系统闭环静态结构图）调压调速系统闭环静态结构图调 节 器晶 闸 管调 压 装 置异 步电 动 机转 速 反 馈 装 置给 定nUnU+-ctU1Un图 5-9 调 压 调 速 系 统 静 态 结 构 框 图 调压调速系统静态结构框图调压调速系统静态结构框图 它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电动机即可。动机即可。交流电动机调速系统交流电动

23、机调速系统 交流调压调速是通过改变电动机定子交流调压调速是通过改变电动机定子外加电压从而改变转差率外加电压从而改变转差率S进行调速的。进行调速的。它是一种简单、可靠、价格便宜的调速方它是一种简单、可靠、价格便宜的调速方法，但其调速特性软，低速时转差功率损法，但其调速特性软，低速时转差功率损耗大，效率较低。交流调压调速常采用晶耗大，效率较低。交流调压调速常采用晶闸管组成的交流调压调速系统。闸管组成的交流调压调速系统。小结小结交流电动机调速系统交流电动机调速系统nT0S1mTmS1nQT2r2 RrQTmSZTZT轻载调速轻载调速范围不大范围不大调速前：调速前：1，S1调速后：调速后：2，S22.

24、绕线式异步电动机转子串电阻调速绕线式异步电动机转子串电阻调速 绕线式异步电动机转子串绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性如图所示。电阻的机械特性如图所示。转子串电阻时同步转速和转子串电阻时同步转速和最大转矩最大转矩T Tm m不变，临界转不变，临界转差率增大。差率增大。 0RmTmS不变不变QT0n不变不变nn=n0(1-s)交流电动机调速系统交流电动机调速系统转子串电阻调速的优点是：转子串电阻调速的优点是： 设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机如桥式起重机等。如桥式起重机等。缺点是：缺点是： 转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性

25、转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。交流电动机调速系统交流电动机调速系统3.3.绕线式异步电动机在转子回路中串级调速绕线式异步电动机在转子回路中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。其优点是：其优点是：可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，可以通过某

26、种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。或高同步的连续调速。缺点是：缺点是：只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。 交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.1.3 6.1.3 电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速（异步电动机本身并不调速）（异步电动机本身并不调速）电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。转差离合器以及控制装置组合而成。（一）

27、电磁转差离合器的基本结构与工作原理（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理从动部分与负从动部分与负载连在一起载连在一起电枢由笼型异步电枢由笼型异步电动机以恒速带电动机以恒速带动，称主动部分动，称主动部分 晶闸管控制装置通过对电磁转差离合器的励磁电流的控制，实现对从动部分磁极与负载的转速调节交流电动机调速系统交流电动机调速系统（1）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

28、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。电磁转差离合器的机械特性电磁转差离合器的机械特性n1原动机转速；原动机转速；Te电磁转差离合器轴上输出电磁转差离合器轴上输出转矩；转矩； IL电磁转差离合器的励磁电电磁转差离合器的励磁电流；流； 知识拓展知识拓展交流电动机调速系统交流电动机调速系统（2）电磁转差离合器闭环调速系统）电磁转差离合器闭环调速系统电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反馈控制，从而可获得速负反馈控制，从而可获得10:1的调速范围。闭环系统的的调速范围。闭环系统的组成与相应的静特性如下图所示。组成与

29、相应的静特性如下图所示。交流电动机调速系统交流电动机调速系统 1) 优点： l 线路简单，价格便宜； l 速度负反馈后调速相当精确（平滑调速）。 2) 缺点： l 低速运行时损耗较大（增加了滑差离合器）； l 调速效率较低。交流电动机调速系统交流电动机调速系统1 1变频调速的条件变频调速的条件 三相异步电动机定子绕组的反电动势三相异步电动机定子绕组的反电动势E E1 1的表达式为的表达式为 : :Eq=4.441N1kN1m=U1+U式中: Eq气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值； N1 定子每相绕组的匝数； kN1定子绕组的基波绕组系数， kN1 1； 1 定子绕组感应电动势的频率，即

30、电源的频率； m 主磁通； U1 定子相电压。可见： Eq1m 将U忽略，则EqU11m定子电压定子电压漏阻抗压降漏阻抗压降6.2三相异步电动机的变频调速原理三相异步电动机的变频调速原理交流电动机调速系统交流电动机调速系统 当当U1 E1=C时，由时，由E1U11m 知，知，1m电动机磁路过饱和，电动机磁路过饱和，导致过大的励磁电流，电动机因绕组过热而损坏。导致过大的励磁电流，电动机因绕组过热而损坏。 当当U1 E1=C时，由时，由E1U11m 知，知，1 m，铁芯利用不充分，铁芯利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩同样的转子电流下，电磁转矩T ，电动机的负载能力下降，电动机的容，电动机的负

31、载能力下降，电动机的容量得不到充分利用。量得不到充分利用。因此，为维持电动机的输出转矩不变，必须使主磁通因此，为维持电动机的输出转矩不变，必须使主磁通m =C，即，即U11= CE11=m交流电动机调速系统交流电动机调速系统2 2基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速 m U11=CE11=因为变频的同时还要改变电压，所以称为因为变频的同时还要改变电压，所以称为V/FV/F控制，也称为控制，也称为VVVFVVVF（ Variable Voltage Variable Frequency Variable Voltage Variable Frequency ）。）。交

32、流电动机调速系统交流电动机调速系统),(1111CfUffN理想空载转速：理想空载转速：n1f1U1f1频率在额定频率附近下调时，频率在额定频率附近下调时，最大转矩可以近似认为不变。最大转矩可以近似认为不变。最大转矩最大转矩：Tm （ )不变不变Tm频率不同时，最大转矩点对应的频率不同时，最大转矩点对应的转差转差 n=C，所以稳定工作区的，所以稳定工作区的机械特性基本是平行的。机械特性基本是平行的。 n n当当f 较低时，较低时， U 不能忽略，不能忽略，使使I1 mTm交流电动机调速系统交流电动机调速系统基频以下调速基频以下调速 )222(11 CfU 这是恒压频比的控这是恒压频比的控制方式

33、。在恒压频比条制方式。在恒压频比条件下改变频率时，能够件下改变频率时，能够证明：机械特性基本上证明：机械特性基本上是平行下移的，如图所是平行下移的，如图所示。示。交流电动机调速系统交流电动机调速系统 解解 决决 方方 法法可用提高可用提高U1 1来补偿来补偿 U的影响，使的影响，使E1 1/ /1 1不变，即不变，即m m不变，这种控制不变，这种控制方法称为方法称为电压补偿电压补偿，也称为，也称为转矩转矩提升。提升。 通常提高通常提高U1 1, ,来保持来保持Tm m不变。定子电源不变。定子电源频率频率f1 1越低，定子绕组电压补偿得越大。越低，定子绕组电压补偿得越大。 结论：结论： 从基频以

34、下调速时，电磁转矩从基频以下调速时，电磁转矩T恒定，电动机带负载的能力不变，恒定，电动机带负载的能力不变，属于恒转矩调速。属于恒转矩调速。 交流电动机调速系统交流电动机调速系统3 3基频以上恒功率（恒电压）变频调速基频以上恒功率（恒电压）变频调速 当当f1f1N时，时，U1 =const，f m（属于弱磁调速）（属于弱磁调速） 电磁转矩电磁转矩T P不变不变，属于恒功率调速。，属于恒功率调速。额定频率以上调频时，理想额定频率以上调频时，理想空载转速增大，最大转矩大幅空载转速增大，最大转矩大幅减小。减小。 最大转矩点对应的转差最大转矩点对应的转差 n几乎不变，但由于最大转矩几乎不变，但由于最大转

35、矩减小很多，所以机械特性斜减小很多，所以机械特性斜度加大，特性变软。度加大，特性变软。 交流电动机调速系统交流电动机调速系统基频以上调速基频以上调速 在基频在基频f1N以上变频调速时，由以上变频调速时，由于电压于电压U1=U1N 不变，不难证明当频不变，不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如右图所转矩减小，机械特性上移，如右图所示。由于频率提高而电压不变，气隙示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转速升高了，可以认为输出功率基于转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，

36、基频以上变频调速属本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。于弱磁恒功率调速。交流电动机调速系统交流电动机调速系统4 4变频调速特性的特点变频调速特性的特点f1f1N U11= constm不变，属于恒转矩调速不变，属于恒转矩调速 f1f1N U1 =constm变小，电动机的功率变小，电动机的功率不变，属于恒功率调速不变，属于恒功率调速当当f 较低时，较低时， U不能忽略不能忽略mT通常通常 U1 以保持以保持Tm不变（不变（电压补偿电压补偿）P=T（）（）=const交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.3.1 6.3.1 基基 本本 结结 构构主电路主电路控制电路控制电路6.3

37、通用变频器的基本结构与控制方式通用变频器的基本结构与控制方式交流电动机调速系统交流电动机调速系统1 1主电路主电路 由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。 将交流变将交流变成直流成直流D=1.35 380 513(V)U为泵生电压提为泵生电压提供放电回路供放电回路将直流电逆变成频率将直流电逆变成频率可调的交流电可调的交流电限制启动限制启动电流电流续流二极管续流二极管IGBT导通，并联二极管为再生电流导通，并联二极管为再生电流及能量返回直流电路提供通路及能量返回直流电路提供通路交流电动机调速系统交流电动机调速系统（1）整流电路）整流电路VD1VD6组成三相不可控

38、整流桥，将交流电组成三相不可控整流桥，将交流电变成变成513V的直流电，整流桥集成电路模块如图。的直流电，整流桥集成电路模块如图。交流电动机调速系统交流电动机调速系统滤波电路：滤波电路：滤波电容器滤波电容器CF有两个功能：一是滤平全波整流后的有两个功能：一是滤平全波整流后的电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。电源指示电源指示HL：HL除了表示电源是否接通以外，还有一个除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。上

39、的电荷是否已经释放完毕。交流电动机调速系统交流电动机调速系统（2 2）能耗电路）能耗电路 电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超过此时的同步转速（过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压两端）电压UD不断上升（即所说的不断上升（即所说的泵升电压泵升电压），这样变频器），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需

40、将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管由开关管VTB与驱动电路构成，其功能是用来控制流经与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的的放电电流放电电流IB 交流电动机调速系统交流电动机调速系统电动和制动运行电动和制动运行交流电动机调速系统交流电动机调速系统单管单管IGBT IGBT单管：单管：IGBT，封装较模块小，电流通常在，封装较模块小，电流通常在100A以下以下（3 3）逆变电路）逆变电路 逆变管逆变管VT1VT6组成逆变桥将直流电逆变成频率、电压组成逆变桥将直流电逆变成频率、电压都可调的交流电，是都可调的交

41、流电，是变频器的核心部分变频器的核心部分。常用逆变模块有：。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结等，一般都采用模块化结构有构有2单元、单元、4单元、单元、6单元。单元。交流电动机调速系统交流电动机调速系统IGBT模块：就是将多个模块：就是将多个IGBT集成封装在一起。集成封装在一起。目前市场上目前市场上15kW以上变频器使用的是以上变频器使用的是150A/200A/300A/400A/450A的两单元的两单元IGBT模块或模块或100A/150A的三相逆变的三相逆变IGBT模块。模块。全桥全桥IGBTIGBT单桥单桥IGBTIGBT交流电动机调速系统

42、交流电动机调速系统IGBT整流桥与整流桥与IGBT整流桥与封装好的整流桥与封装好的IGBT交流电动机调速系统交流电动机调速系统 集成整流桥集成整流桥+ +制动单元（制动单元（PFCPFC）+ +三相逆变（三相逆变（IGBTIGBT桥）桥） 15kW以下小功率变频器多采用以下小功率变频器多采用25A/50A/75A的的PIM模块。模块。PIM结构包括三相全波整流和结构包括三相全波整流和67个个IGBT单元，即变频器的主回路单元，即变频器的主回路全部封装在一个模块内，在中小功率变频器上（全部封装在一个模块内，在中小功率变频器上（15kW以下）均使以下）均使用用PIM模块以降低成本。模块以降低成本。

43、PIM（功率集成模块）（功率集成模块） 知识拓展知识拓展功率集成模块功率集成模块PIM交流电动机调速系统交流电动机调速系统 智能智能IPM模块问世已有十年之久。它将模块问世已有十年之久。它将IGBT、驱动电路、保护电路、驱动电路、保护电路集成集成化成功率器件，用电流传感功能芯片，对过流和短路进行保护。化成功率器件，用电流传感功能芯片，对过流和短路进行保护。IPM有四种电有四种电路形式：单管封装（路形式：单管封装（H），双管封装（），双管封装（D），六合一封装（），六合一封装（C），七合一封装），七合一封装（R）。由于）。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机通态损耗和开

44、关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，国内外尺寸亦可减小，又有自保护能力，国内外55KW以下的变频器多数采用以下的变频器多数采用IPM模模块。块。IPM有：短路保护（有：短路保护（SC），过流保护（），过流保护（OC），欠压保护（），欠压保护（UV），过热保），过热保护（护（OT），过压保护（），过压保护（OV）等。）等。 智能功率模块智能功率模块IPMIGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护 IPM （智能功率模块）（智能功率模块） 知识拓展知识拓展交流电动机调速系统交流电动机调速系统2.2.控制电路控制电路变频器控制部分一般有：变频器控制部分一般有：CPU单

45、元、显示单单元、显示单元、电流检测、电压检测单元、输入输出控元、电流检测、电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源制端子、驱动放大电路、开关电源等。等。CPU单元： 采用16位、32位单片机或DSP，变频器专用单片机如：INTEL 87C196MH，速度为几十ns级。矢量控制型采用双CPU。主控制电路板主控制电路板DSP 电机控制专用电机控制专用CPU 软件烧制在软件烧制在DSP板上的板上的DSP中，其核心是中，其核心是根据电压及负载电流，来控制根据电压及负载电流，来控制6个逆变个逆变IGBT的的导通与关断，从而控制电机的运转。导通与关断，从而控制电机的运转。交流电动机调速系统交

46、流电动机调速系统电流检测单元：对于电流检测单元：对于变频器加速、减速、运行中过流、变频过载及电机过载的检测。 显示单元：显示单元：其功能为人机界面、参数设定、状态/故障显示、远距离操作等。 驱动电路驱动电路：CPU产生的PWM波经专用驱动芯片、驱动放大电路后给IGBT。驱动电路板驱动电路板交流电动机调速系统交流电动机调速系统类别类别作用作用主要构成器件主要构成器件主电路整流部分将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分将直流转换为频率、电压均可变的交流电，输出无相序要求IGBT制动部分消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT 和制动电阻,大功率制动单元外置上电缓冲降低

47、上电冲击电流，上电结束后开关自动闭合，而后变频器允许运行限流电阻和开关储能部分保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态MCU(单片机）控制电路交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护DSP(或两个MCU）变频器的构成变频器的构成交流电动机调速系统交流电动机调速系统类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种变频器的构成变频器的构成交流电动机调速系统交流电动机调速系统3.3.外部端子外

48、部端子主回路接口主回路接口 工频电网输入380V 3PH/220V 3PH220V 1PHM3制动电阻直流电抗器三相交流电机 R S T P 1 (+ ) P B (-) U V W P E P O W E R S U P P LY M O T O R P/+ PR交流电动机调速系统交流电动机调速系统主电路接口主电路接口3.3.外部端子外部端子控制电路端子控制电路端子控制电路输入端子控制电路输入端子开关量输入开关量输入模拟量输入模拟量输入编码器接口编码器接口控制电路输出端子控制电路输出端子开关量输出开关量输出模拟量输出模拟量输出通信接口通信接口外接控制端子外接控制端子主要主要用于远距离、多功用

49、于远距离、多功能控制能控制通信接口通信接口主要用于主要用于多电动机、系统控制多电动机、系统控制交流电动机调速系统交流电动机调速系统通信接口通信接口 变频器通常采用标准装备变频器通常采用标准装备RS485接口，配上选择通信接口，配上选择通信卡可以对应世界各地的变频器进行通信。卡可以对应世界各地的变频器进行通信。现现 场场 总总 线线OBUS（标准装备标准装备）DeviceNetProfibus-DPCC-LinkCANopenLonWorks 通信选用卡通信选用卡InterBus-SRS485板板交流电动机调速系统交流电动机调速系统通信接口通信接口通信接口通信接口人机界面人机界面通信接口通信接口

50、使用场合：使用场合： 各类中大型生产线或系统各类中大型生产线或系统特特 点：点：l 所有控制均通过通信电缆所有控制均通过通信电缆l 线路相对简单，自动化水线路相对简单，自动化水平高，信息交换量大平高，信息交换量大l 实时性好，抗扰能力强实时性好，抗扰能力强, ,为为防止网络故障，特设独立急防止网络故障，特设独立急停功能停功能l 投入大，调试维护困难投入大，调试维护困难交流电动机调速系统交流电动机调速系统通信扩展通信扩展卡插槽卡插槽变频器变频器控制板控制板通信接口通信接口交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.3.2 6.3.2 分类分类1.1.按变换环节分类按变换环节分类 按变换环节来分可以分

51、为按变换环节来分可以分为交交-交直接变频器交直接变频器和和交交-直直-交交间间接变频器。接变频器。优点：没有中间环节，变换效率高。优点：没有中间环节，变换效率高。缺点：总设备投资大，交缺点：总设备投资大，交-交变频器的最大输出频率为交变频器的最大输出频率为30HZ，其应用受到限制。其应用受到限制。改变正反组切换频率改变正反组切换频率可以调节输出交流电可以调节输出交流电的频率，而改变的频率，而改变的的大小即可调节矩形波大小即可调节矩形波的幅值的幅值交流电动机调速系统交流电动机调速系统整流整流逆变逆变直流电压直流电压电源电压电源电压输出电压输出电压 变频器的电压波形变化变频器的电压波形变化输出电压

52、的平均值是正弦波正弦波（正弦波（脉宽调制脉宽调制） ）控制控制方式方式整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流直流直流交流交交- -直直- -交变频器：交变频器： 目前三菱变频器目前三菱变频器大都为交大都为交-直直-交交变频器。变频器。交流电动机调速系统交流电动机调速系统交交- -直直- -交变频器主要有交变频器主要有3 3种结构形式种结构形式 调压和调频分别在两个环节调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调，上，由控制电路进行协调，但电网侧的功率因数低，输但电网侧的功率因数低，输出谐波大。出谐波大。整流环节采用不可控整流环节采用不可控整流，增设斩波器进行整流，增设斩波器进行调压，再用逆变

53、器变频调压，再用逆变器变频，克服了功率因数低的，克服了功率因数低的缺点，输出谐波仍大。缺点，输出谐波仍大。调压和调频都在逆变器上调压和调频都在逆变器上进行，输出电压是一系列进行，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值，是最以调节输出电压值，是最好的一种调压调频方法。好的一种调压调频方法。交流电动机调速系统交流电动机调速系统2 2按直流电路的滤波方式分类按直流电路的滤波方式分类 交交- -直直- -交变频器中间直流环节的交变频器中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感储能元件可以是电容或是电感，据此，据此，变频器分成变频器分成电压型变频器电压型变频器和和电流

54、型变频器电流型变频器两大类。两大类。 输出交流电压是输出交流电压是矩形波或阶梯矩形波或阶梯波波，电流波形接近于正弦波，电流波形接近于正弦波 中间环节是大电容器滤波，中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压使直流侧电压UD D恒定，变恒定，变频器的输出电压随之恒定，频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称相当于理想的电压源，称为交为交- -直直- -交电压型变频器。交电压型变频器。电压型变频器电压型变频器现在变频器大多都属现在变频器大多都属于电压型于电压型交流电动机调速系统交流电动机调速系统电流型变频器电流型变频器 输出交流电流是输出交流电流是矩形波或阶梯矩形波或阶梯波波，电压波形接近于正弦波

55、，电压波形接近于正弦波 中间环节是电感很大的电抗器中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流节中的电流ID可近似于恒定，可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交当于理想的电流源，称为交直交直交电流型电流型变频器。变频器。 交流电动机调速系统交流电动机调速系统3 3按输出电压的调制方式分类按输出电压的调制方式分类 按输出电压的调制方式分为脉幅调制（脉幅调制（PAM）方式和脉宽调制（脉宽调制（PWM）方式。 （1 1）脉幅调制）脉幅调制可控整流器调压，逆变器调频，可控整流器调压，逆变器调频，调压和调频分

56、别在两个不同的调压和调频分别在两个不同的环节上进行，控制复杂，较少环节上进行，控制复杂，较少采用。采用。交流电动机调速系统交流电动机调速系统（2 2）脉宽调节）脉宽调节 脉宽调节脉宽调节（Pulse Width Modulation，PWM）方式指变）方式指变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比占空比来实现的。来实现的。调节过程中，逆变器负责调频调压。调节过程中，逆变器负责调频调压。 交流电动机调速系统交流电动机调速系统SPWM调制载波PWM（Pulse Width Moduration）调制）调制lPWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断利用

57、半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、电压可变、频率可变的频率可变的电压脉冲列。lSPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦l载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同lGTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题（2 2）脉宽调节）脉宽调节 交流电动机调速系统交流电动机调速系统4 4按变频控制方式分类按变频控制方式分类 根据变频控制方式的不同，变频器大致可以分根据变频控制方式的不同，变频器大致可以分4类

58、：类：U/f控制变频器控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器。和直接转矩控制变频器。 5 5按用途分类按用途分类 分为通用变频器和专用变频器。分为通用变频器和专用变频器。此外，变频器按电压等级可分此外，变频器按电压等级可分低压变频器和高压变频器低压变频器和高压变频器，低压变频器分为单相低压变频器分为单相220V、三相、三相380V、三相、三相660V、三相、三相1 140V。高压（国际上称作中压）变频器分为。高压（国际上称作中压）变频器分为3kV、6kV和和l0kV 3种。如果采用公共直流母线逆变器，则要选择直种。如果采用公共直流母

59、线逆变器，则要选择直流电压，其等级有流电压，其等级有24V、48V、110V、200V、500V、1 000V等。等。 交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.3.3 控控 制制 方方 式式 1 1. .U/f控制方式控制方式 U/f控制方式是指在变频调速过程中为了保持主磁通的恒控制方式是指在变频调速过程中为了保持主磁通的恒定，而使定，而使U/f= =常数常数的控制方式，这是变频器的基本控制方式。的控制方式，这是变频器的基本控制方式。 特点：结构简单，成本低，特点：结构简单，成本低，机械特性硬度好机械特性硬度好，可满足一，可满足一般传动平滑调速的需要；缺点是低频运行时，电动机容易出般传动平滑调

60、速的需要；缺点是低频运行时，电动机容易出现现输出转矩不足，必须进行转矩补偿输出转矩不足，必须进行转矩补偿；开环运行时，控制性；开环运行时，控制性能相对差些。能相对差些。 应用场合：多用于通用变频器，进行风机、泵类、生产线应用场合：多用于通用变频器，进行风机、泵类、生产线的工作台传动、空调等的控制。的工作台传动、空调等的控制。交流电动机调速系统交流电动机调速系统2、转差频率控制方式、转差频率控制方式 （1）U/f控制方式控制方式可满足普通系统的控制要求，其转速控制精可满足普通系统的控制要求，其转速控制精度及系统的响应性较差。度及系统的响应性较差。（2） 转差频率控制变频器是利用转差频率控制变频器