電氣調(diào)速概述

1、電氣調(diào)速概述 1、調(diào)速系統(tǒng)及其性能指標(biāo) （1）開(kāi)環(huán)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)速即速度調(diào)節(jié)，是指在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的不同轉(zhuǎn)速要求。調(diào)速是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或電源電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變它與負(fù)載機(jī)械特性的交點(diǎn)，使得電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速改變。從調(diào)速控制原理上可將調(diào)速系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示用速是通過(guò)改變給定信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制環(huán)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)環(huán)控制由于不能克服外界擾動(dòng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)速變化，故不能進(jìn)行精確的速度控制。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。由于增加了速度等反饋環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)能很快消除各種干擾，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不防外界擾動(dòng)的變化而變化，始終能精確地保

2、持在給定的數(shù)值上。 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速按電源種類可分為直流調(diào)速和交流們速兩大類，下面分別進(jìn)行介紹。（2）調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)，可衡量調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)劣。常用的性能指標(biāo)有如下幾項(xiàng)： l）調(diào)速范圍（D） 工作機(jī)械要求的調(diào)速范圍，以字母D表示。它等于在額定負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin。之比，即 2）調(diào)速的平滑性（） 調(diào)速的平滑性亦稱公比。它是用某一個(gè)轉(zhuǎn)速ni與能夠調(diào)到的最鄰近的轉(zhuǎn)速ni-l之比來(lái)評(píng)價(jià)的，以字母表示。即 無(wú)級(jí)調(diào)速的平滑性1，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速。 3）靜差度（S） 靜差度即速度的穩(wěn)定度。是衡量轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變動(dòng)程度的靜態(tài)指標(biāo)。它表示電動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，

3、機(jī)械負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落ne，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0之比，即 式中ne-額定負(fù)載下的實(shí)際轉(zhuǎn)速。 對(duì)一個(gè)系統(tǒng)靜差度的要求，就是對(duì)最低轉(zhuǎn)速靜差度的要求，靜差度S與調(diào)速范圍D兩項(xiàng)指標(biāo)是相互制約的。對(duì)S與D必須同時(shí)提出才有意義。 4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一般是根據(jù)設(shè)備費(fèi)用、能源損耗、運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用多少來(lái)綜合評(píng)價(jià)的。 7.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制 （1）直流電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速方式 從電工學(xué)可知，他激直流電動(dòng)機(jī)有以下方程： Ud=Ed+IdRd Ed=Cen T=CtId式中Ud-電動(dòng)機(jī)的電樞電壓； Ed-電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)； T-電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； Ce-電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)常數(shù)；

4、Ct-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)； -電動(dòng)機(jī)的主磁極的磁通； Id-電樞電流； Rd-電樞繞組電阻。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式也就是它的調(diào)速公式，即由上式可知，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由 Ud，Rd，所決定，因此，直流電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速方式有兩種：調(diào)Ud和。 調(diào)壓調(diào)速；改變電樞電壓Ud進(jìn)行調(diào)速的方式，其特性為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 調(diào)磁調(diào)速：改變勵(lì)磁磁通進(jìn)行調(diào)速的調(diào)速方式，其特性為恒功率調(diào)速。 與調(diào)壓調(diào)速相比用磁調(diào)速除調(diào)速范圍不寬外，二者均具有調(diào)速平滑性好、穩(wěn)定性好、能耗低和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，由于調(diào)壓調(diào)速范圍寬，調(diào)節(jié)細(xì)，因而獲得了更為廣泛的應(yīng)用。 （2）直流調(diào)速系統(tǒng)的種類 直流調(diào)速系統(tǒng)通常有以下幾類： 直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)

5、（G-M）系統(tǒng)：它利用改變控制信號(hào)的方法來(lái)改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓，此電壓加到電動(dòng)機(jī)上，可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制信號(hào)而變化。 交磁放大機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)（SKK-M）系統(tǒng)；交磁放大機(jī)是一種高放大倍數(shù)、高性能特殊結(jié)構(gòu)的直流發(fā)電機(jī)，由它控制直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，能使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨交磁放大機(jī)的輸入信號(hào)而變化。 晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)（SCR-M）系統(tǒng)：它根據(jù)控制信號(hào)來(lái)改變晶閘管的導(dǎo)通角，輸出不同的整流電壓，供給直流電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制導(dǎo)通角的信號(hào)而變化。 脈定調(diào)制-直流電動(dòng)機(jī)（PWM）系統(tǒng)：該系統(tǒng)用一定頻率的三角波或鋸齒波，把模擬控制電壓切割成與三角波同頻率的矩形波?？刂齐妷旱姆蹬c矩形波的占空比成比例。

6、利用此矩形波去觸發(fā)大功率三極管的基極，由于三極管的集電極、發(fā)射極與電機(jī)繞組串聯(lián)，因而電機(jī)電流受到控制并與控制信號(hào)成線性關(guān)系。該調(diào)速系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，效率高。 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。但直流電動(dòng)機(jī)依靠整流子和碳刷來(lái)進(jìn)行整流，而對(duì)這些機(jī)械式整流裝置必須經(jīng)常維護(hù)，因而要求的環(huán)境條件苛刻，容量有限，成本高，體積大。 7.l.3交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制 （1）交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)方便。因此，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直努力研究交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題。 由電機(jī)學(xué)可知，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為 式中n1-同步轉(zhuǎn)速(r/mi

7、n)； f1-定子頻率（即電源頻率Hz）； P-磁極對(duì)數(shù)。 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： 式中s-轉(zhuǎn)差率。從上式可知，要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)從改變P，s，f1三個(gè)分量入手，因此，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式相應(yīng)可分為3種，即變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。 （2）交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式 1）變極調(diào)速 對(duì)鼠籠式異步電機(jī)可通過(guò)改變電機(jī)繞組的接線方式，使電機(jī)從一種極對(duì)數(shù)變?yōu)榱硪环N極對(duì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的有級(jí)調(diào)速。變極調(diào)速所需設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，工作也比較可靠。一般為2種速度，過(guò)去應(yīng)用很普遍的雙速電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就是這種系統(tǒng)。3種速度以上的變極調(diào)速電機(jī)統(tǒng)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用較少。變極調(diào)速電機(jī)的關(guān)鍵在于繞組設(shè)計(jì)，以最少的繞

8、組抽頭和改接以達(dá)到最好的電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)。 2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，可通過(guò)調(diào)節(jié)串聯(lián)在轉(zhuǎn)子繞組中的電阻值（調(diào)阻調(diào)速）、在轉(zhuǎn)子電路中引入附加的轉(zhuǎn)差電壓（串級(jí)調(diào)速）、調(diào)整電機(jī)定子電壓（調(diào)壓調(diào)速）以及采用電磁轉(zhuǎn)差離合器（電磁離合器調(diào)速）改變氣隙磁場(chǎng)等方法均可實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)差s，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速盡管效率不高，但在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)中仍占有重要的地位，特別是轉(zhuǎn)差功率得到回收利用的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，更是現(xiàn)代大容量風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速節(jié)能的重要手段。 3）變頻調(diào)速 通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，在調(diào)速過(guò)程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬

9、范圍和高精度的調(diào)速性能?？梢哉J(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)的一種比較合理和理想的調(diào)速方法。 7.l.4調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展 眾所周知，直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，在很長(zhǎng)的一個(gè)歷史時(shí)期內(nèi)，調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域基本上被直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所壟斷。直流電動(dòng)機(jī)雖有調(diào)速性能好的優(yōu)勢(shì)，但也有一些固有的難于克服的缺點(diǎn)。如機(jī)械式換向帶來(lái)的弊端，使其事故率高，無(wú)法在大容量的調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用。而交流電動(dòng)機(jī)有它固有的優(yōu)點(diǎn)，其容量、電壓、電流和轉(zhuǎn)速的上限不像直流電動(dòng)機(jī)那樣受限制，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，堅(jiān)固耐用，容易維護(hù)。它的最大缺點(diǎn)是調(diào)速困難，簡(jiǎn)單調(diào)速方案的性能指標(biāo)不佳。 近年來(lái)隨著電力半導(dǎo)體器件、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流電

10、動(dòng)機(jī)的速度控制產(chǎn)生了一場(chǎng)深刻的革命。以各種電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)正在取代著直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 在以上諸種交流調(diào)速中，變頻調(diào)速的性能最好。變頻調(diào)速電氣傳動(dòng)調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高，調(diào)速范圍廣，是一種理想的調(diào)速系統(tǒng)。隨著交流電動(dòng)機(jī)理論問(wèn)題的突破和調(diào)速裝置（主要是變頻器）性能的完善，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能差的缺點(diǎn)已經(jīng)得到了克服。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵，甚至可以超過(guò)直流調(diào)速系統(tǒng)。因而可以相信，在不久的將來(lái)，交流變頻調(diào)速電氣傳動(dòng)將替代包括直流調(diào)速傳動(dòng)在內(nèi)的其他調(diào)速電氣傳動(dòng)。限于篇幅，本節(jié)主要從實(shí)際出發(fā)，對(duì)變頻調(diào)速的主要內(nèi)容進(jìn)行介紹，其他

11、調(diào)速方法可參看其他專門(mén)的書(shū)籍。7.2變頻調(diào)速的原理與調(diào)速方式 7.2.1變頻調(diào)速的基本原理 從某種意義上說(shuō)，如果能夠有一個(gè)可以任意改變頻率的電源的話，即可以通過(guò)改變?cè)撾娫吹念l率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，如圖所示。但是，由于在實(shí)際的調(diào)速控制過(guò)程中，還必須考慮到有效利用電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)，抑制起動(dòng)電流和得到理想的轉(zhuǎn)矩特性等方面的問(wèn)題，一個(gè)普通的頻率可調(diào)交流電源并不能滿足對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的需要由圖可知，改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)定子繞組每相感應(yīng)電勢(shì)為 式中k1-定子繞組等值匝數(shù)，k1l； 1-定子繞組的實(shí)際匝數(shù)； f1-定子電源的頻率； -氣隙中的磁通量； U

12、1-電機(jī)外加電壓； I1-電機(jī)定于電流； Z1-電機(jī)走子阻抗。如果略去定子阻抗電壓降，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似等于定子外加電壓 從上式可以看出，若定于端電壓U1不變，則隨著f1的升高，氣隙磁通將減小。電機(jī)轉(zhuǎn)矩為 式中I2-轉(zhuǎn)子電流； cos2-轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)；Ct-轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 從電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式可看出的減小勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩T下降，使電機(jī)的利用率降低，同時(shí)，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)堵轉(zhuǎn)。 若維持定子端電壓 U1不變，而減小f1，則增加，將造成磁路過(guò)飽和，勵(lì)磁電流增加，鐵心過(guò)熱，這是不允許的。為此在調(diào)頻的同時(shí)需改變定子電壓 U1，以維持氣隙磁通不變。根據(jù)U1和f1的不同比例關(guān)系，將有

13、不同的變頻調(diào)速方式。 7.2.2 基頻以下恒磁通變頻調(diào)速 由于E1難于直接檢測(cè)和直接控制，當(dāng)E1和f1較高時(shí)，可略去定子阻抗壓降近似得出 為保持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T不變以保證電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，就要求氣隙磁通由不變，因此要求定子端電壓與頻率成比例地變化。即U1f1為常數(shù)，這種控制稱為近似的恒磁通變頻調(diào)速（因?yàn)楹雎粤硕ㄗ与妷海瑢儆诤戕D(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 但在低頻時(shí)，定子電阻的壓降已不可忽略，隨著定子電壓的增加，最大轉(zhuǎn)矩減小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小。為了能在低速時(shí)輸出大的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)當(dāng)采用 的協(xié)調(diào)控制。此時(shí)隨著f1的降低，應(yīng)適當(dāng)提高 U1，以補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。如圖所示，其中1為 U1f1=

14、C時(shí)的電壓、頻率關(guān)系， 2為有補(bǔ)償時(shí)（近似的U1f1=C）的電壓、頻率關(guān)系。實(shí)際裝置中U1與f1的函數(shù)關(guān)系并不簡(jiǎn)單的如曲線2所示。通用變頻器中U1與f1之間的函數(shù)關(guān)系有很多種（如三菱公司的變頻器616G5可提供 15種預(yù)先設(shè)定好的 U1f1曲線，同時(shí)可允許用戶進(jìn)行任意設(shè)定），使用時(shí)可以根據(jù)負(fù)載性質(zhì)和運(yùn)行狀況加以選擇或設(shè)定。 7.2.3 基頻以上的弱磁變頻調(diào)速 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速調(diào)速時(shí)，即f1f1e，若維持U1f1=C，加在定子上的電壓勢(shì)必會(huì)超過(guò)電機(jī)的額定電壓，這當(dāng)然是不允許的。由于在f1f1e時(shí)，往往采用使定子電壓不再升高，保持U1=U1e，這樣氣隙磁通就會(huì)小于額定磁通，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，

15、相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的情況。 從電機(jī)學(xué)知道，在改變定子供電頻率的同時(shí)，按關(guān)系式 調(diào)整定子電壓，可使電動(dòng)機(jī)功率等于電動(dòng)機(jī)的額定功率，而轉(zhuǎn)矩隨f1/f1e或f1的增加而減小，可有如下關(guān)系 這是一種近似恒功率調(diào)速方式。如果將恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速結(jié)合起來(lái)，可得到寬的調(diào)速范圍。在電機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，采用但轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速；高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，采用恒功率調(diào)速如圖所示。 由上面的討論可知，異步電動(dòng)機(jī)的變頻凋速必須按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子電壓和頻率，即必須通過(guò)變頻裝置獲得電壓頻率的可調(diào)電源，實(shí)現(xiàn)所謂的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）調(diào)速控制，這類實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速

16、功能的變頻調(diào)速裝置被稱為變頻器。 7.3變頻器的基本構(gòu)成及其分類 最早的VVVF裝置是旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)一例外地讓位于應(yīng)用電子電力技術(shù)的靜止式變頻裝置。從用途上看，可將變頻器分為通用變頻器和專用變頻器，專用變頻器是為專門(mén)的用途而設(shè)計(jì)的變頻器，本書(shū)主要討論通用變頻器。 7.3.1變頻器的基本構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上看，變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩類。間接變頻器先將工頻交流電源通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變換為可控頻率的交流，因此又稱它為有中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置或交-直-交變頻器。直接變頻器將工頻交流一次變換為可控頻率交流，沒(méi)有中間直流環(huán)節(jié)，即所謂的交-交變頻器。目前應(yīng)用較多的是間接

17、變頻器即交-直-交變頻器。因此，可以認(rèn)為，變頻器的基本構(gòu)成如圖所示。7.3.2 變頻器的分類及特點(diǎn)變頻器的分類方法很多、下面就其主要的幾種分類進(jìn)行介紹，以便對(duì)變頻器有一個(gè)整體上的了解。（1）按直流電源的性質(zhì)分當(dāng)逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，在負(fù)載和直流電源之間將有無(wú)功功率交換，用于緩沖中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件可以是電容或是電感，據(jù)此，變頻器可分為電壓型和電流型兩類。這兩種類型的本質(zhì)差別在于如上圖中的直流中間電路不同。1）電壓型變頻器電壓型變頻器動(dòng)力電路的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。這種變頻器的特點(diǎn)是在直流側(cè)并聯(lián)了一個(gè)大濾波電容，用來(lái)存儲(chǔ)能量以緩沖直流回路與電機(jī)之間的無(wú)功功率傳輸。從直流輸出端看，電源因

18、并聯(lián)大電容，其等效阻抗變得很小。大電容又使電源電壓穩(wěn)定，因此具有恒壓電源的特性。對(duì)負(fù)載電動(dòng)機(jī)而言，變頻器是一個(gè)交流電壓源，在不超過(guò)容量的情況下，可驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，具有不選擇負(fù)載的通用性，因而使用廣泛。通用變頻器大多是電壓型變頻器。但電壓型變頻器在深度控制時(shí)，電源側(cè)的功率因數(shù)低，同時(shí)因存在較大的濾波電容，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。而且當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，回饋到直流側(cè)的無(wú)功能量難于回到交流電網(wǎng)，只有采用可逆變流器，方可將再生能量回饋電網(wǎng)。2）電流型變頻器電流型變頻器的特點(diǎn)是在直流回路中串聯(lián)了一個(gè)大電感，用來(lái)限制電流的變化以吸收無(wú)功功率，如圖所示。由于串入了大電感，故電源的內(nèi)阻很大，直流電流Id驅(qū)

19、于平穩(wěn)，類似于恒流源。這種電流型變頻器，其逆變器中晶閘管每周期工作1200。 該變頻器的特點(diǎn)是無(wú)須在主回路中附加任何設(shè)備，就可將回饋到直流側(cè)的再生能量回饋到交流電網(wǎng)。這是因?yàn)檎骱湍孀儍刹糠值慕Y(jié)構(gòu)相似，無(wú)論變頻器工作在任何狀態(tài)下，濾波器上的電流方向不變，只要改變逆變器的控制角，使電動(dòng)機(jī)上電壓極性相反，就能把能量回饋到電網(wǎng)。這種變頻器可用于頻繁急加減速的大容量電機(jī)的單機(jī)拖動(dòng)。但它的逆變范圍稍窄，不能在空載下工作，它需要最低的負(fù)載電流以滿足換流的要求。 （2）按逆變器開(kāi)關(guān)方式分 按逆變器開(kāi)關(guān)方式對(duì)變頻器進(jìn)行分類時(shí)，則變頻器可分為PAW方式和PWM方式。PAM控制是 Pulse Amplitude

20、Modulation（脈沖振幅調(diào)制）控制的簡(jiǎn)稱，由于這種控制方式必須同時(shí)對(duì)整流電路和逆變電路進(jìn)行控制，控制電路比較復(fù)雜，而且低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，因而現(xiàn)在主要采用PWM方式。 PWM控制是 Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制）控制的簡(jiǎn)稱，是在逆變電路部分同時(shí)對(duì)輸出電壓（電流）的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式。在這種控制方式中，以較高頻率對(duì)逆變電路的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元器件進(jìn)行開(kāi)閉，并通過(guò)改變輸出脈沖的寬度來(lái)達(dá)到控制電壓（電流）的目的。為了使異步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠更加平滑，目前在變頻器中多采用正弦波PWM控制方式，即通過(guò)改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近正弦

21、波。這種方式也被稱為 SPWM控制，如圖所示。 （3）按控制方式分類按控制方式變頻器可分為VF控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器。（4）按主開(kāi)關(guān)器件分類 逆變器中主開(kāi)關(guān)器件的性能，往往對(duì)變頻器裝置的性能有較大的影響。這些器件主要有IGBT，BJT，GTO和 SCR。從現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展看，20世紀(jì)80年代已經(jīng)進(jìn)入了第二代即全控時(shí)代。 SCR由于沒(méi)有自關(guān)斷能力，需要強(qiáng)迫換流電路，并且開(kāi)關(guān)頻率低用于逆變器時(shí)輸出的波形諧波含量大。到目前為止，僅在特大容量的變頻器中尚占有一席之地。中小容量通用變頻器基本上都采用了自關(guān)斷器件的PWM方式。GTO器件具有高電壓大電流的特點(diǎn)，但由于其電流增益

22、太低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜，其應(yīng)用受到一定的限制，多用于功率較大場(chǎng)合。BJT已經(jīng)達(dá)林頓化，開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)比較高，在通用PWM變頻器中的應(yīng)用最多。MOSFET具有開(kāi)關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)功率小的特點(diǎn)，但目前器件的功率等級(jí)低，導(dǎo)通壓降大，在商用通用變頻器中應(yīng)用較少。IGBT是一種雙極型復(fù)合器件，它是MOSFET和BJT的復(fù)合，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。具有MOSFET的輸入特性與BJT的輸出特性：驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；導(dǎo)通電壓降低，通態(tài)損耗小。其開(kāi)關(guān)頻率介于MOSFET和BJT之間，是一種比較理想的開(kāi)關(guān)器件。隨著該元器件容量的提高和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的進(jìn)展，有可能在很大范圍內(nèi)取代BJT變頻器，逐步使IGBT變頻

23、器上升為通用變頻器的主流。下面以通用變頻器中最常采用的電壓型主電路為例，列出表以比較各主電路的性能。 7.4變頻器的控制方式和特點(diǎn)變頻器控制方式是指針對(duì)電動(dòng)機(jī)的自身特性、負(fù)載特性以及運(yùn)轉(zhuǎn)速度的要求，控制變頻器的輸出電壓（電流）和頻率的方式。一般可分為 VF（電壓頻率）、轉(zhuǎn)差頻率、矢量運(yùn)算 3種控制方式。當(dāng)從控制理論的觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行分類時(shí)，變頻器的控制方式可以分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。其中，VF控制屬于開(kāi)環(huán)控制，而轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制則屬于閉環(huán)控制。二者的區(qū)別主要在于VF控制方式中沒(méi)有進(jìn)行速度反饋，而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制中利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制。7.4 VF控制變頻器按VF

24、關(guān)系對(duì)變頻器的頻率和電壓進(jìn)行控制，稱為VF控制，又稱為VVVF控制方式。其簡(jiǎn)化原理圖如圖所示。主電路中逆變器采用 BJT，用 PWM進(jìn)行控制?？刂泼}沖發(fā)生器同時(shí)受控于頻率指令f*和電壓指令U，而f*與U之間的關(guān)系是由U/f曲線發(fā)生器決定的。這樣，經(jīng)PWM控制之后，變頻器的輸出頻率f，輸出電壓之間的關(guān)系就是Uf曲線發(fā)生器所確定的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速的改變是靠改變頻率的設(shè)定值f*來(lái)實(shí)現(xiàn)的。基頻以下可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上可以實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。VF控制是一種轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)，通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好。但電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要根據(jù)負(fù)載的大小即轉(zhuǎn)差率的大小來(lái)決定。故負(fù)載變化時(shí)

25、，在f*不變的條件下，轉(zhuǎn)子速度將隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化而變化。因而常用于速度精度要求不高的場(chǎng)合。7.4.2轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器如前所述，在VF控制方式下，轉(zhuǎn)速會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，其變化量與轉(zhuǎn)差率成正比。為了提高調(diào)速精度，就需要控制轉(zhuǎn)差率。通過(guò)速度傳感器檢測(cè)出速度、可以求出轉(zhuǎn)差角頻率，再把它與速度設(shè)定值疊加以得到新的逆變器的頻率設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式稱為轉(zhuǎn)差頻率控制方式，其原理框圖如圖所示。對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速頻率設(shè)定值為f*，經(jīng)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償后定子頻率的實(shí)際設(shè)定值則為f1*= f*+f。由于轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)淖饔?，大大提高了調(diào)速精度。但是，使用轉(zhuǎn)速傳感器求取轉(zhuǎn)差角頻率，要針對(duì)電機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控

26、制參數(shù)，因而這種控制方式通用性較差。7.4.3矢量控制變頻器 對(duì)于動(dòng)特性要求較高的場(chǎng)合，須采用矢量變頻器。這是因?yàn)樯鲜龅腣F控制方式和轉(zhuǎn)差頻率控制方式均基于異步電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)模型基礎(chǔ)上，因此動(dòng)特性能指標(biāo)都不高。矢量變換控制是70年代西德Blaschke等人首先提出來(lái)的。其基本思想是把交流異步電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)，能夠像直流電動(dòng)機(jī)一樣進(jìn)行控制。 采用矢量控制的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、利用坐標(biāo)變換的手段，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解為磁場(chǎng)分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，即模仿自然解藕的直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，以獲得

27、類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在矢量控制方式中，磁場(chǎng)電流im1和轉(zhuǎn)矩電流it1可以根據(jù)可測(cè)定的電動(dòng)機(jī)定子電壓、電流的實(shí)際值經(jīng)計(jì)算求得。磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流再與相應(yīng)的設(shè)定值相比較并根據(jù)需要進(jìn)行必要的校正。高性能速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)可以作為轉(zhuǎn)矩電流（或稱有功電流）的設(shè)定值，如圖所示。動(dòng)態(tài)頻率前饋控制df/dt可以保證快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖中有“*”的為給定值。 目前在變頻器中得到實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有如下兩種：基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無(wú)速度傳感器的矢量控制方式。無(wú)速度傳感器矢量控制方式不需要速度傳感器，其基本控制思想是分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)控制電

28、動(dòng)機(jī)定子繞組上電壓的頻率使勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測(cè)值一致，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。 基于轉(zhuǎn)差頻率控制的關(guān)量控制變頻器的性能優(yōu)于無(wú)速度傳感器的矢量控制變頻器。但是，由于采用這種控制方式時(shí)需要在異步電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器，影響了異步電動(dòng)機(jī)本身具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用等特長(zhǎng)。因此，在對(duì)控制性能要求不是特別高的情況下往往采用無(wú)速度傳感器的矢量控制方式的變頻器。 矢量控制是一種新的控制思想和控制技術(shù)，是交流異步電動(dòng)機(jī)的一種理想調(diào)速方法。矢量控制同閉環(huán)控制方式，是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速最新的實(shí)用化技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)與直流電動(dòng)機(jī)電樞電流控制相匹敵的傳動(dòng)特性，最終能控制電磁轉(zhuǎn)矩，而不像VVVF調(diào)速系統(tǒng)只是

29、保持電機(jī)氣隙磁通恒定。 7.5變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要功能 如前所述，變頻器的種類很多。他們的區(qū)別僅僅是主電路工作方式不同和控制電路、檢測(cè)電路等實(shí)現(xiàn)的不同而已。通用變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，下面對(duì)其主要部分及其功能進(jìn)行說(shuō)明。7.5.1變頻器的主電路構(gòu)成變頻器的主電路主要由整流電路、直流中間電路和逆變電路 3部分組成，圖為三菱公司的VS-616G5變頻器主電路。 （1）整流電路 整流電路的主要作用是對(duì)電網(wǎng)的交流電源進(jìn)行整流后給逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。在電流型變頻器中整流電路相當(dāng)于一個(gè)直流電流源，而在電壓型變頻器中整流電路相當(dāng)于一個(gè)直流電壓源。根據(jù)所有整流元件的不同，整流電路可有二極管

30、整流電路和晶閘管整流電路。二極管整流電路主要用于PWM變頻器，其輸出直流電壓決定于電源電壓的幅值。晶閘管整流電路輸出的直流電壓是可控的。 （2）中間直流電路 整流電路輸出的直流電壓經(jīng)中間電路的電容進(jìn)行平滑處理后送至逆變電路。電壓型變頻器中用于直流中間電路的直流電容為大容量鋁電解電容，在電源接通時(shí)電容中將流過(guò)較大的充電電流（浪涌電流），有燒壞二極管及影響處于同一電源系統(tǒng)的其他裝置正常工作的可能，因而變頻器提供了直流電抗器選件，以抑制浪涌電流。電抗器選件從+1和+2兩端接入。 （3）逆變電路 過(guò)變電路是變頻器最主要的部分之一。它在控制電路的作用下將直流中間電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流

31、電壓。逆變器的輸出即為變頻器的輸出，它被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。 （4）變頻器的制動(dòng)電路 為了滿足電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)的需要，在變頻器主電路中還包括制動(dòng)電路等輔助電路。在采用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，為了使電動(dòng)機(jī)減速，可以采取降低變頻器輸出頻率的方法降低電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到使電動(dòng)機(jī)減速的目的、在電動(dòng)機(jī)的減速過(guò)程中，由于同步轉(zhuǎn)速低于電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，異步電動(dòng)機(jī)便成為異步發(fā)電機(jī)，負(fù)載機(jī)械和電動(dòng)機(jī)所具有的機(jī)械能量被饋還給電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生制動(dòng)力矩。 變頻器的電氣制動(dòng)一般分為能耗制動(dòng)、電源回饋制動(dòng)、直流制動(dòng)3種。直流制動(dòng)通常用于數(shù)赫茲以下的低頻區(qū)域即電機(jī)即將停止之前，且制動(dòng)力不能太

32、大，時(shí)間也不能太長(zhǎng)。電源回饋制動(dòng)則將能量通過(guò)回饋電路反饋到供電電網(wǎng)上。當(dāng)然，從節(jié)能的角度來(lái)看，電源回饋制動(dòng)是最好的一種方式，但線路復(fù)雜，成本高。 對(duì)于中、小客量的電壓式變頻器來(lái)說(shuō)，通常利用電阻R和晶體管組成放電回路，將異步電動(dòng)機(jī)饋還回來(lái)的能量在制動(dòng)電阻上消耗掉，如上圖所示。當(dāng)檢測(cè)到直流電壓Ed超過(guò)規(guī)定的電壓上限時(shí)，晶體管開(kāi)通并以IR=Ed/R的放電電流值進(jìn)行放電；而當(dāng)檢測(cè)到的直流電壓值Ed達(dá)到某一電壓的下限時(shí)，則晶體管關(guān)斷，電容重新進(jìn)入充電過(guò)程，從而達(dá)到限制直流電壓上升過(guò)高的目的。制動(dòng)電阻器作為選件，使用時(shí)須根據(jù)系統(tǒng)所要求的制動(dòng)能力來(lái)選擇制動(dòng)電阻的大小。制動(dòng)電阻器單元同時(shí)輸出熱保護(hù)觸點(diǎn)，當(dāng)制動(dòng)

33、電流過(guò)大時(shí)、制動(dòng)電阻單元的熱保護(hù)觸點(diǎn)將斷開(kāi)，變頻器的外接控制電路可利用該熱保護(hù)接點(diǎn)來(lái)斷開(kāi)變頻器的電源。 7.5.2變頻器控制電路的基本構(gòu)成 變頻器的控制電路與主電路相對(duì)應(yīng)，為主電路提供所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)?？刂齐娐返闹饕饔檬歉鶕?jù)事先確定的變頻器的控制方式產(chǎn)生進(jìn)行VF或電流控制時(shí)所需要的各種門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此外，變頻器可控制電路還包括對(duì)電流、電壓、電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行檢測(cè)的信號(hào)檢測(cè)電路，為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)的保護(hù)電路，對(duì)外接口電路和對(duì)數(shù)字操作器的控制電路。 （1）變頻器主控制電路 變頻器主控制電路的中心是一個(gè)高性能的微處理器，并配以ASIC、PROM，RAM芯片和其他必要的周邊電路。它通過(guò)A

34、/D，D/A等接口電路接收檢測(cè)電路和外部接口電路送來(lái)的各種檢測(cè)信號(hào)和參數(shù)設(shè)定值，利用率先編制好的軟件進(jìn)行必要的處理，并為變頻器提供各種必要的控制信號(hào)或顯示信息。一個(gè)通用變頻器中主控制電路主要完成輸入信號(hào)處理、加減速率調(diào)節(jié)功能、運(yùn)算處理、PWM波形演算處理等，給主驅(qū)動(dòng)電路提供控制信號(hào)。 （2）檢測(cè)電路 檢測(cè)電路的主要作用是將變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器按照事先確定的算法進(jìn)行處理后為各部分電路終出所需的控制信號(hào)和保護(hù)信號(hào)，以達(dá)到控制變頻器輸出和為變頻器及電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)的目的。 （3）保護(hù)電路 保護(hù)電路的主要作用是由微處理器對(duì)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)進(jìn)行算法處理，以判斷變

35、頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)了異常，以便進(jìn)行各種必要的處理，包括停止變頻器的輸出以對(duì)變頻器各系統(tǒng)提供保護(hù)。 （4）外部接口電路 隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和變頻器在各種領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，變頻器在控制系統(tǒng)中往往被當(dāng)作一個(gè)部件而不是一個(gè)設(shè)備，并對(duì)其提出了更高的要求，其外部接口電路的功能也越來(lái)越豐富。變頻器的外部接口電路通常包括以下硬件電路：順序控制指令輸入電路、頻率指令（模擬信號(hào)）輸入電路、監(jiān)測(cè)信號(hào)輸出電路以及通情接口電路。變頻器具有RS-232、RS-485或與現(xiàn)場(chǎng)總線的通信接口，以便變頻器與計(jì)算機(jī)、PLC或現(xiàn)場(chǎng)總線的連接。通常，各個(gè)變頻器廠家備有各種接口書(shū)供用戶選用。 （5）數(shù)字操作器 數(shù)字操作器的主要作

36、用是給用戶提供一個(gè)良好的人機(jī)界面，使變頻器控制系統(tǒng)的操作和故障檢測(cè)工作變得更加簡(jiǎn)單。隨著半導(dǎo)體和顯示技術(shù)的提高、數(shù)字操作器本身變得小巧玲瓏。而隨著變頻器內(nèi)部微處理器性能的提高，數(shù)字操作器所具有的功能也越來(lái)越豐富。用戶可以利用數(shù)字操作器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種運(yùn)行、停止操作，監(jiān)測(cè)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。顯示故障內(nèi)容及發(fā)生順序，以及根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)定等。 （6）變頻器的保護(hù)電路 變頻器的保護(hù)功能可以分為3類：對(duì)變頻器本身的保護(hù)、對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。其中變頻器本身的保護(hù)由變頻器自身完成，而對(duì)驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)的保護(hù)，則需要用戶根據(jù)負(fù)載和外部環(huán)境設(shè)置必要的工作條件。這在變頻器的外圍電路一節(jié)中

37、將專門(mén)介紹，此處主要介紹以下變頻器對(duì)其自身的保護(hù)。 變頻器對(duì)其自身的保護(hù)功能主要包括以下內(nèi)容： 瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)； 對(duì)地短路保護(hù)； 過(guò)電壓保護(hù)； 欠電壓保護(hù)； 變頻器過(guò)載保護(hù)（電子熱保護(hù)）； 散熱片過(guò)熱保護(hù)； 控制電路異常保護(hù)。 7.5.3變頻器的主要功能 為了保證其通用性，變頻器的功能比較多。其功能除了保證其自身的基本控制功能外，大多數(shù)功能是根據(jù)變頻器傳動(dòng)系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)的。下面按其用途將變頻器的主要功能進(jìn)行分類在表中列出。7.6變頻器的應(yīng)用 現(xiàn)以日本安川變頻器VS-616G5為例說(shuō)明變頻器的外部接口電路及其外圍電路。VS-616G5變頻器屬電壓型變頻器，具有全程磁通矢量電流控制的特點(diǎn)，它在一

38、臺(tái)變頻器中包含4種控制方式；標(biāo)準(zhǔn)VF控制、帶PG反饋（速度反饋）的VF控制、無(wú)傳感器的磁通矢量控制、帶PG反饋的磁通矢量控制。VS-616G5只需要簡(jiǎn)單的參數(shù)選擇就可以用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，從高精度的伺服機(jī)械到多電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)均能適應(yīng)。其外部接線圖如圖所示。 7.6.1變頻器的外圍電路 變頻器的運(yùn)行離不開(kāi)某些外圍設(shè)備。這些外圍設(shè)備通常都是選購(gòu)件。選用外圍設(shè)備常常是為了下述目的：提高變頻器的某種性能、變頻器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)以及減少變頻器對(duì)其他設(shè)備的影響等。如變頻器本身有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等保護(hù)功能，但在變頻器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，變頻器有時(shí)將不能自行切斷輸出，外接的電源斷路器和電磁接觸器在這種情況下便可將變

39、頻器從電源切斷。在主回路所涉及到的外圍設(shè)備如圖所示。1- 變壓器；2-配線用斷路器；漏電斷路器；3-電磁接觸器；4-電波噪聲濾波器；5-輸入電抗器；6-輸出電抗器；7-過(guò)載繼電器；8-電網(wǎng)電源切換接觸器 電源變壓器1，其作用是將供電電網(wǎng)的高壓電轉(zhuǎn)換為變頻器所需要的電壓（ 220V或380V）。對(duì)于以電壓型變頻器為負(fù)載的變壓器來(lái)說(shuō)，在決定其容量時(shí)應(yīng)考慮的因素為接通變頻器時(shí)的沖擊電流和由此造成的變壓器副邊的壓降。一般來(lái)說(shuō)，變壓器的容量可選為變頻器容量的1.5倍左右。 電源斷路器2（MCCB），其容量選為變頻器額定電流的1.52倍，用于電源回路的通斷，并且在出現(xiàn)過(guò)電流或短路事故時(shí)自動(dòng)切斷電源。如需要

40、進(jìn)行接地保護(hù)，也可選用變頻器專用負(fù)電保護(hù)武斷路器。使用變頻器無(wú)例外地都應(yīng)采用電源斷路器。電磁接觸器3（MCI），用于電源的開(kāi)閉。在變頻器保護(hù)功能起作用時(shí)，切斷電源。可用變頻器的異常輸出常閉端子控制MCI，當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常情況時(shí)，端子19-20之間斷開(kāi)，使MCI斷電。此外，使用制動(dòng)電阻單元時(shí)，可利用該單元裝在制動(dòng)電阻上的過(guò)載繼電器觸點(diǎn)1-2使維電器THRX通電，THRX的常閉觸點(diǎn)使MCI斷電以切斷電路。這是因?yàn)樵谥苿?dòng)晶體管出現(xiàn)故障時(shí)，在制動(dòng)電阻中將連續(xù)流過(guò)大電流，所以如不盡快切斷電源，具有短時(shí)間額定值特性的制動(dòng)電阻將會(huì)被燒毀。變頻器的18-20端子在變頻器異常輸出時(shí)接通，使報(bào)警繼電器TRX通電使

41、用TRX的常開(kāi)觸點(diǎn)可對(duì)外報(bào)警。另外，對(duì)于電網(wǎng)停電后的復(fù)電，可以防止自動(dòng)再投入以保護(hù)設(shè)備和人身安全。其線路圖如圖所示，在該圖中僅使用了變頻器異常輸出端子18-20，未用19-20。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)TRX繼電器的觸點(diǎn)去進(jìn)行故障處理。 噪聲濾波器4，變頻器產(chǎn)生的電磁波干擾主要有直接輻射、直接傳導(dǎo)和通過(guò)電源線的傳導(dǎo)3種方式。電源側(cè)的噪聲濾波器可以除去從電源線入侵變頻器的噪聲，也可以減低從變頻器向電源線流出的噪聲；輸出側(cè)噪聲濾波器可降低無(wú)線干擾和感應(yīng)干擾。因此有必要時(shí)可在輸出側(cè)也安裝噪聲濾波器。 AC電抗器5和6，其中5為輸入電抗器，其主要目的是實(shí)現(xiàn)變頻器和電源的匹配，改善功率因數(shù)，減少高次諧波

42、的不良影響；6為輸出電抗器其目的主要是為了降低電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行噪聲。另外，在連接大功率（600KVA以上）的電源變壓器的場(chǎng)合，會(huì)有很大的峰值電流流入輸入回路而損壞整流部分元件的可能，因而在變頻器的輸入側(cè)接入AC電抗器或者在變頻器的DC電抗器端子+1和+2接入DC電抗器，同時(shí)可改善電源側(cè)的功率因素。 過(guò)載繼電器7（FR），如前所述，為了防止電機(jī)過(guò)熱而發(fā)生事故，變頻器有電子熱保護(hù)功能。在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)以上電動(dòng)機(jī)或多極電機(jī)使用時(shí)，應(yīng)為每臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)置過(guò)載繼電器以提供可靠的保護(hù)。并利用熱保護(hù)繼電器的接點(diǎn)，使MCI在電機(jī)過(guò)載時(shí)切斷電源。 電網(wǎng)電源切換接觸器8（MC2、MC3），將電動(dòng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)切換為電

43、網(wǎng)電源驅(qū)動(dòng)的目的有兩個(gè)：一是在變頻器發(fā)生故障時(shí)電動(dòng)機(jī)仍然能夠正常運(yùn)行；二是在以和電源相同的頻率運(yùn)行時(shí)提高運(yùn)行效率，因?yàn)槭褂米冾l器驅(qū)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部仍存在一定的功耗。 通常，在進(jìn)行電網(wǎng)電源驅(qū)動(dòng)和變頻器驅(qū)動(dòng)的切換時(shí)，無(wú)論是從變頻器驅(qū)動(dòng)切換到電網(wǎng)電源驅(qū)動(dòng)，還是從電網(wǎng)電源驅(qū)動(dòng)切換到變頻器驅(qū)動(dòng)，都必須在電動(dòng)機(jī)停下來(lái)后才能進(jìn)行切換。為了使電動(dòng)機(jī)能夠在自由運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行切換，須選用具有電網(wǎng)電源切換功能的變頻器。這種變頻器在工頻電源向變頻器切換時(shí)，使用轉(zhuǎn)速搜索功能，因而切換時(shí)能以和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相適應(yīng)的頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)，以避免電流沖擊。在這種情況下，電路中使MC2和MC3互鎖，當(dāng)利用電網(wǎng)電源起動(dòng)并希望將變頻器從

44、電源切斷時(shí)，變頻器輸入側(cè)的MC1不可缺少。 外圍電路，指變頻器根據(jù)實(shí)際需要時(shí)，可按入的外圍元件。在有些場(chǎng)合不需要這些元件時(shí)，就不用接入。 7.6.2 變頻器外部控制端子的連接 在變頻器中，為了有效地利用有限的端子，采取了可以自由地改變一些端子（多功能輸入端）和接點(diǎn)功能的做法，以使變頻器具有更多的功能。另外，當(dāng)用變頻器構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，它需要接收來(lái)自自控系統(tǒng)的頻率指令信號(hào)和其他運(yùn)行控制信號(hào)等，并給系統(tǒng)提供變頻器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。在許多情況下變頻器需要和PLC等上位機(jī)配合使用。在這里以PLC為例，分別介紹變頻器的幾類外部控制端子和變頻器在自控系統(tǒng)中與其他部分進(jìn)行配合時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。 （1）順序

45、控制端子功能及應(yīng)用順序控制端于功能如表所示。變頻器的輸入信號(hào)包括對(duì)運(yùn)行停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行操作的運(yùn)行信號(hào)（數(shù)字輸入信號(hào)）。變頻器通常利用繼電器接點(diǎn)或晶體管集用極開(kāi)路形式與上位機(jī)連接，并得到這些運(yùn)行信號(hào)，如圖所示。 通過(guò)多功能輸入端的設(shè)定，即設(shè)定多級(jí)速度頻率，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，并可通過(guò)外部信號(hào)選擇使用某一級(jí)速度，高性能變頻器可設(shè)定38級(jí)速度頻率。實(shí)際上，可用PLC的開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊控制變頻器多功能輸入端，以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，這種控制方式不僅能滿足其工藝要求，而且接線簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，同用模擬信號(hào)進(jìn)行速度給定的方法相比，這種方式的

46、設(shè)定精度高，成本低也不存在由漂移和噪聲帶來(lái)的各種問(wèn)題。下面介紹這種控制方法。用數(shù)字操作器可對(duì)參數(shù)H1-O1H1-06進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)不同的設(shè)定，VS-616GS變頻器可有3線制程序運(yùn)行、3段速運(yùn)行以及最多可達(dá)9段速運(yùn)行。下面是9段速運(yùn)行的例子。圖是三菱公司的FX224MR型PLC與安川變頻器VS-616G5的硬件接線圖，其中將端20，11與端子27相連。 在變頻器運(yùn)行之前，必須用其數(shù)字操作器對(duì)有關(guān)的功能指令碼和參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，加上升時(shí)間、下降時(shí)間等。現(xiàn)僅列出多段速指令的設(shè)定。 VS-616G5可使用 8個(gè)頻率指令和一個(gè)點(diǎn)動(dòng)頻率指令，由此，最高可有 9段速。為了切換這些頻率指令，須在多功能輸出中設(shè)定

47、多段述指令，其設(shè)定如表所示多功能端子和被選擇的頻率如表所示。其中，點(diǎn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)是一種與所設(shè)置的加減速時(shí)間無(wú)關(guān)的、單步的、以點(diǎn)動(dòng)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)功能。點(diǎn)動(dòng)頻率可為固定的，亦可任意設(shè)定。如果某電機(jī)的頻率曲線圖如圖所示，用變頻器的3個(gè)輸入端子5，6，7可控制8擋頻率，每擋相應(yīng)的頻率指令值可通過(guò)數(shù)字操作器進(jìn)行參數(shù)dl01dl-09設(shè)置而定（設(shè)定范圍0400Hz）。根據(jù)硬件接線圖和表可畫(huà)出 PLC有關(guān)輸出信號(hào)的波形圖。在 t0時(shí)按下正轉(zhuǎn)運(yùn)行按鈕，電機(jī)起動(dòng)并以頻率指令1對(duì)應(yīng)的速度運(yùn)行，隨后每隔10s依次加速至頻率指令8對(duì)應(yīng)的速度，然后減速至點(diǎn)動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的速度并以該速度運(yùn)行，歷時(shí)80s后停車10s。再按反轉(zhuǎn)運(yùn)行按

48、鈕，電機(jī)反向起動(dòng)并以頻率指令1對(duì)應(yīng)的速度運(yùn)行，lmin后停車。相關(guān)梯形圖的設(shè)計(jì)如圖所示。（2）變頻器的頻率指令信號(hào)（無(wú)級(jí)調(diào)這方式）變頻器的頻率指令信號(hào)可以從變頻器的模擬輸入端子送入，進(jìn)行變頻器的無(wú)級(jí)調(diào)速。通過(guò)變頻器模擬輸入端子送入的信號(hào)可以是O10V、10V10V、420 mA。圖給出了利用變頻器自身的頻率設(shè)定電源來(lái)進(jìn)行頻率指令給定的方式，但實(shí)際上在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，頻率指?jìng)€(gè)信號(hào)往往來(lái)自于調(diào)節(jié)器或PLC。調(diào)節(jié)器一般輸出標(biāo)準(zhǔn)的420mA信號(hào)，可直接與變頻器的端子14，17連接。對(duì)于PLC，須選用模擬量輸出模塊，將輸出的010V或420mA信號(hào)送給變頻器相應(yīng)的模擬電壓電流輸入端。如送出的是電壓信號(hào)，

49、其連接如圖所示。這種控制方式的特點(diǎn)是硬件接線簡(jiǎn)單，可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，但是PLC的模擬量輸出模塊的價(jià)格較高，有的用戶難以接收。特別要注意的是，當(dāng)變頻器與PLC的模擬輸出模塊的電壓范圍不同時(shí)，例如變頻器的輸入電壓為01OV，而PLC的輸出電壓信號(hào)范圍為05V時(shí)，雖可以通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的內(nèi)部參數(shù)（如圖所示）使系統(tǒng)工作，但進(jìn)行頻率設(shè)定時(shí)的分辨率會(huì)交差。總之，在選擇PLC時(shí)，一是必須根據(jù)變頻器的輸入阻抗來(lái)選擇PLC的模擬輸出模塊，二是項(xiàng)選擇PLC的模擬輸出模塊與變頻器的輸入信號(hào)范圍一致為好。 另外，通用變頻器通常還備有作為選件的數(shù)字信號(hào)輸入接口卡，變頻器VS-616G5備有D1-08和 D1-16H2兩種數(shù)

50、字指令卡。在變頻器上安裝數(shù)字信號(hào)輸入接口卡后，就可以直接利用BCD或二進(jìn)制信號(hào)設(shè)定頻率指令，其特點(diǎn)是可以避免模擬信號(hào)電路所具有的壓降和溫差變化帶來(lái)的誤差，保證必要的頻率設(shè)定精度。 還可以通過(guò)串行通信口將頻率指令信號(hào)送入，PLC的串行通信口為RS422，變頻器一般備有相應(yīng)的通信接口卡。如變頻器VS-616G5備有SI-K2變換卡，可進(jìn)行RS-232與RS-485或RS-422變換，可對(duì)應(yīng)通信速度96Kbps。這種控制方式的硬件接線也很簡(jiǎn)單（只須3根線），但通信接口模塊的價(jià)格不低，且熟悉通信模塊的使用方法和設(shè)計(jì)通信程序也需要一定的時(shí)間。 變頻器通信接口的主要作用是和PLC或計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信

51、，并按照上位機(jī)的指?jìng)€(gè)完成所需的動(dòng)作。 在變頻器工作過(guò)程中，需要將變頻器的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)信息送與外部，以便系統(tǒng)檢測(cè)變頻器的工作狀態(tài)。變頻器的監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)通常包括故障檢測(cè)信號(hào)、速度檢測(cè)信號(hào)、電流計(jì)端子和頻率計(jì)端子等，這些信號(hào)用于和各種其他設(shè)備配合以構(gòu)成控制系統(tǒng)。這類變頻器監(jiān)控信號(hào)又有開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)信號(hào)和模擬量監(jiān)測(cè)信號(hào)兩種、表列出了變頻器 VS-616G5的監(jiān)控信號(hào)。（3）變頻器監(jiān)測(cè)信號(hào)的輸出變頻器的開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)信號(hào)與PLC的連接如圖所示，由于這些開(kāi)關(guān)量信號(hào)是通過(guò)繼電器接點(diǎn)或晶體管某電極開(kāi)路的形式輸出，其額定值均在 24V50mA之上，符合 FX系列PLC對(duì)輸入信號(hào)的要求，因此可以將它們與PLC的輸入

52、端直接相連；變頻器的模擬量監(jiān)測(cè)信號(hào)與PLC的連接對(duì)應(yīng)的是PLC的模擬量輸入模塊，必須注意PLC一側(cè)輸入阻抗的大小，保證該輸入電路中的電流不超過(guò)電路的額定電流。此外，由于這些檢測(cè)信號(hào)和變頻器內(nèi)部并不絕緣。在電線較長(zhǎng)或噪聲較大的場(chǎng)合，最好在途中設(shè)置絕緣放大器。（4）PG速度卡的連接 變頻器在采用基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式時(shí)需要檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，現(xiàn)多用光電編碼器來(lái)進(jìn)行速度檢測(cè)。光電編碼器主要由光電編碼盤(pán)和發(fā)光二極管、光敏三極管組成。光電編碼器與電機(jī)同軸相連，如圖所示，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，均勻分布在編碼盤(pán)上的孔使光過(guò)三極管通、斷，產(chǎn)生一系列脈沖信號(hào)輸出。碼盤(pán)上有兩排空間位置相差900的光孔，使在相應(yīng)位

53、置上的兩個(gè)光敏三極管產(chǎn)生相差900的A，B兩相脈沖，根據(jù)A，B兩相脈沖超前與滯后的關(guān)系，可判定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因此，光電編碼器既可檢測(cè)速度又可檢測(cè)位置。速度控制卡 PG-B2與變頻器的接線如圖所示。PG速度卡接收來(lái)自光電編碼器 PG的 A，B兩相脈沖，并將其轉(zhuǎn)換成與實(shí)際轉(zhuǎn)速相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送給變頻器，同時(shí)，將A，B兩相脈沖分頻后作為A，B兩相脈沖的監(jiān)視輸出。 運(yùn)行前，須由數(shù)字操作器設(shè)置參數(shù)F1-05，以決定在正轉(zhuǎn)時(shí)A，B兩相脈沖誰(shuí)超前。另外，矢量控制需獲得相關(guān)的電機(jī)參數(shù)，故務(wù)必在運(yùn)行前，先實(shí)施自學(xué)習(xí)功能。VS-616G5的自學(xué)習(xí)，是自動(dòng)地測(cè)試電機(jī)參數(shù)的過(guò)程，因此不實(shí)施自學(xué)習(xí)，就得不到矢量控制本來(lái)的

54、性能。必須注意的是實(shí)行自學(xué)習(xí)時(shí)，不能給電機(jī)連接負(fù)載在電機(jī)負(fù)載不能脫開(kāi)場(chǎng)合，可通過(guò)計(jì)算設(shè)定電機(jī)的參數(shù)。 7.6.3變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 隨著控制理論、交流調(diào)速理論和電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)也得到了充分地重視和發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)已日趨完善，變頻調(diào)速技術(shù)用于交流異步機(jī)調(diào)速，其性能勝過(guò)以往任何一種交流調(diào)速方式。此外，由于異步電動(dòng)機(jī)還具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便等許多直流同服電動(dòng)機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因而成為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最新潮流。再者，變頻器的外部接口功能越來(lái)越豐富，可以很方便地作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)部件使用，構(gòu)成所需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前，變頻器調(diào)速在鋼鐵、冶金、石化、化工、紡織、醫(yī)

55、藥、造紙、卷煙、高層建筑及機(jī)械行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。 （1）變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示，主要由機(jī)械負(fù)載、電機(jī)及變頻器組成，其中虛線部分根據(jù)系統(tǒng)的不同可有可無(wú)。從結(jié)構(gòu)上看，它與傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)不同的只是在電動(dòng)機(jī)與供電電源之間接入了變頻器。在采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性與電網(wǎng)供電時(shí)的電機(jī)輸出（轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線等）決定于變頻器的輸出特性。其中，變頻器的VF值決定電機(jī)連續(xù)額定輸出，而變頻器的最大輸出電流將決定電動(dòng)機(jī)瞬間最大輸出。正確地把握變頻驅(qū)動(dòng)的機(jī)械負(fù)載對(duì)象的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性，是選擇電機(jī)及變頻器容量、決定其控制方式的基礎(chǔ)。 （2）變頻器的選擇 1）變頻器類型的選擇 根據(jù)控制功能將通用變頻器分為 3種類型。普通功能型 VF控制變頻器，具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 VF控制變頻器，以及矢量控制高性能變頻器。根據(jù)負(fù)載的要求來(lái)選擇變頻器的類型。 對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類平方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載，通常選擇普通功能型； 對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，通常選用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型VF控制變頻器； 對(duì)于軋鋼等一類對(duì)動(dòng)特性要求較高的生產(chǎn)機(jī)械，多采用矢量控制高性能變頻器。 由于強(qiáng)調(diào)通用性，現(xiàn)在通用變頻