基于多種通訊方式及變頻器的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

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(dòng)化生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線通常由多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能否實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)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(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制已成為研究熱點(diǎn)。作為配套的電氣控制環(huán)節(jié)則對(duì)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(dāng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸的同步運(yùn)行，及各電機(jī)的同步運(yùn)行。電機(jī)同步運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有重要的影響，特別是對(duì)造紙行業(yè)的安

2、全運(yùn)行有著關(guān)鍵作用。而PLC通過多種通訊方式完成各個(gè)變頻器的控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)電機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過PLC的多種通訊方式和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)的控制。變頻調(diào)速是電機(jī)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(duì)優(yōu)勢(shì)，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)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(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)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(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。 (3) 起動(dòng)

3、電流低，對(duì)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(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化。 (6) 必須有專用的變頻電源，目前造價(jià)較高。 (7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shì)。3. 合理應(yīng)用 交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國已得到廣泛應(yīng)用。美國有60% - 65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)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(gè)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(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 (3) 可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊?？偨Y(jié)：交流變頻調(diào)速的方法是異步電機(jī)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(jià)格便宜的變頻器會(huì)不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會(huì)得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。目前，國外先進(jìn)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(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)非常重要。查閱以前的設(shè)計(jì)方案，使用常規(guī)電器來搭建控制部分非常困難，同時(shí)因大量使用繼電器和時(shí)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(gè)很好地控制方式。因此，需要選擇更好地控制方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)的同步控制。ABB可升級(jí)的PLC AC500由于其抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，編程簡單，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。利用ABB可升級(jí)的PLC AC500的CS31總線、Profibus DP總線、和ProfiNET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的同步控制，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可以節(jié)約調(diào)整時(shí)間，增加設(shè)備的柔性，同時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。因此，利用ABB可升級(jí)的PLC AC500的CS31總線、Profibus DP總線、和ProfiNET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的同步控制。1.2 方案選擇要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)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(jí)采用Ethernet 作為通信網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用PROFIBUS-DP 作為通信網(wǎng)絡(luò)，通過通訊方式完成各個(gè)變頻器的控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)電機(jī)的同步調(diào)速。二、利用變頻器來拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)實(shí)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(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的控制。使用這種方式，由于只用一臺(tái)變頻器，所以投資少，減少了額外的硬件，又降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，同時(shí)最大限度的提高設(shè)備利用率，挖掘增效潛力。三、在自動(dòng)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(dá)到遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，在電氣指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)中。四、采用每臺(tái)電動(dòng)機(jī)各由一臺(tái)變頻器來控制的方式，那么這就要用到多臺(tái)交流變頻調(diào)速器，再利用PLC來控制多臺(tái)變頻調(diào)速器，從而達(dá)到多電機(jī)控制的目的。采用這種方法，由于使用多臺(tái)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(jī)數(shù)目較多，電機(jī)分布距離較遠(yuǎn)的情況，而且，用PLC和變頻器搭建的程控系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)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(jì)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(jià)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)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(gè)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(chǎng)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(chǎng)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(kuò)展至通用驅(qū)動(dòng)及專用驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，乃至變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家用電器。交流驅(qū)動(dòng)器已在工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化出版設(shè)備、加工工具、傳輸設(shè)備、電梯、壓縮機(jī)、軋鋼、風(fēng)機(jī)泵類、電動(dòng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的觀測(cè)、控制算法，傳動(dòng)性能也因此達(dá)到前所未有的高度。而現(xiàn)在變頻驅(qū)動(dòng)主要使用PWM合成驅(qū)動(dòng)方式，這要求其控制器有很強(qiáng)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(diǎn)而成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電機(jī)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息與控制等多個(gè)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(duì)獨(dú)立的學(xué)科。而相對(duì)于大多數(shù)人來說，變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)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(yùn)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?yàn)V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(chǔ)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(chǔ)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(jī)。打個(gè)比方，變頻器就好比一個(gè)人的心臟，人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，心臟將劇烈跳動(dòng)，心率加快，供應(yīng)大量的血液給身體各器官；人在休息的時(shí)候，心臟將變緩，從而節(jié)約能耗。電動(dòng)機(jī)同樣也像一步操作中的機(jī)器心臟，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度也需要根據(jù)其負(fù)荷大小來調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，而變頻器則是為其正常運(yùn)轉(zhuǎn)加上一個(gè)自動(dòng)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(dá)國家廣泛應(yīng)用，目前在中國的空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)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(qiáng)等到一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)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(jì)算機(jī)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(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。PLC

13、 技術(shù)自上世紀(jì)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(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中，成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場(chǎng)合最多的工業(yè)控制裝置，被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、機(jī)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(dòng)化的客觀需要外，主要是因?yàn)槠渚哂性S多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。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(jì)等諸多問題。其主要特點(diǎn)如下:2.1 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)是PLC 最重要的特點(diǎn)之一。PLC 的無故障時(shí)間平均可達(dá)幾十萬小時(shí)。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(duì)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(shí)器用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運(yùn)算處理器的延遲，保證在程序出錯(cuò)和程序調(diào)試時(shí)，避免因程序出錯(cuò)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(jì)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(cè)得的數(shù)據(jù)可直接判斷，處理方法是到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)測(cè)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(jī)接插件接觸不良、轉(zhuǎn)轍機(jī)自動(dòng)開閉器接點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，用電壓法進(jìn)行查找。3.PLC的通訊方式本系統(tǒng)主要用的是ABB可升級(jí)的AC500系列PLC, ABB可升級(jí)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(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線等。3.1 CS31現(xiàn)場(chǎng)總線CS31現(xiàn)場(chǎng)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(gè)總線，把前后多套系統(tǒng)有機(jī)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(gè)連接端子來實(shí)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的RS485串行通訊。每個(gè)通訊系統(tǒng)由一個(gè)主站和最大31個(gè)從站組成。通訊距離不加中繼為500米，加中繼最大可達(dá)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(chǎng)總線PROFIBUS-DP 使用了ISO/OSI 通信標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(chǎng)級(jí)分散的I/O

17、設(shè)備之間的通信。3.3 ProfiNET實(shí)時(shí)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(shì)表明，工業(yè)以太網(wǎng)將占據(jù)自動(dòng)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(diǎn)：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蟆⒁子谂cInternet連接，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)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(shí)，包括它的原理、功能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及選型、發(fā)展?fàn)顩r等相關(guān)知識(shí)，最后還詳細(xì)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(jì)的內(nèi)容。根據(jù)多電機(jī)同步的發(fā)展現(xiàn)狀提出了多電機(jī)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(bǔ)償器的多電機(jī)同步控制策略，研究了此種策略的設(shè)計(jì)方法。第五章是系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)與調(diào)試。重點(diǎn)介紹了變頻器與PLC，PLC與上位機(jī)通訊的設(shè)計(jì)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(jì)等相關(guān)內(nèi)容。第六章是監(jiān)控界面設(shè)計(jì)的相關(guān)

19、內(nèi)容。包括人機(jī)界面的選型、編程軟件的選擇和系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)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(jìn)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(jí)的PLC AC500的通訊方式背景知識(shí)。闡述說明了本文研究的內(nèi)容、方法和要實(shí)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(jī)及PWM控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)，其效率高、操作方便，而且調(diào)速性能可以與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)媲美，所以交流變頻調(diào)速傳動(dòng)是目前最好的調(diào)速傳動(dòng)方式。另外，變頻器在節(jié)約電能的同時(shí)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(shí)意義，而且現(xiàn)在越來越多的工業(yè)控制場(chǎng)合選用PLC和變頻器用于電機(jī)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(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、

21、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)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(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到速調(diào)的目的。變頻器主電路是給異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jìn)行再生運(yùn)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(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，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(shí)間使6個(gè)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(shí)間和電壓波形。控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流

23、檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。 （1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測(cè)電路：與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。（3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)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(cè)電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器(tg、plg等)的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。2.1.2變頻器的基本動(dòng)作原理及特點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)用變頻器傳動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)的調(diào)速傳動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)、容量范圍、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)而設(shè)計(jì)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(jī)械開關(guān)來說明其基本動(dòng)作。負(fù)載是異步電動(dòng)機(jī)，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(fù)載。圖2 考慮了諧波的異步電動(dòng)機(jī)等效電路(一)電壓型電壓型逆變器的原理圖及其動(dòng)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(fù)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(shí)線所示。這里假定負(fù)載電流i由于負(fù)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(shí)功率）  d

26、)開關(guān)動(dòng)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(fù)載電流i。在時(shí)刻t1使這兩個(gè)開關(guān)關(guān)斷，同時(shí)使開關(guān)S3、S4導(dǎo)通，于是負(fù)載的無功功率就沿路線反饋給直流電壓源Ed?？紤]負(fù)載電流i和開關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，直流電流Id的波形如圖c所示。另外，負(fù)載電壓u與負(fù)載電流i的積為瞬時(shí)功率P，它與直流電流Id的波形相同。瞬時(shí)功率P的平均值Pa為向負(fù)載提供的有功功率。時(shí)刻t1t2的滯后角相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的滯后功率因數(shù)角，時(shí)有功功率為正（電動(dòng)狀態(tài)），時(shí)為負(fù)（再生狀態(tài)）。滯后角與瞬時(shí)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(shí)功率P、有功功率當(dāng)開關(guān)采用單方向?qū)ǖ陌雽?dǎo)體開關(guān)器件時(shí)，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(xiàng)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(dòng)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(fù)載電流i就變?yōu)榫匦尾ń涣麟姡笮〉扔谥绷麟娫措娏鱅d，如圖b中實(shí)線所示。負(fù)載電壓u由負(fù)載的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(shí)功率）d)S1、S2動(dòng)作、S3、

28、S4動(dòng)作現(xiàn)在，使開關(guān)S1，S2導(dǎo)通，負(fù)載電流i從電流源經(jīng)圖示的路線流出。在時(shí)刻t1關(guān)斷這兩個(gè)開關(guān)時(shí)，因?yàn)槭请娏髟?，?fù)載電流必須急速地反向，但是電感負(fù)載的電流不可能瞬時(shí)反向，在負(fù)載兩端需要有吸收電感儲(chǔ)存能量的電路。在吸收此能量期間，負(fù)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(fù)載電流反向后，功率從負(fù)載向電源反饋，在時(shí)刻t2負(fù)載電壓反向。此后，在S1，S2再次導(dǎo)通時(shí)刻t3之間的期間，為功率從電源流向負(fù)載的電動(dòng)狀態(tài)?？紤]負(fù)載電壓u和開關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，直流電壓波形Ed為圖c的波形。另外瞬時(shí)功率P與直流電壓波形相同。此瞬時(shí)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(dòng)機(jī)的滯后功率

29、因數(shù)角與瞬時(shí)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(shí)，對(duì)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(xiàng)4及5所列，變流器部分采用晶閘管，同時(shí)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(duì)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(xiàng)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(xiàng)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(duì)于要求類似直流電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)性的應(yīng)用場(chǎng)合，為了快速控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，適用電流控制。表1中項(xiàng)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(xiàng)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(jìn)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(jìn)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(shí)，高電壓及低電壓時(shí)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(shí)  b)低電壓時(shí)表1中項(xiàng)2、4、5的晶閘管逆變器，其換相時(shí)間需要100數(shù)百µs，所以，難以做到用晶閘管來開關(guān)實(shí)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(dòng)機(jī)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(bǔ)償電網(wǎng)電壓和負(fù)載變化所引起的輸出電壓波動(dòng)，也應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)其輸出電壓。具體實(shí)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P(yáng)WM）。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(duì)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(hào)和參考信號(hào)（基準(zhǔn)信號(hào)）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(dòng)信號(hào)在控制電路中一般常采用載頻信號(hào)Uc與參考信號(hào)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(hào)，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(duì)稱倒相后的a、b點(diǎn)電位、Uoo和相電壓Uao的脈沖列波形。在一個(gè)周期內(nèi)有12個(gè)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(fù)半周對(duì)稱，主電路中的6個(gè)開關(guān)器件以1234561順序輪流工作，每個(gè)開關(guān)器件都是半周工作，通、斷6次輸出6個(gè)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(hào)的部分調(diào)制脈沖波形輸出的相電壓波形每半個(gè)周期出現(xiàn)6個(gè)等寬等距脈沖，中間兩個(gè)脈幅高(2E/3)兩邊4個(gè)脈幅低(E/3)，正負(fù)半周對(duì)稱，這個(gè)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(dāng)三角波幅值一定，改變參考直流信號(hào)Ur的大小時(shí)，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?。桓淖冚d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(shí)現(xiàn)輸出電壓頻率的調(diào)節(jié)。顯然，同時(shí)改變?nèi)遣ǖ念l率和參考直流信號(hào)電壓Ur的大小，就可以使變頻器的輸出在變頻的同時(shí)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(shí)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(fù)半周波形始終保持完全對(duì)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(fù)半周完全對(duì)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(shí)諧波影響大。2)單極性正弦波脈寬調(diào)制方式及參考信號(hào)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(diǎn)是在半個(gè)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(fù)半周輸出負(fù)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(dāng)改變Ur的幅值時(shí)，脈寬即隨之改變，從而改變輸出電壓的大??；當(dāng)改變Ur的頻率時(shí)，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(duì)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(duì)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(gè)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(hào)，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(hào)的頻率，正、負(fù)半周的脈波數(shù)和相位在不同輸出頻率下就不是完全對(duì)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(fù)半周輸出波形不能完全對(duì)稱，會(huì)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(fù)半周輸出不同極性的脈沖，必須另加倒相電路。與此相對(duì)應(yīng)，若在調(diào)制過程中，載頻信號(hào)和參考信號(hào)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(hào)Ur的幅值大小和頻率調(diào)制的。參考信號(hào)也可以采用階梯式準(zhǔn)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(dāng)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(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)，在脈寬調(diào)制過程中，要根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性的要求，在調(diào)節(jié)正弦參考

39、信號(hào)頻率的同時(shí)，要相應(yīng)地適當(dāng)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?！啊泵}寬調(diào)制電路的基本工作原理：正弦波參考信號(hào)電壓Ur加在運(yùn)算放大器A1的同相輸入端，A1作為比較器工作。當(dāng)Ur從零上升時(shí)，A1的輸出電壓U1迅速升到正飽和值Us，+Us電壓經(jīng)運(yùn)算放大器A2作反向積分，其輸出電壓UF負(fù)向線性增長，

40、UF和+U1經(jīng)R2、R3綜合加到運(yùn)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(yùn)算放大器A1中相比較，當(dāng)UK< SPAN>r時(shí)，A1輸出保持+Us，一旦UK上升到UK>Ur時(shí)，A1迅速翻轉(zhuǎn)輸出負(fù)飽和電壓-Us。-Us電壓再經(jīng)運(yùn)算放大器A2反向積分，使其輸出UF負(fù)值線性減小，從而使A3的輸出電壓UK也隨之減小，當(dāng)UK< SPAN>r時(shí)，U1又轉(zhuǎn)換為+Us，UF負(fù)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(gè)可貴的特性，就是當(dāng)輸入正弦波參

41、考電壓Ur的幅值一定時(shí)，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(shí)保持恒值，這個(gè)U1/fo為恒值的特性正符合異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速對(duì)PWM逆變器輸出的要求。四、 多重化變頻器表1中項(xiàng)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(shí)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(jí)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(tái)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(tái)變頻器的多重化可以抵消諧波，改善波形；輸出為兩臺(tái)變頻器之和，容易實(shí)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(shí)現(xiàn)多重化，變壓器的二次繞組對(duì)于電壓型變頻器為串聯(lián)連接，對(duì)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(huì)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(dòng)與再生異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為正時(shí)，產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為負(fù)時(shí)則產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，想使異步電動(dòng)機(jī)制動(dòng)，顯然使變頻器頻率從與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)的

43、頻率下降即可。此時(shí)，為了使轉(zhuǎn)動(dòng)能量反饋到變頻器側(cè)（再生），必須具有吸收與此轉(zhuǎn)動(dòng)能量相對(duì)應(yīng)的電功率的能力。1.采用電壓型逆變器時(shí)   當(dāng)變頻器的頻率低于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，續(xù)流二極管是作為以電動(dòng)機(jī)為電源的整流器而工作，由電動(dòng)機(jī)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(duì)于通用小容量變頻器要裝設(shè)電阻（見表1），再生時(shí)用此電阻將再生功率消耗掉。對(duì)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(shí)   對(duì)于電流型變頻器，再生時(shí)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(fù)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(duì)負(fù)載、環(huán)境要求和變頻器有更多了解電動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的負(fù)載不一樣，對(duì)變頻器的要求也不一樣。A:風(fēng)機(jī)和水泵是最普通的負(fù)載：對(duì)變頻器的要求最為簡單，只要變頻器容量等于電動(dòng)機(jī)容量即可（空壓機(jī)、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂噴泉需加大容量）。B:起重機(jī)類負(fù)載：這類負(fù)載的特點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)沖擊很大，因此要求變頻器有一定余量。同時(shí)，在重物下放肘，會(huì)有能量回饋，因此要使用制動(dòng)單元或采用共用母線方式。C:不均行負(fù)載：有的負(fù)載有時(shí)輕，有時(shí)重，此時(shí)應(yīng)按照重負(fù)載的情況來選擇變頻器容量，例如軋鋼機(jī)機(jī)械、粉碎機(jī)械、攪拌機(jī)等。D:大慣性負(fù)載：如離心機(jī)、沖床、水泥廠的旋

45、轉(zhuǎn)窯，此類負(fù)載慣性很大，因此啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)振蕩，電動(dòng)機(jī)減速時(shí)有能量回饋。應(yīng)該用容量稍大的變頻器來加快啟動(dòng)，避免振蕩。配合制動(dòng)單元消除回饋電能。2.長期低速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于電機(jī)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(jí)電機(jī)，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在較高頻率附近。3.變頻器安裝地點(diǎn)必需符合標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)馬達(dá)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(yùn)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(jī)械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)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(jì)，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(chǎng)合，表2為常見幾類設(shè)各的負(fù)載特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，可供變頻器選型時(shí)參考。表1不同控制方式變頻器的主要性能和應(yīng)用場(chǎng)合表2幾類常見設(shè)備的負(fù)載特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性2.16變頻器容量計(jì)算采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在異步電動(dòng)機(jī)確定后，通常應(yīng)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值(最大值)來選擇變頻器。當(dāng)運(yùn)行方式不同時(shí)，變頻器容量的計(jì)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(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)關(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)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(yùn)行一般有以下幾種方式。1、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量的計(jì)算     由于變頻器傳給電動(dòng)機(jī)的是脈沖電流，其脈動(dòng)值比工頻供電時(shí)電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔?。此時(shí)，變頻器應(yīng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：式中：PM、cos、UM、IM分別為電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流來選擇變頻器時(shí)，變頻器的容量可以適當(dāng)縮小。 2、加減速時(shí)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(duì)于短時(shí)的加減速而言，變頻器允許達(dá)到額定輸出電流的130150(視變頻器容量)，因此，在短時(shí)加減速時(shí)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(shí)，也可降低選擇變頻器的容量。由于電流的脈動(dòng)原因，此時(shí)應(yīng)將變頻器的最大輸出電流降低10后再進(jìn)行選定。3、頻繁加減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變頻器容量的選定  根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)平均電流(A)  t1、t2、t5：各運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間  K0：安全系數(shù)(運(yùn)行頻繁時(shí)取1.2，其它條件下為1.1)  4、一臺(tái)變頻器傳動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，即成組傳動(dòng)  用一臺(tái)變頻器使多臺(tái)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于一小部分電機(jī)開始起動(dòng)后，再追加投入其他電機(jī)起動(dòng)的場(chǎng)合，此時(shí)變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電機(jī)將產(chǎn)生大的起動(dòng)電流，因此，變頻器容量與同時(shí)起動(dòng)時(shí)相比需要大些。以變頻器短時(shí)過載能力為

50、150，1min為例計(jì)算變頻器的容量，此時(shí)若電機(jī)加速時(shí)間在1min內(nèi)，則應(yīng)滿足以下兩式，           若電機(jī)加速在1mn以上時(shí)式中：   nT：并聯(lián)電機(jī)的臺(tái)數(shù)  ns：同時(shí)起動(dòng)的臺(tái)數(shù)  PCN1：連續(xù)容量(KVA) PCN1=KPMnT/cos  PM：電動(dòng)機(jī)輸出功率  ：電動(dòng)機(jī)的效率(約取0.85)  cos：電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)(常取0.75)  Ks：電機(jī)起動(dòng)電流/電機(jī)額定電流  IM：電機(jī)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(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，但其中可能有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)隨時(shí)掛接到變頻器或隨時(shí)退出運(yùn)行。此時(shí)變頻器的額定輸出電流可按下式計(jì)算：            式中：IICN：變頻器額定輸出電流(A)  IMN：電動(dòng)機(jī)額定輸入電流(A)  IMQ：最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流(A)  K：安全系數(shù)，一般取1.051.10  J：余

52、下的電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)  5、電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)所需變頻器容量的計(jì)算  通常，三相異步電動(dòng)機(jī)直接用工頻起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流為其額定電流的57倍，對(duì)于電動(dòng)機(jī)功率小于10kW的電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，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(jī)起動(dòng)時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流(A)；  Kg：變頻器的允許過載倍數(shù) Kg1.31.5  在運(yùn)行中，如電機(jī)電流不規(guī)則變化，此時(shí)不易獲得運(yùn)行特性曲線，這時(shí)可使電機(jī)在輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流限制在變頻器的額定輸出電流內(nèi)進(jìn)行選定。 6、大慣性負(fù)載起動(dòng)時(shí)變頻器容量的計(jì)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(shí)，必須增大變頻器的容量。這種情況下，一般按下式計(jì)算變頻器的容量：           式中：GD2：換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值(N·m2)  TL：負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)  ，cos，nM分別為電機(jī)的效率(取0.85)，功率因數(shù)(取0.75)，額定轉(zhuǎn)速(r/min)。  tA：電機(jī)加速時(shí)間(s)由負(fù)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(dòng)機(jī)時(shí)變頻器的選擇  電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載比電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率小時(shí)，多認(rèn)為可選擇與實(shí)際負(fù)載相稱的變頻器容量，但是對(duì)于通用變頻器，即使實(shí)際負(fù)載小，使用比按電機(jī)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(jī)在空載時(shí)也流過額定電流的3050的勵(lì)磁電流。  2) 起動(dòng)時(shí)流過的起動(dòng)電流與電動(dòng)機(jī)施加的電壓、頻率相對(duì)應(yīng)，而與負(fù)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(dòng)。  3) 電機(jī)容量大，則以變頻器容量為基準(zhǔn)的電

55、機(jī)漏抗百分比變小，變頻器輸出電流的脈動(dòng)增大，因而過流保護(hù)容量動(dòng)作，往往不能運(yùn)轉(zhuǎn)。  4) 電機(jī)用通用變頻器起動(dòng)時(shí)，其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩同用工頻電源起動(dòng)相比多數(shù)變小，根據(jù)負(fù)載的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，有時(shí)不能起動(dòng)。另外，在低速運(yùn)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(jī)不能滿足負(fù)載所要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩時(shí)，變頻器和電機(jī)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(jì)算與選擇方法，具體選擇容量時(shí)，既要充分利用變頻器的過載能力，又要不至于在負(fù)載運(yùn)行時(shí)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(fù)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)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(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，no為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。根據(jù)上式，即異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60fo(1一s)p，當(dāng)極對(duì)數(shù)P不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)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?？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。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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為: n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1) 式中: n 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min n1 同步轉(zhuǎn)速，r/min p 磁極對(duì)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(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速。前兩種方法轉(zhuǎn)差損耗大，效率低，對(duì)電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的。在調(diào)速的整個(gè)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(shí)際上僅僅改變電動(dòng)機(jī)的頻率并不能獲得良好的變頻特性。因?yàn)橛僧惒诫姍C(jī)的電勢(shì)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(huì)增加，造成磁路過飽和，勵(lì)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(shí)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(chǎng)合，為了保持在調(diào)速時(shí)，電機(jī)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(shí)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(jī)，后者適用于低速大容量拖動(dòng)系統(tǒng)。只要設(shè)法改變?nèi)嘟涣麟妱?dòng)機(jī)的供電頻率f, 就可以十分方便地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n, 比改變極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s兩個(gè)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(jìn)的發(fā)展,使得三相交流電機(jī)變頻調(diào)速成為當(dāng)前電機(jī)調(diào)速的主流。2.2.3變頻調(diào)速系