第8讲变频器原理及应用

变频器原理及应用第8讲1《变频器原理与应用（第2版）》第2章总结变频器的保护功能及预置变频器的频率参数及预置变频调速拖动系统异步电动机变频调速工作原理异步电动机的转速及转差率异步电动机的调速方式变极调速变转差率调速变频率调速变频调速的要求2《变频器原理与应用（第2版）》第2章7.3对不同负载类型变频器的选择

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。这两个转矩与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。3《变频器原理与应用（第2版）》第2章7.3.1恒转矩负载变频器的选择

1.恒转矩负载特性

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，而和转速大小无关的负载。带式输送机和起重机械都是恒转矩负载的典型例子。

a)b)

图7-8恒转矩负载的机械特性和功率特性

a)机械特性b)功率特性4《变频器原理与应用（第2版）》第2章

2.恒转矩负载的基本特点

1)恒转矩由于F和r都和转速的快慢无关，所以在调节转速nL的过程中负载转矩TL保持不变，即具有恒转矩的特点：

TL＝常数

2)负载功率与转速成正比根据负载的机械功率PL和转矩TL、转速nL之间的关系，有：

(7-12)3.恒转矩负载下变频器的选择

1）依据调速范围。

2）依据负载转矩的变动范围。

3）考虑负载对机械特性的要求。5《变频器原理与应用（第2版）》第2章7.3.2恒功率负载变频器的选择

1.恒功率负载是指负载转矩TL的大小与转速n成反比，而其功率基本维持不变的负载。属于这类负载的有：

1）各种卷取机械

2）轧机在轧制小件时用高速轧制，但转矩小；轧制大件时轧制量大需较大转矩，但速度低，故总的轧制功率不变。

3）车床加工零件，在精加工时切削力小，但切削速度高；相反，粗加工时切削力大，切削速度低，故总的切削功率不变。

a）机械特性b)功率特性图7-10恒功率负载的机械特性和功率特性6《变频器原理与应用（第2版）》第2章2.恒功率负载的特点

（1）功率恒定恒功率负载的力F必须保持恒定，且线速度v保持恒定。所以，在不同的转速下，负载的功率基本恒定：

PL=Fv＝常数

（2）负载阻转矩的大小与转速成反比负载阻转矩的大小决定于：

TL=Fr

(7-13)式中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：

(7-14)即，负载转矩的大小与转速成反比。7《变频器原理与应用（第2版）》第2章3.恒功率负载变频器的选择

对恒功率负载，一般可选择通用型的，采用V/f控制方式的变频器。但对于动态性能有较高要求的卷取机械，则必须采用具有矢量控制功能的变频器。8《变频器原理与应用（第2版）》第2章7.3.3二次方律负载变频器的选择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，机械特性和功率特性如图7-12所示。

a)机械特性b)功率特性图7-12二次方律负载的特性9《变频器原理与应用（第2版）》第2章1.二次方律负载的特点

二次方律负载机械在低速时由于流体的流速低，所以负载转矩很小，随着电动机转速的增加，流速增快，负载转矩和功率也越来越大，负载转矩TL和功率PL可用下式表示：

(7-15)(7-16)

式中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10《变频器原理与应用（第2版）》第2章2.二次方律负载变频器的选择可以选用“风机、水泵用变频器”。这是因为：1)风机和水泵一般不容易过载，所以，这类变频器的过载能力较低。为120％，1min(通用变频器为150％，1min)。因此在进行功能预置时必须注意。由于负载转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于额定频率时，负载的转矩有可能大大超过变频器额定转矩，使电动机过载。所以，其最高工作频率不得超过额定频率。2)配置了进行多台控制的切换功能。3)配置了一些其他专用的控制功能，如“睡眠”与“唤醒”功能、PID调节功能。11《变频器原理与应用（第2版）》第2章7.3.4直线律负载变频器的选择

轧钢机和辗压机等都是直线负载。

1.直线律负载及其特性

(1)转矩特点。负载阻转矩TL与转速nL成正比：

(7-17)(2)功率特点。负载的功率PL与转速nL的二次方成正比。（7-18）

式中，和——直线律负载的转矩常数和功率常数。

12《变频器原理与应用（第2版）》第2章a)辗压机示意图b)机械特性c)功率特性图7-13直线律负载及其特性2．变频器的选择

直线律负载的机械特性虽然也有典型意义．但在考虑变频器时的基本要点与二次方律负载相同，故不作为典型负载来讨论。13《变频器原理与应用（第2版）》第2章7.3.5特殊性负载变频器的选择大部分金属切削机床属于混合特殊性负载。

1．混合特殊性负载及其特性

金属切削机床中的低速段，由于工件的最大加工半径和允许的最大切削力相同，故具有恒转矩性质；而在高速段，由于受到机械强度的限制，将保持切削功率不变，属于恒功率性质。a)机械特性b)功率特性14《变频器原理与应用（第2版）》第2章

2．变频器的选择

金属切削机床除了在切削加工毛坯时，负载大小有较大变化外，其他切削加工过程中，负载的变化通常是很小的。就切削精度而言，选择V／f控制方式能够满足要求。但从节能角度看并不理想。矢量变频器在无反馈矢量控制方式下，已经能够在0．5Hz时稳定运行，完全可以满足要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服V／f控制方式的缺点。当机床对加工精度有特殊要求时，才考虑有反馈矢量控制方式。15《变频器原理与应用（第2版）》第2章本章小结

异步电动机的转速n的表达式为：

可见改变f1即可实现电动机的速度调节。由于电动机结构参数及其所带负载的特性对变频器的正常工作有着极大的影响，所以应掌握以下的原理与概念：

1.异步电动机的变频调速工作原理。

2.异步电动机的机械特性。

3.异步电动机的起动和制动方法。

4.异步电动机实现变频调速的要求。

5.负载类型，恒转矩、恒功率及二次方律负载的特点和对应的机械特性。

16《变频器原理与应用（第2版）》第2章第8章

变频器的控制方式8.1U／f控制8.2转差频率控制（SF控制）8.3矢量控制(VC控制)8.4直接转矩控制

17《变频器原理与应用（第2版）》第2章第8章

变频器的控制方式

8.1U／f控制

8.1.1U／f控制原理

在进行电机调速时，通常是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱就等于没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电机。

V／f控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使：

V／f=常数这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。18《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.2转差频率控制（SF控制）

在电动机允许的过载转矩以下，大体可以认为产生的转矩与转差频率成比例。另外，电流随转差频率的增加而单调增加。所以，如果我们给出的转差频率不超过允许过载时的转差频率，那么就可以具有限制电流的功能。

8.2.1转差频率控制原理19《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.2.2转差频率控制的系统构成

速度调节器通常采用PI控制。它的输入为速度设定信号ω2*和检测的电机实际速度ω2之间的误差信号。速度调节器的输出为转差频率设定信号ωs*。变频器的设定频率即电动机的定子电源频率ω1*为转差频率设定值ωs*与实际转子转速ω2的和。当电动机负载运行时，定子频率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。

20《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.3矢量控制(VC控制)

8.3.1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征直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，它们的磁场在空间上互差π/2电角度，两套绕组在电路上是互相独立的。

2．异步电动机的调速特征异步电动机也有定子绕组和转子绕组，但只有定子绕组和外部电源相接，定子电流I1是从电源吸取电流，转子电流I2是通过电磁感应产生的感应电流。因此异步电动机的定子电流应包括两个分量，即励磁分量和负载分量。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电流磁场。21《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.3.2矢量控制中的等效变换

a)三相电流绕组b)两相交流绕组c)旋转的直流绕组图8-9异步电动机的几种等效模型坐标变换的概念2.3相／2相变换(3s／2s)3.2相/2相旋转变换（2s/2r）22《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.3.3变频器矢量控制的基本思想

1．矢量控制的基本理念

图8-12矢量控制的示意图

23《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.3.4使用矢量控制的要求选择矢量控制模式，对变频器和电动机有如下要求：1)一台变频器只能带一台电动机。2)电动机的极数要按说明书的要求，一般以4极电动机为最佳。3)电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。4)变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在30m以内。如果超过30m，需要在连接好电缆后，进行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。24《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.3.5矢量控制系统的优点和应用范围

1.矢量控制系统的优点

1）动态的高速响应

2）低频转矩增大

3）控制灵活

2.矢量控制系统的应用范围

1）要求高速响应的工作机械

2）适应恶劣的工作环境

3）高精度的电力拖动

4）四象限运转

25《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.4直接转矩控制

8.4.1直接转矩控制系统直接转矩控制系统是继矢量控制之后发展起来的另一种高性能的交流变频调速系统。直接转矩控制把转矩直接作为控制量来控制。直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。26《变频器原理与应用（第2版）》第2章

图8-13所示为按定子磁场控制的直接转矩控制系统的原理框图，采用在转速环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变化对转子系统的影响，因此，转速与磁链子系统也是近似独立的。

图8-13直接转矩控制系统原理框图27《变频器原理与应用（第2版）》第2章8.4.2直接转矩控制的优势

转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电动机参数变化鲁棒性好；所引入的定子磁链观测器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制也称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制要依赖于精确的电动机数学模型和对电动机参数的自动识别(ID)。28《变频器原理与应用（第2版）》第2章本章小结