變頻器第二章

變頻器第二章第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日學習目標

1、了解“變頻調(diào)速器”的控制方式及基本控制原理。2、掌握變頻調(diào)速器的安裝方法。3、掌握變頻調(diào)速器的應用1第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日

交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來的，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的高速發(fā)展，高性能、高可靠性的變頻調(diào)速器已在世界各國工業(yè)、生活等領(lǐng)域中得到廣泛應用。與傳統(tǒng)的調(diào)速技術(shù)相比，變頻調(diào)速技術(shù)有著極大的優(yōu)越性。目前，我國的工廠、住宅的生活用水系統(tǒng)、電梯拖動控制系統(tǒng)、工廠各類水泵與風機、空調(diào)器與中央空調(diào)系統(tǒng)、各類機床電機控制，都已大量使用了變頻調(diào)速器作節(jié)能和改善控制特性。相信，隨著變頻調(diào)速器的控制數(shù)字化、體積小型化、功能多樣化、工作可靠性的進一步提高，其應用將會更深入和廣泛。

變頻調(diào)速器簡介2.1第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日

節(jié)能效果顯著、采用變頻調(diào)速技術(shù)后，將使泵類與機械類在工作運行中產(chǎn)生約30～40%的節(jié)能效果?？刂凭雀?、調(diào)速范圍寬、操作方便、工作可靠。變頻器優(yōu)點第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日

從異步電動機的基本工作原理可知：異步電動機的同步轉(zhuǎn)速是由磁極對數(shù)（P）和電源頻率（f）決定的，當用n0表示異步電動機的同步轉(zhuǎn)速時，則有：

n0=60f/P

若以n表示異步電動機的實際轉(zhuǎn)速，則異步電動機的轉(zhuǎn)差率（s）為：

s=（n0-n）/n0×100%

因此，異步電動機的實際轉(zhuǎn)速可以下式來表示：

n=(1-s)n0=(1-s)60f1/p1、異步電動機調(diào)速的基本方法

變頻調(diào)速器的控制方式2.2第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日1、變極（P）調(diào)速：如通過改變定子繞組的聯(lián)接方式來進行電動機變極的雙速、三速電動機。2、變轉(zhuǎn)差率（s）調(diào)速：如晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、線繞轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。

3、變頻（f）調(diào)速：利用變頻器向異步電動機提供頻率可變的電源來控制電動機的轉(zhuǎn)速。交流電動機三種調(diào)速方式1）三種變頻調(diào)速的特點a、變極調(diào)速——只能實現(xiàn)二種或三種速度的跳變，而且要通過控制線路進行定子繞組接法的變換；第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日b、變極調(diào)速——只能實現(xiàn)二種或三種速度的跳變，而且要通過控制線路進行定子繞組接法的變換；c、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速——晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)只適用于中小型電動機，而轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速僅能用于線繞轉(zhuǎn)子的異步電動機，它們的應用都有一定的缺點和受到一定的限制。d、變頻調(diào)速——可以通過連續(xù)地改變電源頻率，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。大功率的電力電子元件的發(fā)展與應用——變頻器拖動大容量電動機已完全不成問題，

數(shù)字技術(shù)——變頻器的控制精度之高與控制功能之多更是其它交流調(diào)速方式遠不能及的。變頻調(diào)速的性能已不亞于傳統(tǒng)的直流調(diào)速，而直流調(diào)速由于直流電動機需要定期更換碳刷，故更顯出變頻器的運行的高可靠性。第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日2.3通用變頻器工作的基本原理

我國生產(chǎn)的異步電動機運行頻率是50Hz，我們把這一頻率稱為基頻?；l以下——采用V/f比值恒定控制調(diào)速?；l以上——即使頻率升高，電壓也要保持不變。變壓變頻（VVVF）裝置

隨著頻率升高，轉(zhuǎn)速增加，但電動機轉(zhuǎn)矩會減少，這一過程稱為恒功率調(diào)速過程(P=FV,力F減少,但轉(zhuǎn)速V增加,使P值保持恒定)。這樣的裝置通稱變壓變頻（VVVF）裝置。第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日v/f

恒定控制的必要——

保持電動機的磁通恒定

通過改變頻率可以改變異步電動機的轉(zhuǎn)速，但僅改變電動機的頻率而電動機的電壓保持不變，電動機的磁通就會隨著頻率的變大、變小而出現(xiàn)飽和或欠勵磁情況。當磁通飽和時，勵磁電流急劇增加，導致繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低；而欠勵磁時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩下降，若此時負載轉(zhuǎn)矩保持不變，勢必導致定子、轉(zhuǎn)子線圈過電流，也會產(chǎn)生過熱。

因此，要保持電動機的磁通恒定，就必須要在改變電動機的頻率的同時改變電動機的感應電動勢E。由于電動機的感應電動勢E不好測定，而當電動機定子阻抗與定子電壓V相比很小時，可忽略定子阻抗的電壓降，即有V≈E。所以在電動機作變頻控制時，用保持V/f比值恒定的方式來維持磁通的恒定。

第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日V/f恒定控制調(diào)速存在的主要問題

——低速性能較差

原因：在低速時，由于電動機定子阻抗的電壓降與定子電壓V相比已不能忽略，仍按V/f比值恒定控制已不能保持電動機的磁通恒定，而電動機的磁通在低速區(qū)的減少，就必然造成電動機在低速區(qū)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩減少，因此，需要在低速區(qū)對電動機進行轉(zhuǎn)矩提升。

各種通用變頻器都有低速時轉(zhuǎn)矩提升功能，一般是在低速區(qū)提升電壓V，使V/f比值增加，以達到提升轉(zhuǎn)矩的目的。第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日變頻調(diào)速的基本構(gòu)成與工作原理2.31、變頻調(diào)速器基本結(jié)構(gòu)

通用變頻器把工頻電流（50Hz）變成各種頻率的交流電流，以實現(xiàn)電動機的變速運轉(zhuǎn)。整流電路逆變電路控制電路交流電工頻電源電機主電路第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日主電路

整流電路——把工頻電源的交流電變換

成直流電，并對直流電進行平滑濾波。

逆變電路——直流電變成頻率可調(diào)的交

流電供電動機變速運行?？刂齐娐?-處理外部接口電路送來的各種檢測信號

和參數(shù)設定值、并將其變?yōu)榭刂菩盘柡惋@

示信息，進行V/f控制、加減速速率調(diào)節(jié)控

制及提供各種變頻器與電機的保護功能第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、整流電路的基本工作原理

由6個整流元件組成三相橋式全波整流

有一個浪涌電流的吸收裝置

整流后的直流電經(jīng)電容平滑后供給逆變器

電源接通時電容將流過較大的充電電流（浪涌電流），容易引起對二極管和其它控制裝置的損壞，

整流元件可采用二極管或晶閘管第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日

當開關(guān)S1、S4與S2、S3交替接通，就產(chǎn)生了交變電流。其變化快慢可通過兩個開關(guān)組接通時間的改變來實現(xiàn)，這樣就可達到改變交流電頻率的目的。

逆變電路的主要作用——將平滑后的直流電轉(zhuǎn)換為具有可調(diào)頻率的交流電。直流電變交流電的基本原理：第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日

順次通斷開關(guān)S1～S6，，在U—V、V—W、W—U端產(chǎn)生等效于單相逆變器的脈沖波形，從而形成三相交流電壓給電機供電，通過改變開關(guān)的通斷周期，可以得到要求的頻率，亦可通過改變DC電壓來改變交流電壓。

三相逆變器電路原理：逆變電路逆變電路產(chǎn)生的三相交變電壓第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日

變頻器是用半導體開關(guān)元件作逆變控制開關(guān)，通過半導體開關(guān)元件的交替導通產(chǎn)生交流電。

用晶體三極管作逆變器開關(guān)，用基極驅(qū)動信號使用晶閘管作逆變器開關(guān)，用門極驅(qū)動信號

作開關(guān)用的半導體元件是交流調(diào)速的關(guān)鍵器件，它們都是大功率的半導體元件，一般稱電力半導體元件

晶閘管（SCA）

門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

雙極型功率晶體管（GTR）

功率場效應管（功率MOSFET）

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

智能功率模塊（IPM）

第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日3、變頻器的調(diào)制方式

PWM方法是通過控制逆變器功率開關(guān)的通、斷來獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度即可改變輸出電壓幅值。這樣，變頻器的調(diào)壓、調(diào)頻同在逆變器中完成，二者始終配合一致，不受其它環(huán)節(jié)的影響，因此能較好地解決了PAM存在的問題。

。T2T1第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日檢測電路保護電路：變頻器保護、電機保護、驅(qū)動系統(tǒng)保護操作顯示電路運行操作、參數(shù)設置、參數(shù)顯示、故障顯示驅(qū)動電路主控電路輸入信號處理、頻率（速度指令）運行（ON/OFF）指令加減速調(diào)節(jié)控制運算V/f設定轉(zhuǎn)矩電流、勵磁電流PWM波形運行、頻率指令運行操作變頻器控制電路基本結(jié)構(gòu)第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日

利用變頻器去拖動鼠籠式異步電動機，能夠?qū)崿F(xiàn)鼠籠式異步電動機的無級調(diào)速，實現(xiàn)電動機的軟起動，方便地進行加減速控制，從而使鼠籠式異步電動機獲得高運行性能卻基本上不需對電機進行過多的維護。利用這些優(yōu)點，變頻器廣泛應用于大幅度節(jié)能、控制傳動系統(tǒng)自動化與高性能化，提高生產(chǎn)效率等等方面。

變頻調(diào)速的應用2.3第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日風機與水泵屬于流體機械，在低速時由于流體流速低，負載只需要很小轉(zhuǎn)矩，而隨著電動機轉(zhuǎn)速的增加，所需轉(zhuǎn)矩會越來越大，其轉(zhuǎn)矩大小與轉(zhuǎn)速的平方成比例增減。因此，通常稱此類機械為“負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方比例”（平方轉(zhuǎn)矩）特性的負載。即：M=Kn2

（1）（式中：M—轉(zhuǎn)矩；K—比例系數(shù)；n—電動機轉(zhuǎn)速）1、風機與水泵的節(jié)能應用可得出風機和水泵的電動機的軸動力（功率輸出）與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。即：P=Dn3

（2）（式中：P—軸功率、D—比例系數(shù)、n—電動機轉(zhuǎn)速）第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日

用變頻器對拖動風機的電動機進行轉(zhuǎn)速控制，由于風機風量與轉(zhuǎn)速成正比，當實際需求風量減少時，可調(diào)低轉(zhuǎn)速，從而使運行電耗大大減少。而變頻器具有的優(yōu)越性能，使之能高效率地實現(xiàn)需用功率與實際供給功率的最佳匹配。達到大幅度節(jié)

能的目的。

對水泵，由于在運轉(zhuǎn)過程中受揚程與流量兩個因素的影響，對于高揚程的水泵，采用變頻調(diào)速節(jié)能效果會不顯著。但由于低揚程水泵軸功率與轉(zhuǎn)速仍符合1—2式的關(guān)系，因此，在功率較大、流量大、對揚程要求不高的場合，采用變頻調(diào)速控制節(jié)能效果特別好。對多臺水泵構(gòu)成的機組，使用變頻調(diào)速控制，效果也很好。第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日

用變頻器改造后的軋鋼加熱爐鼓風機系統(tǒng)。軋鋼加熱爐是對需要軋制的鋼材進行加熱用的，工藝要求加熱爐內(nèi)保持一定的溫度。通過燃燒重油來維持爐內(nèi)溫度，用控制鼓風機吹入風量的大小來調(diào)節(jié)重油的有效燃燒。針對原系統(tǒng)的缺點，用變頻器對風機實行調(diào)速控制，通過改變風機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風機的風量與風壓的調(diào)節(jié)，同時實現(xiàn)遠距離控制。圖中通過檢測變送器，將檢測到的實際風壓與風量變換為一直流信號，反饋到傳感調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器通過比較環(huán)節(jié)，將風量或風壓的設定值與此反饋值相比較及對其差值進行PID運算（P為比例運算、I為積分運算、D為微分運算；是自動控制的一種調(diào)控手段），產(chǎn)生一個控制信號，并將此信號作為變頻調(diào)速裝置的指令信號輸入，去調(diào)節(jié)控制電機轉(zhuǎn)速。這樣，無論風機實際負荷需求怎樣變化，風機的鼓風量總能圍繞設定值變化并自動進行過程調(diào)節(jié)，產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。

軋鋼加熱爐鼓風機系統(tǒng)第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)是變頻調(diào)速技術(shù)最典型的應用。由于使用了變頻調(diào)速，減少了供水水泵的頻繁起動，使水泵工作在高效率狀態(tài)，從而節(jié)約了能源、減少了對電網(wǎng)的沖擊。該系統(tǒng)根據(jù)供水系統(tǒng)中瞬時變化的流量和相應的壓力兩個參數(shù)，通過PLC和變頻器自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和運轉(zhuǎn)的臺數(shù)，改變水泵出口壓力與流量，從而達到提高供水質(zhì)量與高效節(jié)能的目的。系統(tǒng)能實現(xiàn)變頻自動、工頻自動、手動等三種控制方式。

對水泵（風機）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，從節(jié)能目的出發(fā)，在電機被變頻器軟起動后，若需持續(xù)滿載運行，一般會將系統(tǒng)轉(zhuǎn)由工頻電源直接供電，到需要低速運行時，再將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到變頻控制。恒壓供水系統(tǒng)第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日

電弧爐自動配料系統(tǒng)。自動配料系統(tǒng)由稱量和加料兩部份組成，稱量部分由幾組料倉及量斗、測壓頭、微機配料控制器、若干臺變頻器及多速振動給料器組成。加料系統(tǒng)由2臺可逆皮帶機、溜槽組成。冶煉不同鋼種時，稱量系統(tǒng)需將入爐的各種原料稱量好。加料及配料分粗加料及細加料兩個階段。粗加料時，變頻輸出高頻率給出多速振動給料機的電動機進行快速下料，下料重量經(jīng)壓力傳感器測出、經(jīng)重量變送器比較后送至微機控制，當接近標定重量時，控制器輸出信號給變頻器，降低輸出頻率，使多速振動給料器頻率降低，變?yōu)槁偌恿霞醇毤恿?。至各種配料達到要求值，即關(guān)閉加料系統(tǒng)。

第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日