变频调速系统

变频调速系统第一页，共三十二页，2022年，8月28日1)变频调速技术概述

图1实训用异步电动机第二页，共三十二页，2022年，8月28日2)变频器的功能

变频器的功能是将频率固定（通常工频为50HZ）的交流电（三相或单相）变换成为频率连续可调节的三相交流电.图2,实训用VF-7F小巧型变频器第三页，共三十二页，2022年，8月28日3)变频调速的工作原理异步电动机同步旋转磁场速度的公式为n0=60f/p其中f为定子供电电流频率，P为电机定子极对数，当定子供电电流频率f连续可调时，电动机的同步转速也连续可调，因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低，所以转子速度也就连续可调，从而改变定子电流的频率即可实现电动机的变频调速。图3变频调速原理说明第四页，共三十二页，2022年，8月28日异步电动机的工作原理：

定子对称三相绕组通入三相交流电后，在定子绕组内部产生对称三相电流，并在空间产生旋转磁场，该旋转磁场以同步转速沿定子内圆周方向旋转。在转子绕组内也感应出三相电流。根据安培电磁力定律，转子感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，带动电动机的转子跟随同步旋转磁场一同旋转。但转子的旋转速度（即电动机的转速）要比旋转磁场速度（同步转速）要小。因为如果转子的速度与旋转磁场速度相同，转子与旋转磁场便没相对运动，转子导体便不能切割磁通，从而就不能感应出转子电势和转子电流，没有转子电流也就不会有电磁转矩，这样，转子就会慢下来，转子一慢，由于同步转速是固定的，转子与同步转速又有了差别，转子又会感应出电流，就又会产生电磁转矩，转子又会快起来，因此转子速度总是略小与同步转速，与旋转磁场同步转速之差是保证转子旋转的主要条件。由于转子的速度不等于同步转速，所以这种电动机我们称为异步电动机。第五页，共三十二页，2022年，8月28日3)变频调速的工作原理异步电动机同步旋转磁场速度的公式为n0=60f/p其中f为定子供电电流频率，P为电机定子极对数，当定子供电电流频率f连续可调时，电动机的同步转速也连续可调，因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低，所以转子速度也就连续可调，从而改变定子电流的频率即可实现电动机的变频调速。图3变频调速原理说明第六页，共三十二页，2022年，8月28日4)变频器的控制方式基频的概念:

基频也叫基本频率，在一般情况下，以电动机的额定频率作为基频的给定值。变频器控制方式介绍:

变频器运行时，变频器的控制方式是一般分为两种，即当电动机频率小于基频时，一般采用V/F控制方式，当频率高于时，则采用恒压弱磁通控制方式.第七页，共三十二页，2022年，8月28日基频以下V/F控制方式原因:我们在对异步电动机进行调速控制时，总是希望异步电动机的主磁通保持额定值不变，因为主磁通太弱，电动机的铁芯利用不充分，同样的转子电流情况下，电磁转矩小，电动机带负载能力下降。因为电动机的电磁转矩是由转子电流与主磁场相互作用的结果。；当主磁通太强，则电动机处于过励状态，励磁电流将过大，电动机将发热，烧坏，所以异步电动机的主磁通应在调速时保持一个恰当的值。第八页，共三十二页，2022年，8月28日由电机学的原理我们知道，异步电动机定子绕组的电动势是定子绕组切割磁力线的结果，本质上是感应电势，定子每相电势为：其中为E1定子每相感应电势,f1为定子频率,N1为定子匝数,K为绕组系数,为每极磁通.为了保持异步电动机磁通恒定，根据公式即需保持E1/f1=常数.由于定子每相感应电势不便于测量与控制，从图3可知：三相异步电动机定子每相电压如果我们保持U1/f1=常数，即可保持磁通近似常数。图4异步电动机原理图第九页，共三十二页，2022年，8月28日V/F控制V/F控制:

电动机的定子电压与频率之比为常数,目的是保持电动机内主磁通不变.

可以证明,变频器在运行时，保持V/F=常数，这时电动机的转矩近似为常数.所以V/F控制近似为恒转矩控制。第十页，共三十二页，2022年，8月28日基频以上，恒压弱磁当频率向上调，超过基频时,如果还保持V/f1=常数控制方式,则电压会随着频率的增高而超过电机所允许的额定值.这是不允许的。因此，当频率向上调超过基频时此时,我们只能保持定子电压不变,要使不变,由公式可知,频率f1增加,必须减小。这就是变频器频率超过基频时，变频器要恒压弱磁的原因。第十一页，共三十二页，2022年，8月28日可以证明此过程,电动机的输出功率保持不变,因此,变频器恒压弱磁调速，近似对电动机进行恒功率控制。第十二页，共三十二页，2022年，8月28日变频器输出频率与电动机定子电压关系曲线图采用以上两种控制方式,则变频器输出频率与电动机定子电压关系曲线为:图5输出频率与定子电压关系曲线图第十三页，共三十二页，2022年，8月28日5)变频调速特点三相异步电动机变频调速有以下特点:从基频向下调速,采用V/F控制方式，近似为恒转矩调速方式；从基频向上调速,为弱磁控制方式，近似为恒功率调速方式调速范围大变频调速时,电机的机械特性斜率（即硬度不变）,转速稳定性好频率可连续调节,可实现无极调速.可以实现节能运行。第十四页，共三十二页，2022年，8月28日变频调速过程示意图第十五页，共三十二页，2022年，8月28日6)变频器与异步电动机的连接图6变频器与异步电动机的连接原理图第十六页，共三十二页，2022年，8月28日6)变频器与异步电动机的连接图7变频器与异步电动机的连接实物图第十七页，共三十二页，2022年，8月28日7)变频器的基本结构

我们这里主要介绍目前主流产品交-直-交变频器的基本结构。交-直-交变频器的电路框图如图7所示。主要包括主电路和控制电路两部分，其中主电路包括：整流电路与逆变电路两部分，整流电路的作用是将三相交流电整成直流电，而逆变电路的目的是将整流后的直流电逆变为频率可调的交流电。图8变频器的基本结构第十八页，共三十二页，2022年，8月28日7.1)变频器主电路图9.变频器主电路原理图主电路:包括整流电路、逆变电路、能耗电路等。下面一一介绍。第十九页，共三十二页，2022年，8月28日1）整流电路其作用是将电源的三相交流电整流成直流电。（1）输出电压如三相交流电的线电压为，则全波整流后的平均直流电压为：UD=1.35UL。线电压为380V，则UD=1.35*380=513V。(2）滤波电容C其功能为：滤平全波整流后的电压纹波。负载变化时，使直流电压保持平稳。因受到容量和耐压限制，通常采用电容串联。由于电解电容容量有较大的离散性，CF1和CF2电容量不容易相等，为了使两者的电压相同，在它们两旁并联一个阻值相等的均压电阻。第二十页，共三十二页，2022年，8月28日3）限流电阻RL与开关SL当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容CF的充电电流是很大的，过大的充电电流可能会使三相整流桥的二极管损坏，同时使电源电压瞬间下降而受到污染。R的作用是将充电电流限制在允许范围内。开关SL的作用是当CF充电到一定程度时，SL接通，将RL短路。4）电源指示HLHL除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，既在变频器切断电源后，表示滤波电容CF的电荷是否放完。由于CF容量较大，切断电源又必须在逆变电路停止下进行，所以CF没有快速放电电路，其放电时间长，达数分钟，如不放完，会对人身构成威胁，故维修时，必须等HL熄灭后，才可以接触变频器内部导电的部分。第二十一页，共三十二页，2022年，8月28日5）能耗电路电动机在工作频率下降的过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能，要反馈到直流电路中，使直流电压Ud不断上升，甚至达到危险的地步，因此必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使Ud保持在允许的范围内，能耗电阻Rb就是用来消耗这部分能量的。第二十二页，共三十二页，2022年，8月28日当频率降低时，再生制动的原因：

变频调速时，由于频率的降低，机械特性曲线由1变为2。但由由于惯性的作用，系统的转速来不及变化，因而工作点由A点变为B点，于是得到了反方向的电磁转矩，因而产生了再生制动现象。图10,频率降低,再生制动发生原因第二十三页，共三十二页，2022年，8月28日6)逆变电路其作用是将整流所得到的直流电，逆变成交流电，是变频器的核心部分。按照一定的规律来控制主电路6个开关管的导通与截止，就可以把直流电逆变成交流电。下面我们以单相逆变电路为例，对逆变电路进行简单介绍。逆变过程是，我们对成对的两个桥臂同时导通，在一个周期，两对桥臂交替各导通180度。1)在前半周期，控制信号使V1，V4导通，而V2，V4截止，输出电压Um=Ud2)在后半周期，控制信号令V1、V4截止，而V2、V4导通，输出电压Um=-Ud这样，我们就可把直流电Ud逆变成交流电了，如图9。图11,单相逆变电路原理图第二十四页，共三十二页，2022年，8月28日8)变频器的分类按变换环节分交-交变频器即把频率固定的交流电源直接变成频率连续可调节的交流电源。优点：没有中间环节，变换效率高缺点：连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下主要应用于容量较大的低速拖动系统中。交-直-交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变为频率可调的三相交流电。优点：直流电逆变为交流电的环节易控制，因此在频率调节范围上、改善变频后电机的特性等方面都有明显优势，是目前变频器主流产品。第二十五页，共三十二页，2022年，8月28日按电压调制方式分PAM调制（调幅调制）定义：变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量的变频器中，目前应用很少。PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前常用的是通过采用使占空比按正弦规律调节的正弦波脉宽调制。（SPWM）第二十六页，共三十二页，2022年，8月28日按直流环节储能方式分电流型变频器直流环节是储能元件是电感线圈，优点是电动机发生再生发电时，回馈到直流侧的电能可方便地回到交流电网，不需要在主电路内附加任何设备.图12电流型变频器原理图第二十七页，共三十二页，2022年，8月28日电压型变频器它的直流环节储能元件是电容器优点：对负载而言，变频器相当于一个交流电源，在不超过容量限度的前提下，可驱动多台电动机并联运行。缺点：是电动机发生再生发电时，回馈到直流侧的电难于方便地回到交流电网图13电压型变频器原理图

第二十八页，共三十二页，2022年，8月28日按用途分

a)专用变频器专用变频器是专门针对某一种特定的控制对象而设计出来的，如轧钢机用变频器、空调用变频器、电梯用变频器等。这类变频器特点是在某一方面的性能比较优良。b)通用变频器通用变频器通用性强，价格便宜，使用范围最广。可应用在标准异步电动机的传动、工业生产与民用各个领域。通用变频器也在向低成本的简易型和高性能多功能方面发展.注：我们下面准备实训所用的变频器如根据上面分类的话，应是通用型、电压型、交-直-交、SPWM变频器。第二十九页，共三十二页，2022年，8月28日9)变频器的额定值

输入侧的额定值主要是指的是变频器输入线电压和相数。绝大部分为3相，380V进口也有220V，3相家用小容量220，单相第三十页，共三十二页，2022年，8月28日输出侧的额定值

输出电压