第1章變頻器的認(rèn)識(shí)

1、變頻器原理與應(yīng)用（第3版）第一章第一章 變頻器的認(rèn)識(shí)變頻器的認(rèn)識(shí)變頻器的概念 變頻器是將固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的裝置。 變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 1.1 1.1 變頻器概述變頻器概述 1.1.1 變頻器的發(fā)展 1.電力電子器件是變頻器發(fā)展的基礎(chǔ) 變頻器問世于20世紀(jì)80年代，初期的變頻器主電路由晶閘管等分立電子元件組成，可靠性差、頻率低，而且輸出的電壓和電流的波形是方波。隨著GTR和GTO的出現(xiàn)并成為逆變器的功率器件時(shí)，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)也進(jìn)入到應(yīng)用階段，這時(shí)的逆變電路能夠得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓和電流，同時(shí)8位微處理器成為變頻器的控制核心，按壓頻

2、比（V/f）控制原理實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，在工作性能上有了很大提高。近年來人們陸續(xù)研制出絕緣柵雙極晶體管IGBT和集成門極換流晶閘管IGCT，以及性能更為完善的智能功率模塊IPM，使得變頻器的容量和電壓等級(jí)不斷擴(kuò)大和提高。變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 2 2 變頻器的發(fā)展得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)和變頻器的發(fā)展得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論的支持自動(dòng)控制理論的支持 計(jì)算機(jī)制造技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，使變頻器的中央處理單元從采用8位微處理器迅速升級(jí)為16位乃至32位微處理器，有的還使用了DSP系統(tǒng)，使變頻器的功能從單一的變頻調(diào)速發(fā)展為包含算術(shù)、邏輯運(yùn)算及智能控制的綜合功能。 自動(dòng)控制理論的發(fā)展使變頻器在改善

3、壓頻比控制性能的同時(shí)，推出了能實(shí)現(xiàn)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等多種模式。現(xiàn)代的變頻器已經(jīng)內(nèi)置有參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)、PID調(diào)節(jié)器、PLC控制器和通訊單元等，根據(jù)需要可實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)不同負(fù)載、寬調(diào)速和伺服控制等多種應(yīng)用。變頻器原理與應(yīng)用（第3版）3 3 市場(chǎng)需求是變頻器發(fā)展的動(dòng)力市場(chǎng)需求是變頻器發(fā)展的動(dòng)力 變頻器的問世為交流電機(jī)的調(diào)速提供了契機(jī)，不僅要取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的直流電機(jī)調(diào)速，而且能節(jié)省大量的能源。 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全國各類電動(dòng)機(jī)耗電量約占全國發(fā)電量的70%。其中80%為異步電動(dòng)機(jī)，大多數(shù)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，特別是風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的電動(dòng)機(jī)。若在此類負(fù)載上使用變頻調(diào)速裝置，將可

4、節(jié)電30%左右。 目前，變頻器作為商品在國內(nèi)的銷售額呈逐年增加趨勢(shì)，銷售前景十分看好，據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，在過去幾年內(nèi)中國變頻器市場(chǎng)保持著12%15%的增長(zhǎng)率，這一速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了近幾年GDP的增長(zhǎng)速度，變頻器全面推廣應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)不遠(yuǎn)了。 變頻器原理與應(yīng)用（第3版）4 4 變頻器的發(fā)展趨勢(shì)變頻器的發(fā)展趨勢(shì) 今天，電力電子的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）進(jìn)入到高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、微小型化、智能化和低成本化，多種適宜變頻調(diào)速的新型電機(jī)正在開發(fā)研制之中 ，IT技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及控制理論的不斷創(chuàng)新，這些與變頻器相關(guān)的技術(shù)將影響其發(fā)展的趨勢(shì)。 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是朝著網(wǎng)絡(luò)智能化

5、 、專門化 、一體化 、操作簡(jiǎn)便、功能健全、安全可靠、環(huán)保低噪、低成本和小型化的方向發(fā)展。變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 1.1.1.2 1.2 變頻器的分類變頻器的分類1 1 按變頻的原理分類按變頻的原理分類 變頻器原理與應(yīng)用（第3版）（1）交-交變頻器 交-交變頻器只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，即把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源轉(zhuǎn)換為變壓變頻（VVVF）電源，稱為直接變頻器，或稱為交-交變頻器。 變頻器原理與應(yīng)用（第3版）（2）交-直-交變頻器 交-直-交變頻器又稱為間接變頻器，它是先將工頻交流電通過整流器變成直流電，再經(jīng)逆變器將直流電變成頻率和電壓可調(diào)的交流電。圖1-1所示為交-直-交變頻器的原理框圖。

6、 圖1-1 交-直-交變頻器的原理框圖變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1） 交-直-交變頻器根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式，又分為電壓型和電流型兩種，如圖1-2所示。a) 電壓型變頻器 b) 電流型變頻器圖1-2 電壓型和電流型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)變頻器原理與應(yīng)用（第3版）2）根據(jù)調(diào)壓方式的不同，交）根據(jù)調(diào)壓方式的不同，交-直直-交變頻交變頻器又分為脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制兩種。器又分為脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制兩種。 脈幅調(diào)制（PAM） 改變電壓源的電壓或電流源的電流的幅值進(jìn)行輸出控制的方式。 圖1-3 PAM方式調(diào)壓變頻器原理與應(yīng)用（第3版）脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）變頻器輸出電壓的大小是通過改變輸出脈沖的占變頻器輸

7、出電壓的大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)的。目前使用最多的是占空比按正弦空比來實(shí)現(xiàn)的。目前使用最多的是占空比按正弦規(guī)律變化的正弦波脈寬調(diào)制，即規(guī)律變化的正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM方式。方式。 a) 調(diào)制原理 b) 輸出電壓波形 圖1-4 用PWM方式調(diào)壓輸出的波形 變頻器原理與應(yīng)用（第3版）2 按控制方式分類按控制方式分類（1）V/f控制變頻器 （2）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器（3）矢量控制變頻器（4）直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器原理與應(yīng)用（第3版）3 3 按用途分類按用途分類 1 1） 通用變頻器通用變頻器 簡(jiǎn)易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主要目的而簡(jiǎn)化了簡(jiǎn)易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主要目的而簡(jiǎn)化了一些系

8、統(tǒng)功能的通用變頻器。它主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)扇、鼓一些系統(tǒng)功能的通用變頻器。它主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等對(duì)于系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，并具有體積小、風(fēng)機(jī)等對(duì)于系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，并具有體積小、價(jià)格低等方面的優(yōu)勢(shì)。價(jià)格低等方面的優(yōu)勢(shì)。 高性能通用變頻器在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了在變頻器高性能通用變頻器在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了在變頻器應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。和硬件方面都做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。 2 2）專用變頻器）專用變頻器 高性能專用變頻器高性能專用變頻器 高頻變頻器高頻變頻器 高壓變頻器高壓

9、變頻器變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 1.1.1.3 1.3 變頻器的應(yīng)用變頻器的應(yīng)用 1.1.1.1 1.1 變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率可以達(dá)到20%60% 1.1.1.2 1.2 變頻器在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用變頻器在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用 化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計(jì)量、導(dǎo)絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機(jī)、制瓶機(jī)；電弧爐自動(dòng)加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制等。1.1.1.3 1.3 變頻器在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用變頻器在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用 物料傳送、起重、擠壓和機(jī)床等各種機(jī)械設(shè)備控制領(lǐng)域，它可以提高工藝水

10、平和產(chǎn)品質(zhì)量，減少設(shè)備的沖擊和噪聲，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。 變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1.2 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理 1.2.1 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)理異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)理 由電機(jī)學(xué)可知，三相交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（即定由電機(jī)學(xué)可知，三相交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（即定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速）子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速）n0可表示為可表示為 (1-1)式中，式中，f1 為定子供電的頻率；為定子供電的頻率；p為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。pfn1060變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，異步電動(dòng)機(jī)要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同步轉(zhuǎn)速要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同步轉(zhuǎn)速n

11、0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n必須有必須有差別。這個(gè)轉(zhuǎn)速差（差別。這個(gè)轉(zhuǎn)速差（n0n）與同步轉(zhuǎn)速）與同步轉(zhuǎn)速n0的的比值比值s稱為轉(zhuǎn)差率稱為轉(zhuǎn)差率. (1-2) 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為的表達(dá)式為 (1-3) 異步電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n通常與通常與n0相差不大，因此額定轉(zhuǎn)差率相差不大，因此額定轉(zhuǎn)差率sN一般都比較小，其范圍一般都比較小，其范圍在在0.010.05之間之間。00nnns)1 (60)1 (10spfsnn變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 如果將電源頻率調(diào)節(jié)為如果將電源頻率調(diào)節(jié)為fx，則同步轉(zhuǎn)速，則同步轉(zhuǎn)速n0 x也隨也隨之調(diào)

12、節(jié)成之調(diào)節(jié)成 (1-4) 異步電動(dòng)機(jī)變頻后的轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)變頻后的轉(zhuǎn)速nx的表達(dá)式的表達(dá)式 (1-5) 由此式可見，調(diào)節(jié)電源頻率由此式可見，調(diào)節(jié)電源頻率fx，可使異步電，可使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速nx得到大范圍的調(diào)節(jié)。這就是異步電得到大范圍的調(diào)節(jié)。這就是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的理論依據(jù)。動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的理論依據(jù)。pfnxx600)1 (60)1 (0spfsnnxxx變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1.2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 當(dāng)加在電動(dòng)機(jī)上的電壓當(dāng)加在電動(dòng)機(jī)上的電壓U1為額定電壓時(shí)，電為額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，稱之

13、間的關(guān)系，稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，即為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，即 n = f (T )三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖1-5所示。所示。 圖1-5 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1.2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻起動(dòng) 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器用降低頻率f1從而也降低了電壓U1的方法來起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 圖1-6 低頻起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 電動(dòng)機(jī)以很低的頻率起動(dòng)，隨著頻率的上升，轉(zhuǎn)速上升，直至達(dá)到電動(dòng)機(jī)的工作頻率后，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行。在此過程中，轉(zhuǎn)速差n被限制在一定的范圍，起動(dòng)電流也將被限制在一定的范

14、圍內(nèi)而且動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩T很小，起動(dòng)過程很平穩(wěn)。變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1.2.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻制動(dòng) 三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻制動(dòng)方式有直流制動(dòng)和回饋三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻制動(dòng)方式有直流制動(dòng)和回饋制動(dòng)。制動(dòng)。 1.直流制動(dòng)直流制動(dòng) 電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，切斷電動(dòng)機(jī)的三相電源，在定子繞電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，切斷電動(dòng)機(jī)的三相電源，在定子繞組中通入直流電，產(chǎn)生一恒定磁場(chǎng)，如圖組中通入直流電，產(chǎn)生一恒定磁場(chǎng)，如圖1-7a所示。所示。由于轉(zhuǎn)子在機(jī)械慣性作用下仍按原方向旋轉(zhuǎn)它切割由于轉(zhuǎn)子在機(jī)械慣性作用下仍按原方向旋轉(zhuǎn)它切割恒定磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流用左手定則可判斷感應(yīng)電流恒定磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流用左手定則可判斷

15、感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中的受力方向，從而可判斷電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)在磁場(chǎng)中的受力方向，從而可判斷電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。子轉(zhuǎn)速方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 如圖1-7b所示，曲線為原電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)機(jī)械特性曲線，曲線為直流制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)機(jī)械特性曲線。 a) 直流制動(dòng)的原理 b)直流制動(dòng)的機(jī)械特性曲線 圖1-7 直流制動(dòng)的原理與機(jī)械特性變頻器原理與應(yīng)用（第3版）2回饋制動(dòng)回饋制動(dòng) 當(dāng)nn1時(shí)，轉(zhuǎn)子切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向和電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)nn1正好相反，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流的方向也相反，電磁轉(zhuǎn)矩T也就和n反向，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 圖1-8 回饋制動(dòng)的機(jī)械特性曲線 變頻器原理與應(yīng)用（第3

16、版）1.3 變頻器的結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)1.3.1 變頻器的外形變頻器的外形變頻器的外形可分為掛式、柜式和柜掛式三種. a) 掛式 b) 柜式 c) 柜掛式 圖1-9 森蘭通用變頻器的外形變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1.3.2 變頻器的基本原理結(jié)構(gòu)變頻器的基本原理結(jié)構(gòu) 變頻器的內(nèi)部電路相當(dāng)復(fù)雜，圖1-10所示為變頻器的基本原理結(jié)構(gòu)圖。圖1-10 變頻器的基本原理結(jié)構(gòu)框圖 變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 控制電路的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示，它主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板、外接控制電路等構(gòu)成。 圖1-11 控制電路的結(jié)構(gòu)變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1主控板 主控板是變頻器運(yùn)行的控制中心 2鍵盤與顯示板 鍵

17、盤是向主控板發(fā)出各種信號(hào)或指令的，顯示板是將主控板提供的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示兩者總是組合在一起。圖1-12 通用變頻器的鍵盤配置 圖1-13 通用變頻器的顯示屏 變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 3.電源板 (1) 主控板電源 (2) 驅(qū)動(dòng)電源 (3) 外控電源 變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1.3.3 變頻器的銘牌變頻器的銘牌 變頻器銘牌用于說明變頻器的型號(hào)和主要技術(shù)參數(shù)。 圖1-14 森蘭變頻器的銘牌變頻器原理與應(yīng)用（第3版）變頻器型號(hào)說明：變頻器原理與應(yīng)用（第3版）1.3.4主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)1.輸入電壓輸入電壓 主要是指變頻器的輸入電壓的相數(shù)、大小和頻率，常見的有以下幾種：（1）3相 380V

18、 50/60Hz 絕大多數(shù)變頻器采用這種規(guī)格。（2）3相 220V 50/60Hz 主要用于某些進(jìn)口變頻器。（3）單相220V 50/60Hz 主要用于家用小容量變頻器。變頻器原理與應(yīng)用（第3版）2. 輸出電壓輸出電壓UN 由于變頻器在變頻的同時(shí)也要變壓，所以輸出電壓是指輸出電壓的相數(shù)、電壓變動(dòng)范圍和頻率變動(dòng)范圍。一般輸出電壓變動(dòng)范圍為0V輸入電壓，即輸出電壓的最大值總是和輸入電壓相等。3. 額定電流額定電流IN 通常是指允許長(zhǎng)時(shí)間輸出的最大電流，是用戶選擇變頻器時(shí)的主要依據(jù)。變頻器原理與應(yīng)用（第3版）4. 輸出容量輸出容量SN SN取決于UN和IN的乘積 （1-6）5. 額定功率額定功率PN PN是變頻器說明書中規(guī)定的配用電動(dòng)機(jī)容量。6. 過載能力過載能力 是指變頻器輸出電流超過額定電流的允許范圍和時(shí)間。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為1.5 IN和60s。NNN3IUS變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 本章小結(jié)本章小結(jié) 變頻器是將固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率交流電的裝置。 1.變頻器的發(fā)展 變頻器是隨著微電子學(xué)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論等的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。變頻器的發(fā)展趨勢(shì)為：智能化 、專門化 、一體化 、環(huán)保化。變頻器原理與應(yīng)用（第3版） 2.變頻器的分類 1) 按變頻器的工作原理分類: