變頻器結(jié)構(gòu)和工作原理課件

變頻器的結(jié)構(gòu)和工作原理——郭春榮一、三相異步感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)的工作原理1.旋轉(zhuǎn)磁場在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的馬蹄型磁鐵中間，放置一只可轉(zhuǎn)動(dòng)的籠型短路線圈。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)馬蹄形磁鐵時(shí)，籠型轉(zhuǎn)子就會(huì)跟著一起旋轉(zhuǎn)。這是因?yàn)楫?dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其磁感線(磁通)切割籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體，在導(dǎo)體中因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，由于籠型轉(zhuǎn)子本身是短路的，在電動(dòng)勢作用下導(dǎo)體中就有電流流過。該電流又和旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)籠型轉(zhuǎn)子隨著磁場的轉(zhuǎn)向而旋轉(zhuǎn)起來，這就是異步電動(dòng)機(jī)的簡單旋轉(zhuǎn)原理。

在定子三相對(duì)稱的定子繞組中通入對(duì)稱三相電流即在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場一、三相異步感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)的工作原理電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場一、三相異步感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的大小，但是事實(shí)上，只改變f1并不能正常調(diào)速。參考異步電動(dòng)機(jī)的電壓方程

U1≈E1=4.44f1K1N1Φ

假設(shè)現(xiàn)在只改變f1進(jìn)行調(diào)速，設(shè)供電頻率f1上下調(diào)節(jié)，而供電電壓U1不變，因?yàn)镵1N1常數(shù)，則異步電動(dòng)機(jī)的主磁通Φ必將改變：

如f1向上調(diào)，則Φ會(huì)下降，這使得拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩T下降，因?yàn)門=CTΦI2cosφ2，電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)能力會(huì)降低，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載會(huì)因拖不動(dòng)而堵轉(zhuǎn)；

如f1向下調(diào)，則Φ會(huì)增強(qiáng)，這會(huì)帶來更大的危險(xiǎn)，因?yàn)殡姍C(jī)鐵磁材料的磁化曲線不是直線而具有飽和特性，設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)為了建立更強(qiáng)的磁場，其工頻下的工作點(diǎn)已經(jīng)接近磁飽和，如再增強(qiáng)磁場勢必引起勵(lì)磁電流（體現(xiàn)在定子電流上）急劇升高，最終燒壞電機(jī)。

由上可知，只改變頻率f實(shí)際上并不能正常調(diào)速。在許多場合，要求在調(diào)節(jié)定子供電頻率f的同時(shí)，調(diào)節(jié)定子供電電壓U的大小，通過U和f的不同配合實(shí)現(xiàn)安全的調(diào)頻調(diào)速。一、三相異步感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)的工作原理

由于Φ∝E1/f1≈U1/f1，故調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率f1時(shí)，按比例調(diào)節(jié)供電電壓的U1的大小可以近似實(shí)現(xiàn)Φ為常數(shù)。以星形接法的電機(jī)為例，變頻調(diào)速時(shí)，如供電50Hz對(duì)應(yīng)220V相電壓（一般為額定點(diǎn)），則25Hz需提供110V相電壓，10Hz需提供44V相電壓。保持E1/f1=常數(shù)控制方式的機(jī)械特性二、變頻的控制方式1、u/f控制模式★控制特點(diǎn)：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(diǎn)：性價(jià)比高，輸出轉(zhuǎn)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(duì)速度精度要求較低的場合?！锏皖l穩(wěn)定性較差：在低速運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)矩不足，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。該變頻器為開環(huán)控制，安裝調(diào)試方便。二、變頻的控制方式

轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器內(nèi)設(shè)比較電路和PID控制電路，處理目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)工作時(shí)為閉環(huán)控制。變頻器給定一個(gè)目標(biāo)量，從變頻器的控制量中取回反饋量，反饋量和目標(biāo)量進(jìn)行比較：當(dāng)反饋量小于目標(biāo)量，變頻器給出頻率上升信號(hào)使頻率上升，Δn上升，轉(zhuǎn)矩隨之上升，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之上升；反之，變頻器給出頻率下降信號(hào)，Δn下降，轉(zhuǎn)矩隨之下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之下降。使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速按給定目標(biāo)要求轉(zhuǎn)動(dòng)。二、變頻的控制方式

轉(zhuǎn)差頻率控制和U/f控制功能上的區(qū)別：

U/f制變頻器內(nèi)部不用設(shè)置PID控制功能，不用設(shè)置反饋端子。而轉(zhuǎn)差頻率控制在變頻器的內(nèi)部要設(shè)比較電路和PID控制電路。如果用U/F控制變頻器實(shí)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(dòng)機(jī)用模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制方法來進(jìn)行控制。

1）將控制信號(hào)按直流電動(dòng)機(jī)的控制方法分為勵(lì)磁信號(hào)和電樞信號(hào)

2）將控制信號(hào)按三相交流電動(dòng)機(jī)的控制要求變換為三相交流電控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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(nèi)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4、轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，英語稱為DSC或DTC控制，是繼矢量控制技術(shù)之后又一種具有高控制性能的交流調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)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(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（Band-Band控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。直接轉(zhuǎn)矩控制完成了交流調(diào)速的又一次飛躍。

直接轉(zhuǎn)矩控制也是一對(duì)一控制，不能一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且不能用于過程控制。二、變頻的控制方式

在各種薄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F＝C，為此:1)被卷物的線速度v也必須保持恒定即v＝C，所以卷繞功率是恒定的；2)負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩隨被卷物卷徑的增大而增大:但為了保持線速度恒定，負(fù)載的轉(zhuǎn)速必須隨卷徑的增大而減小:(b)用轉(zhuǎn)矩控制模式實(shí)現(xiàn)恒張力運(yùn)行令變頻器在轉(zhuǎn)矩控制模式下運(yùn)行，將給定信號(hào)設(shè)定在某一值下不變。則電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM也將不變，如圖(b)中之曲線①所示:TM＝C而動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ則隨著卷徑D的增大而變?yōu)樨?fù)值，如圖(b)中之曲線③所示。拖動(dòng)系統(tǒng)將處于減速狀態(tài)，滿足圖(c)所示的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。改變給定轉(zhuǎn)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的四種運(yùn)行控制方式比較控制特點(diǎn)：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(diǎn)：性價(jià)比高，輸出轉(zhuǎn)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(duì)速度精度要求較低的場合。低速運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)矩不足，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。2.轉(zhuǎn)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?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)，以提高電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(nèi)部裝有PID調(diào)節(jié)器，可設(shè)置變頻器的控制速度和快速響應(yīng)性。

u/f控制方式適用于可變轉(zhuǎn)矩和恒定轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如風(fēng)機(jī)、水泵、帶式輸送機(jī)等三、變頻器的結(jié)構(gòu)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(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄。主要用于容量較大的低速拖動(dòng)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(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)原理電壓型－整流后靠電容來濾波。現(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(diào)制（PAM）－輸出電壓大小通過改變直流電壓來實(shí)現(xiàn)。脈寬調(diào)制（PWM）－輸出電壓大小通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)。脈寬調(diào)制波（PWM波）將一個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)原理

按用途分類：專用，通用

專用變頻器：針對(duì)某一種（類）特定的控制對(duì)象而設(shè)計(jì)的，如風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器、電梯及起重機(jī)械用變頻器、中頻變頻器等。

通用變頻器：是數(shù)量最多，應(yīng)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(jié)構(gòu)原理a、主電路結(jié)構(gòu)該電路是現(xiàn)在通用的低壓變頻器主電路圖。不管什么品牌的變頻器，其主電路結(jié)構(gòu)基本如