第1章 变频器的认识

变频技术及应用

杨浩东

专业选修课32学时（其中：讲课学时：24实验学时：8）章节讲课实验上机第一章变频技术概论2

第二章工业变频器的基本结构4

第三章变频器的控制方式6

第四章通用变频器的应用44

第五章变频控制系统的实现4

第六章工业变频器的应用实例44

总计248

第一章变频器的认识变频器的概念

变频器是将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的装置。

1.1变频器概述

1.1.1变频器的发展

1.电力电子器件是变频器发展的基础变频器问世于20世纪80年代，初期的变频器主电路由晶闸管等分立电子元件组成，可靠性差、频率低，而且输出的电压和电流的波形是方波。随着GTR和GTO的出现并成为逆变器的功率器件时，脉宽调制（PWM）技术也进入到应用阶段，这时的逆变电路能够得到相当接近正弦波的输出电压和电流，同时8位微处理器成为变频器的控制核心，按压频比（V/f）控制原理实现异步电动机的变频调速，在工作性能上有了很大提高。近年来人们陆续研制出绝缘栅双极晶体管IGBT和集成门极换流晶闸管IGCT，以及性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断扩大和提高。

2变频器的发展得益于计算机技术和自动控制理论的支持

计算机制造技术突飞猛进地发展，使变频器的中央处理单元从采用8位微处理器迅速升级为16位乃至32位微处理器，有的还使用了DSP系统，使变频器的功能从单一的变频调速发展为包含算术、逻辑运算及智能控制的综合功能。自动控制理论的发展使变频器在改善压频比控制性能的同时，推出了能实现矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等多种模式。现代的变频器已经内置有参数辨识系统、PID调节器、PLC控制器和通讯单元等，根据需要可实现拖动不同负载、宽调速和伺服控制等多种应用。

3市场需求是变频器发展的动力

变频器的问世为交流电机的调速提供了契机，不仅要取代结构复杂、价格昂贵的直流电机调速，而且能节省大量的能源。据调查统计，全国各类电动机耗电量约占全国发电量的70%。其中80%为异步电动机，大多数电动机长时间处于轻载运行状态，特别是风机、泵类负载的电动机。若在此类负载上使用变频调速装置，将可节电30%左右。目前，变频器作为商品在国内的销售额呈逐年增加趋势，销售前景十分看好，据有关资料报道，在过去几年内中国变频器市场保持着12%～15%的增长率，这一速度远远超过了近几年GDP的增长速度，变频器全面推广应用的时代已经不远了。

4变频器的发展趋势今天，电力电子的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）进入到高电压大容量化、高频化、组件模块化、微小型化、智能化和低成本化，多种适宜变频调速的新型电机正在开发研制之中，IT技术的迅猛发展，以及控制理论的不断创新，这些与变频器相关的技术将影响其发展的趋势。变频器技术的发展趋势是朝着网络智能化、专门化、一体化、操作简便、功能健全、安全可靠、环保低噪、低成本和小型化的方向发展。

1.1.2变频器的分类1按变频的原理分类

（1）交-交变频器交-交变频器只有一个变换环节，即把恒压恒频（CVCF）的交流电源转换为变压变频（VVVF）电源，称为直接变频器，或称为交-交变频器。（2）交-直-交变频器交-直-交变频器又称为间接变频器，它是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经逆变器将直流电变成频率和电压可调的交流电。图1-1所示为交-直-交变频器的原理框图。

图1-1交-直-交变频器的原理框图

1）交-直-交变频器根据直流环节的储能方式，又分为电压型和电流型两种，如图1-2所示。a)电压型变频器b)电流型变频器图1-2电压型和电流型变频器的主电路结构2）根据调压方式的不同，交-直-交变频器又分为脉幅调制和脉宽调制两种。①脉幅调制（PAM）改变电压源的电压或电流源的电流的幅值进行输出控制的方式。

图1-3

PAM方式调压②脉宽调制（PWM）

变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。目前使用最多的是占空比按正弦规律变化的正弦波脉宽调制，即SPWM方式。

a)调制原理b)输出电压波形图1-4用PWM方式调压输出的波形

2按控制方式分类（1）V/f控制变频器（2）转差频率控制变频器（3）矢量控制变频器（4）直接转矩控制

3按用途分类

1）

通用变频器简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而简化了一些系统功能的通用变频器。它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统调速性能要求不高的场合，并具有体积小、价格低等方面的优势。

高性能通用变频器在设计过程中充分考虑了在变频器应用中可能出现的各种需要，并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备。

2）专用变频器高性能专用变频器高频变频器高压变频器

1.1.3变频器的应用

1.1.1变频器在节能方面的应用

风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可以达到20%～60%1.1.2变频器在自动化系统中的应用化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制等。1.1.3变频器在提高工艺水平和产品质量方面的应用

物料传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域，它可以提高工艺水平和产品质量，减少设备的冲击和噪声，延长设备的使用寿命。

120个变频器行业应用，你知道几个？纺织行业1纺纱、抽纱机变频改造2塑料编制机变频改造3整形机变频调速4针织机变频改造5脱水桶离心脱水机、高温溢流缸水泵变频改造6精纺机主传动变频调速系统7平牵机电气控制系统8印染厂曝气机变频改造9拉幅定型机控制系统变频改造10高温染色机变频控制系统11印花机同步变频控制系统12漂染联合机控制系统变频改造13卷染机变频改造钢铁行业14炼铁高炉卷扬机变频改造15高炉除尘风机、高炉一、二次鼓风机、燃气鼓风机、高温油竖表上萝茨风机、钢炉变频改造16排风机、焙烧净化风机等变频调速17热轧机（热连热轧机单元辊道电机）变频调速18冷连轧机单元辊道电机变频调速系统19高炉槽下给料系统变频改造20排粉机变频改造21振筛机变频改造22拉丝机、卷绕机变频改造23混料机、烘干机变频改造24泥浆泵、冲渣泵、软水供水变频调速25矫直机变频改造26锯床变频改造27制管机变频改造28铁水包变频改造石油行业29注塞泵变频调速系统30磕头抽油机变频控制系统31输油泵变频控制系统32输气管道系统风机、压缩机变频控制系统33各类供水系统，污水处理系统变频改造化工塑胶行业34挤出机变频调速系统35注塑机变频调速系统36鞋机（圆盘机）变频调速系统37密炼机变频调速系统38造粒机变频调速系统39真空捏合机（搅拌机）变频改造40烘干机变频调速系统41吹膜机变频调速系统42塑料破碎机、磨粉机变频调速系统43化纤厂短纤维牵伸设备变频系统44化纤高速丝机变频调速系统45炼油厂原料油泵、焦化装置用泵变频调速系统机械制造行业46数控车床主轴47立式车床主轴48平面磨床主轴49镗床主轴传动50锯床电机51剪板机52卷板机53清砂机54行车电机55空压机、鼓风机、皮带输送机、搅拌机56压铸机、液压机床

压铸机、液压机床粮食机械行业57风干机变频改造58皮带秤配料电机变频改造59传输机械电机变频改造供热行业60锅炉站：引风机、鼓风机控制炉膛压力变频改造61锅炉水箱高、低液位恒压控制变频改造62排粉风机，送煤皮带运输机，碎煤机变频改造63热力发电站：鼓风机、引风机、冷渣机变频改造64换热站：循环水泵变频改造65空调供热：空调冷却塔风机节能控制，空调冷却泵和冷冻泵节能控制线缆行业66铜大拉补水泵、冷却泵、硅烷挤出机组紫外光冷却泵、塑料挤出机冷却泵、高压交联挤出机循环泵等变频改造67紫外线鼓风机变频改造68大复绕线机变频改造69造粒机变频改造70搅拌机变频改造提升行业71矿井提升机变频改造72矿井机车变频改造73港口提升机变频改造74建筑工地升降机变频改造75建筑工地打桩机变频改造76大型行车电机变频改造77塔式吊车升降变频改造78钢厂、电厂卷扬机变频改造电厂79锅炉鼓风机、引风机变频改造80锅炉给水泵、循环水泵、低加疏水泵、凝结水泵、冷却塔给水泵、灰浆泵变频改造81给煤机变频改造82排粉风机变频改造煤矿行业83分析机变频改造84转炉渣罐车电机节能改造85给料电机节能改造86铁水罐走形电机节能改造87转炉前挡火门电机变频调速88洗煤水泵变频改造89井下抽风、送风系统变频改造90牵引机变频改造建材行业91水泥厂立窑罗茨风机、高压离心风机、选粉风机变频改造92水泥料、送料系统变频改造93水泥厂成球供水系统变频改造94水泥管桩机变频调速95水泥砖厂砖机变频调速96陶瓷工业球磨机变频调速97陶瓷雾化风机变频调速98压瓦机变频调速99雕刻机变频调速120个变频器行业应用，你知道几个？其他行业100汽车年检变频改造101碎石厂、铁矿、球磨机变频改造102贴片机回流焊风机节能改造103工业洗衣机变频节能改造104工业洗衣机烘干机变频节能改造105木材厂木材破碎机变频节能改造106宾馆、洗浴中心、恒压供水变频节能改造107小区居民楼恒压供水变频节能改造108高档会所、小区广场等场合喷泉泵变频改造109糖厂甘蔗榨糖机变频节能改造110糖厂锅炉变频节能改造111制糖分离机变频节能改造112造纸厂同步电机变频改造113中央空调冷却水泵、送风机变频改造114污水处理厂泥浆泵、空压机、曝气机变频改造115一般泵站供水变频改造116深井泵恒压变频调速117农田灌溉系统变频改造118渔塘供氧水泵变频改造119制氧厂空气分离机变频改造120高速公路振动泵、搅拌机变频改造120个变频器行业应用，你知道几个？

1.2异步电动机变频调速原理

1.2.1异步电动机变频调速机理由电机学可知，三相交流电动机的同步转速（即定子旋转磁场转速）n0可表示为

(1-1)式中，f1

为定子供电的频率；p为电动机的磁极对数。

根据异步电动机的工作原理，异步电动机要产生转矩，同步转速n0与转子转速n必须有差别。这个转速差（n0－n）与同步转速n0的比值s称为转差率.

(1-2)异步电动机的转速n的表达式为

(1-3)

异步电动机在额定状态运行时，转子转速n通常与n0相差不大，因此额定转差率sN一般都比较小，其范围在0.01～0.05之间。

如果将电源频率调节为fx，则同步转速n0x也随之调节成

(1-4)

异步电动机变频后的转速nx的表达式

(1-5)由此式可见，调节电源频率fx，可使异步电动机的转速nx得到大范围的调节。这就是异步电动机变频调速的理论依据。

1.2.2三相异步电动机的机械特性当加在电动机上的电压U1为额定电压时，电动机的电磁转矩T与转子转速n之间的关系，称为电动机的机械特性，即

n=f(T)三相异步电动机的机械特性曲线如图1-5所示。

图1-5三相异步电动机的机械特性曲线

1.2.3三相异步电动机的变频起动

在变频调速系统中，变频器用降低频率f1从而也降低了电压U1的方法来起动电动机。

图1-6低频起动时电动机的机械特性曲线。

电动机以很低的频率起动，随着频率的上升，转速上升，直至达到电动机的工作频率后，电动机稳速运行。在此过程中，转速差Δn被限制在一定的范围，起动电流也将被限制在一定的范围内．而且动态转矩ΔT很小，起动过程很平稳。

1.2.4三相异步电动机的变频制动

三相异步电动机的变频制动方式有直流制动和回馈制动。

1.直流制动电动机制动时，切断电动机的三相电源，在定子绕组中通入直流电，产生一恒定磁场，如图1-7a所示。由于转子在机械惯性作用下仍按原方向旋转．它切割恒定磁场产生感应电流．用左手定则可判断感应电流在磁场中的受力方向，从而可判断电磁转矩方向与转子转速方向相反，为制动转矩。

如图1-7b所示，曲线①为原电动运行状态机械特性曲线，曲线②为直流制动运行状态机械特性曲线。

a)直流制动的原理b)直流制动的机械特性曲线图1-7直流制动的原理与机械特性

2．回馈制动当n＞n1时，转子切割旋转磁场的方向和电动运行状态n＜n1正好相反，转子中感应电动势和电流的方向也相反，电磁转矩T也就和n反向，为制动转矩。

图1-8回馈制动的机械特性曲线

1.3变频器的结构与主要技术参数1.3.1变频器的外形变频器的外形可分为挂式、柜式和柜挂式三种.a)挂式b)柜式c)柜挂式图1-9森兰通用变频器的外形

1.3.2变频器的基本原理结构变频器的内部电路相当复杂，图1-10所示为变频器的基本原理结构图。图1-10变频器的基本原理结构框图

控制电路的结构如图1-11所示，它主要由主控板、键盘与显示板、电源板、外接控制电路等构成。

图1-11控制电路的结构

1．主控板主控板是变频器运行的控制中心2．键盘与显示板键盘是向主控板发出各种信号或指令的，显示板是将主控板提供的各种数据进行显示两者总是组合在一起。图1-12通用变频器的键盘配置

图1-13通用变频器的显示屏

3.电源板(1)主控板电源(2)驱动电源(3)外控电源

1.3.3变频器的铭牌

变频器铭牌用于说明变频器的型号和主要技术参数。

图1-14森兰变频器的铭牌

变频器型号说明：

1.3.4主要技术参数1.输入电压主要是指变频器的输入电压的相数、大小和频率，常见的有以下几种：（1）3相380V50/60Hz绝大多数变频器采用这种规格。（2）3相220V50/60Hz主要用于某些进口变频器。（3）单相220V50/60Hz主要用于家用小容量变频器。

2.输出电压UN

由