第1章 變頻器的認(rèn)識(shí)

變頻技術(shù)及應(yīng)用

楊浩東

專業(yè)選修課32學(xué)時(shí)（其中：講課學(xué)時(shí)：24實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：8）章節(jié)講課實(shí)驗(yàn)上機(jī)第一章變頻技術(shù)概論2

第二章工業(yè)變頻器的基本結(jié)構(gòu)4

第三章變頻器的控制方式6

第四章通用變頻器的應(yīng)用44

第五章變頻控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4

第六章工業(yè)變頻器的應(yīng)用實(shí)例44

總計(jì)248

第一章變頻器的認(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。

1.1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(wèn)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(lái)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。

2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

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。

3市場(chǎng)需求是變頻器發(fā)展的動(dòng)力

變頻器的問(wèn)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(guó)各類電動(dòng)機(jī)耗電量約占全國(guó)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，將可節(jié)電30%左右。目前，變頻器作為商品在國(guó)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(guò)去幾年內(nèi)中國(guó)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(guò)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。

4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、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。

1.1.2變頻器的分類1按變頻的原理分類

（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。（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(guò)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。

圖1-1交-直-交變頻器的原理框圖

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)2）根據(jù)調(diào)壓方式的不同，交-直-交變頻器又分為脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制兩種。①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②脈寬調(diào)制（PWM）

變頻器輸出電壓的大小是通過(guò)改變輸出脈沖的占空比來(lái)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SPWM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

2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

3按用途分類

1）

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、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(guò)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)軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。

2）專用變頻器高性能專用變頻器高頻變頻器高壓變頻器

1.1.3變頻器的應(yīng)用

1.1.1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%1.1.2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。1.1.3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。

120個(gè)變頻器行業(yè)應(yīng)用，你知道幾個(gè)？紡織行業(yè)1紡紗、抽紗機(jī)變頻改造2塑料編制機(jī)變頻改造3整形機(jī)變頻調(diào)速4針織機(jī)變頻改造5脫水桶離心脫水機(jī)、高溫溢流缸水泵變頻改造6精紡機(jī)主傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)7平牽機(jī)電氣控制系統(tǒng)8印染廠曝氣機(jī)變頻改造9拉幅定型機(jī)控制系統(tǒng)變頻改造10高溫染色機(jī)變頻控制系統(tǒng)11印花機(jī)同步變頻控制系統(tǒng)12漂染聯(lián)合機(jī)控制系統(tǒng)變頻改造13卷染機(jī)變頻改造鋼鐵行業(yè)14煉鐵高爐卷?yè)P(yáng)機(jī)變頻改造15高爐除塵風(fēng)機(jī)、高爐一、二次鼓風(fēng)機(jī)、燃?xì)夤娘L(fēng)機(jī)、高溫油豎表上蘿茨風(fēng)機(jī)、鋼爐變頻改造16排風(fēng)機(jī)、焙燒凈化風(fēng)機(jī)等變頻調(diào)速17熱軋機(jī)（熱連熱軋機(jī)單元輥道電機(jī)）變頻調(diào)速18冷連軋機(jī)單元輥道電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)19高爐槽下給料系統(tǒng)變頻改造20排粉機(jī)變頻改造21振篩機(jī)變頻改造22拉絲機(jī)、卷繞機(jī)變頻改造23混料機(jī)、烘干機(jī)變頻改造24泥漿泵、沖渣泵、軟水供水變頻調(diào)速25矯直機(jī)變頻改造26鋸床變頻改造27制管機(jī)變頻改造28鐵水包變頻改造石油行業(yè)29注塞泵變頻調(diào)速系統(tǒng)30磕頭抽油機(jī)變頻控制系統(tǒng)31輸油泵變頻控制系統(tǒng)32輸氣管道系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)變頻控制系統(tǒng)33各類供水系統(tǒng)，污水處理系統(tǒng)變頻改造化工塑膠行業(yè)34擠出機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)35注塑機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)36鞋機(jī)（圓盤機(jī)）變頻調(diào)速系統(tǒng)37密煉機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)38造粒機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)39真空捏合機(jī)（攪拌機(jī)）變頻改造40烘干機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)41吹膜機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)42塑料破碎機(jī)、磨粉機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)43化纖廠短纖維牽伸設(shè)備變頻系統(tǒng)44化纖高速絲機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)45煉油廠原料油泵、焦化裝置用泵變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè)46數(shù)控車床主軸47立式車床主軸48平面磨床主軸49鏜床主軸傳動(dòng)50鋸床電機(jī)51剪板機(jī)52卷板機(jī)53清砂機(jī)54行車電機(jī)55空壓機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、皮帶輸送機(jī)、攪拌機(jī)56壓鑄機(jī)、液壓機(jī)床

壓鑄機(jī)、液壓機(jī)床糧食機(jī)械行業(yè)57風(fēng)干機(jī)變頻改造58皮帶秤配料電機(jī)變頻改造59傳輸機(jī)械電機(jī)變頻改造供熱行業(yè)60鍋爐站：引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)控制爐膛壓力變頻改造61鍋爐水箱高、低液位恒壓控制變頻改造62排粉風(fēng)機(jī)，送煤皮帶運(yùn)輸機(jī)，碎煤機(jī)變頻改造63熱力發(fā)電站：鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、冷渣機(jī)變頻改造64換熱站：循環(huán)水泵變頻改造65空調(diào)供熱：空調(diào)冷卻塔風(fēng)機(jī)節(jié)能控制，空調(diào)冷卻泵和冷凍泵節(jié)能控制線纜行業(yè)66銅大拉補(bǔ)水泵、冷卻泵、硅烷擠出機(jī)組紫外光冷卻泵、塑料擠出機(jī)冷卻泵、高壓交聯(lián)擠出機(jī)循環(huán)泵等變頻改造67紫外線鼓風(fēng)機(jī)變頻改造68大復(fù)繞線機(jī)變頻改造69造粒機(jī)變頻改造70攪拌機(jī)變頻改造提升行業(yè)71礦井提升機(jī)變頻改造72礦井機(jī)車變頻改造73港口提升機(jī)變頻改造74建筑工地升降機(jī)變頻改造75建筑工地打樁機(jī)變頻改造76大型行車電機(jī)變頻改造77塔式吊車升降變頻改造78鋼廠、電廠卷?yè)P(yáng)機(jī)變頻改造電廠79鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)變頻改造80鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、低加疏水泵、凝結(jié)水泵、冷卻塔給水泵、灰漿泵變頻改造81給煤機(jī)變頻改造82排粉風(fēng)機(jī)變頻改造煤礦行業(yè)83分析機(jī)變頻改造84轉(zhuǎn)爐渣罐車電機(jī)節(jié)能改造85給料電機(jī)節(jié)能改造86鐵水罐走形電機(jī)節(jié)能改造87轉(zhuǎn)爐前擋火門電機(jī)變頻調(diào)速88洗煤水泵變頻改造89井下抽風(fēng)、送風(fēng)系統(tǒng)變頻改造90牽引機(jī)變頻改造建材行業(yè)91水泥廠立窯羅茨風(fēng)機(jī)、高壓離心風(fēng)機(jī)、選粉風(fēng)機(jī)變頻改造92水泥料、送料系統(tǒng)變頻改造93水泥廠成球供水系統(tǒng)變頻改造94水泥管樁機(jī)變頻調(diào)速95水泥磚廠磚機(jī)變頻調(diào)速96陶瓷工業(yè)球磨機(jī)變頻調(diào)速97陶瓷霧化風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速98壓瓦機(jī)變頻調(diào)速99雕刻機(jī)變頻調(diào)速120個(gè)變頻器行業(yè)應(yīng)用，你知道幾個(gè)？其他行業(yè)100汽車年檢變頻改造101碎石廠、鐵礦、球磨機(jī)變頻改造102貼片機(jī)回流焊風(fēng)機(jī)節(jié)能改造103工業(yè)洗衣機(jī)變頻節(jié)能改造104工業(yè)洗衣機(jī)烘干機(jī)變頻節(jié)能改造105木材廠木材破碎機(jī)變頻節(jié)能改造106賓館、洗浴中心、恒壓供水變頻節(jié)能改造107小區(qū)居民樓恒壓供水變頻節(jié)能改造108高檔會(huì)所、小區(qū)廣場(chǎng)等場(chǎng)合噴泉泵變頻改造109糖廠甘蔗榨糖機(jī)變頻節(jié)能改造110糖廠鍋爐變頻節(jié)能改造111制糖分離機(jī)變頻節(jié)能改造112造紙廠同步電機(jī)變頻改造113中央空調(diào)冷卻水泵、送風(fēng)機(jī)變頻改造114污水處理廠泥漿泵、空壓機(jī)、曝氣機(jī)變頻改造115一般泵站供水變頻改造116深井泵恒壓變頻調(diào)速117農(nóng)田灌溉系統(tǒng)變頻改造118漁塘供氧水泵變頻改造119制氧廠空氣分離機(jī)變頻改造120高速公路振動(dòng)泵、攪拌機(jī)變頻改造120個(gè)變頻器行業(yè)應(yīng)用，你知道幾個(gè)？

1.2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）n0可表示為

(1-1)式中，f1

為定子供電的頻率；p為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。

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n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n必須有差別。這個(gè)轉(zhuǎn)速差（n0－n）與同步轉(zhuǎn)速n0的比值s稱為轉(zhuǎn)差率.

(1-2)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n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n通常與n0相差不大，因此額定轉(zhuǎn)差率sN一般都比較小，其范圍在0.01～0.05之間。

如果將電源頻率調(diào)節(jié)為fx，則同步轉(zhuǎn)速n0x也隨之調(diào)節(jié)成

(1-4)

異步電動(dòng)機(jī)變頻后的轉(zhuǎn)速nx的表達(dá)式

(1-5)由此式可見，調(diào)節(jié)電源頻率fx，可使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速nx得到大范圍的調(diào)節(jié)。這就是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的理論依據(jù)。

1.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)加在電動(dòng)機(jī)上的電壓U1為額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，稱為電動(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1-5所示。

圖1-5三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

1.2.3三相異步電動(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(lái)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。

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(guò)程中，轉(zhuǎn)速差Δn被限制在一定的范圍，起動(dòng)電流也將被限制在一定的范圍內(nèi)．而且動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩ΔT很小，起動(dòng)過(guò)程很平穩(wěn)。

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)方式有直流制動(dòng)和回饋制動(dòng)。

1.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，在定子繞組中通入直流電，產(chǎn)生一恒定磁場(chǎng)，如圖1-7a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。

如圖1-7b所示，曲線①為原電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)機(jī)械特性曲線，曲線②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

2．回饋制動(dòng)當(dāng)n＞n1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)n＜n1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

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

1.3.2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

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)

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

3.電源板(1)主控板電源(2)驅(qū)動(dòng)電源(3)外控電源

1.3.3變頻器的銘牌

變頻器銘牌用于說(shuō)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

變頻器型號(hào)說(shuō)明：

1.3.4主要技術(shù)參數(shù)1.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380V50/60Hz絕大多數(shù)變頻器采用這種規(guī)格。（2）3相220V50/60Hz主要用于某些進(jìn)口變頻器。（3）單相220V50/60Hz主要用于家用小容量變頻器。

2.輸出電壓UN

由