基于多種通訊方式與變頻器的多電機同步控制系統(tǒng)的標準化設(shè)計

1、第一章 緒論1.1課題研究的背景近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的深入發(fā)展，基于變頻器調(diào)速的控制系統(tǒng)在大中型自動化生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用。在實際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線通常由多臺電機驅(qū)動，能否實現(xiàn)多臺電機的協(xié)調(diào)工作，直接關(guān)系到生產(chǎn)的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實現(xiàn)多電機的同步控制已成為研究熱點。作為配套的電氣控制環(huán)節(jié)則對產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用，目前以多種通訊方式作為中心控制元件的設(shè)備占有相當大的比重，并以其精確的控制，穩(wěn)定的工作狀態(tài)占據(jù)了十分重要的地位。而在這些控制系統(tǒng)中核心問題便是各動力驅(qū)動軸的同步運行，及各電機的同步運行。電機同步運行的穩(wěn)定性和可靠性對工業(yè)生產(chǎn)有重要的影響，特別是對造紙行業(yè)的安

2、全運行有著關(guān)鍵作用。而PLC通過多種通訊方式完成各個變頻器的控制，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)了多臺電機的同步調(diào)速。 本課題正是基于以上背景，提出了一種變頻調(diào)速器多電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過PLC的多種通訊方式和變頻器實現(xiàn)對多電機的控制。變頻調(diào)速是電機調(diào)速的其中一種，在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。 1. 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性 (1) 調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。 (3) 起動

3、電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。 (4) 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。 (5) 易于實現(xiàn)過程自動化。 (6) 必須有專用的變頻電源，目前造價較高。 (7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能力大為降低。2. 與其它調(diào)速方法的比較 交流電動機的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。3. 合理應(yīng)用 交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應(yīng)用。美國有60% - 65%的發(fā)電量用于電機驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了15% - 20%的電量。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個因素： (

4、1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。(2) 電機總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 (3) 可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊?？偨Y(jié)：交流變頻調(diào)速的方法是異步電機最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價格便宜的變頻器會不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。目前，國外先進國家的變頻技術(shù)正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發(fā)展，我國也在加快發(fā)展步伐。選用正確的控制方式對系統(tǒng)的穩(wěn)定性實現(xiàn)非常重要。查閱以前的設(shè)計方案，使用常規(guī)電器來搭建控制部分非常困難，同時因大量使用繼電器和時間繼電器又造成控制部分的可靠性降低和故障率升高，很少

5、有一個很好地控制方式。因此，需要選擇更好地控制方式來實現(xiàn)對多電機的同步控制。ABB可升級的PLC AC500由于其抗干擾能力強，可靠性高，編程簡單，性價比高等優(yōu)點被應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。利用ABB可升級的PLC AC500的CS31總線、Profibus DP總線、和ProfiNET實時以太網(wǎng)總線等通訊方式實現(xiàn)對多臺電機的同步控制，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可以節(jié)約調(diào)整時間，增加設(shè)備的柔性，同時運行穩(wěn)定可靠。因此，利用ABB可升級的PLC AC500的CS31總線、Profibus DP總線、和ProfiNET實時以太網(wǎng)總線等通訊方式實現(xiàn)對多臺電機的同步控制。1.2 方案選擇要實現(xiàn)多臺電機的同步控

6、制，可以有四種方案來選擇。一、基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP 的PLC控制的調(diào)速系統(tǒng)。監(jiān)控級采用Ethernet 作為通信網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場級采用PROFIBUS-DP 作為通信網(wǎng)絡(luò)，通過通訊方式完成各個變頻器的控制，增強了系統(tǒng)抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)了多臺電機的同步調(diào)速。二、利用變頻器來拖動多臺電機實現(xiàn)?，F(xiàn)在變頻器的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，基本型的變頻器都有一拖二甚至更高的功能，這樣就可以用變頻器來帶動多臺電動機運行從而實現(xiàn)多電機的控制。使用這種方式，由于只用一臺變頻器，所以投資少，減少了額外的硬件，又降低了整個系統(tǒng)的成本，同時最大限度的提高設(shè)備利用率，挖掘增效潛力。三、在自動化控制

7、領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，在工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中，采用串行通信來達到遠程信息交換的目的更簡便。發(fā)展起來的RS485是平衡傳送的電氣標準，在電氣指標上有了大幅度的提高。由于其性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)容易，組網(wǎng)成本低廉，RS485總線標準得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時，在RS485總線中采用的 MODBUS協(xié)議是公開的通信協(xié)議，而且被很多的工控產(chǎn)品生產(chǎn)廠家支持，該協(xié)議已廣泛應(yīng)用于水利、水文、電力等行業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的國際標準中。四、采用每臺電動機各由一臺變頻器來控制的方式，那么這就要用到多臺交流變頻調(diào)速器，再利用PLC來控制多臺變頻調(diào)速器，從而達到多電機控制的目的。采用這種方法，由于使用多臺變

8、頻器，相較于第一種方案投資較大，但是適用于大規(guī)模生產(chǎn)線中電機數(shù)目較多，電機分布距離較遠的情況，而且，用PLC和變頻器搭建的程控系統(tǒng)，不但可以實現(xiàn)設(shè)備運行的自動化管理和監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，而且提高了企業(yè)經(jīng)濟效益和工作效率。因此，該系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用和推廣價值。1.3相關(guān)技術(shù)簡介1.變頻調(diào)速技術(shù)變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術(shù)，電力電子、微電腦控制

9、等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。變頻調(diào)速技術(shù)已深入我們生活的每個角落，變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)等。V/F控制主要應(yīng)用在低成本、性能要求較低的場合;而矢量控制的引入，則開始了變頻調(diào)速系統(tǒng)在高性能場合的應(yīng)用。近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字控制的普及，矢量控制的應(yīng)用已經(jīng)從高性能領(lǐng)域擴展至通用驅(qū)動及專用驅(qū)動場合，乃至變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機等家用電器。交流驅(qū)動器已在工業(yè)機器人、自動化出版設(shè)備、加工工具、傳輸設(shè)備、電梯、壓縮機、軋鋼、風(fēng)機泵類、電動汽車、起重設(shè)備及其它領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，MCU的處理能力愈加強大，處理速度不斷提升，

10、變頻調(diào)速系統(tǒng)完全有能力處理復(fù)雜的任務(wù)，實現(xiàn)復(fù)雜的觀測、控制算法，傳動性能也因此達到前所未有的高度。而現(xiàn)在變頻驅(qū)動主要使用PWM合成驅(qū)動方式，這要求其控制器有很強的PWM生成能力。變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性、系統(tǒng)的安全可靠性和延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點而成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電機、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息與控制等多個學(xué)科領(lǐng)域，變頻調(diào)速理論已經(jīng)形成較為完善科學(xué)體系，成為一門相對獨立的學(xué)科。而相對于大多數(shù)人來說，變頻調(diào)速技術(shù)是一項陌生而新奇的技術(shù)，變頻器是一種高科技產(chǎn)品，是一種將交流電轉(zhuǎn)化為可變頻變壓運行的電能轉(zhuǎn)換裝置，有工業(yè)

11、維生素之稱。變頻調(diào)速裝置通常由整流器、平波電抗器或濾波電容器、逆變器及控制電路組成。在中間直流電路中串接平波電抗器作儲能元件的稱為電流型變頻器。中間直流回路并接濾波電容器作儲能元件的稱為電壓型變頻器。整流器將輸入的工頻交流電變換成直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)輸入至逆變器，逆變器將直流電流變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電輸入的電機。打個比方，變頻器就好比一個人的心臟，人在運動時，心臟將劇烈跳動，心率加快，供應(yīng)大量的血液給身體各器官；人在休息的時候，心臟將變緩，從而節(jié)約能耗。電動機同樣也像一步操作中的機器心臟，其運轉(zhuǎn)速度也需要根據(jù)其負荷大小來調(diào)整運轉(zhuǎn)頻率，而變頻器則是為其正常運轉(zhuǎn)加上一個自動調(diào)節(jié)裝置。變

12、頻器自1964年問世以來，經(jīng)歷40多年的發(fā)展，在歐美發(fā)達國家廣泛應(yīng)用，目前在中國的空調(diào)、電梯、冶金、機械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用空間。2.PLC技術(shù)PLC具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、性能優(yōu)越、靈活通用、使用方便、可靠性高、搞干擾能力強等到一系列優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。所以，掌握PLC技術(shù)是改造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和設(shè)備的重要途徑。PLC即可編程控制器(Programmable logicController), 是在繼電器控制和計算機控制的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的,并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心,把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。PLC

13、 技術(shù)自上世紀70 年代被發(fā)明應(yīng)用以來，經(jīng)過不斷地創(chuàng)新發(fā)展，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制裝置，被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。PLC 控制技術(shù)之所以能夠發(fā)展如此迅速，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，主要是因為其具有許多獨特的優(yōu)點。能較好的解決工業(yè)領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全靈活、方便、經(jīng)濟等諸多問題。其主要特點如下:2.1 可靠性高、抗干擾能力強可靠性高、抗干擾能力強是PLC 最重要的特點之一。PLC 的無故障時間平均可達幾十萬小時。硬件方面，輸入、輸出通道采用光電隔離，有效的抑制了外部干

14、擾源對PLC 的影響；供電電源及線路采用多種形式的濾波，從而消除或抑制高頻干擾。軟件方面，PLC 采用掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾引起故障，使用監(jiān)控定時器用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運算處理器的延遲，保證在程序出錯和程序調(diào)試時，避免因程序出錯而出現(xiàn)死循環(huán)。2.2 應(yīng)用靈活、編程方便、操作簡單模塊化的設(shè)計方式，使用戶能根據(jù)自己控制系統(tǒng)的大小、工藝流程和控制要求等選擇自己所需的極管擊穿等原因造成短路，這一故障通過在分線盤測得的數(shù)據(jù)可直接判斷，處理方法是到現(xiàn)場進行確認測量。另一類是比較常見的斷路故障，有可能有以下原因造成的：電纜被破壞造成斷路、轉(zhuǎn)轍機接插件接觸不良、轉(zhuǎn)轍機自動開閉器接點接觸不良

15、、移位接觸器接觸不良、配線斷或各種端子接觸不良。查找具體故障點時，用電壓法進行查找。3.PLC的通訊方式本系統(tǒng)主要用的是ABB可升級的AC500系列PLC, ABB可升級的PLC AC500的通訊方式主要分為以下三種：CS31總線、Profibus DP總線、和ProfiNET實時以太網(wǎng)總線等。3.1 CS31現(xiàn)場總線CS31現(xiàn)場總線從1989年研發(fā)至今，一直起著承先啟后的作用。通過這個總線，把前后多套系統(tǒng)有機的聯(lián)系在一起。CS31總線便于設(shè)置和通訊簡單，總線的連接只需通過三個連接端子來實現(xiàn)，省去其他總線所需的額外連接成本。AC500控制系統(tǒng)的COM1口集成了CS31主站功能。CS31總線是一

16、種點對多點的RS485串行通訊。每個通訊系統(tǒng)由一個主站和最大31個從站組成。通訊距離不加中繼為500米，加中繼最大可達到2000米，總線帶有自診斷功能。通訊介質(zhì)為：屏蔽雙絞線。3.2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 使用了ISO/OSI 通信標準中的第一及第二層（即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口。這種精簡的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序（DDLM）提供對第二層的訪問35。在用戶接口中規(guī)定了PROFIBUS-DP 設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS-DP 協(xié)議特別適用于可編程控制器與現(xiàn)場級分散的I/O

17、設(shè)備之間的通信。3.3 ProfiNET實時以太網(wǎng)總線最近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)正在滲透到工業(yè)控制中來，其發(fā)展趨勢表明，工業(yè)以太網(wǎng)將占據(jù)自動控制系統(tǒng)中層、上層的通信網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)通信技術(shù)以其協(xié)議簡單、開放、穩(wěn)定性和可靠性好而獲得了全球的技術(shù)支持，且具有以下優(yōu)點：通信速率高、成本低廉、軟硬件資源豐富、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?、易于與Internet連接，能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。14論文的研究內(nèi)容本論文主要討論了一種變頻調(diào)速器多電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運行的自動化管理和監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，全文共分為六章。第一章為緒論。簡單介紹了課題研究的背景以及方案的選擇和相關(guān)技

18、術(shù)的介紹。第二章介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的原理、分類、控制方式以及變頻器的選擇等內(nèi)容。第三章介紹了可編程控制器的有關(guān)知識，包括它的原理、功能特點、結(jié)構(gòu)以及選型、發(fā)展狀況等相關(guān)知識，最后還詳細介紹了本系統(tǒng)所要采用的SIEMENS S7200 PLC等有關(guān)內(nèi)容。第四章是系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容。根據(jù)多電機同步的發(fā)展現(xiàn)狀提出了多電機同步控制方案，介紹了模糊PID控制理論，提出來一種基于模糊PID補償器的多電機同步控制策略，研究了此種策略的設(shè)計方法。第五章是系統(tǒng)通信的設(shè)計與調(diào)試。重點介紹了變頻器與PLC，PLC與上位機通訊的設(shè)計內(nèi)容與調(diào)試。包括通信協(xié)議的選定、協(xié)議內(nèi)容以及程序設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容。第六章是監(jiān)控界面設(shè)計的相關(guān)

19、內(nèi)容。包括人機界面的選型、編程軟件的選擇和系統(tǒng)界面設(shè)計等。最后總結(jié)本論文所做的主要工作，并提出一些今后需要進一步研究的問題和方向。本章小結(jié)本章闡述了論文研究的課題的背景意義，以及方案的選擇，簡單介紹了變頻調(diào)速技術(shù)和PLC技術(shù)，ABB可升級的PLC AC500的通訊方式背景知識。闡述說明了本文研究的內(nèi)容、方法和要實現(xiàn)的目的。第二章 變頻調(diào)速技術(shù)的分析與應(yīng)用 最近十多年來，由于電力電子器件與微電子、單片機及PWM控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了交流電動機變頻調(diào)速傳動，其效率高、操作方便，而且調(diào)速性能可以與直流電動機調(diào)速傳動媲美，所以交流變頻調(diào)速傳動是目前最好的調(diào)速傳動方式。另外，變頻器在節(jié)約電能的同時可

20、以減少排放、降低能耗，理解并掌握變頻器的控制具有十分重要的現(xiàn)實意義，而且現(xiàn)在越來越多的工業(yè)控制場合選用PLC和變頻器用于電機的調(diào)速控制。2.1變頻器的選擇2.1.1變頻器的概念及介紹變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、

21、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到速調(diào)的目的。變頻器主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可

22、逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形?？刂齐娐肥墙o異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流

23、檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 （1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 （4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。2.1.2變頻器的基本動作原理及特點異步電動機用變頻器傳動時的框圖

24、如圖1所示，整流器將交流電變?yōu)橹绷麟?，平波回路將直流電平衡，逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。為了電動機的調(diào)速傳動所給出的操作量有電壓、電流、頻率。圖1 變頻器的基本構(gòu)成表1將實用化的變頻器按主電路方式、控制方式等分類。各種方式的組合是為了充分發(fā)揮其控制特性、適用電動機、容量范圍、經(jīng)濟性等特點而設(shè)計制造的。表1 逆變器的種類作為變頻器，通常采用三相逆變器。但這里為了簡化電路，采用單相逆變器來說明電壓型、電流型、電壓控制、電流控制等逆變器的基本工作原理。2.1.3變頻器的分類與控制一、 電壓型與電流型作為主電路方式有電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型是將電壓源的直流電變換成交流電的變頻器，電

25、流型是指將電流源的直流電變換為交流電的方式。下面用機械開關(guān)來說明其基本動作。負載是異步電動機，采用圖2(b)的等效電路（忽略IM、r1、r2），并為滯后功率因數(shù)負載。圖2 考慮了諧波的異步電動機等效電路(一)電壓型電壓型逆變器的原理圖及其動作如圖3所示。其中圖a為單相橋式電壓型逆變器，如果使開關(guān)S1S4像圖d那樣導(dǎo)通、關(guān)斷，那么負載電壓u就成為矩形波交流電壓，其大小等于直流電壓源電壓Ed，如圖b中實線所示。這里假定負載電流i由于負載電感的平滑作用為正弦波交流電流，如圖b中虛線所示。圖3 電壓型逆變器的原理a)電路構(gòu)成 b)電壓/電流波形  c)直流電流波形（瞬時功率）  d

26、)開關(guān)動作狀態(tài)現(xiàn)在，使開關(guān)S1、S2導(dǎo)通，由直流電壓源Ed沿圖a中路線供給負載電流i。在時刻t1使這兩個開關(guān)關(guān)斷，同時使開關(guān)S3、S4導(dǎo)通，于是負載的無功功率就沿路線反饋給直流電壓源Ed。考慮負載電流i和開關(guān)的動作狀態(tài)，直流電流Id的波形如圖c所示。另外，負載電壓u與負載電流i的積為瞬時功率P，它與直流電流Id的波形相同。瞬時功率P的平均值Pa為向負載提供的有功功率。時刻t1t2的滯后角相當于異步電動機的滯后功率因數(shù)角，時有功功率為正（電動狀態(tài)），時為負（再生狀態(tài)）。滯后角與瞬時功率P及有功功率Pa的關(guān)系，如圖4所示。圖4 滯后角與瞬時功率P、有功功率當開關(guān)采用單方向?qū)ǖ陌雽?dǎo)體開關(guān)器件時，以

27、晶體管為例，為了向電源反饋（路線），要同晶體管反并聯(lián)續(xù)流二極管。電壓型變頻器的主電路構(gòu)成見表1中項13所列，由晶閘管或二極管、晶體管構(gòu)成的整流器、平波電容（用作電壓源）以及逆變器組成。(二)  電流型電流型變頻器的原理及其動作如圖5所示。其中圖a為單相橋式電流型逆變器。如果使開關(guān)S1S4像圖d那樣導(dǎo)通、關(guān)斷，則負載電流i就變?yōu)榫匦尾ń涣麟?，大小等于直流電源電流Id，如圖b中實線所示。負載電壓u由負載的感應(yīng)電動勢e決定，為正弦波形，如圖b中虛線所示。圖5 電流型逆變器原理圖a)電路構(gòu)成  b)輸出電壓電流波形  c)直流電壓波形（瞬時功率）d)S1、S2動作、S3、

28、S4動作現(xiàn)在，使開關(guān)S1，S2導(dǎo)通，負載電流i從電流源經(jīng)圖示的路線流出。在時刻t1關(guān)斷這兩個開關(guān)時，因為是電流源，負載電流必須急速地反向，但是電感負載的電流不可能瞬時反向，在負載兩端需要有吸收電感儲存能量的電路。在吸收此能量期間，負載兩端將產(chǎn)生di/dt的尖峰電壓。由于能量吸收回路的作用，負載電流反向后，功率從負載向電源反饋，在時刻t2負載電壓反向。此后，在S1，S2再次導(dǎo)通時刻t3之間的期間，為功率從電源流向負載的電動狀態(tài)?？紤]負載電壓u和開關(guān)的動作狀態(tài)，直流電壓波形Ed為圖c的波形。另外瞬時功率P與直流電壓波形相同。此瞬時功率P的平均值為有功功率Pa，如圖c中虛線所示。異步電動機的滯后功率

29、因數(shù)角與瞬時功率P和有功功率Pa的關(guān)系，同圖4中的電壓型逆變器波形一樣。采用半導(dǎo)體開關(guān)時，對于電流型逆變器通常采用晶閘管，它雖然需要換相電路，但可以兼用作能量吸收回路。電流型逆變器的主電路構(gòu)成見表1中的項4及5所列，變流器部分采用晶閘管，同時采用變流器與平波電抗器使它具有電流源作用。二、 電壓控制與電流控制主電路方式分為電壓型及電流型兩類，控制方式也分為電壓控制及電流控制兩種。這兩種方式，不管主電路方式是電壓型還是電流型都可以適用。通用變頻器等采用電壓控制方式，與輸出頻率成比例地控制輸出電壓。對于需要快速響應(yīng)的用途則必須控制輸出電流，可采用電流控制方式。1.電壓控制   通

30、用變頻器適用電壓型的電壓控制。表1中項1IGBT變頻器和GTO晶閘管變頻器，是在逆變器側(cè)控制輸出的電壓和頻率。輸出電壓的大小，可以利用半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通率將輸出電壓控制成為正弦波。表1中項2及4的晶閘管變頻器，是在整流器側(cè)控制輸出電壓，在逆變器側(cè)控制頻率。2.電流控制   對于要求類似直流電動機快速響應(yīng)性的應(yīng)用場合，為了快速控制異步電動機的轉(zhuǎn)矩，適用電流控制。表1中項5的電流型晶閘管變頻器，在逆變器側(cè)控制頻率，在整流器側(cè)控制電流。該表中項3，用晶體管和GTO晶閘管構(gòu)成的電壓型變頻器則適用這樣的電流控制方式，利用逆變器側(cè)的導(dǎo)通率將輸出電流控制成為正弦波。分頁三、 PAM與PWM

31、輸出電壓或輸出電流的控制，可以在整流器側(cè)或逆變器側(cè)進行。作為這種輸出的控制手段有PAM和PWM兩種方式。(一)PAM(Pulse Amplitude Modulation)PAM是一種改變電壓源的電壓Ed（見圖3）或電流源的電流Id（見圖5）的幅值，進行輸出控制的方式。因此，在逆變器只控制頻率，在整流器側(cè)控制輸出的電壓或電流。采用PAM調(diào)節(jié)電壓時，高電壓及低電壓時的輸出電壓波形如圖6所示。圖6 采用PAM的電壓調(diào)節(jié)a)高電壓時  b)低電壓時表1中項2、4、5的晶閘管逆變器，其換相時間需要100數(shù)百µs，所以，難以做到用晶閘管來開關(guān)實現(xiàn)PWM控制，要采用在逆變器只控制頻率的

32、PAM方式。(二)PWM(Pulse Width Modulation)在異步電動機恒轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，隨著變頻器輸出頻率的變化，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)其輸出電壓。另外，在變頻器輸出頻率不變的情況下，為了補償電網(wǎng)電壓和負載變化所引起的輸出電壓波動，也應(yīng)適當?shù)卣{(diào)節(jié)其輸出電壓。具體實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻的方法有很多種，但總的來說，從變頻器的輸出電壓和頻率的控制方法來看，基本上按前所述分為PAM和PWM（PAM前已介紹，此處討論PWM）。PWM型變頻器靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率，所以脈沖調(diào)制方法對PWM型變頻器的性能具有根本性的影響。脈寬調(diào)制的方法很多，從調(diào)制脈沖的極性上看，

33、可以分為單極性和雙極性調(diào)制兩種；從載頻信號和參考信號（基準信號）頻率之間的關(guān)系來看，又可以分為同步式和非同步式兩種。1.單極性調(diào)制1)單極性直流參考電壓調(diào)制方法，以圖7所示電壓型三相橋式變頻器的原理電路為例，大功率晶體管變頻器的基極驅(qū)動信號在控制電路中一般常采用載頻信號Uc與參考信號Ur相比較產(chǎn)生，這里Uc采用單極性等腰三角形鋸齒波電壓，而Ur采用直流電壓。在Uc與Ur波形相交處發(fā)出調(diào)制信號，部分脈沖調(diào)制波形如圖8所示。圖中畫出的是經(jīng)過三相對稱倒相后的a、b點電位、Uoo和相電壓Uao的脈沖列波形。在一個周期內(nèi)有12個三角形，即載頻三角波的頻率f為輸出頻率fo的12倍（f可以是fo的任意6的整

34、數(shù)倍）。輸出波形正負半周對稱，主電路中的6個開關(guān)器件以1234561順序輪流工作，每個開關(guān)器件都是半周工作，通、斷6次輸出6個等幅、等寬、等距脈沖列，另半周總處于阻斷狀態(tài)。圖7 電壓型三相橋式變頻器原理電路圖8 單極性直流參考信號的部分調(diào)制脈沖波形輸出的相電壓波形每半個周期出現(xiàn)6個等寬等距脈沖，中間兩個脈幅高(2E/3)兩邊4個脈幅低(E/3)，正負半周對稱，這個脈沖波形可以分解為基波電壓U1和一系列諧波電壓，基波電壓就是要求輸出的交流電壓，而諧波電壓分量愈小愈好。從波形圖可以看出：當三角波幅值一定，改變參考直流信號Ur的大小時，輸出脈沖的寬度即將隨之改變，從而改變輸出基波電壓的大??；改變載頻

35、三角波的頻率并保持每周的輸出脈沖數(shù)不變，就可以實現(xiàn)輸出電壓頻率的調(diào)節(jié)。顯然，同時改變?nèi)遣ǖ念l率和參考直流信號電壓Ur的大小，就可以使變頻器的輸出在變頻的同時相應(yīng)地改變電壓的大小。上述調(diào)制方式是在改變輸出頻率的同時改變?nèi)遣ǖ念l率，使每半周包含的三角波數(shù)和相位不變，正、負半周波形始終保持完全對稱。這種調(diào)制方式叫做同步脈沖調(diào)制方式。同步調(diào)制方式雖然由于輸出波形正負半周完全對稱，只有奇次諧波，沒有偶次諧波，但是每周的輸出脈沖數(shù)不變，低頻輸出時諧波影響大。2)單極性正弦波脈寬調(diào)制方式及參考信號Ur為正弦波的脈寬調(diào)制，一般叫做正弦波脈寬調(diào)制，簡稱SPWM。產(chǎn)生的調(diào)制波是一系列等幅、等距而不等寬的脈沖列

36、，如圖9所示。圖9 正弦波脈寬調(diào)制波形SPWM調(diào)制的基本特點是在半個周期內(nèi)，中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖之間等距而脈寬和正弦曲線下的積分面積成正比，脈寬基本上成正弦分布。經(jīng)倒相后正半周輸出正脈沖列，負半周輸出負脈沖列。由波形可見，SPWM比PWM的調(diào)制波形更接近于正弦波，諧波分量大為減小。輸出電壓的大小和頻率均由正弦參考電壓Ur來控制。當改變Ur的幅值時，脈寬即隨之改變，從而改變輸出電壓的大小；當改變Ur的頻率時，輸出電壓頻率即隨之改變。但要注意正弦波的幅值Urm必須小于等腰三角形的幅值Ucm，否則就得不到脈寬與其對應(yīng)正弦波下的積分成正比這一關(guān)系。輸出電壓的大小和頻率就將失去所要求的配合

37、關(guān)系。圖9只畫出單相脈寬調(diào)制波形。對于三相變頻器，必須產(chǎn)生相位差為120º的三相調(diào)制波。載頻三角波三相可以共用，但必須有一個可變頻變幅的三相正弦波發(fā)生器，產(chǎn)生可變頻變幅的三相正弦參考信號，然后分別比較產(chǎn)生三相輸出脈沖調(diào)制波。若三角波和正弦波的頻率成比例地改變，不論輸出頻率高低，每半周的輸出脈波數(shù)不變，即為同步調(diào)制式。分頁若三角波頻率一定，只改變正弦參考信號的頻率，正、負半周的脈波數(shù)和相位在不同輸出頻率下就不是完全對稱的了，這種方式叫非同步脈寬調(diào)制方式。非同步雖然正、負半周輸出波形不能完全對稱，會出現(xiàn)偶次諧波，但是每周的輸出的調(diào)制脈波數(shù)將隨輸出頻率的降低而增多，有利于改善低頻輸出特性。

38、2.雙極性調(diào)制   上述單極性脈寬調(diào)制，脈沖的極性不改變，要正、負半周輸出不同極性的脈沖，必須另加倒相電路。與此相對應(yīng)，若在調(diào)制過程中，載頻信號和參考信號的極性交替地不斷改變則稱為雙極性調(diào)制。其調(diào)制波形如圖10所示，圖中畫出三相調(diào)制波形。與上述單極性SPWM的情況相同，輸出電壓的大小和頻率也是由改變正弦參考信號Ur的幅值大小和頻率調(diào)制的。參考信號也可以采用階梯式準正弦波。圖10 三相正弦波脈寬調(diào)制波形這種正弦波脈寬調(diào)制方式，當然也可以采用同步式和非同步式的調(diào)制方式。但SPWM型變頻器帶異步電動機負載時，在脈寬調(diào)制過程中，要根據(jù)異步電動機變頻調(diào)速控制特性的要求，在調(diào)節(jié)正弦參考

39、信號頻率的同時，要相應(yīng)地適當調(diào)節(jié)其幅值，使輸出基波電壓的大小與頻率之比為恒值，即保持U1/f1=常數(shù)。3.“”調(diào)制（DM）方式   “”脈寬調(diào)制方式（Delta Modulation Technique）的調(diào)制電路及波形如圖11所示。只要輸入可變頻恒幅正弦波參考電壓Ur，就可以平滑地變換出調(diào)制工作脈沖，而且能夠自然保持輸出基波電壓與頻率之比為恒值。“”脈寬調(diào)制電路的基本工作原理：正弦波參考信號電壓Ur加在運算放大器A1的同相輸入端，A1作為比較器工作。當Ur從零上升時，A1的輸出電壓U1迅速升到正飽和值Us，+Us電壓經(jīng)運算放大器A2作反向積分，其輸出電壓UF負向線性增長，

40、UF和+U1經(jīng)R2、R3綜合加到運算放大器A3的反相輸入端，R3>R2，A3輸出正向上升電壓UK，UK與Ur在運算放大器A1中相比較，當UK< SPAN>r時，A1輸出保持+Us，一旦UK上升到UK>Ur時，A1迅速翻轉(zhuǎn)輸出負飽和電壓-Us。-Us電壓再經(jīng)運算放大器A2反向積分，使其輸出UF負值線性減小，從而使A3的輸出電壓UK也隨之減小，當UK< SPAN>r時，U1又轉(zhuǎn)換為+Us，UF負值又增大，UK再次上升，如此循環(huán)不已，便得到圖11所示的“”脈寬調(diào)制波形。圖11  “”脈寬調(diào)制電路及波形“”脈寬調(diào)制電路具有一個可貴的特性，就是當輸入正弦波參

41、考電壓Ur的幅值一定時，其輸出調(diào)制脈沖列U1的基波電壓大小與其頻率之比隨時保持恒值，這個U1/fo為恒值的特性正符合異步電動機變頻調(diào)速對PWM逆變器輸出的要求。四、 多重化變頻器表1中項2、4、5的PAM方式變頻器，其輸出波形為矩形波。為了獲得近似正弦波或者獲得高壓，有時采用多重化變頻器。圖12為多重化變頻器的原理。將單相變頻器的電壓波形（或電流波形）按傅立葉級數(shù)展開，則含有不少高次諧波。并在圖中給出了3次諧波。圖12 多重化的原理如果將相位差為60º的兩臺單相變頻器的輸出U1、U2圖12a與圖b合成，則合成輸出的導(dǎo)通寬度為120º。U1、U2所含的3次諧波相位相差180&

42、#186;，在輸出中被互相抵消。這就叫作多重化。這種多臺變頻器的多重化可以抵消諧波，改善波形；輸出為兩臺變頻器之和，容易實現(xiàn)大容量化。電壓型、電流型兩種變頻器的多重化構(gòu)成原理圖，如圖13所示。變頻器的輸出采用輸出變壓器來實現(xiàn)多重化，變壓器的二次繞組對于電壓型變頻器為串聯(lián)連接，對于電流型為并聯(lián)連接。圖13 變頻器的多重化構(gòu)成原理圖a)電壓型  b)電流型五、 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)三相電源中任意兩相交換輸入，就會發(fā)生反轉(zhuǎn)。變頻器可以用電子回路改變相序?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)。六、 電動與再生異步電動機的轉(zhuǎn)差率為正時，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，為負時則產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。因此，想使異步電動機制動，顯然使變頻器頻率從與電動機轉(zhuǎn)速相應(yīng)的

43、頻率下降即可。此時，為了使轉(zhuǎn)動能量反饋到變頻器側(cè)（再生），必須具有吸收與此轉(zhuǎn)動能量相對應(yīng)的電功率的能力。1.采用電壓型逆變器時   當變頻器的頻率低于電動機的轉(zhuǎn)速時，續(xù)流二極管是作為以電動機為電源的整流器而工作，由電動機產(chǎn)生的再生功率流入直流電源回路的平波電容中。在這種情況下，對于通用小容量變頻器要裝設(shè)電阻（見表1），再生時用此電阻將再生功率消耗掉。對于大容量變頻器，則采用可逆整流器將再生功率反饋給電源。2.采用電流型變頻器時   對于電流型變頻器，再生時直流電流方向不變，而直流電壓的方向反向，所以整流器部分不需要可逆方式，用不可逆整流器即可。2.1.4

44、負載的分類1. 變頻器不是在任何情況下都能正常使用，因此用戶有必要對負載、環(huán)境要求和變頻器有更多了解電動機所帶動的負載不一樣，對變頻器的要求也不一樣。A:風(fēng)機和水泵是最普通的負載：對變頻器的要求最為簡單，只要變頻器容量等于電動機容量即可（空壓機、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂噴泉需加大容量）。B:起重機類負載：這類負載的特點是啟動時沖擊很大，因此要求變頻器有一定余量。同時，在重物下放肘，會有能量回饋，因此要使用制動單元或采用共用母線方式。C:不均行負載：有的負載有時輕，有時重，此時應(yīng)按照重負載的情況來選擇變頻器容量，例如軋鋼機機械、粉碎機械、攪拌機等。D:大慣性負載：如離心機、沖床、水泥廠的旋

45、轉(zhuǎn)窯，此類負載慣性很大，因此啟動時可能會振蕩，電動機減速時有能量回饋。應(yīng)該用容量稍大的變頻器來加快啟動，避免振蕩。配合制動單元消除回饋電能。2.長期低速運轉(zhuǎn)，由于電機發(fā)熱量較高，風(fēng)扇冷卻能力降低，因此必須采用加大減速比的方式或改用6級電機，使電機運轉(zhuǎn)在較高頻率附近。3.變頻器安裝地點必需符合標準環(huán)境的要求，否則易引起故障或縮短使用壽命；變頻器與驅(qū)動馬達之間的距離一般不超過50米，若需更長的距離則需降低載波頻率或增加輸出電抗器選件才能正常運轉(zhuǎn)。2.1.5變頻器的選型正確選用變頻器的類型，首先要分析生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩的要求，然后決定選用哪種控制方式的變頻器最合適。所謂

46、合適是既要好用，叉要經(jīng)濟，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求為前提。表1為不同控制方式變頻器的主要性能、應(yīng)用場合，表2為常見幾類設(shè)各的負載特性和負載轉(zhuǎn)矩特性，可供變頻器選型時參考。表1不同控制方式變頻器的主要性能和應(yīng)用場合表2幾類常見設(shè)備的負載特性和負載轉(zhuǎn)矩特性2.16變頻器容量計算采用變頻器驅(qū)動異步電動機調(diào)速。在異步電動機確定后，通常應(yīng)根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機實際運行中的電流值(最大值)來選擇變頻器。當運行方式不同時，變頻器容量的計算方式和選擇方法不同，變頻器應(yīng)滿足的條件也不一樣。選擇變頻器容量時，變頻器的額定電流是一個關(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運行過程中可能出現(xiàn)

47、的最大工作電流來選擇。變頻器的運行一般有以下幾種方式。1、連續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量的計算     由于變頻器傳給電動機的是脈沖電流，其脈動值比工頻供電時電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當?shù)挠嗔?。此時，變頻器應(yīng)同時滿足以下三個條件：式中：PM、cos、UM、IM分別為電動機輸出功率、效率(取0.85)、功率因數(shù)(取0.75)、電壓(V)、電流(A)。  K：電流波形的修正系數(shù)(PWM方式取1.051.1)  PCN：變頻器的額定容量(KVA)  ICN：變頻器的額定電流(A)    

48、0;   式中IM如按電動機實際運行中的最大電流來選擇變頻器時，變頻器的容量可以適當縮小。 2、加減速時變頻器容量的選擇  變頻器的最大輸出轉(zhuǎn)矩是由變頻器的最大輸出電流決定的。一般情況下，對于短時的加減速而言，變頻器允許達到額定輸出電流的130150(視變頻器容量)，因此，在短時加減速時的輸出轉(zhuǎn)矩也可以增大；反之，如只需要較小的加減速轉(zhuǎn)矩時，也可降低選擇變頻器的容量。由于電流的脈動原因，此時應(yīng)將變頻器的最大輸出電流降低10后再進行選定。3、頻繁加減速運轉(zhuǎn)時變頻器容量的選定  根據(jù)加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式確定：  I1CN

49、(I1t1+I2t2+I5t5)/(t1+t2+t5)K0  式中：I1CN：變頻器額定輸出電流(A)  I1、I2、I5：各運行狀態(tài)平均電流(A)  t1、t2、t5：各運行狀態(tài)下的時間  K0：安全系數(shù)(運行頻繁時取1.2，其它條件下為1.1)  4、一臺變頻器傳動多臺電動機，且多臺電動機并聯(lián)運行，即成組傳動  用一臺變頻器使多臺電機并聯(lián)運轉(zhuǎn)時，對于一小部分電機開始起動后，再追加投入其他電機起動的場合，此時變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電機將產(chǎn)生大的起動電流，因此，變頻器容量與同時起動時相比需要大些。以變頻器短時過載能力為

50、150，1min為例計算變頻器的容量，此時若電機加速時間在1min內(nèi)，則應(yīng)滿足以下兩式，           若電機加速在1mn以上時式中：   nT：并聯(lián)電機的臺數(shù)  ns：同時起動的臺數(shù)  PCN1：連續(xù)容量(KVA) PCN1=KPMnT/cos  PM：電動機輸出功率  ：電動機的效率(約取0.85)  cos：電動機的功率因數(shù)(常取0.75)  Ks：電機起動電流/電機額定電流  IM：電機額定電

51、流  K：電流波形正系數(shù)(PWM方式取1.051.10)  PCN：變頻器容量(KVA)  ICN：變頻器額定電流(A)  變頻器驅(qū)動多臺電動機，但其中可能有一臺電動機隨時掛接到變頻器或隨時退出運行。此時變頻器的額定輸出電流可按下式計算：            式中：IICN：變頻器額定輸出電流(A)  IMN：電動機額定輸入電流(A)  IMQ：最大一臺電動機的起動電流(A)  K：安全系數(shù)，一般取1.051.10  J：余

52、下的電動機臺數(shù)  5、電動機直接起動時所需變頻器容量的計算  通常，三相異步電動機直接用工頻起動時起動電流為其額定電流的57倍，對于電動機功率小于10kW的電機直接起動時，可按下式選取變頻器。  I1CNIK/Kg  式中：IK：在額定電壓、額定頻率下電機起動時的堵轉(zhuǎn)電流(A)；  Kg：變頻器的允許過載倍數(shù) Kg1.31.5  在運行中，如電機電流不規(guī)則變化，此時不易獲得運行特性曲線，這時可使電機在輸出最大轉(zhuǎn)矩時的電流限制在變頻器的額定輸出電流內(nèi)進行選定。 6、大慣性負載起動時變頻器容量的計算  通過變

53、頻器過載容量通常多為125、60s或150、60s。需要超過此值的過載容量時，必須增大變頻器的容量。這種情況下，一般按下式計算變頻器的容量：           式中：GD2：換算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量值(N·m2)  TL：負載轉(zhuǎn)矩(N·m)  ，cos，nM分別為電機的效率(取0.85)，功率因數(shù)(取0.75)，額定轉(zhuǎn)速(r/min)。  tA：電機加速時間(s)由負載要求確定  K：電流波形的修正系數(shù)(PWM方式取1.051.10)

54、  PCN：變頻器的額定容量(KVA)  7、輕載電動機時變頻器的選擇  電動機的實際負載比電動機的額定輸出功率小時，多認為可選擇與實際負載相稱的變頻器容量，但是對于通用變頻器，即使實際負載小，使用比按電機額定功率選擇的變頻器容量小的變頻器并不理想，這主要是由于以下原因；  1) 電機在空載時也流過額定電流的3050的勵磁電流。  2) 起動時流過的起動電流與電動機施加的電壓、頻率相對應(yīng)，而與負載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，如果變頻器容量小，此電流超過過流容量，則往往不能起動。  3) 電機容量大，則以變頻器容量為基準的電

55、機漏抗百分比變小，變頻器輸出電流的脈動增大，因而過流保護容量動作，往往不能運轉(zhuǎn)。  4) 電機用通用變頻器起動時，其起動轉(zhuǎn)矩同用工頻電源起動相比多數(shù)變小，根據(jù)負載的起動轉(zhuǎn)矩特性，有時不能起動。另外，在低速運轉(zhuǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)矩有比額定轉(zhuǎn)矩減小的傾向，用選定的變頻器和電機不能滿足負載所要求的起動轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩時，變頻器和電機的容量還需要再加大。以上介紹的是幾種不同情況下變頻器的容量計算與選擇方法，具體選擇容量時，既要充分利用變頻器的過載能力，又要不至于在負載運行時使裝置超溫。有些制造廠(如ABB公司)還備有確定裝置定額軟件，只要用戶提出明確的負載圖就可以確定裝置的輸出定額。 

56、;2.2變頻調(diào)速技術(shù)2.2.1變頻調(diào)速的定義由于異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：n=no(1一s)=60fo(1一s)p。其中fo為定子電壓頻率，P為電動機極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，no為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速。根據(jù)上式，即異步電動機的轉(zhuǎn)速n=60fo(1一s)p，當極對數(shù)P不變時，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f1成正比，因此連續(xù)地改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。它具有較好的調(diào)速性能，是現(xiàn)代交流調(diào)速方法中具有重要意義的一種調(diào)速方法。通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速，在調(diào)速過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、寬范圍

57、和高精度的調(diào)速性能。可以認為，變頻調(diào)速是異步電動機的一種比較合理和理想的調(diào)速方法。2.2.2變頻調(diào)速的原理變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為: n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1) 式中: n 電機的轉(zhuǎn)速，r/min n1 同步轉(zhuǎn)速，r/min p 磁極對數(shù) s 轉(zhuǎn)差率

58、，% f 頻率，Hz 由轉(zhuǎn)速公式（1）可知, 我們可以通過改變極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率的方法實現(xiàn)對異步電機的調(diào)速。前兩種方法轉(zhuǎn)差損耗大，效率低，對電機特性都有一定的局限性。變頻調(diào)速是通過改變定子電源頻率來改變同步頻率實現(xiàn)電機調(diào)速的。在調(diào)速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬(10%100%)和精度高等性能，節(jié)電效果20%30%。 實際上僅僅改變電動機的頻率并不能獲得良好的變頻特性。因為由異步電機的電勢公式可知，外加電壓近似與頻率和磁通乘積成正比，即： UE=C1f （2） 式（2）中，C1為常數(shù)，因此有： E/fU/f （3） 若外加電壓不變，則磁通隨頻率而改變

59、，如頻率f下降，磁通會增加，造成磁路過飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。此外，在許多場合，為了保持在調(diào)速時，電機產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速(VVVF)，簡稱變頻調(diào)速。從結(jié)構(gòu)上看，靜止變頻調(diào)速裝置可分為交-直-交變頻、交-交變頻兩種方式。前者適用于高速小容量電機，后者適用于低速大容量拖動系統(tǒng)。只要設(shè)法改變?nèi)嘟涣麟妱訖C的供電頻率f, 就可以十分方便地改變電機的轉(zhuǎn)速n, 比改變極對數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s兩個參數(shù)簡單得多。特別是近二十多年來,靜態(tài)電力變頻調(diào)速器突飛猛進的發(fā)展,使得三相交流電機變頻調(diào)速成為當前電機調(diào)速的主流。2.2.3變頻調(diào)速系