變頻調速的基本原理

1、變頻調速的基本原理變頻調速的基本原理 毛長柏毛長柏 二二008 年年 七月七月 變頻調速系統(tǒng)的核心是變頻器，變頻器的構成及工作原 理較復雜，本課題僅對變頻器的基本原理、安裝及維護等作一 簡單介紹。 一、概述 1 變頻調速的基本原理 我們知道，三相交流異步電動機的轉速為； 式中 f1 -電動機電源的頻率(Hz)； p -電動機定子繞組的磁極對數(shù)； s -轉差率。 可見，在轉差率s變化不大的情況下，可以認為， 調節(jié)電動機定子電源頻率時，電動機的轉速大致隨之成 正比變化若均勻改變電動機電源的頻率，則可以平滑 地改變電動機的轉速。 2 2變頻器及其分類變頻器及其分類 變頻器是利用半導體器件的通斷作用將

2、頻率固變頻器是利用半導體器件的通斷作用將頻率固 定定( (通常為工頻通常為工頻50 Hz)50 Hz)的交流電的交流電( (三相或單相三相或單相) )變換成變換成 頻率連續(xù)可調的交流電的電能控制裝置，其作用如頻率連續(xù)可調的交流電的電能控制裝置，其作用如 下圖所示。下圖所示。 變頻器的種類很多，分類方法也有多種。變頻器的種類很多，分類方法也有多種。 (1)按變換環(huán)節(jié)可分為二類按變換環(huán)節(jié)可分為二類 1）交）交交變頻器交變頻器 把頻率固定的交流電直接變換成頻率和把頻率固定的交流電直接變換成頻率和 電壓連續(xù)可調的交流電。其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，故變換電壓連續(xù)可調的交流電。其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，故

3、變換 效率高。但連續(xù)可調的頻率范圍窄，一般為額定頻率的效率高。但連續(xù)可調的頻率范圍窄，一般為額定頻率的l2以以 下，主要適用于電力牽引等容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。下，主要適用于電力牽引等容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。 2)交一直一交變頻器交一直一交變頻器 先把頻率固定的交流電整流成直流電，先把頻率固定的交流電整流成直流電， 再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調的三相交流電。由于把直流電再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調的三相交流電。由于把直流電 逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制，因此在頻率的調節(jié)范圍以及改逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制，因此在頻率的調節(jié)范圍以及改 善變頻后電動機的特性等方面，部有明顯優(yōu)勢，是目前廣泛采善變

4、頻后電動機的特性等方面，部有明顯優(yōu)勢，是目前廣泛采 用的變頻方式。用的變頻方式。 (2)按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分為二類按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分為二類 1)電流型變頻器電流型變頻器 直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電感線圈直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電感線圈L，如下，如下 圖圖a所示所示 2)電壓型變頻器電壓型變頻器 直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電容器直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電容器C，如下圖，如下圖b 所示。所示。 (3)按工作原理按工作原理L分為三類分為三類 1) V/控制變頻器控制變頻器 V/仃控制的基本特點是對變仃控制的基本特點是對變 頻器輸出的電壓和頻率同時進行控制，通過使頻器輸出的電壓和頻率同時進行控制，通過使V/(電壓

5、電壓 和頻率的比和頻率的比)的值保持一定而得到所需的轉矩特性。采用的值保持一定而得到所需的轉矩特性。采用 V/控制的變頻器控制電路結構簡單，成本低，多用于對控制的變頻器控制電路結構簡單，成本低，多用于對 精度要求不高的通用變頻器精度要求不高的通用變頻器 2)轉差頻率控制變頻器轉差頻率控制變頻器 轉差頻率控制方式是對轉差頻率控制方式是對Vf 控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上的速度控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上的速度 傳感器檢測出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調節(jié)器傳感器檢測出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調節(jié)器 的輸出為轉差頻率，而變頻器的輸出頻率則由電動機的實的輸

6、出為轉差頻率，而變頻器的輸出頻率則由電動機的實 際轉速與所需轉差頻率之和決定。由于通過控制轉差頻率際轉速與所需轉差頻率之和決定。由于通過控制轉差頻率 來摔制轉矩和電流，與來摔制轉矩和電流，與V/控制相比其加減速特性和限制控制相比其加減速特性和限制 過流的能力得到提高。過流的能力得到提高。 3) 矢量控制變頻器矢量控制變頻器 矢量控制是一種高性能異步矢量控制是一種高性能異步 電動機控制力式，它的基本思路是：電動機控制力式，它的基本思路是： 將異步電動機的定子電流分為產(chǎn)生磁場電流將異步電動機的定子電流分為產(chǎn)生磁場電流 的分量的分量(勵磁電流勵磁電流)和與其垂直的產(chǎn)生轉矩的電流分和與其垂直的產(chǎn)生轉矩

7、的電流分 量量(轉矩電流轉矩電流)，并分別加以控制。，并分別加以控制。 由于在這種控制方式中必須同時控制異步電由于在這種控制方式中必須同時控制異步電 動機定子電流的幅值和相位，即定于電流的矢量，動機定子電流的幅值和相位，即定于電流的矢量， 因此這種控制方式被稱為矢量控制方式。因此這種控制方式被稱為矢量控制方式。 轉差頻率控制和矢量控制的原理鞍復雜，本轉差頻率控制和矢量控制的原理鞍復雜，本 次不作進一步的討論。次不作進一步的討論。 (4)按用途可分為三類按用途可分為三類 I)通用變頻器通用變頻器 所謂通用變頻器，是指能與普通的籠所謂通用變頻器，是指能與普通的籠 型異步電動機配套使用，能適應各種不

8、同性質的負載并具型異步電動機配套使用，能適應各種不同性質的負載并具 有多種可供選擇功能的變頻器。有多種可供選擇功能的變頻器。 2)高性能專用變頻器高性能專用變頻器 高性能專用變頻器主要應用于高性能專用變頻器主要應用于 對電動機的控制要求較高的系統(tǒng)，與通用變頻器相比，高對電動機的控制要求較高的系統(tǒng)，與通用變頻器相比，高 性能專用變頻器大多數(shù)采用矢量控制方式，驅動對象通常性能專用變頻器大多數(shù)采用矢量控制方式，驅動對象通常 是變頻器廠家指定的專用電動機。是變頻器廠家指定的專用電動機。 3)高頻變頻器高頻變頻器 在超精密加工和高性能機械中，常常要在超精密加工和高性能機械中，常常要 用到高速電動機，為了

9、滿足這些高速電動機的驅動要求，用到高速電動機，為了滿足這些高速電動機的驅動要求， 出現(xiàn)了采用出現(xiàn)了采用PAM(脈沖幅值調制，是一種在整流電路部分脈沖幅值調制，是一種在整流電路部分 對輸電壓的幅值進行控制，而在逆變電路部分對輸山頻率對輸電壓的幅值進行控制，而在逆變電路部分對輸山頻率 進行控制的控制方式進行控制的控制方式)控制方式的高頻變頻器，其輸出頻控制方式的高頻變頻器，其輸出頻 率可達到率可達到3 kHz。 二二 變顓器的基本結構變顓器的基本結構 目前生產(chǎn)中廣泛應用的是通用變頻器，根據(jù)功率目前生產(chǎn)中廣泛應用的是通用變頻器，根據(jù)功率 的大小，從外形上看有書本型結構的大小，從外形上看有書本型結構(

10、0.7537 kW)和裝和裝 柜型結構柜型結構(451500 kW)兩種。日本日立公司的兩種。日本日立公司的J300系系 列通用變頻器為書本型結構，其外形和結構如下圖所示。列通用變頻器為書本型結構，其外形和結構如下圖所示。 a)外型 b)結構 l一底座 2一外殼 3一控制電路接線端子 4充電指示燈 5一防護蓋板 6一前蓋 7螺釘 8一數(shù)字操作面板 9主電路接線端于 lO一接線孔 從電路結構上看，通用變頻器大多采用交從電路結構上看，通用變頻器大多采用交- 直直-交變頻變壓方式，其基本構成如下圖所示。交變頻變壓方式，其基本構成如下圖所示。 交交-直直-交變頻器的基本構成交變頻器的基本構成 (1)

11、變頻器的主電路 通用變頻器的主電路如下圖所示它主 要由以下幾部分組成； 交-直一交變頻器的主電路 1)整流部分整流部分 整流部分的作用是將頻率固定的三相整流部分的作用是將頻率固定的三相 交流電變換成直流電。包括：交流電變換成直流電。包括： 三相整流橋三相整流橋 由整流二極管由整流二極管VDIVD6構成三相構成三相 橋式整流電路。如電源的線電壓為橋式整流電路。如電源的線電壓為UL整流后的平均電整流后的平均電 壓為：壓為： 濾渡電容器濾渡電容器CF 其作用是濾平橋式整流后的電壓紋波，使其作用是濾平橋式整流后的電壓紋波，使 直流電壓保持平穩(wěn)。直流電壓保持平穩(wěn)。 限流電阻限流電阻RL和開關和開關S 在

12、變頻器電源接通的瞬間，濾波電容在變頻器電源接通的瞬間，濾波電容 CF的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的 二極管。為了保護二極管在電路中串入限流電阻二極管。為了保護二極管在電路中串入限流電阻RL，從而將電容，從而將電容 器器CF的充電電流限制在允許的范圍內。當?shù)某潆婋娏飨拗圃谠试S的范圍內。當CF充電到一定程度，令充電到一定程度，令 開關開關S接通，將接通，將RL短接掉。短接掉。 在許多新系列的變頻器中。在許多新系列的變頻器中。s已由晶閘管代替。已由晶閘管代替。 電源指示電源指示HL HL除表示電源是否接通外，還有除表示電源

13、是否接通外，還有 一一 個重個重 要的功能，即在變頻器切電源后，指示電容器要的功能，即在變頻器切電源后，指示電容器CF上的電荷是否上的電荷是否 已釋放完畢。已釋放完畢。 電容器電容器CF的容量較大，而切斷變頻器電源又必須在逆變電的容量較大，而切斷變頻器電源又必須在逆變電 路停路停l止工作的狀態(tài)下進行，所以止工作的狀態(tài)下進行，所以CF沒有快速放電電路，其放沒有快速放電電路，其放 電時間往往需數(shù)分鐘，而電時間往往需數(shù)分鐘，而CF上的電壓又較高，如不放完，將對上的電壓又較高，如不放完，將對 人身安全構成威脅。故在維修時，必須等人身安全構成威脅。故在維修時，必須等HL完全熄滅后才能接完全熄滅后才能接

14、觸變頻器的內部帶電部分。觸變頻器的內部帶電部分。 2)逆變部分逆變部分 逆變管逆變管V1V6構成三相逆變橋，這六個逆變管按一定規(guī)構成三相逆變橋，這六個逆變管按一定規(guī) 律輪流導通和截止，將直流電逆變成頻率可調的三相交流電。律輪流導通和截止，將直流電逆變成頻率可調的三相交流電。 續(xù)流二極管續(xù)流二極管VD7-VDl2的主要作用是在換相過程中為電的主要作用是在換相過程中為電 流提供通路。流提供通路。 緩沖電路緩沖電路(R01-R06、VD01VD06、C01C06)的作的作 用是限制過高的電流和電壓，保護逆變管免遭損壞。用是限制過高的電流和電壓，保護逆變管免遭損壞。 3)制動電阻制動電阻RB和制動單元

15、和制動單元VB 采用了變頻器的采用了變頻器的 交流調速系統(tǒng)中，電動機的減速是通過降低變頻器的交流調速系統(tǒng)中，電動機的減速是通過降低變頻器的 輸出頻率來實現(xiàn)的。在電動機減速過程中，當變頻器輸出頻率來實現(xiàn)的。在電動機減速過程中，當變頻器 的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)， 拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電壓上拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電壓上 升，導致變頻器本身的過電壓保護電路動作，切斷變升，導致變頻器本身的過電壓保護電路動作，切斷變 頻器的輸出。為避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直頻器的輸出。為避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必

16、須將再生到直 流電路的能量消耗掉，流電路的能量消耗掉，RB和和VB的作用就是消耗這部的作用就是消耗這部 分能量。如上圖所示。分能量。如上圖所示。 當直流中間電路的電壓上升到一定值時，制動三當直流中間電路的電壓上升到一定值時，制動三 極管極管VB導通將回饋到直流電路的能量消耗在制動導通將回饋到直流電路的能量消耗在制動 電阻上。電阻上。 (2)變頻器的控制電路變頻器的控制電路 為變頻器的主電路提供通斷控制信號的電路，為變頻器的主電路提供通斷控制信號的電路， 稱為控制電路。其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制和提供多稱為控制電路。其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制和提供多 種保護功能。

17、控制方式有模擬控制和數(shù)字控制兩種。目前已廣泛采用了以種保護功能?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種。目前已廣泛采用了以 微處理器為核心的全數(shù)字控制技術，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠微處理器為核心的全數(shù)字控制技術，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠 軟件來完成各種控制功能軟件來完成各種控制功能,以充分發(fā)揮微處理器計算能力強和軟件控制靈活以充分發(fā)揮微處理器計算能力強和軟件控制靈活 性高的特點，完成許多模擬控制方式難以實現(xiàn)的功能?？刂齐娐分饕梢孕愿叩奶攸c，完成許多模擬控制方式難以實現(xiàn)的功能?？刂齐娐分饕梢?下部分組成下部分組成 。 1)運算電路運算電路 運算電路的主要作用是將外部的速度、轉矩等指

18、令信號同運算電路的主要作用是將外部的速度、轉矩等指令信號同 檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定變頻器的輸出頻率和電壓檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定變頻器的輸出頻率和電壓? 2)信號檢測電路將變頻器和電動機的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微信號檢測電路將變頻器和電動機的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微 處理器按事先確定的算法進行處理后為各部分電路提供所需的控制或保護信處理器按事先確定的算法進行處理后為各部分電路提供所需的控制或保護信 號。號。 3）驅動電路）驅動電路 驅動電路的作用是為變頻器中逆變電路的換流器件提供驅驅動電路的作用是為變頻器中逆變電路的換流器件提供驅 動信號。當逆

19、變電路的換流器件為晶體管時，稱為基極驅動電路；當逆變電動信號。當逆變電路的換流器件為晶體管時，稱為基極驅動電路；當逆變電 路的換流器件為路的換流器件為SCR、IGBT或或GTO時，稱為門極驅動電路。時，稱為門極驅動電路。 4)保護電路保護電路 保護電路的主要作用是對檢測電路得到的各種信號進行運箅保護電路的主要作用是對檢測電路得到的各種信號進行運箅 處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當檢測到出現(xiàn)異常時，進行處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當檢測到出現(xiàn)異常時，進行 各種必要的處理，如使變頻器停止工作或抑制電壓、電流值等。各種必要的處理，如使變頻器停止工作或抑制電壓、電流值等。 通

20、用變頻器的蠅型硬件結構如圖456所示。 (3)變頻器中的電力半導休器件變頻器中的電力半導休器件 目前，變頻器中用作逆變的電力半導體目前，變頻器中用作逆變的電力半導體 器什主要有晶閘管器什主要有晶閘管(SCR)、門極可關斷晶閘管、門極可關斷晶閘管(GTO)、電力晶體管、電力晶體管(GTR)、 功率場效應管功率場效應管(功率功率MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、智能功率模塊、智能功率模塊 (IPM)等。等。 1)晶閘管晶閘管(SCR)晶閘管沒有自關斷能力，用門極電流觸發(fā)，關斷時要使晶閘管沒有自關斷能力，用門極電流觸發(fā)，關斷時要使 正向陽極電流減小到維持電流以下，或者在

21、陽極和陰極間加反向電壓。因正向陽極電流減小到維持電流以下，或者在陽極和陰極間加反向電壓。因 此在逆變電路中使用時需要另設換流電路，造成電路結構復雜，增加了變此在逆變電路中使用時需要另設換流電路，造成電路結構復雜，增加了變 頻器的成本，但由于元件容量大，在頻器的成本，但由于元件容量大，在l 000 kVA以上的大容量變頻器中得到以上的大容量變頻器中得到 廣泛應用。廣泛應用。 2)門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管(GTO) 門極可關斷晶閘管是一種可通過門極信號門極可關斷晶閘管是一種可通過門極信號 控制導通和關斷的晶閘管，與普通晶閘管不同，它是利用門極反向電流而控制導通和關斷的晶閘管，與普通晶閘管不

22、同，它是利用門極反向電流而 獲得自關斷能力，因此不需要外部換流電路。由它構成的變頻器具有結構獲得自關斷能力，因此不需要外部換流電路。由它構成的變頻器具有結構 簡單，體積小，成本低，損耗少等優(yōu)點，在變頻器中正在逐步代替普通晶簡單，體積小，成本低，損耗少等優(yōu)點，在變頻器中正在逐步代替普通晶 閘管。閘管。 3)電力晶體管電力晶體管(GTR)電力晶體管主要是采用達林頓連接的雙極型晶體管，電力晶體管主要是采用達林頓連接的雙極型晶體管， 它既擴大了容量，又保持了晶體管的固有特性，用基極電流可控制其關斷，它既擴大了容量，又保持了晶體管的固有特性，用基極電流可控制其關斷， 不需換流電路，在開關頻率為數(shù)千赫的中

23、小容量不需換流電路，在開關頻率為數(shù)千赫的中小容量PWM(脈沖寬度調制脈沖寬度調制)變頻變頻 器中被廣泛采用。器中被廣泛采用。 4)功率場效應管功率場效應管 (功率功率MOSFET)功率場效應管是根據(jù)門極功率場效應管是根據(jù)門極 電壓的電場效應進行導通、關斷的單極晶體管，與電力晶體管電壓的電場效應進行導通、關斷的單極晶體管，與電力晶體管 相比，具有速度快、損耗小、驅動功率小、抗干擾能力強等優(yōu)相比，具有速度快、損耗小、驅動功率小、抗干擾能力強等優(yōu) 點，廣泛應用于小容量變頻器中。點，廣泛應用于小容量變頻器中。 5)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 絕緣柵雙極晶體管是通過柵極絕緣柵雙極晶體管

24、是通過柵極 驅動電壓來控制的晶體管，它集功率驅動電壓來控制的晶體管，它集功率MOSFET和和GTR的優(yōu)點于的優(yōu)點于 一身，具有輸入阻抗高、開關速度陜、驅動電路簡單和通態(tài)電一身，具有輸入阻抗高、開關速度陜、驅動電路簡單和通態(tài)電 壓低、耐壓高等優(yōu)點，岡此有取代壓低、耐壓高等優(yōu)點，岡此有取代GTR和功率和功率MOSFET的趨勢。的趨勢。 目前變頻器主要生產(chǎn)廠家推出的中小容量新產(chǎn)品中大都采用目前變頻器主要生產(chǎn)廠家推出的中小容量新產(chǎn)品中大都采用 IGBT作為換流器件。作為換流器件。 6)智能功率模塊智能功率模塊(IPM)智能功率模塊是一種將功率開關器件智能功率模塊是一種將功率開關器件 及其驅動電路、保護

25、電路等集成在同一封裝內的集成模塊。目及其驅動電路、保護電路等集成在同一封裝內的集成模塊。目 前前IPM一般采用一般采用IGBT作為功率開關器件，對接收到的控制信號作為功率開關器件，對接收到的控制信號 經(jīng)光電耦合隔離后對經(jīng)光電耦合隔離后對IGBT進行驅動，并同時具有過電流保護、進行驅動，并同時具有過電流保護、 過熱保護以及驅動電源電壓不足時的保護等功能。過熱保護以及驅動電源電壓不足時的保護等功能。 2變頻器的工作原理變頻器的工作原理 (I)逆變的基本工作原理逆變的基本工作原理 將直流電變換為交流電的過程稱將直流電變換為交流電的過程稱 為逆變，完成逆變功能的裝置叫逆變器，它是變頻器的重要組為逆變，

26、完成逆變功能的裝置叫逆變器，它是變頻器的重要組 成部分。電壓型逆變器的動作原理可用如下圖所示機械開關的成部分。電壓型逆變器的動作原理可用如下圖所示機械開關的 動作來說明。動作來說明。 當開關當開關S1、S2與與S3、 S4輪流閉合和斷開時，輪流閉合和斷開時， 在負載上即可得到波形如在負載上即可得到波形如 左圖左圖b所示的交流電壓，所示的交流電壓， 完成直流到交流的逆變過完成直流到交流的逆變過 程。用功能與機械開關類程。用功能與機械開關類 似的逆變器開關元件取代似的逆變器開關元件取代 機械開關，即得到單相逆機械開關，即得到單相逆 變電路。改變逆變器開關變電路。改變逆變器開關 元件的導通與截止時間

27、，元件的導通與截止時間， 就可改變輸出電壓的頻率，就可改變輸出電壓的頻率， 即完成變頻即完成變頻 。 (2)vf 控制控制 vf 控制是在改變變頻器輸出電壓控制是在改變變頻器輸出電壓 頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維持電動機磁通基頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維持電動機磁通基 本恒定，從而在較寬的調速范圍內，使電動機的效率、本恒定，從而在較寬的調速范圍內，使電動機的效率、 功率因數(shù)不下降功率因數(shù)不下降 。 vf 控制是目前通用變頻器中廣泛控制是目前通用變頻器中廣泛 采用的控制方式。采用的控制方式。 三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通處于接三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通處于接 近

28、飽和狀態(tài)從而使鐵心材料得到充分利用。在變頻調速近飽和狀態(tài)從而使鐵心材料得到充分利用。在變頻調速 的過程中，當電動機電源的頻率變化時，電動機的阻抗的過程中，當電動機電源的頻率變化時，電動機的阻抗 將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn) 勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉矩勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉矩 將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀 態(tài)，使電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功態(tài)，使電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功 率損耗，降低電

29、動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率損耗，降低電動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻 率進行淵速時，必須采取措施保持磁通恒定并為額定值。率進行淵速時，必須采取措施保持磁通恒定并為額定值。 異步電動機定子繞組的感應電動勢異步電動機定子繞組的感應電動勢E E的有效值為的有效值為 則則 式中式中 krkr-定子繞組的繞組系數(shù)；定子繞組的繞組系數(shù)； NtNt-每相定子繞組的匝數(shù)；每相定子繞組的匝數(shù)； f-f-定子電源的頻率定子電源的頻率(HZ)(HZ)； m-m-鐵心中每極磁通的最大值鐵心中每極磁通的最大值(Wb(Wb) ) 顯然，要使電動機的磁通在整個調速過程中保持不變，只顯然，要使電動機的磁通在整個

30、調速過程中保持不變，只 要在改變電源頻率的同時改變電動機的感應電動勢要在改變電源頻率的同時改變電動機的感應電動勢E，使其滿，使其滿 足足E/為常數(shù)即可。為常數(shù)即可。 但由于在電動機的實際調速控制過程中，電動機感應電動但由于在電動機的實際調速控制過程中，電動機感應電動 勢的檢測和控制較困難，考慮到正常運行時電動機的電源電壓勢的檢測和控制較困難，考慮到正常運行時電動機的電源電壓 與感應電動勢近似相等，只要控制電源電壓與感應電動勢近似相等，只要控制電源電壓U和頻率和頻率,使使U/為為 常數(shù)，即可使電動機的磁通基本保持不變，采用這種控制方式常數(shù)，即可使電動機的磁通基本保持不變，采用這種控制方式 的變頻

31、器稱為的變頻器稱為v/控制變頻器?？刂谱冾l器。 由于電動機的實際電路中存在定子阻抗上的壓降，尤其是由于電動機的實際電路中存在定子阻抗上的壓降，尤其是 當電動機低速運行時，感應電動勢較低，定子阻抗上的壓降不當電動機低速運行時，感應電動勢較低，定子阻抗上的壓降不 能忽略。采用能忽略。采用v，控制的調速系統(tǒng)在工作頻率較低時，電，控制的調速系統(tǒng)在工作頻率較低時，電 動機的輸出轉矩將下降。動機的輸出轉矩將下降。 為了政善在低頻時的轉矩特性，可采用補償電源電壓的方為了政善在低頻時的轉矩特性，可采用補償電源電壓的方 法。即在低頻時適當提升電壓法。即在低頻時適當提升電壓U以補償定子阻抗以補償定子阻抗E的壓降，

32、保證的壓降，保證 電動機在低速區(qū)域運行時仍能得到較大的輸出轉矩，這種補償電動機在低速區(qū)域運行時仍能得到較大的輸出轉矩，這種補償 也稱為變頻器的轉矩增強功能。也稱為變頻器的轉矩增強功能。 變頻器的轉矩增強功能可分為起始轉矩增強變頻器的轉矩增強功能可分為起始轉矩增強 功能和全范圍轉矩自動增強功能。所謂起始轉矩功能和全范圍轉矩自動增強功能。所謂起始轉矩 增強功能指的是在變頻器的低頻輸出區(qū)域按某一增強功能指的是在變頻器的低頻輸出區(qū)域按某一 規(guī)則在變頻器的輸出電壓上加上一定的補償，達規(guī)則在變頻器的輸出電壓上加上一定的補償，達 到提高輸出轉矩的目的。而具有全范圍轉矩自動到提高輸出轉矩的目的。而具有全范圍轉

33、矩自動 增強功能的變頻器中，電壓補償是在電動機的整增強功能的變頻器中，電壓補償是在電動機的整 個運行范圍中進行的：采用這種控制方式的變頻個運行范圍中進行的：采用這種控制方式的變頻 器的性能接近于器的性能接近于U/f f控制的變頻器，新系列控制的變頻器，新系列v/f控控 制的變頻器大多具有這種功能。制的變頻器大多具有這種功能。 綜上所述，對電動機供電的變頻器綜上所述，對電動機供電的變頻器_般要求般要求 兼有調壓和調頻功能，通常將這種變頻器稱為變兼有調壓和調頻功能，通常將這種變頻器稱為變 頻變壓頻變壓(VVVF)型變頻器。型變頻器。 (3)脈沖寬度調制脈沖寬度調制(PWM)技術技術 實現(xiàn)變頻變壓的

34、方法有種實現(xiàn)變頻變壓的方法有種,目目 前應用較多的是脈沖寬度調制技術，簡稱前應用較多的是脈沖寬度調制技術，簡稱PWM技術。技術。 PWM技術是指在保持整流得到的直流電壓大小不變的條件技術是指在保持整流得到的直流電壓大小不變的條件 下，在改變輸出頻率的同時通過改變輸出脈沖的寬度下，在改變輸出頻率的同時通過改變輸出脈沖的寬度(或用占或用占 空比表示空比表示)，達到改變等效輸出電壓的一種方法。，達到改變等效輸出電壓的一種方法。PWM的輸出電的輸出電 壓基本波形如下圖所示。壓基本波形如下圖所示。 在半個周期內，輸在半個周期內，輸 出出 電壓平均值的大小電壓平均值的大小 由半由半 周中輸出脈沖的周中輸出

35、脈沖的 總寬度決定。在半周中總寬度決定。在半周中 保持脈沖寬度不變而改保持脈沖寬度不變而改 變脈沖個數(shù)，或保持脈變脈沖個數(shù)，或保持脈 沖個數(shù)不變而改變脈沖沖個數(shù)不變而改變脈沖 寬度，均可改變半周內寬度，均可改變半周內 輸出電壓的平均值，從輸出電壓的平均值，從 而達到改變輸出電壓有而達到改變輸出電壓有 效值的目的。效值的目的。 PWM輸出電壓基本波形 PWM輸出電壓的波形是非正弦波，用于驅動三相異步電輸出電壓的波形是非正弦波，用于驅動三相異步電 動機運行時性能較差。如果使整個半周內脈沖寬度按正弦規(guī)動機運行時性能較差。如果使整個半周內脈沖寬度按正弦規(guī) 律變化，即使脈沖寬度先逐步增大，然后再逐漸減小

36、，則輸律變化，即使脈沖寬度先逐步增大，然后再逐漸減小，則輸 出電壓也會按正弦規(guī)律變化。這就是目前工程實際中應用最出電壓也會按正弦規(guī)律變化。這就是目前工程實際中應用最 多的正弦多的正弦PWM法，簡稱法，簡稱SPWM如下圖所示。如下圖所示。 在每半個周期內輸出若干個寬在每半個周期內輸出若干個寬 度不同的矩形脈沖波，每一矩形度不同的矩形脈沖波，每一矩形 波的面積近似對應正弦波各相應波的面積近似對應正弦波各相應 局部波形下的面積，則輸出電壓局部波形下的面積，則輸出電壓 可近似認為與正弦波等效。如將可近似認為與正弦波等效。如將 一個正弦波的正半周劃分為一個正弦波的正半周劃分為12等等 分，每一份正弦波下

37、的面積可用分，每一份正弦波下的面積可用 一個與該面積近似相等的矩形脈一個與該面積近似相等的矩形脈 沖來代替，則這沖來代替，則這12個等幅不等寬個等幅不等寬 的矩形脈沖的面積之和與正弦波的矩形脈沖的面積之和與正弦波 所包圍的面積等效。所包圍的面積等效。 SPWM的原理 3變頻器的功能 下面以通用變頻器為例，按用途將變頻器的主要功能進行分 類并加以簡要介紹。 (1)系統(tǒng)所具有的功能 1)全范圍轉矩自動增強功能 由于電動機繞組中阻抗的作用， 采用Vf控制的變頻器在電動機的低速運行區(qū)域將出現(xiàn)轉矩不足 的情況。為提高系統(tǒng)的性能，具有全范圍轉矩自動增強功能的變 頻器在電動機的加速、減速和正常運行的所有區(qū)域

38、中可以根據(jù)負 載情況自動調節(jié)v/ f值，對電動機的輸出轉矩進行補償。 2)防失速功能 變頻器的防失速功能包括加速過程的防失速 功能、恒速運行過程中的防失速功能和減速過程的防失速功能三 種。 加速過程和恒速運行過程中的防失速功能的基本作用是：當 電動機由于加速過快或負載過大等原因出現(xiàn)過電流現(xiàn)象時，變頻 器將自動降低輸出頻率，以避免出現(xiàn)變頻器因過電流保護電路動 作而停止工作。 對于電壓形變頻器，在電動機的減速過程中回饋能量將使變對于電壓形變頻器，在電動機的減速過程中回饋能量將使變 頻器的直流中間電路的電壓上升，可能會出現(xiàn)過電壓保護電路動頻器的直流中間電路的電壓上升，可能會出現(xiàn)過電壓保護電路動 作而

39、使變頻器停止工作的情況。作而使變頻器停止工作的情況。 減速過程的防失速功能的基本作用是：在過電壓保護電路動減速過程的防失速功能的基本作用是：在過電壓保護電路動 作之前暫停降低變頻器的輸出頻率或減小輸出頻率的降低速率，作之前暫停降低變頻器的輸出頻率或減小輸出頻率的降低速率， 達到防止失速的目的。達到防止失速的目的。 3)過轉矩限定運行功能過轉矩限定運行功能 過轉矩限定運行功能的作用是對機過轉矩限定運行功能的作用是對機 械設備進行保護并保證運行的連續(xù)性。利用該功能可以對電動機械設備進行保護并保證運行的連續(xù)性。利用該功能可以對電動機 的輸出轉矩極限值進行設定，當電動機的輸出轉矩達到該設定值的輸出轉矩

40、極限值進行設定，當電動機的輸出轉矩達到該設定值 時，變頻器停止工作并發(fā)出報警信號。時，變頻器停止工作并發(fā)出報警信號。 4)自動節(jié)能運行功能變頻器能自動選擇工作參數(shù)，使電動機自動節(jié)能運行功能變頻器能自動選擇工作參數(shù)，使電動機 在滿足負載轉矩要求的隋況下以最小電流運行。在滿足負載轉矩要求的隋況下以最小電流運行。 5)自動電壓調整功能當電源電壓下降時，使用自動電壓調整自動電壓調整功能當電源電壓下降時，使用自動電壓調整 功能可以維持電動機的高啟動轉矩。功能可以維持電動機的高啟動轉矩。 6)通過外部信號對變頻器進行啟?？刂频墓δ茏冾l器通常都通過外部信號對變頻器進行啟停控制的功能變頻器通常都 具有通過外部

41、信號控制變頻器啟停的功能。具有通過外部信號控制變頻器啟停的功能。 7)運行狀態(tài)檢測顯示功能運行狀態(tài)檢測顯示功能 運行狀態(tài)檢測顯示功能主要用于運行狀態(tài)檢測顯示功能主要用于 檢測變頻器的工作狀態(tài)，使操作者及時了解變頻器的工作狀態(tài)檢測變頻器的工作狀態(tài)，使操作者及時了解變頻器的工作狀態(tài) 這些功能的名稱和內容見下表：這些功能的名稱和內容見下表： (2)頻率設定功能頻率設定功能 1)給定頻率的設定方法給定頻率的設定方法 與給定信號對應的變頻器的與給定信號對應的變頻器的 工作頻率稱為給定頻率，通用變頻器給定頻率的設定通工作頻率稱為給定頻率，通用變頻器給定頻率的設定通 常采用以下三種方法：常采用以下三種方法：

42、 面板給定面板給定 利用操作面板上的數(shù)字增加鍵和數(shù)字減利用操作面板上的數(shù)字增加鍵和數(shù)字減 少鍵進行頻率的數(shù)字量給定或調整。早期的變頻器無鍵少鍵進行頻率的數(shù)字量給定或調整。早期的變頻器無鍵 盤，利用面板上的電位器進行模擬量給定和調整。盤，利用面板上的電位器進行模擬量給定和調整。 預置給定預置給定 通過程序預置的方法預置給定頻率。啟通過程序預置的方法預置給定頻率。啟 動時，按運行健，變頻器即自行升速到預置的給定頻率動時，按運行健，變頻器即自行升速到預置的給定頻率 為止。為止。 外接給定外接給定 從控制接線端上，引入外部的電壓或電從控制接線端上，引入外部的電壓或電 流信號進行頻率給定，這種方法常用于

43、遠程控制的情況。流信號進行頻率給定，這種方法常用于遠程控制的情況。 所有的變頻器都為用戶提供了可以外接給定控制信號的所有的變頻器都為用戶提供了可以外接給定控制信號的 輸入端。下面輸入端。下面“VT210S系列變頻器為例，說明其接線系列變頻器為例，說明其接線 情況。情況。 VT210S系列變頻器的外接給定信號接線如下圖所示：外接系列變頻器的外接給定信號接線如下圖所示：外接 給定信號有電壓信號和電流信號兩種，外接給定電壓信號又有給定信號有電壓信號和電流信號兩種，外接給定電壓信號又有 兩種給定方法：一種是直接輸入電壓信號，通常用于和計算機、兩種給定方法：一種是直接輸入電壓信號，通常用于和計算機、 P

44、LC或與其他設備配用的情況，此時電壓信號接在或與其他設備配用的情況，此時電壓信號接在FSV-COM 端子上；另一種是利用變頻器內部提供的給定電壓信號，由外端子上；另一種是利用變頻器內部提供的給定電壓信號，由外 接電位器接電位器RP取出給定信號。而當外接給定信號為電流信號時，取出給定信號。而當外接給定信號為電流信號時， 將外接信號線接到將外接信號線接到FSI-COM端子上。端子上。 VT210S變頻器的給定信號接線 2)基本頻率和最高頻率基本頻率和最高頻率 基本頻率基本頻率f fb b 電動機的額定頻率稱為變頻器的基本頻率。電動機的額定頻率稱為變頻器的基本頻率。 最高頻率最高頻率fmax 當頻率給定信號為最大時，變頻器的給定頻當頻率給定信號為最大時，變頻器的給定頻 率稱為最高頻率。率稱為最高頻率。 3)上限頻率和下限頻率上限頻率和下限頻率 上限頻率上限頻率f fH H 與下限頻率與下限頻率fL是調速系統(tǒng)所是調速系統(tǒng)所 要求的變頻器的工作范圍，根據(jù)調速系統(tǒng)的工作需要進行設