第1章通用變頻器基礎知識

1、第1章 通用變頻器基礎知識1.1三相異步電動機的變頻原理由電機拖動原理知，三相異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式 （1-1）式中，f1異步電動機定子繞組上的交流電源的頻率（hz）；p異步電動機的磁極對數(shù)；s異步電動機的轉(zhuǎn)差率；n異步電動機的轉(zhuǎn)速（r/min）。由式（1-1）可知，當轉(zhuǎn)差率s變化不大時，異步電動機的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f1成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)加到異步電動機定子繞組的電源頻率f1，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的基本工作原理。表面看來，只要改變定子繞組的電源頻率f1就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小了，但是事實上只改變f1并不能正常調(diào)速，而且可能導致電動機運行性能的惡化。其原因分析如下：由電機學原

2、理知，三相異步電動機定子繞組的反電動勢e1的表達式為： （1-2） 式中，e1氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值（v）；n1每相定子繞組的匝數(shù)；kn1與繞組結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)；m電動機每極氣隙磁通。由于4.44 n1 kn1均為常數(shù)，所以定子繞組的反電動勢可用下式表示： （1-3）根據(jù)三相異步電動機的等效電路知，e1 =u1+u，當e1和f1的值較大時，定子的漏阻抗相對比較小，漏阻抗壓降u可以忽略不計，即可認為電動機的定子電壓，因此，可將式（1-3）寫成： （1-4）若電動機的定子電壓u1保持不變，則 e1也基本保持不變，由式（1-4）可知，當定子繞組的交流電源頻率f1由基頻f1n向下調(diào)節(jié)時，

3、將會引起主磁通m的增加。由于額定工作時電動機的磁通已經(jīng)接近飽和，m的繼續(xù)增大，將會使電動機磁路過分飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機；而從基頻f1n向上調(diào)節(jié)時，主磁通m將減少，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩t下降，電動機的負載能力下降，電動機的容量也得不到充分利用。因此，為了使電動機能保持較好的運行性能，在調(diào)節(jié)f1的同時，必須保持每極磁通量m不變。對于直流電動機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應的補償合適，保持m不變是很容易做到的。在交流異步電動機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生的，怎樣才能保持磁通恒定呢？1.基頻以下恒磁通（恒轉(zhuǎn)矩）變頻調(diào)速通過上面的分析

4、知，為維持電動機輸出轉(zhuǎn)矩不變，我們希望在調(diào)節(jié)頻率的同時能夠維持主磁通m不變（即恒磁通控制方式）。當在額定頻率以下調(diào)頻，即f1f1n時，為了保證m不變，根據(jù)（1-3）得也就是說在頻率f1下調(diào)時也同步下調(diào)反電動勢e1，但是由于異步電動機定子繞組中的感應電動勢e1無法直接檢測和控制，根據(jù)，可以通過控制u1達到控制e1的目的，即 （1-5）通過以上分析可知：在額定頻率以下調(diào)頻時（f1f1n），調(diào)頻的同時也要調(diào)壓。將這種調(diào)速方法稱為變壓變頻（variable voltage variable frequency，vvvf）調(diào)速控制，也稱為恒壓頻比控制方式。當定子電源頻率f1很低時，u1和e1都變得很小，

5、定子阻抗壓降u所占的分量相對此時的u1來說就比較顯著，不再能忽略。此時，該阻抗壓降降低了電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，在低電壓的低頻區(qū)，可以采用電壓補償措施，適當?shù)靥岣叨ㄗ永@組電壓u1，使得e1的值增加，從而保證常數(shù)。這樣一來，主磁通m就會基本不變，最終使電動機的輸出轉(zhuǎn)矩得到補償。由于這種方法是通過提高的比使電動機的轉(zhuǎn)矩得到補償?shù)?，因此這種方法被稱作u/f控制或電壓補償，也稱作轉(zhuǎn)矩提升。定子電源頻率f1越低，定子繞組電壓補償?shù)迷酱?，帶定子壓降補償控制的恒壓頻比控制特性如圖1.1所示。圖1.1 電壓補償示意圖在圖1.1中，1為=常數(shù)時的電壓與頻率關系曲線；2為有電壓補償時，即近似的常數(shù)時的電壓與頻率關

6、系曲線。實際上變頻器裝置中相電壓u1和頻率f1的函數(shù)關系并不簡單地如曲線2一樣，通用變頻器有幾十種電壓與頻率函數(shù)關系曲線，可以根據(jù)負載性質(zhì)和運行狀況加以選擇。在基頻以下調(diào)速時，保持=常數(shù)調(diào)節(jié)，電動機的機械特性曲線如圖1.2中f1n曲線以下所示。如果電動機在不同轉(zhuǎn)速下具有相同的額定電流，則電動機都能在溫升允許的條件下長期運行，保持主磁通m恒定，則電磁轉(zhuǎn)矩t恒定，電動機帶動負載的能力不變，轉(zhuǎn)速差基本不變，所以調(diào)速后的機械特性從f1n向下平移，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在圖1.2中，曲線f4中的虛線是進行電壓補償后的機械特性曲線。2.基頻以上恒功率（恒電壓）變頻調(diào)速當定子繞組的交流電源頻

7、率f1由基頻f1n向上調(diào)節(jié)時，若按照=常數(shù)的規(guī)律控制，電壓也必須由額定值u1n向上增大，但由于電動機受到額定電壓的限制不能再升高，只能保持u1=u1n不變。因此，當f1上調(diào)時，由式（1-4）可知，由于u1不能增加，必然使主磁通m與頻率f1成反比地降低，相當于直流電動機弱磁升速的情況；由電機學原理知，m的下降將引起電磁轉(zhuǎn)矩t的下降。頻率越高，主磁通m下降得越多，由于m與電流或轉(zhuǎn)矩成正比，因此，電磁轉(zhuǎn)矩t也變小。需要注意的是，這時的電磁轉(zhuǎn)矩t仍應比負載轉(zhuǎn)矩大，否則會出現(xiàn)電動機的堵轉(zhuǎn)。在這種控制方式下，轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩越低，但是轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積（輸出功率）基本不變。所以，基頻以上調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速

8、。其機械特性曲線如圖1.2中f1n曲線以上兩條曲線所示。圖1.2 變頻調(diào)速時的機械特性3.變頻調(diào)速特性的特點把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來，可得如圖1.3所示的異步電動機變頻調(diào)速的控制特性。如果電動機在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動機都能在溫升允許的條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化；按照電力拖動原理，在基頻以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性質(zhì)，而在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速性質(zhì)。（1）恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速特性這里的恒轉(zhuǎn)矩是指在轉(zhuǎn)速的變化過程中，電動機具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力。在f1f1n的范圍內(nèi)變頻調(diào)速時，經(jīng)過補償后，各條機械特性的臨界轉(zhuǎn)矩基本為一定值，因此該區(qū)域基本為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)域，適合帶恒轉(zhuǎn)矩負

9、載。從另一方面來看，經(jīng)補償以后的f1f1n調(diào)速，可基本認為e/f常數(shù)，即m不變，根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)矩公式知：在負載不變的情況下，電動機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩基本為一定值。 圖1.3 調(diào)頻調(diào)速控制特性（2）恒功率的調(diào)速特性這里的恒功率是指在轉(zhuǎn)速的變化過程中，電動機具有輸出恒定功率的能力，在f1f1n下，頻率越高，主磁通m必然相應下降，電磁轉(zhuǎn)矩t也越小，而電動機的功率pt=常數(shù)，因此，f1f1n時，電動機具有恒功率的調(diào)速特性，適合帶恒功率負載。1.2 變頻器的基本結(jié)構(gòu)及主要技術參數(shù)1.2.1 基本結(jié)構(gòu)變頻器是把電壓、頻率固定的交流電變成電壓、頻率可調(diào)的交流電的變換器。它與外界的聯(lián)系基本上分為主電路、控制電路2

10、個部分，如圖1.4所示。 圖1.4 變頻器的基本原理框圖1.主電路交-直-交變頻器的主電路如圖1.5所示，由整流電路、能耗電路和逆變電路組成。（1）整流電路整流管vdlvd6。在圖1.5中，二極管vdlvd6組成三相整流橋，將電源的三相交流電全波整流成直流電。如電源的線電壓為ul，則三相全波整流后平均直流電壓ud的大小是 （1-6）我國三相電源的線電壓為380v，故全波整流后的平均電壓是 濾波電容器cf。圖1.5中的濾波電容器cf有兩個功能：一是濾平全波整流后的電壓紋波；二是當負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個電容器并聯(lián)成一組，又由兩

11、個電容器組串聯(lián)而成，如圖1.5中的cf1和cf2。圖1.5 交-直-交變頻器的主電路 限流電阻rl和開關sl。當變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容器cf的充電電流是很大的。過大的沖擊電流將可能使三相整流橋的二極管損壞；同時，也使電源電壓瞬間下降而受到 “污染”。為了減小沖擊電流，在變頻器剛接通電源后的一段時間里，電路內(nèi)串入限流電阻rl，其作用是將電容器cf的充電電流限制在允許范圍以內(nèi)。開關sl的功能是：當cf充電到一定程度時，令sl接通，將rl短路掉。許多新系列的變頻器里，sl已由晶閘管代替，如圖1.5中虛線所示。電源指示hl。hl除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在變頻器切斷

12、電源后，表示濾波電容器cf上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。由于cf的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行，所以cf沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數(shù)分鐘。又由于cf上的電壓較高，如不放完，對人身安全將構(gòu)成威脅。故在維修變頻器時，必須等hl完全熄滅后才能接觸變頻器內(nèi)部的導電部分。（2）能耗電路電動機在工作頻率下降過程中，將處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要反饋到直流電路中，使直流電壓ud不斷上升，甚至可能達到危險的地步。因此，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，使ud保持在允許范圍內(nèi)。圖1.5中的制動電阻rb就是用來消耗這部分能量的。制動單元vb由gtr或igbt及其驅(qū)動電路構(gòu)

13、成。其功能是為放電電流ib流經(jīng)rb提供通路。（3）逆變電路逆變管vlv6。逆變管v1v6組成逆變橋，把vdlvd6整流所得的直流電再“逆變”成頻率可調(diào)的交流電。這是變頻器實現(xiàn)變頻的具體執(zhí)行環(huán)節(jié)，因而是變頻器的核心部分。當前常用的逆變管有絕緣柵雙極型晶體管（igbt）、電力晶體管（gtr）、門極關斷（gto）晶閘管以及電力mos場效應晶體管（mosfet）等。在中小型變頻器中最常采用的是igbt管。續(xù)流二極管vd7vdl2 其主要功能有：第一，電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。vd7vdl2為無功電流返回直流電源時提供“通道”。第二，當頻率下降、電動機處于再生制動狀態(tài)時，再生電流將通過

14、vd7vdl2整流后返回給直流電路。第三，v1v6進行逆變的基本工作過程是，同一橋臂的兩個逆變管處于不停地交替導通和截止的狀態(tài)。在這交替導通和截止的換相過程中，也不時地需要vd7vdl2提供通路。2.控制電路變頻器的控制電路主要以16位、32位單片機或dsp為控制核心，從而實現(xiàn)全數(shù)字化控制。它具有設定和顯示運行參數(shù)、信號檢測、系統(tǒng)保護、計算與控制、驅(qū)動逆變管等作用。（1）驅(qū)動電路主要包括pwm信號分配電路、輸出信號電路等。主要作用是產(chǎn)生符合系統(tǒng)控制要求的驅(qū)動信號，驅(qū)動控制單元受單片機的中央處理單元（cpu）的控制。驅(qū)動電路一般有以下幾種方式：分立插腳式元件組成的驅(qū)動電路、光耦驅(qū)動電路、厚膜驅(qū)動

15、電路、專用集成塊驅(qū)動電路等。（2）主控電路變頻器控制的核心部分是由單片機構(gòu)成的中央處理單元組成，包括控制程序、控制方式等。外部的控制信號、內(nèi)部的檢測信號、用戶的參數(shù)設定等送到cpu，經(jīng)cpu處理后，對變頻器進行相關的控制。（3）保護及報警單元變頻器通常都有故障自診斷功能和自保護功能。當變頻器出現(xiàn)故障或輸入、輸出信號異常時，由中央處理單元控制驅(qū)動控制單元，改變驅(qū)動信號，使變頻器停止工作，實現(xiàn)自我保護功能。（4）參數(shù)設定和監(jiān)視單元該單元主要由操作面板組成，包括液晶顯示屏和鍵盤。用于對變頻器的參數(shù)設定和監(jiān)視變頻器當前的工作狀態(tài)。1.2.2 主要技術參數(shù)1.輸入側(cè)的額定值 主要是指電壓和相數(shù)。在我國，

16、中小容量變頻器中，輸入電壓的額定值有以下幾種（均為線電壓）：（1）380v，3相 絕大多數(shù)變頻器都是這種規(guī)格。（2）220v，3相 主要用于某些進口設備中。（3）220v，單相 主要用于家用小容量變頻器中。此外，對輸入側(cè)電源電壓的頻率也都作了規(guī)定，通常都是工頻50hz或60hz。2.輸出側(cè)的額定值（1）輸出電壓un 由于變頻器在變頻的同時也要變壓，所以輸出電壓的額定值是指輸出電壓中的最大值。在大多數(shù)情況下，它就是輸出頻率等于電動機額定頻率時的輸出電壓值。通常，輸出電壓的額定值總是和輸入電壓相等的。（2）輸出電流in in是指允許長時間輸出的最大電流，是用戶在選擇變頻器時的主要依據(jù)。（3）輸出容

17、量sn sn取決于un和in的乘積。 （1-7）（4）配用電動機容量pn pn對于變頻器說明書中規(guī)定的配用電動機容量，需說明如下：它是根據(jù)下式估算的結(jié)果： （1-8）式中，電動機的效率；電動機的功率因數(shù)。由于電動機容量的標稱值是比較統(tǒng)一的，而和值卻很不一致，所以配用電動機容量相同的不同品牌的變頻器的容量卻常常不相同。說明書中的配用電動機容量，僅對長期連續(xù)負載才是適合的，對于各種變動負載來說，則不適用。（5）過載能力 變頻器的過載能力是指其輸出電流超過額定電流的允許范圍和時間。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為1.5in和60s。3.頻率指標（1）頻率范圍 即變頻器輸出的最高頻率fmax和最低頻率fmin之差

18、。各種變頻器規(guī)定的頻率范圍不盡一致，通常，最低工作頻率約為0.11hz；最高工作頻率約為120650hz。（2）頻率精度 指變頻器輸出頻率的準確程度。以變頻器的實際輸出頻率與給定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比的百分數(shù)來表示。例如，用戶給定的最高工作頻率為fmax=120hz，頻率精度為0.01%，則最大誤差為： 通常，由數(shù)字量給定時的頻率精度約比模擬量給定時的頻率精度高一個數(shù)量級。（3）頻率分辨率 指輸出頻率的最小改變量，即每相鄰兩檔頻率之間的最小差值。一般分為模擬設定分辨率和數(shù)字設定分辨率。1.3 通用變頻器的分類由于實際變頻器的種類繁多，根據(jù)不同的分類方法可以將變頻器進行如下分類。1

19、.按變換環(huán)節(jié)分類從交流變頻調(diào)速的變換環(huán)節(jié)來分可以分為交-交直接變頻器和交-直-交間接變頻器。（1）交-交變頻器 交-交變頻器是一種把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源的裝置。其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的1/2以下，故它主要用于大功率低轉(zhuǎn)速的交流電動機調(diào)速傳動，交流勵磁變速恒頻發(fā)電機的勵磁電源等。常用的交-交變頻器的結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。圖1.6 交-交變頻器結(jié)構(gòu)圖（2）交-直-交變頻器 交-直-交變頻器是先將工頻交流電源通過整流器變換成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制，因

20、此，在頻率的調(diào)節(jié)范圍以及改善變頻后電動機的特性等方面，都具有明顯的優(yōu)勢。目前使用最多的變頻器均屬于交-直-交變頻器。迅速地普及應用的主要是這一種。由于交-直-交變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)節(jié)”，故又稱間接式變壓變頻器。它主要有3種結(jié)構(gòu)形式，如圖1.7所示。用可控整流器調(diào)壓如圖1.7（a）所示，這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，當電壓或轉(zhuǎn)速調(diào)得較低時，電網(wǎng)端的功率因數(shù)較低；輸出環(huán)節(jié)多采用由功率開關元件組成的逆變器，輸出的諧波較大，這是該種調(diào)壓控制方法的缺點。用不可控整流器整流，斬波器調(diào)壓如圖1.7（b）所示，這種調(diào)壓控制方法是在主回路增設的

21、斬波器上用脈寬調(diào)壓，而整流環(huán)節(jié)采用二極管不可控整流器。這樣顯然多增加了一個功率環(huán)節(jié)，但輸入功率因數(shù)高，克服了前種方法的缺點，而逆變器輸出信號的諧波仍較大。用不可控整流器整流，pwm型逆變器調(diào)壓如圖1.7（c）所示，在這種控制方法中，由于采用不可控整流器整流，故輸入功率因數(shù)高：采用pwm型逆變器則輸出諧波可以減少。這樣，前兩種調(diào)壓控制方法中存在的缺點問題都解決了。諧波能減少的程度取決于功率開關元件的開關頻率，而開關頻率則受器件開關時間的限制。當采用可控關斷的全控式功率開關元件以后，開關頻率才得以大大提高，逆變器的輸出波形幾乎是正弦波，因此成為當前常被采用的一種調(diào)壓控制方法。 圖1.7 交-直-交

22、變流器的各種結(jié)構(gòu)2.按直流電源的性質(zhì)分類當逆變器輸出側(cè)的負載為交流電動機時，在負載和直流電源之間將有無功功率的交換。用于緩沖無功功率的中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件可以是電容或是電感，據(jù)此，變頻器分成電流型變頻器和電壓型變頻器兩大類。（1）電流型 電流型變頻器主電路的典型構(gòu)成方式如圖1.8所示。其特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié)，無功功率將由該電感來緩沖。由于電感的作用，直流電流id趨于平穩(wěn)，電動機的電流波形為方波或階梯波，電壓波形接近于正弦波。直流電源的內(nèi)阻較大，近似于電流源，故稱為電流源型變頻器或屯流型變頻器。 電流型變頻器的一個較突出的優(yōu)點是，當電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，回饋到直流側(cè)的再

23、生電能可以方便地回饋到交流電網(wǎng)，不需在主電路內(nèi)附加任何設備，只要利用網(wǎng)側(cè)的不可逆變流器改變其輸出電壓極性（控制角90）即可。 這種電流型變頻器可用于頻繁急加減速的大容量電動機的傳動。在大容量風機、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應用。圖1.8 電流源型變頻器（2）電壓型電壓型變頻器主電路的典型構(gòu)成方式如圖1.9所示。其特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容，負載的無功功率將由它來緩沖。由于大電容的作用，主電路直流電壓ud比較平穩(wěn)，電動機端的電壓為方波或階梯波。直流電源內(nèi)阻比較小，相當于電壓源，故稱為電壓源型變頻器或電壓型變頻器。圖1.9 電壓源型變頻器3.按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類變頻調(diào)速時，需要同時調(diào)節(jié)變頻器

24、的輸出電壓和頻率，以保證電動機主磁通的恒定。對于輸出電壓的調(diào)節(jié)主要有兩種方式：脈沖幅值調(diào)制（pam）方式和脈沖寬度調(diào)制（pwm）方式。（1）脈沖幅值調(diào)節(jié)（pam）。 根據(jù)變頻原理知，要想保持電動機的主磁通為恒值，在變頻的同時也必須變壓。因此，實現(xiàn)變頻也變壓的最容易想到的方法，便是在調(diào)節(jié)頻率的同時，也調(diào)節(jié)直流電壓。設fn為調(diào)制前的頻率；tn為調(diào)制前的周期；udn為調(diào)制前的直流電壓，則調(diào)制前逆變電路的輸出波形如圖1.10（a）所示。又設fx為調(diào)制后的頻率；tx為調(diào)制后的周期；udx為調(diào)制后的直流電壓，則調(diào)制后逆變電路的輸出電壓波形如圖1.10（b）所示。這種方法的特點是，變頻器在改變輸出頻率的同時

25、，也改變了電壓的幅值，故稱為脈幅調(diào)制，常用pam（pulse amplitude modulation）表示。pam需要同時調(diào)節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關系，故其控制電路比較復雜。 圖1.10 pam調(diào)制的輸出電壓（2）脈沖寬度調(diào)節(jié)（pwm） 把每半個周期內(nèi)輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每兩個脈沖間的間隔寬度為t2 ，則脈沖的占空比為 （1-9）這時，電壓的平均值和占空比的大小成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果，如圖1.11所示。 其中，圖1.11（a）為調(diào)制前的波形

26、，圖1.11（b）為調(diào)制后的波形。與圖1.11（a）相比，圖1.11（b）的電壓周期增大（頻率降低），電壓脈沖的幅值不變，而占空比則減小，故平均電壓降低。圖1.11 脈寬調(diào)制的輸出電壓此法的特點是，變頻器在改變輸出頻率的同時，也改變輸出電壓的脈沖占空比（幅值不變），故稱為脈寬調(diào)制，常用pwm（pulse width modulation）表示。pwm只須控制逆變電路輸出電壓的脈沖寬度便可實現(xiàn)，與pam相比，控制電路簡化了許多。不論是pam還是pwm，其輸出電壓和電流的波形都是非正弦波，具有許多諧波成分。為了使輸出電流的波形接近于正弦波，又提出了正弦波脈寬調(diào)制的方式。圖1.12 spwm的輸出電

27、壓在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小。反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，如圖1.12所示。這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的諧波成分大為減小。在圖1.13的脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波（基準波或調(diào)制波）和等腰三角波（載波）的交點來決定主開關器件v1或v2的導通時間而實現(xiàn)調(diào)壓的。利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。這種參考信號為正弦波、輸出電壓平均值近似為正弦波的pwm方式稱為正弦pwm（sinusoidal pulse width modulation

28、，spwm）方式，簡稱spwm控制方式。圖1.13 spwm的調(diào)制過程目前幾乎所有的變頻裝置都采用pwm技術。pwm技術用于變頻器的控制，可以改善變頻器的輸出波形，降低電動機的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動。pwm技術除了用于逆變器的控制，還可用于整流器的控制。pwm整流器現(xiàn)已開發(fā)成功，利用它可以實現(xiàn)輸入電流正弦和電網(wǎng)功率因數(shù)為1；人們稱具有pwm整流器的變頻器是對電網(wǎng)無污染的綠色變頻器。4.按變頻控制方式分類 交流電動機在運行時，對交流電源的電壓和頻率關系有一定的要求。變頻器作為控制電源，需要滿足對電動機特性的最優(yōu)控制，目的是最大限度地改善電動機的工作狀態(tài)，提高效率。根據(jù)變頻控制方式的不同，變頻器

29、大致可以分4類（更詳細的介紹在本章1.4節(jié)）：u/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器、矢量控制變頻器和直接轉(zhuǎn)矩變頻器。 5.按用途分類從變頻器的實際應用目的出發(fā)，考慮到經(jīng)濟成本和運行指標，在變頻器的功能、控制方式和控制成本等方面均有不同的考慮。根據(jù)用途的不同，變頻器可以有以下分類。（1）通用變頻器 通用變頻器的特點就是其通用性，它適用于對調(diào)速性能沒有嚴格要求的場合，隨著變頻技術的進一步發(fā)展，通用變頻器發(fā)展為以節(jié)能運行為主要目的的風機、泵類等平方轉(zhuǎn)矩負載使用的平方轉(zhuǎn)矩變頻器和以普通恒轉(zhuǎn)矩機械為主要控制對象的恒轉(zhuǎn)矩變頻器。（2）專用變頻器 專用變頻器是指應用于某些特殊場合的具有某種特殊性能的變頻器，

30、其特點是某個方面的性能指標極高，因而可以實現(xiàn)高控制要求，但相對價格較高。專用變頻器又分為高性能專用變頻器、高頻變頻器和高壓變頻器。此外，變頻器按電壓等級可分低壓變頻器和高壓變頻器，低壓變頻器分為單相220v、三相380v、三相660v、三相1140v。高壓（國際上稱作中壓）變頻器分為：3kv、6kv和l0kv三種。如果采用共用直流母線逆變器，則要選擇直流電壓，其等級有24v、48v、ll0v、200v、500v、1000v等。1.4 變頻器的控制方式變頻器的控制方式是指變頻器在對異步電動機進行變頻調(diào)速時，改善異步電動機的機械性能和調(diào)速性能的方式。因此即使變頻器的主電路一樣，逆變器件也相同，單片

31、機位數(shù)也一樣，只要控制方式不一樣，其控制效果也不一樣。所以控制方式是很重要的。它代表變頻器的水平。目前變頻器的控制方式有：u/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等方式。1. u/f控制方式u/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓，使電動機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的效率、功率因數(shù)不下降。因為是控制電壓（voltage）與頻率（frequency）之比，所以稱為u/f控制。u/f控制又稱vvvf控制方式。該類變頻器大多采用16位單片機，屬于近似的恒磁通控制方式。該控制方式是普通功能型通用變頻器的核心功能。為保證通用變頻器的性能，通常還有瞬時停電再起動功能

32、、變頻器和電網(wǎng)間的自動切換功能、控制信號的設定、調(diào)整功能，聯(lián)鎖信號的輸入和輸出功能以及對變頻器、電動機的保護功能，對故障信息的存儲和顯示功能等。這種控制方式雖屬普通功能型，但由于全數(shù)字控制方式軟件的靈活性，也表現(xiàn)出較優(yōu)異的功能和性能，有較強的通用性，得到了廣泛的應用，特別是在風機、泵及木工機械等方面應用較多。采用u/f控制方式，利用人為選定的u/f曲線設定方法，很難根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩的變化恰當?shù)卣{(diào)整電動機的轉(zhuǎn)矩。負載沖擊或起動過快，有時會引起過電流跳閘。由于定子電流不總是與轉(zhuǎn)子電流成正比，所以根據(jù)定子電流調(diào)節(jié)變頻器電壓的方法，并不反映負載轉(zhuǎn)矩。因此，定子電壓也不能根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩的改變而恰當?shù)馗淖冸姶呸D(zhuǎn)

33、矩。特別是在低速下，定子電壓的設定值相對較低，采用補償電壓辦法實現(xiàn)準確的補償是困難的。由于定子電阻壓降隨負載變化，當負載較重時可能補償不足；負載較輕時可能產(chǎn)生過補償，磁路過飽和。這兩種情況均可能引起變頻器的過電流跳閘，這是這種控制方式的第一個缺點。采用u/f控制方式，無法準確地控制電動機的實際轉(zhuǎn)速。變頻器的設定值為定子頻率而電動機的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)差率（負載）決定，則u/f控制方式的靜態(tài)穩(wěn)定性不高。這是它的第二個缺點。電動機的轉(zhuǎn)速很低時，轉(zhuǎn)矩不足，這是它的第三個缺點。2.轉(zhuǎn)差頻率控制方式上述的普通功能型u/f控制通用變頻器的缺點都是由于變頻器沒有轉(zhuǎn)矩控制功能引起的。為了提高靜態(tài)穩(wěn)定性、加大調(diào)速范圍、改

34、善起動性能，并避免不必要的過電流跳閘，人們采取一系列的措施，其著眼點都在于實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制功能。轉(zhuǎn)差頻率是施加于電動機的交流電源頻率與電動機速度的差頻率。根據(jù)異步電動機穩(wěn)定數(shù)學模型可知，當頻率一定時，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率，機械特性為直線。轉(zhuǎn)差頻率控制就是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流。其實現(xiàn)思想是：通過檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速，根據(jù)設定頻率與實際頻率的差對輸出頻率進行連續(xù)的調(diào)節(jié)，從而使輸出頻率始終滿足電動機設定轉(zhuǎn)速的要求。因為其基本結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以在調(diào)整轉(zhuǎn)速的同時，對輸出轉(zhuǎn)矩也進行了控制。與簡單的u/f控制方式比較，采用這種控制方式的變頻器可以實現(xiàn)更好的調(diào)速精度和轉(zhuǎn)矩特性，系

35、統(tǒng)的調(diào)速精度、加減速特性及限制過電流的能力等大大提高，有助于改善異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。但由于要檢測電動機轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，通用性較差。當生產(chǎn)工藝提出更高的靜態(tài)、動態(tài)性能指標要求時，需要采用矢量控制來滿足更高工業(yè)應用的要求。3.矢量控制方式矢量控制，也稱磁場定向控制。它是70年代初由西德f.blasschke等人首先提出。矢量控制是通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及相位，用以維持電動機內(nèi)部的磁通為設定值，產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學模型、利用坐標變換的手段，將交流電動機的定子電流分解成勵磁分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，從而控制了電動機的轉(zhuǎn)矩，即模仿自然

36、解耦的直流電動機的控制方式，對電動機的磁場和轉(zhuǎn)矩分別進行控制，以獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能。目前在變頻器中實際應用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。矢量控制方式是一種高性能的異步電動機的控制方式，不僅使控制系統(tǒng)的動態(tài)響應快、低頻時電磁轉(zhuǎn)矩大，而且控制靈活，矢量控制變頻器的調(diào)速性能可以完全達到直流調(diào)速的調(diào)速精度和過度過程快速性要求。各種高端變頻器普遍采用矢量控制方式，但進行矢量控制時需要準確地掌握電動機的相關參數(shù)，往往適合于專用變頻電動機的場合。4.直接轉(zhuǎn)矩控制方式 1985年，德國魯爾大學的depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理

37、論，該技術在很大程度上解決了矢量控制的不足，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是利用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)（band-band控制）產(chǎn)生pwm信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算，不需要模仿直流電動機的控制，也不需要解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型，是一種控制結(jié)構(gòu)簡單、控制手段直接，具有高靜態(tài)、動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。20世紀80年代abb公司發(fā)明的直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）變頻器是交流傳動中革命性的電動機

38、控制方式，不需在電動機軸上安裝脈沖編碼器來反饋轉(zhuǎn)子位置信號而具有精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，并能在零轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生滿載轉(zhuǎn)矩。1.5 變頻器的制動采用通用變頻器供電的異步電動機電氣制動有再生發(fā)電制動（能耗制動）與直流制動兩種。1.5.1 再生發(fā)電制動在通用變頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中，當給定頻率降低或者所拖動的位能負載下放時，此時異步電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度將超過旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度，因此轉(zhuǎn)子導體中的感應電動勢反向，電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩反向，電磁轉(zhuǎn)矩（與阻力矩同向）起制動作用，使電動機減速。此時的異步電動機相當于一臺異步發(fā)電機，將旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)所存儲的動能或重物下放的位能轉(zhuǎn)換成電能。逆變器的回饋

39、二極管將這部分電能回饋到直流側(cè)。此時的逆變器處于整流狀態(tài)。如果在標準型的變頻器（電網(wǎng)側(cè)變流器為不可控的二極管整流橋）中不采取另外的措施，這部分能量將導致中間回路的儲能電容器的電壓上升。當電動機的制動并不太快，電容器電壓升高的值并不十分明顯，一旦電動機恢復到電動狀態(tài)，這部分能量又被負載所重新利用。當制動較快，電容器電壓升得過高時，裝置中的“制動過電壓保護”將動作，以保護變頻裝置的安全。所以，當制動過快或機械負載為提升機時，這部分再生能量的處理方法一般有如下三種。 1.動力制動利用設置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電能的方式稱為動力制動，如圖1.14所示。這種方法就是通過與直流回路濾波電容

40、c并聯(lián)的放電電阻rb，將這部分電能消耗掉，因此也稱再生能耗制動。圖1.14中虛線框內(nèi)為制動單元（pw），它包括制動用的晶體管vb、二極管vdb和內(nèi)部制動電阻rb。當電動機制動，能量經(jīng)逆變器回饋到直流側(cè)時，直流回路中的電容器的電壓將升高，當該電壓值超過設定值時，給vb施加基極信號使之導通，將rb （或reb）與電容器并聯(lián)起來，存儲在電容中的回饋能量經(jīng)rb （或reb）消耗掉。基于這一事實，有的資料又稱這種制動為“能耗制動”。 此單元實際上只起消耗電能防止直流側(cè)過電壓的作用。它并不起制動作用，但人們習慣稱此單元為制動單元。制動單元中如果回饋能量較大或要求強制動，還可以選用接于h、g兩點上外接制動電

41、阻reb，reb的阻值與功率應符合產(chǎn)品樣本要求。在變頻器的控制回路中，具有控制制動單元的軟件功能，可以通過特定的功能碼，予以恰當?shù)脑O定。對于大多數(shù)的通用變頻器，圖1.14中的vb、vdb都設置在變頻裝置的內(nèi)部。甚至ipm組件中，也將制動igbt集成在其中。制動電阻器rb絕大多數(shù)放在變頻器的外部，只有功率較小的變頻器才將rb置于裝置的內(nèi)部。圖1.14 動力制動單元2.回饋制動回饋制動就是通過與整流器反并聯(lián)的回饋單元（scr有源逆變器（橋），將電動機再生制動時回饋到直流側(cè)的有功能量回饋到交流電網(wǎng)，如圖1.15所示。這種情況整流單元也必須采用晶閘管整流元件，一般采用邏輯無環(huán)流工作方式?；仞亞卧c電網(wǎng)

42、之間應串接一臺自耦變壓器，此種制動方法雖然可以把旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲的能量回饋給電網(wǎng)，但對供電電網(wǎng)的要求比較高。一是電網(wǎng)電壓波動要小，且必須可靠; 二是電網(wǎng)短路容量要大，否則在回饋期間，電源電壓偏低或電源被切斷，有源逆變器就會迅速直通，引起換流失敗，燒壞快速熔斷器及晶閘管元件。因此，對電網(wǎng)電壓波動較大（如帶有電爐負載的電網(wǎng)），或采用接觸式供電（如行車、機車車輛）的場合以采用動力制動為好，雖然浪費了一點電能，但可靠性大大提高。圖1.15 帶變壓器的scr有源逆變回饋電路圖1.15中的scr有源逆變器的控制角（即）時，可使電動機的制動能量回饋到交流電網(wǎng)。電動狀態(tài)與回饋狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是有條件的，回饋制動的實現(xiàn)，

43、可以通過控制角來實現(xiàn)。3. 直流公共母線在多電動機傳動系統(tǒng)中，每臺電動機都要由一臺變頻器單獨拖動，每臺電動機既可以單獨處于電動狀態(tài)，又可以單獨處于制動狀態(tài)，這是由生產(chǎn)工藝決定的。采用通用變頻器傳動時，必須考慮再生能量的處理問題，除了前面所述的對每臺電動機都可以采用標準的制動單元（pw）或再生能量回饋（ngp）方式以外，在特定的情況下，公用直流母線方式可以用于多機傳動系統(tǒng)。公共直流母線技術是在多電機交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用單獨的整流/ 回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電源，調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上。當系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時，逆變器從母線上獲取電能；當系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時，能量通過母線及回饋

44、裝置直接回饋給電網(wǎng)，以達到節(jié)能、提高設備運行可靠性、減少設備維護量和設備占地面積等目的。（1）公共直流母線控制系統(tǒng)的組成公共直流母線控制系統(tǒng)通常由整流/ 回饋單元、公共直流母線、逆變單元等組成。整流/回饋單元可分為通過自耦變壓器的能量回饋和不通過自耦變壓器的能量回饋兩種方式。通過自耦變壓器的能量回饋可提高回饋支路中的電源電壓，目的是在能量回饋過程中不必降低中間回路電壓，使得逆變器能夠獲得一個較恒穩(wěn)的直流電源；不通過自耦變壓器的能量回饋實際上是保持系統(tǒng)一直處在回饋狀態(tài)，在整流過程中依靠持續(xù)降低具有相角控制的中間回路的電壓來實現(xiàn)。各大傳動設備供貨商如西門子、abb、alstom等均可以提供公共直流

45、母線控制系統(tǒng)的各設備。圖1.16是西門子的6se70公共直流母線控制系統(tǒng)。該交流傳動調(diào)速系統(tǒng)主回路由進線主開關qf、快熔fu、接觸器km、進線電抗器l、自藕變壓器t、一個整流/回饋單元和三臺逆變器組成。在正常工作時假如有一個逆變器處于整流工作狀態(tài)，即能量由電動機回饋到直流母線上，而其他逆變器則均處于逆變工作狀態(tài)，將直流母線上的電能輸送到對應的電動機中。這樣通過直流母線實現(xiàn)了逆變器之間以及逆變器和整流器之間的能量交換；將處于整流狀態(tài)的逆變器發(fā)出的電能通過直流母線輸送到其他處于逆變狀態(tài)的逆變器中，若逆變器逆變所需的總能量大于逆變器整流發(fā)出來的總能量時，可通過整流器從電網(wǎng)補充電能；反之，利用可逆整流

46、器將電能回饋給電網(wǎng)。這樣將原本需通過能耗制動消耗的電能用于驅(qū)動其他電動機或回饋到電網(wǎng)，大幅度地節(jié)省了電能。為使整流/回饋單元投入工作，需要在端子x9:1和x9:2之間外加dc24v電源，其電流需求量同裝置規(guī)格有關。為使整流/回饋單元在電氣上同電網(wǎng)隔離，需要裝設一臺主開關或功率隔離開關。主接觸器能夠在工作時將裝置投入或退出電網(wǎng)且在故障時保護所連接的裝置。按標準，主接觸器由裝置電子板控制。此外，按標準vde0160整流/回饋單元通過一臺進線電抗器實現(xiàn)同電網(wǎng)隔離和限制其對電網(wǎng)的反作用，這樣既可避免電網(wǎng)諧波對調(diào)速系統(tǒng)的影響，也可減少整流裝置產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)的影響?；仞仒蛴米择钭儔浩饔幸韵聝?yōu)點：即使

47、在發(fā)電狀態(tài)工作時，在所有電動機轉(zhuǎn)速下均可達到電機動的最大轉(zhuǎn)矩。在小電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓有擾動時，有一個較好的適用性。（2）公共直流母線的優(yōu)點多電動機傳動系統(tǒng)內(nèi)的多臺傳動電動機無論是工作在電動狀態(tài)或是工作在發(fā)電制動狀態(tài)，其再生制動能量經(jīng)直流母線側(cè)逆變橋回饋至電網(wǎng)，有效抑制了過流和過壓故障的發(fā)生；其獨特的公共直流母線供電方式可使系統(tǒng)內(nèi)處于發(fā)電狀態(tài)的電動機再生制動能量經(jīng)公共直流母線提供給處于電動狀態(tài)的電動機，具有明顯的節(jié)能效果。圖1.16 公共直流母線控制系統(tǒng)的組成整個變頻調(diào)速系統(tǒng)是由一個整流/回饋單元3臺逆變器來分別驅(qū)動3臺電動機以代替系統(tǒng)內(nèi)的多臺單個變頻器，它與傳統(tǒng)的一個系統(tǒng)使用多臺單個變頻器的方案相

48、比，省去了大量的制動單元、制動電阻等外圍設備，具有投資省、電路結(jié)構(gòu)緊湊、設備占地面積和維護量小等優(yōu)點，提高了設備的整體控制水平。1.5.2 直流制動直流制動是使變頻器向異步電動機的定子任意兩相通以直流電，異步電動機便處于能耗制動狀態(tài)。這種情況下變頻器的輸出頻率為零，異步電動機的定子磁場不再旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動著的轉(zhuǎn)子切割這個靜止磁場而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲的動能轉(zhuǎn)換成電能消耗于異步電動機的轉(zhuǎn)子回路中。直流制動主要用于準確停車與防止起動前電動機由于外因引起的不規(guī)則自由旋轉(zhuǎn)（如風機類負載）。當直流制動用于準確停車時，一般都應先進行再生發(fā)電制動，在電動機減速到較低時，進行直流制動。這是因為高速時進行直流制

49、動，異步電動機轉(zhuǎn)子電流的頻率與幅值都很高，轉(zhuǎn)子鐵損很大，導致電動機發(fā)熱嚴重，但得到的制動轉(zhuǎn)矩卻并不太大，另一方面準確停車也較難保證，而采用先再生發(fā)電制動，等降頻到fdb再進行直流制動，就可確保準確停車。如圖1.17所示為利用直流制動實現(xiàn)準確停車的過程。圖1.17（a）表示通用變頻器的輸出頻率和直流制動中電動機轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律，圖1.17（b）為與圖1.17（a）相對應的異步電動機的機械特性。在運行信號的作用下，變頻器首先開始連續(xù)降頻，達到fdb后則開始直流制動，使輸出頻率變?yōu)榱恪ｋ妱訖C則經(jīng)歷再生發(fā)電制動和直流能耗制動后最終停止。如果調(diào)整得當，生產(chǎn)機械將準確地停止在預定位置上。圖1.17 利

50、用直流制動實現(xiàn)準確停車通用變頻器中對直流制動功能的控制，主要通過設定直流制動起始頻率fdb、制動電流idb和制動時間tdb來實現(xiàn)；fdb、idb和tdbt的意義如圖1.17（a）所示。通常情況下，起始制動頻率不宜設定得太高，例如圖1.17（a）中的fdb是比較合適的。在這個fdb下，電動機的運行情況如圖1.17（b）所示，經(jīng)歷了abcd一0的減速停車過程。其中，bc的連續(xù)降頻過程中，電動機處于再生發(fā)電制動狀態(tài)，而頻率小于fdb的d0階段，電動機處于能耗制動狀態(tài)（即所謂直流制動狀態(tài)）。小 結(jié)本章主要介紹了通用變頻器的有關基礎知識。通過三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式分析在改變電源頻率的調(diào)速過程中，為了保持主磁通不變，在改變電源頻率的