變頻器結構和工作原理

1、變頻器的結構和工作原理 郭春榮一、三相異步感應交流電動機的工作原理 1.旋轉磁場在一個可旋轉的馬蹄型磁鐵中間，放置一只可轉動的籠型短路線圈。當轉動馬蹄形磁鐵時，籠型轉子就會跟著一起旋轉。這是因為當磁鐵轉動時，其磁感線(磁通)切割籠型轉子的導體，在導體中因電磁感應而產生感應電動勢，由于籠型轉子本身是短路的，在電動勢作用下導體中就有電流流過 。該電流又和旋轉磁場相互作用，產生轉動力矩，驅動籠型轉子隨著磁場的轉向而旋轉起來，這就是異步電動機的簡單旋轉原理。 在定子三相對稱的定子繞組中通入對稱三相電流即在氣隙中產生旋轉磁場一、三相異步感應交流電動機的工作原理電動機的旋轉磁場一、三相異步感應交流電動機的

2、工作原理2.旋轉磁場的轉速在以上的分析中，旋轉磁場只有一對磁極，即p=1，當電流變化一個周期，旋轉磁場正好在空間轉過一周。對50Hz工頻交流電而言，旋轉磁場每秒在空間旋轉50周，n1=60f1=6050r/min=3000r/min。若磁場有兩對磁極，p=2，則電流變化一周，旋轉磁場只轉過0.5周，比磁極對數(shù)p=1情況下的轉速慢了一半，即n1=60f1/2=1500r/min。同理，在3對磁極p=3情況下，電流變化一周，旋轉磁場僅旋轉了1/3周，即n1=60f1/3=1000r/min。以此類推，當旋轉磁場有p對磁極，旋轉磁場的轉速為： n1=60f1/p因此， 只要平滑地調節(jié)異步電動機的定子

3、供電頻率f1， 就可以平滑調節(jié)異步電動機的同步轉速n1。 由于轉子是跟隨旋轉磁場同步旋轉的， 轉子轉速為n=n1(1-s)， 所以變頻能通過同步轉速的改變實現(xiàn)異步電動機的無級調速。一、三相異步感應交流電動機的工作原理 表面看來，只要改變定子電壓的頻率f1就可以調節(jié)轉速的大小，但是事實上，只改變f1并不能正常調速。參考異步電動機的電壓方程 U 1E1 =4.44f1 K1 N1 假設現(xiàn)在只改變f1進行調速， 設供電頻率f1上下調節(jié)， 而供電電壓U 1 不變， 因 為K1 N1常數(shù)， 則異步電動機的主磁通必將改變： 如f1向上調， 則會下降， 這使得拖動轉矩T下降，因為T=C TI2cos2 ，

4、電動機的拖動能力會降低， 對恒轉矩負載會因拖不動而堵轉； 如f1 向下調， 則會增強， 這會帶來更大的危險， 因為電機鐵磁材料的磁化曲線不是直線而具有飽和特性， 設計電機時為了建立更強的磁場， 其工頻下的工作點已經接近磁飽和， 如再增強磁場勢必引起勵磁電流（體現(xiàn)在定子電流上）急劇升高， 最終燒壞電機。 由上可知， 只改變頻率f 實際上并不能正常調速。 在許多場合， 要求在調節(jié)定子供電頻率f 的同時， 調節(jié)定子供電電壓U 的大小， 通過U 和f 的不同配合實現(xiàn)安全的調頻調速。一、三相異步感應交流電動機的工作原理 由于E1 /f1U1 /f1， 故調節(jié)三相異步電動機的供電頻率f1 時，按比例調節(jié)供

5、電電壓的U1的大小可以近似實現(xiàn)為常數(shù)。 以星形接法的電機為例， 變頻調速時， 如供電50 Hz對應220 V相電壓（一般為額定點）， 則25 Hz需提供110 V相電壓， 10 Hz需提供44 V相電壓。 保持E1 /f 1=常數(shù)控制方式的機械特性二、變頻的控制方式1、 u/f控制模式 控制特點：通過壓頻變換器使變頻器的輸出電壓與輸出頻率成比例的改變，即U/?=常數(shù)。 性能特點：性價比高，輸出轉矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。適用于以節(jié)能為目的和對速度精度要求較低的場合。低頻穩(wěn)定性較差：在低速運行時，會造成轉矩不足，需要進行轉矩補償。該變頻器為開環(huán)控制，安裝調試方便。二、變頻的控制方

6、式2、轉差頻率控制（U/f閉環(huán)控制） 電動機由于存在轉速差n ，且轉速差和轉矩T成正比，當改變變頻器的輸出頻率，使變頻器的轉差n改變時，變頻器的輸出轉矩T改變，變頻器的輸出轉速改變。就是通過控制轉差n，來控制電動機的轉矩，達到控制電動機轉速的目的。這就是轉差頻率控制原理。 由此可見，變頻器要想達到以上控制目的，必須采取閉環(huán)控制， 即變頻器要設閉環(huán)反饋輸入端子。二、變頻的控制方式 轉差頻率控制變頻器內設比較電路和PID控制電路，處理目標信號和反饋信號?？刂葡到y(tǒng)工作時為閉環(huán)控制。變頻器給定一個目標量，從變頻器的控制量中取回反饋量，反饋量和目標量進行比較：當反饋量小于目標量，變頻器給出頻率上升信號使

7、頻率上升， n上升，轉矩隨之上升，電動機的轉速隨之上升；反之，變頻器給出頻率下降信號， n下降，轉矩隨之下降，電動機的轉速隨之下降。使電動機的實際轉速按給定目標要求轉動。二、變頻的控制方式 轉差頻率控制和U/f控制功能上的區(qū)別： U/f制變頻器內部不用設置PID控制功能，不用設置反饋端子。而轉差頻率控制在變頻器的內部要設比較電路和PID控制電路。如果用U/F控制變頻器實現(xiàn)閉環(huán)控制，要在變頻器之外配置PID控制板。3、矢量控制 矢量控制是交流電動機用模擬直流電動機的控制方法來進行控制。 1）將控制信號按直流電動機的控制方法分為勵磁信號和電樞信號 2）將控制信號按三相交流電動機的控制要求變換為三相

8、交流電控制信號，驅動變頻器的輸出逆變電路。 變頻器控制方式：分為無傳感器（開環(huán)）和有傳感器（閉環(huán)）兩種控制方式。無傳感器控制方式是通過變頻器內部的反饋形成閉環(huán)。二、變頻的控制方式二、變頻的控制方式 控制特點：矢量控制是對電動機的轉速（轉矩） 進行控制，不能對電動機的間接控制量進行控制。 1）使用前要進行自掃描，將電動機的參數(shù)掃入變頻器。 2）一臺變頻器只能控制一臺電動機。 3）矢量控制既能控制電動機的電流幅值，同時又能控制電流的相位（矢量控制名稱的由來）。性能特點：可從零轉速進行控制，調速范圍寬；可對轉矩進行精確控制，系統(tǒng)響應速度快，速度控制精度高。二、變頻的控制方式4、轉矩控制 直接轉矩控制

9、技術，英語稱為DSC或DTC控制，是繼矢量控制技術之后又一種具有高控制性能的交流調速技術。直接轉矩控制是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動機的數(shù)學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式調節(jié)器（Band-Band控制），把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的轉差范圍內，轉差的大小由頻率調節(jié)器來控制，并產生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉矩輸出。直接轉矩控制完成了交流調速的又一次飛躍。 直接轉矩控制也是一對一控制，不能一臺變頻器控制多臺電動機，且不能用于過程控制。二、變頻的控制方式 在各種薄

10、膜或線材的收卷或放卷過程中，要求被卷物的張力F必須保持恒定即FC，為此:1)被卷物的線速度v也必須保持恒定即 vC，所以卷繞功率是恒定的；2)負載的阻轉矩隨被卷物卷徑的增大而增大:但為了保持線速度恒定，負載的轉速必須隨卷徑的增大而減小:(b) 用轉矩控制模式實現(xiàn) 恒張力運行 令變頻器在轉矩 控制模式下運行，將給 定信號設定在某一值下不變。則電動機的電磁轉矩TM也將不變，如圖 (b)中之曲線所示: TMC 而動態(tài)轉矩TJ則隨著卷徑D的增大而變?yōu)樨撝担鐖D(b)中之曲線所示。拖動系統(tǒng)將處于減速狀態(tài)，滿足圖(c)所示的轉速變化規(guī)律。 改變給定轉矩的大小，可以改變卷繞的松緊程度二、變頻的控制方式變頻器

11、的四種運行控制方式比較控制特點：通過壓頻變換器使變頻器的輸出電壓與輸出頻率成比例1. u/f控制方式變頻器的改變，即u/f=常數(shù) 性能特點：性價比高，輸出轉矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。適用于以節(jié)能為目的和對速度精度要求較低的場合。低速運行時，會造成轉矩不足，需要進行轉矩補償。2. 轉差頻率控制方式變頻器該控制是一種閉環(huán)控制?？刂品绞接袃深悾阂皇怯盟俣葌鞲衅鲗㈦妱訖C的轉速作為反饋信號，以提高電動機的速度控制精度；另一類是將間接物理量如壓力、流量、溫度等通過傳感器轉換為電信號，反饋回變頻器，以提高這些間接控制量的控制精度。 該控制方式在變頻器內部裝有PID調節(jié)器，可設置變頻器的控制速

12、度和快速響應性。 u/f控制方式適用于可變轉矩和恒定轉矩負載，如風機、水泵、帶式輸送機等二、變頻的控制方式3. 矢量控制方式變頻器 矢量控制是在變頻器內部通過電子運算電路用模擬直流電動機的控制方法來控制交流電動機的。 控制特點：同時控制電流的幅值和相位，還可通過軟件來設定這種控制方式。 性能特點：可從零轉速進行控制，低頻轉矩大，調速范圍寬；可對轉矩進行 精確控制；系統(tǒng)響應速度快，速度控制精度高。 應用范圍 分為無速度傳感器（通過內閉環(huán)）和有速度傳感器（通過外閉環(huán)）兩種控制方法，這兩種控制方法都是直接控制（穩(wěn)定）電動機的轉速（或轉矩），不能作為其他量的控制（如壓力、流量、溫度等）。4. 直接轉矩

13、控制方式變頻器 直接轉矩控制技術，把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的轉差范圍內，轉差的大小由頻率調節(jié)器來控制，并產生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制。 性能特點：可從零轉速進行控制，調速范圍寬；可對轉矩進行精確控制；系 統(tǒng)響應速度快，速度控制精度高。 矢量適用于有較高的轉矩特性，OHZ仍保持輸出轉矩的場合，如造紙、軋鋼、機床、起重等。轉矩控制可對轉矩進行精確控制，適用于造紙、印染機械等轉矩控制場合。三、變頻器的結構原理1、變頻器的分類：交交型:將頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調的交流電源，其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變換率高。但其連續(xù)可調的頻率范圍較

14、窄。主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。又稱直接式變頻器。交直交型:先將頻率固定的交流電整流后變成直流，在經過逆變電路，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較易控制，因此在頻率的調節(jié)范圍上就有明顯優(yōu)勢。又稱為間接性變頻器。三、變頻器的結構原理電壓型整流后靠電容來濾波?，F(xiàn)在使用的大都為電壓型。電流型整流后靠電感來濾波。脈幅調制（PAM） 輸出電壓大小通過改變直流電壓來實現(xiàn)。脈寬調制（PWM）輸出電壓大小通過改變輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)。脈寬調制波（PWM波）將一個正弦波電壓分為N等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，脈沖的寬度與正弦波的大小成正比，這樣就得到寬度不等的脈沖列，簡稱為PWM波。三、變頻器的結構原理 按用途分類：專用，通用 專用變頻器 ：針對某一種（類）特定的控制對象而設計的，如風機、水泵用變頻器、電梯及起重機械用變頻器、中頻變頻器等。 通用變頻器： 是數(shù)量最多，應用最廣泛的一種，也是我們講解的主要品種。而大容量變頻器主要用于冶金工業(yè)的一些低速場合。三、變頻器的結構原理2、變頻器的組成