課題六變頻器

課題六變頻器第一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器【學習目標】了解變頻器的發(fā)展和應用。掌握變頻器的基本工作原理。初步熟悉變頻器的參數(shù)設置。掌握IGBT器件的基本原理及常用的驅動保護電路的原理。掌握脈寬調制（PWM）型逆變電路工作原理。第二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器【課題描述】變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將電網電源的50Hz頻率交流電變成頻率可調的交流電，作為電動機的電源裝置，目前在國內外使用廣泛。使用變頻器可以節(jié)能、提高產品質量和勞動生產率等。具體介紹與變頻器相關的知識：變頻器的基本原理、變頻器常用開關器件（IGBT）、脈寬調制（PWM）型逆變電路、變頻調速的特點以及變頻器的應用。第三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器SIEMENSMICROMASTER420通用變頻器第四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器【相關知識點】一、變頻器的基本原理1．變頻器組成原理（1）變頻器的基本結構調速用變頻器構成：主電路控制電路保護電路第五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器典型的電壓控制型通用變頻器的原理框圖。第六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2）變頻器主電路工作原理變壓變頻（VVVF：VariableVoltageFrequency）裝置結構框圖第七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器按照不同的控制方式，交－直－交變頻器可分成以下三種方式：采用可控整流器調壓、逆變器調頻的控制方式，其結構框圖。第八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器可控整流器調壓、逆變器調頻的控制方式的特點：在這種裝置中，調壓和調頻在兩個環(huán)節(jié)上分別進行，在控制電路上協(xié)調配合，結構簡單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當電壓調得較低時，電網端功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成多拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大，因此這類控制方式現(xiàn)在用的較少。第九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器采用不控整流器整流、斬波器調壓、再用逆變器調頻的控制方式，其結構框圖。第十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器不控整流器整流、斬波器調壓、再用逆變器調頻的控制方式的特點：整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器，只整流不調壓，再單獨設置斬波器，用脈寬調壓，這種方法克服功率因數(shù)較低的缺點；但輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的缺點。第十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器采用不控制整流器整流、脈寬調制（PWM）逆變器同時調壓調頻的控制方式，其結構框圖。第十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器不控制整流器整流、脈寬調制（PWM）逆變器同時調壓調頻的控制方式的特點：在這類裝置中，用不控整流，則輸入功率因數(shù)不變；用（PWM）逆變，則輸出諧波可以減小。PWM逆變器需要全控型電力半導體器件，其輸出諧波減少的程度取決于PWM的開關頻率，而開關頻率則受器件開關時間的限制。采用絕緣雙極型晶體管IGBT時，開關頻率可達10kHz以上，輸出波形已經非常逼近正弦波，因而又稱為SPWM逆變器，成為當前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。第十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器電壓型變頻器結構框圖：第十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器電壓型變頻器：在交－直－交變頻器中，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電壓型變頻器第十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器電流型變頻器結構框圖：第十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器電流型變頻器：當交－直－交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電流型變頻器。第十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器幾種典型的交－直－交變頻器的主電路。①交－直－交電壓型變頻電路常用的交—直—交電壓型PWM變頻電路。第十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器交—直—交電壓型PWM變頻電路采用二極管構成整流器，完成交流到直流的變換，其輸出直流電壓Ud是不可控的；中間直流環(huán)節(jié)用大電容C濾波；電力晶體管V1～V6構成PWM逆變器，完成直流到交流的變換，并能實現(xiàn)輸出頻率和電壓的同時調節(jié)，VD1～VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管。第十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器②交－直－交電流型變頻電路常用的交－直－交電流型變頻電路。第二十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器交－直－交電流型變頻電路：整流器采用晶閘管構成的可控整流電路，完成交流到直流的變換，輸出可控的直流電壓U，實現(xiàn)調壓功能；中間直流環(huán)節(jié)用大電感L濾波；逆變器采用晶閘管構成的串聯(lián)二極管式電流型逆變電路，完成直流到交流的變換，并實現(xiàn)輸出頻率的調節(jié)。第二十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器特點名稱電壓型變頻器電流型變頻器儲能元件電容器電抗器輸出波形的特點電壓波形為矩形波電流波形近似正弦波電流波形為矩形波電壓波形為近似正弦波回路構成上的特點有反饋二極管直流電源并聯(lián)大容量電容（低阻抗電壓源）電動機四象限運轉需要再生用變流器無反饋二極管直流電源串聯(lián)大電感（高阻抗電流源）電動機四象限運轉容易特性上的特點負載短路時產生過電流開環(huán)電動機也可能穩(wěn)定運轉負載短路時能抑制過電流電動機運轉不穩(wěn)定需要反饋控制適用范圍適用于作為多臺電機同步運行時的供電電源但不要求快速加減的場合適用于一臺變頻器給一臺電機供電的單電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求

③交－直－交電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較第二十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器二、絕緣門極晶體管（IGBT）1．IGBT的結構和基本工作原理絕緣門極晶體管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）也稱絕緣柵極雙極型晶體管，是一種新發(fā)展起來的復合型電力電子器件。由于它結合了MOSFET和GTR的特點，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅動電路簡單的優(yōu)點，又具有輸入通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。在變頻器驅動電機，中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域，IGBT有著主導地位。第二十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（1）IGBT的基本結構與工作原理1）基本結構IGBT也是三端器件，三個極為漏極（D）、柵極（G）和源極（S）。（a)內部結構（b）簡化等效電路（c）電氣圖形符號第二十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器2）工作原理IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件。開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的，當UGE為正且大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導通。當柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關斷。第二十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2）IGBT的基本特性與主要參數(shù)IGBT的轉移特性和輸出特性（a)轉移特性（b)輸出特性第二十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器1）IGBT的基本特性①靜態(tài)特性IGBT的轉移特性，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關系，與功率MOSFET的轉移特性相似。開啟電壓UGE（th）是IGBT能實現(xiàn)電導調制而導通的最低柵射電壓。UGE（th）隨溫度升高而略有下降，溫度升高1oC，其值下降5mV左右。在+25oC時，UGE（th）的值一般為2~6V。IGBT的輸出特性，也稱伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關系。第二十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器IGBT的開關過程第二十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器2）主要參數(shù)①集電極—發(fā)射極額定電壓UCES②柵極—發(fā)射極額定電壓UGES③額定集電極電流IC（3）IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)從IGBT的結構可以發(fā)現(xiàn)，IGBT電流可能發(fā)生失控的現(xiàn)象，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤消觸發(fā)信號晶閘管仍然因進入正反饋過程而維持導通的機理一樣，因此被稱為擎住效應或自鎖效應。引發(fā)擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過大（動態(tài)擎住效應），溫度升高也會加重發(fā)生擎住效應的危險。第二十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據動態(tài)擎住效應而確定的。根據最大集電極電流、最大集電極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍；根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作電壓（RBSOA）。第三十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2．IGBT的驅動電路（1)對驅動電路的要求①IGBT是電壓驅動的，具有一個2.5~5.0V的閥值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅動電路必須很可靠，保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅動電路與IGBT的連線要盡量短。②用內阻小的驅動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UCE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅動源應能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。③驅動電路中的正偏壓應為+12~+15V，負偏壓應為-2~-10V。第三十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器④IGBT多用于高壓場合，故驅動電路應整個控制電路在電位上嚴格隔離。⑤驅動電路應盡可能簡單實用，具有對IGBT的自保護功能，并有較強的抗干擾能力。⑥若為大電感負載，IGBT的關斷時間不宜過短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。第三十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2)驅動電路因為IGBT的輸入特性幾乎與MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅動電路同樣可以用于IGBT。在用于驅動電動機的逆變器電路中，為使IGBT能夠穩(wěn)定工作，要求IGBT的驅動電路采用正負偏壓雙電源的工作方式。為了使驅動電路與信號電隔離，應采用抗噪聲能力強，信號傳輸時間端的光耦合器件?；鶚O和發(fā)射極的引線應盡量短，基極驅動電路的輸入線應為絞合線為抑制輸入信號的振蕩現(xiàn)象，基極和發(fā)射極并聯(lián)一阻尼網絡。驅動電路的輸出級采用互補電路的形式以降低驅動源的內阻，同時加速IGBT的關斷過程。第三十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器IGBT基極驅動電路

（a)阻尼濾波（b)光電隔離第三十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（3)集成化驅動電路IGBT有與其配套的集成驅動電路。這些專用驅動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功能完善，可實現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅動。第三十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3．IGBT的保護電路因為IGBT是的保護主要是柵源過電壓保護、靜電保護、采用R-C-VD緩沖電路等等。在IGBT電控系統(tǒng)中設置過壓、欠壓、過流和過熱保護單元，以保證安全可靠工作。必須保證IGBT不發(fā)生擎住效應；具體做法是，實際中IGBT使用的最大電流不超過其額定電流。第三十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（1）緩沖電路幾種用于IGBT橋臂的典型緩沖電路。（a)（b)（c)第三十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器a)圖是最簡單的單電容電路，適用于50A以下的小容量IGBT模塊，由于電路無阻尼組件，易產生LC振蕩，故應選擇無感電容或串入阻尼電阻RS；b)圖是將RCD緩沖電路用于雙橋臂的IGBT模塊上，適用于200A以下的中等容量IGBT；c)圖中，將兩個RCD緩沖電路分別用在兩個橋臂上，該電路將電容上過沖的能量部分送回電源，因此損耗較小，廣泛應用于200A以上的大容量IGBT。第三十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2）IGBT的保護過電流保護措施主要是檢測出過電流信號后迅速切斷柵極控制信號來關斷IGBT。實際使用中，要求在檢測到過電流后，通過控制電路產生負的柵極驅動信號來關斷IGBT。只要IGBT的額定參數(shù)選擇合理，10內的過電流一般不會使之損壞。第三十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器采用集電極電壓識別方法的過流保護電路。第四十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器集電極電壓識別方法的過流保護電路為了避免IGBT過電流的時間超過允許的短路過電流時間，保護電路應當采用快速光耦合器等快速傳送組件及電路。第四十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器檢測發(fā)射極電流過流的保護電路。第四十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日三、脈寬調制（PWM）型逆變電路1．PWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要結論：沖量（脈沖的面積）相等而形狀不同窄脈沖，分別加在具有慣性環(huán)節(jié)的輸入端，其輸出響應波形基本相同，只要脈沖在面積相等，其作用的效果基本相同。形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖第四十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，若要改變輸出電壓等效正弦波的幅值，只要按同一比例改變脈沖列中各脈沖的寬度即可。所以Ud直流電源采用不可控整流電路獲得，不但使電路輸入功率因數(shù)接近于1，而且整個裝置控制簡單，可靠性高。第四十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器PWM控制的基本原理示意圖第四十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（1）單相橋式PWM變頻電路工作原理單相橋式PWM變頻電路第四十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器1）單極性PWM控制方式工作原理按照PWM控制的基本原理，如果給定了正弦波頻率、幅值和半個周期內的脈沖個數(shù)，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確地計算出來。圖6-25單極性PWM控制方式原理波形①當ur正半周時，讓V1一直保持通態(tài)，V2保持斷態(tài)。②當ur負半周時，讓V2一直保持通態(tài)，V1保持斷態(tài)。第四十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器單極性PWM控制方式原理波形第四十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器2）雙極性PWM控制方式工作原理調制信號ur仍然是正弦波，而載波信號uc改為正負兩個方向變化的等腰三角形波，對逆變橋V1～V4的控制方法是：①在ur正半周，當ur>uc的各區(qū)間，給V1和V4導通信號，而給V2和V3關斷信號，輸出負載電壓uo＝Ud。②在ur負半周，當ur<uc的各區(qū)間，給V2和V3導通信號，而給V1和V4關斷信號，輸出負載電壓uo＝－Ud。第四十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器雙極性PWM控制方式原理波形第五十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器控制方式特點是：①同一平橋上下兩個橋臂晶體管的驅動信號極性恰好相反，處于互補工作方式。②電感性負載時，若V1和V4處于通態(tài)，給V1和V4以關斷信號，則V1和V4立即關斷，而給V2和V3以導通信號，由于電感性負載電流不能突變，電流減小感生的電動勢使V2和V3不可能立即導通，而是二極管VD2和VD3導通續(xù)流，如果續(xù)流能維持到下一次V1與V4重新導通，負載電流方向始終沒有變，V2和V3始終未導通。只有在負載電流較小無法連續(xù)續(xù)流情況下，在負載電流下降至零，VD2和VD3續(xù)流完畢，V2和V3導通，負載電流才反向流過負載。第五十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2）三相橋式PWM變頻電路的工作原理三相橋式PWM變頻電路電路采用GTR作為電壓型三相橋式逆變電路的自關斷開關器件，負載為電感性。第五十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器三相橋式PWM變頻波形第五十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器三相橋式PWM變頻電路只能選用雙極性控制方式，工作原理：三相調制信號urU、urV和urW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號是公用一個正負方向變化的三角形波uc。U、V和W相自關斷開關器件的控制方法相同。U、V和W三相之間的線電壓PWM波形以及輸出三相相對于負載中性點N的相電壓PWM波形，可按下列計算式求得

線電壓

相電壓 第五十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2．PWM變頻電路的調制控制方式在PWM變頻電路中，載波頻率fc與調制信號頻率fr之比稱為載波比，即N=fc/fr。PWM逆變電路有異步調制和同步調制兩種控制方式：（1）異步調制控制方式當載波比N不是3的整數(shù)倍時，載波與調制信號波就存在不同步的調制，就是異步調制三相PWM。第五十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器同步調制的三相PWM變頻波形第五十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器異步調制控制方式的特點是：①控制相對簡單。②在調制信號的半個周期內，輸出脈沖的個數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負半周的脈沖不對稱，而且半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱，輸出波形就偏離了正弦波。③載波比N愈大，半周期內調制的PWM波形脈沖數(shù)就愈多，正負半周不對稱和半周內前后1/4周期脈沖不對稱的影響就愈大，輸出波形愈接近正弦波。所以在采用異步調制控制方式時，要盡量提高載波頻率fc，使不對稱的影響盡量減小，輸出波形接近正弦波。第五十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2）同步調制控制方式在三相逆變電路中當載波比N為3的整數(shù)倍時，載波與調制信號波能同步調制。同步調制控制方式的特點是：①控制相對較復雜，通常采用微機控制。②在調制信號的半個周期內，輸出脈沖的個數(shù)是固定不變的，脈沖相位也是固定的。正負半周的脈沖對稱，而且半個周期脈沖排列其左右也是對稱的，輸出波形等效于正弦。當逆變電路要求輸出頻率fo很低時，由于半周期內輸出脈沖的個數(shù)不變，所以由PWM調制而產生fo附近的諧波頻率也相應很低，這種低頻諧波通常不易濾除，而對三相異步電動機造成不利影響。第五十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器3．SPWM波形的生成SPWM的控制就是根據三角波載波和正弦調制波用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對功率開關器件的通斷進行控制。第五十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日四、變頻器的應用1．變頻后異步電動機的機械特性

改變電源頻率f會引起異步電動機機械特性怎樣改變呢？ 調節(jié)頻率時通過幾個特殊點來得出機械特性的大致輪廓。 （1）理想空載點（0，n0） （2）最大轉矩點（Tm，n）第六十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器三相異步電動機變頻調速機械特性第六十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（1）基頻以下時的機械特性1）理想空載轉速：f1↓→n0↓2）最大轉矩：最大轉矩是確定機械特性的關鍵點，它們的特征如下：從額定頻率向下調頻時，理想空載轉速減小，最大轉矩逐漸減小。②頻率在額定頻率附近下調時，最大轉矩減少很少，可以近似認為不變；頻率調得很低時，最大轉矩減小很快。③頻率不同時，最大轉矩點對應的轉差△nm變化不是很大，所以穩(wěn)定工作區(qū)的機械特性基本是平行的。第六十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2）基頻以上時的機械特性在基頻以上調速時，頻率從額定頻率往上調節(jié)，但定子電壓不可能超過額定電壓，只能保持額定電壓。1）理想空載轉速：f1↑→n0↑2）最大轉矩：①額定頻率以上調頻時，理想空載轉速增大，最大轉矩大幅減小。②最大轉矩點對應的轉差△nm幾乎不變，但由于最大轉矩減小很多，所以機械特性斜度加大，特性變軟。第六十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（3）變頻調速特性的特點1）恒轉矩的調速特性在頻率小于額定頻率的范圍內，經過補償后的機械特性的最大轉矩基本為一定值，因此這區(qū)域基本為恒轉矩區(qū)域，適合帶恒轉矩的負載。2）恒功率的調速特性在頻率大于額定頻率的范圍內，機械特性的最大電磁功率基本為一定值，電動機近似具有恒功率的調速特性，適合帶恒功率的負載。第六十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2．變頻器的控制方式控制方式大體可分：V/F控制方式轉差頻率控制矢量控制（1）V/F控制V/F控制是一種比較簡單的控制方式。基本特點是對變頻器的輸出電壓和頻率同時進行控制，通過提高U/f比來補償頻率下調時引起的最大轉矩下降而得到所需的轉矩特性。第六十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器變頻器的U/f控制曲線為了方便用戶選擇U/f比，變頻器通常都是以U/f控制曲線的方式提供給用戶，讓用戶選擇。第六十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器①基本U/f控制曲線基本U/f線第六十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器②轉矩補償?shù)腢/f曲線特點：在f=0時，不同的U/f曲線電壓補償值不同。適用負載：經過補償?shù)腢/f曲線適用于低速時需要較大轉矩的負載，且根據低速時負載的大小來確定補償程度，選擇U/f線。③負補償?shù)腢/f曲線特點：低速時，U/f線在基本U/f曲線的下方。適用負載：主要適用于風機、、泵類的平方率。由于這種負載的阻轉矩和轉速的平方成正比，即低速時負載轉矩很小，即使不補償，電動機輸出的電磁轉矩都足以帶動負載。第六十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器④U/f比分段補償線特點：U/f曲線由幾段組成，每段的U/f值均由用戶自行給定。分段U/f比的補償線適用負載：負載轉矩與轉速大致成比例的負載。在低速時補償少，在高速時補償程度需要加大。第六十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器2）選擇U/f控制曲線時常用的操作方法①將拖動系統(tǒng)連接好，帶以最重的負載。②根據所帶負載的性質，選擇一個較小的U/f曲線，在低速時觀察電動機的運行情況，如果此時電動機的帶負載能力達不到要求，需將U/f曲線提高一檔。依次類推，直到電動機在低速時的帶負載能力達到拖動系統(tǒng)的要求。③如果負載經常變化，在②中選擇的U/f曲線，還需要在輕載和空載狀態(tài)下進行檢驗。方法是：將拖動系統(tǒng)帶以最輕的負載或空載，在低速下運行，觀察定子電流的大小，如果過大或者變頻器調閘，說明原來選擇的U/f曲線過大，補償過分，需要適當調低U/f曲線。第七十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2）轉差頻率控制轉差頻率控制方式是一種對V/F控制的一種改進。利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制，并在一定程度上對輸出轉矩進行控制在負載發(fā)生較大變化時，仍能達到較高的速度精度和具有較好的轉矩特性。第七十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（3）矢量控制矢量控制的基本思想是將異步電動機的定子電流在理論上分成兩部分：產生磁場的電流分量（磁場電流）和與磁場相垂直、產生轉矩的電流分量（轉矩電流），并分別加以控制。使用矢量控制的要求：1）矢量控制的設定2）矢量控制的要求3）使用矢量控制的注意事項在使用矢量控制時，可以選擇是否需要速度反饋；頻率顯示以給定頻率為好。第七十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（4)三種控制方式的特性比較名稱V/F控制轉差頻率控制矢量控制加減速特性急加減速控制有限，4象限運轉時在零速度附近有空載時間，過電流抑制能力小急加減速控制有限度（比U/f控制有提高），4象限運轉時通常在零速度附近有空載時間，過電流抑制能力中急加減速時的控制無限度，可以進行連續(xù)4象限運轉，過電流抑制能力速度控制范圍1：101：201：100以上響應－5～10rad/s30～100rad/s定常精度根據負載條件轉差頻率發(fā)生變動與速度檢出精度、控制運算精度有關模擬最大值的0.5％數(shù)字最大值的0.05％轉矩控制原理上不可能除車輛調速等外，一般不適用適用可以控制靜止轉矩通用性基本上不需要因電動機特性差異進行調整需要根據電動機特性給定轉差頻率按電動機不同的特性需要給定磁場電流，轉矩電流、轉差頻率等多個控制量控制構成最簡單較簡單稍復雜第七十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（5)直接轉矩控制直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。第七十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（6)最優(yōu)控制最優(yōu)控制在實際中的應用根據要求的不同而有所不同，可以根據最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。（7)其他非智能控制方式在實際應用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應控制、滑模變結構控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。第七十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3．變頻器的控制回路向變頻器的主回路提供控制信號的回路，稱為控制回路。（1）控制回路的構成1）運算回路2）電壓/電流檢測回路3）驅動回路4）速度檢測回路5）保護回路（2）模擬控制與數(shù)字控制第七十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（3）保護回路1）變頻器的保護①瞬時過電流保護過載保護、再生過電壓保護、瞬時停電保護接地過電流保護、冷卻風機異常2）異步電動機的保護①過載保護②超頻（超速）保護3）其他保護①防止失速過電流②防止失速再生過電壓

第七十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日4．變頻器的選擇和容量計算（1）負載特性1)負載轉矩的特性負載被傳動時要求電機產生轉矩，其大小隨負載各種條件而變化。①恒轉矩負載，如擠壓機、傳送帶等。②平方轉矩負載，如泵、風機等。③恒功率（反比例轉矩）負載，如卷取機、機床主軸等。第七十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器2)負載的起動轉矩額定工作點的轉矩為100％，則負載起動轉矩值大體如下：風扇、鼓風機：30％以下；擠壓機、壓縮機：150％以上。3)PUGD2(perunitGD2)旋轉體慣性的大小多用GD2表示，GD2是決定旋轉體加減速特性的重要因素。PUGD2的值：式中：GD2－旋轉體的飛輪轉矩（N·m2）；

nN－額定轉速（r/min）；PN－電機額定輸出功率（KW）。第七十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器4)過負載5)齒輪的作用當電機的轉速不能完全滿足負載時，還需要齒輪配合調速。通常，在下列場合可考慮使用齒輪：①機械的額定轉速比標準電機的極數(shù)與50HZ所決定的轉速低時。②機械的所需的最高轉速比變頻器最高頻率決定的電機轉速高時。③僅使用變頻器最低頻率到50HZ額定頻率的范圍，電機轉速的最高/最低的比不足時。④增大起動轉矩時。第八十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器6)前饋控制與反饋控制調速系統(tǒng)控制方式可分為前饋控制和反饋控制兩種。前饋控制與反饋控制特點名稱前饋控制反饋控制控制回路相對簡單復雜反饋無（開環(huán)）有（閉環(huán)）抗干擾性差強傳感器不需要需要精度相對較低高精度第八十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(2)變頻器類型的選擇1)當調速系統(tǒng)控制對象是改變電機速度時，其變頻器的選擇，需考慮表中的幾點?？刂茖ο笸ㄓ米冾l器轉差頻率控制矢量控制變頻器轉矩選用滿足該轉矩的機種選用滿足該轉矩的機種選用滿足該轉矩的機種加減速時間加速時必須限制頻率指令的上升率在速度指令急速改變時，本身能將電流限制在容許值以內在速度指令急速改變時，本身能將電流限制在容許值以內速度控制范圍必須選擇能覆蓋所需速度控制范圍的機種必須選擇能覆蓋所需速度控制范圍的機種必須選擇能覆蓋所需速度控制范圍的機種避免危險速度下的運轉選擇具有頻率跳變回路的機種選擇具有頻率跳變回路的機種選擇具有頻率跳變回路的機種速度傳感器和調節(jié)器的使用考慮溫度漂移和干擾的影響考慮溫度漂移和干擾的影響考慮溫度漂移和干擾的影響高精度選用高頻率分辨率的機種選用高頻率分辨率的機種選用高頻率分辨率的機種第八十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器2)當調速系統(tǒng)控制對象是控制負載的位置或角度時，其變頻器的選擇，需考慮：控制方式通用變頻器通用伺服機用變頻器專用伺服機用變頻器開環(huán)位置控制方式通用變頻器；通用變頻器＋制動單元；通用變頻器＋制動單元＋機械制動器。不需要不需要手動決定位置的控制方式滿足不需要不需要閉環(huán)位置控制方式選用轉矩增益大的、帶有齒隙補償功能的機種必須選擇能覆蓋所需速度控制范圍的變頻器必須選擇能覆蓋所需速度控制范圍的變頻器精度1mm10μm1μm第八十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器3)對于造紙、鋼鐵、膠卷等工廠中處理薄帶狀加工物的設備，由于產品質量上的要求，必須進行使生產中加工物的張力為一定值的控制。變頻器的選擇需考慮的幾點。控制方式變頻器采用轉矩電流控制的張力控制用于移動物體的變頻器可采用通用變頻器；用于施加與旋轉方向相反的轉矩的變頻器采用矢量控制的變頻器，該機種必須要有速度限制功能，有通常的速度控制功能。采用拉延的張力控制使用具有速度反饋控制的機種，應具有制動功能。采用調節(jié)輥的張力控制通用變頻器采用張力檢測器的張力控制矢量控制的變頻器第八十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器4)對于要求調節(jié)響應快、精度高時變頻器的選擇的幾點考慮。控制對象變頻器要求響應快的系統(tǒng)對于PWM控制的變頻器要求開關頻率為1～3KHZ，能滿足機床等用途的變頻器，該機種要有再生制動功能；通用變頻器不常使用；轉差頻率控制的變頻器響應速度較快，但不能滿足更快的要求；矢量控制的變頻器可以滿足更快的要求，該機種主回路的開關頻率要高。要求高精度的系統(tǒng)采用全數(shù)字控制的變頻器，該機種的數(shù)據運算在16位以上。第八十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器5)負負載的變頻器的選擇的幾點考慮?？刂品绞阶冾l器再生過壓失速防止控制具有再生制動功能的變頻器，該機種的制動力矩為額定轉矩的10％～20％左右，設置再生過壓失速防止功能，響應速度快。制動單元對于小容量的變頻器，選擇有內藏此功能的機種，也可在外部附加。對于大容量的變頻器，控制單元和電阻單元分設，響應速度快。再生整流器選用帶有再生整流器的專用變頻器第八十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器6)沖擊負載沖擊負載的變頻器的選擇控制對象變頻器再生過壓失速防止控制具有再生制動功能的變頻器，該機種的制動力矩為額定轉矩的10％～20％左右，設置再生過壓失速防止功能，響應速度快。制動單元對于小容量的變頻器，選擇有內藏此功能的機種，也可在外部附加。對于大容量的變頻器，控制單元和電阻單元分設，響應速度快。再生整流器選用帶有再生整流器的專用變頻器第八十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(3)變頻器的容量選擇1)根據電動機電流選擇變頻器容量①連續(xù)運行的場合如按電機實際運行中的最大電流來選定變頻器時，變頻器的容量可以適當縮小。②加減速時變頻器容量的選定第八十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器運行曲線圖第八十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器③頻繁加減速運轉時變頻器容量的選定根據運行曲線圖，加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式進行選定：第九十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器④電流變化不規(guī)則的場合⑤電機直接起動時所需變頻器容量的選定⑥多臺電機共用一臺變頻器供電⑦容量選擇注意事項（a）并聯(lián)追加投入起動（b）大過載容量（c）輕載電機(4)根據輸出電壓選擇變頻器變頻器輸出電壓可按電機額定電壓選定。(5)根據輸出頻率選擇變頻器變頻器的最高輸出頻率根據機種不同而有很大不同，有50/60HZ、120HZ、240HZ或更高。

第九十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日5．變頻器的運行方式變頻器的運行方式序號運行方式序號運行方式1正反轉運行8同步運行2遠距離操作運行9同速運行3寸動運行10帶制動器的電機運行43速選擇運行11變極電機的運行5自動運行12變頻器異常時自動切換到工頻電源運行6并聯(lián)運行13工頻電源自動切換到變頻器運行7比例運行14瞬停再起動運行第九十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（1）正反轉運行變頻器有的本身基本上都有正反轉功能，使用注意事項：1）變頻器的保護功能動作時，可切斷電源或接通復位端使變頻器復位。2）時間繼電器的整定時間要超過電機停止時間或變頻器的減速時間。3）對于帶有接觸器進行輸出切換的回路，正反轉的接觸器要互鎖。第九十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（2）遠距離操作運行使用注意事項：1）選用件要設置在變頻器的附近。2）信號電纜與動力電纜要分開布置。3）頻率表的電纜使用絞合屏蔽線（注意布線距離）。第九十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（3）寸動運行注意事項：1）不要在變頻器負載側另加接觸器進行寸動運轉。2）帶制動器電機的寸動運轉，停止時使用變頻器的輸出停止端子。（4）三速選擇運行電機以預先給定的三種速度運行的注意事項：1）選用件與變頻器的頻率給定信號由于電壓低、電流弱等原因，原則上不能有接點加入。2）要有互鎖回路，以防止有兩個外部速度給定信號同時輸入。第九十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（5）自動運行注意事項：如果使用專用的PID調節(jié)器，進行自動運行時，可將變頻器本身的頻率給定信號切換開關選擇在20mA處，不需要前置放大器。（6）并聯(lián)運行注意事項：1）不能使用變頻器內的電子熱保護，所以每臺電機外加熱繼電器。2）變頻器在運行中如果將停止的電機直接投入，有時因起動電流使保護裝置動作，變頻器停止運行。第九十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（7）比例運行注意事項：1）由于頻率給定信號電壓低、電流弱，需要接入接點時，要用微電流開關用繼電器的兩個接點并聯(lián)。2）信號線要遠離動力線，并采用絞合屏蔽線。（8）同步運行注意事項：1）兩臺變頻器的起動、停止要共用一個操作單元，使運行指令完全一致。2）一臺變頻器的速度由操作單元直接給定，另一臺變頻器的速度由位移檢測裝置與操作單元共同決定。第九十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（9）同速運行注意事項：1）兩臺變頻器的起動、停止要共用一個操作單元，使運行指令完全一致。2）一臺變頻器的速度由操作單元直接給定，另一臺變頻器的速度由位移檢測裝置與操作單元共同決定。（10）帶制動器電器的運行注意事項：需加制動單元，制動電阻的大小要根據負載的大小選擇。第九十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（11）變極電機的運行注意事項：1）時間繼電器的延時時間應超過從高速運轉到以自由停止的時間。2）從高速→低速、低速→高速的切換，應在電機停止后進行。3）對于Y－Δ起動的電機，只使用Δ接法。第九十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（12）變頻器異常時自動切換到工頻電源運行注意事項：1）切換電路中的接觸器要有電氣互鎖。2）變頻器保護功能動作時，可切斷供電電源或對變頻器進行復位。3）當停止變頻器工作時，應延時等待電機停止后，才切換到工頻電源運行，需裝設時間繼電器用于延時切換。第一百頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（13）工頻電源自動切換到變頻器運行注意事項：1）變頻器內藏專用選用件，如安裝在外部則可能干擾產生誤動作。2）切換電路的接觸器要有電氣互鎖。3）工頻電網與變頻器輸出的相序必須一致。4）對于自由停止快的負載需注意變頻器復位的時間不能太長。第一百零一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器（14）瞬停再起動運行注意事項：1）變頻器內藏專用選用件，如安裝在外部則可能干擾產生誤動作。2）對于在瞬停時間＋復位時間內自由停止的負載，電機將一度停止，經復位時間后以通常的加速時間自動再起動。第一百零二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日6．變頻器應用實例（1）位置控制1）系統(tǒng)構成主要由位控器(位置控制器)、變頻器、執(zhí)行機構三大部分組成。第一百零三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器系統(tǒng)構成①位控器選用德國Lenord+Bauer公司的GEL8310A型產品，它采用微處理器控制、模塊式結構，由CPU地板、開關量I/O板、模擬量I/模板、通訊接口板構成。②變頻器采用SIEMENS第四代通用變頻器MM440系列。③執(zhí)行機構為普通鼠籠異步電動機經減速箱通過絲杠帶動下車往返行走。第一百零四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器2）工作原理①定位過程當PLC給位控器和變頻器發(fā)出啟動運行命令后，位控器經運算后輸出調節(jié)信號給變頻器，變頻器按照位控器的要求控制電機的加速、運行、減速和制動停止，最后使小車停止在預期的設定位置上。第一百零五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器②控制原理位置控制調節(jié)原理圖。第一百零六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器控制器調節(jié)過程:控制器根據傳動裝置的機器參數(shù)、預先設定的位置和速度值，計算出速度時間特性曲線Vt和St。在每一周期的開始，傳動裝置先根據速度預設定進行速度預控制。同時，反饋回來的實際值與St進行比較計算，得出的偏差與Ksp相乘后疊加到Vt上，得出傳動裝置應該具有的速度。經速度/電壓轉換和D/A轉換向傳動系統(tǒng)發(fā)出控制信號,至執(zhí)行機構的定位。第一百零七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器③位置控制的基本要求電機的速度一般按梯形速度圖進行控制。兩種最常用的速度曲線為了準確對運動設備進行位置控制，一般有如下要求:（a）電機轉矩不得超過電機和機械設備的最大允許值；（b）能在最短時間內完成定位動作，并且定位精度符合工藝要求；(c)在控制過程中不能產生超調，且系統(tǒng)穩(wěn)定重復性好。第一百零八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課題六變頻器④定位過程分析基本定位過程曲線0～t1為加速段，加速度為am；t1～t2為最高運轉段，其速度為vm；t2～t3為減速段，加速度是-am；t3～t4為自由滑行段。⑤位置檢測定位控制中位置的檢測一般用增量式光電編碼器。第一百零九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3)變頻器的主要參數(shù)