变频调速技术Word文档下载推荐.docx

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尤其是变频调速，其适合于任何种类的交流电动机，前景广阔，发展尤为迅速。

在变频调速技术发展的初期，由于电力半导体元件体积大、可靠性差、造价高，导致调速设备也存在体积大、价格昂贵、可靠性差的缺点。

进人70年代后，电力半导体技术、大规模集成电路技术都获得了长足的发展，计算机技术向控制领域深深地渗运与融入，使变频调速技术迅速地发展起来。

高性能、高可靠性的调速（变频）装置已大量地进入工业、生活领域。

20世纪80年代以前，由于国产的可控硅元件在安全性、可靠性、大功率化方面都没有过关，极大地限制了国内变频调速技术的发展。

直至80年代初，我国的可控硅生产制造技术才取得了实质性的重大进展，生产出了能够长时间稳定、可靠、安全工作的大功率可控硅元件。

1982年我国首次使用核潜艇艇发射（潜射）远程火箭，使用的电力系统就是国产的可控硅元件。

自此之后，使用国产元件研制出的性能较好的变频调速设备陆续问世。

从总体上看，我国在变频调速设备所用的元器件生产技术、成套设备的生产技术与国外先进水平相比，还有较大差距。

相信在不久的将来，我国的变频调速技术及应用将赶上国际先进水平。

与传统的调速技术加直流电动机调速相比，变频调速具有极大的优越性，整个调速系统体积小，重量轻、控制精度高、保护功能完善，工作安全可靠、操作过程简使、逅用性强，使传动控制系统具有很优良的性能。

用变频碉速装置驱动电动机去拖动风机、水泵及其他机械时，与常规的不调速电机拖动相比，节能效果十分可观。

几十年来工业领域应用的一些单项节能技求，其数量级一般为几个百分点，而采用变频调速技术后，在泵类及机械类工作运行中，可产生30％～40％的节能效果，使节能数量发生了飞跃。

对企业和用户来讲，对定应拖动时电耗较高的机械或设备，迸行变频调速技术改造，或直接变频调速拖动，经挤效益是显著的，回收投资期也是较短的。

从变频调速技术在我国的普及应用方面的情况看，存在着相当多企业对应用这项技术的意义、重要性认识不足的现象，原因在于对这项技求的有关基础理论、应用情况不熟悉。

因此，通过出版一些关子变频调速技本的通俗性读物、专著，持续性地撰写一些介绍该技术及应用的文章，对于推动我国企业中相关工程技术人员更深入地了解变频调速技术及应用情况是很有益处的。

工作原理

异步电动机的同步转这遵从电机学基本关系

n0=60f/p（l．1）

式中f－电源交变频率，Hz，我国工业频率f为5Hz，p－电机定子磁极对数。

电机学中还常用转差率s参量，其定义为：

s＝（no－n）/s（l．2）

电机实际转速为：

n＝（60f/p）（1－s）（l．3）

设定频率f不变．调节电机定子硅极对数p，即可使同步转违n0与实际转速n得到词节，这就是变极对数调速的原理。

2.变极调速时的机械特性

研究电机拖动时，依据的一个重要关系是电动机的电磁转矩M与转速n之间的关系，这个关系叫电动机的机械特性．抽绘成曲线时，叫机械特性曲线。

当没有迸行调速时，电机的电磁转矩M与转速n的关系曲线见图1.l。

从该机械特性中可看出：

电磁转矩在较大范围内变化时，对应的电机转速变化范围却较小。

图1－l中s。

为临界转差率，它与最大转矩MMax对应。

最大转矩一般是额定转矩的2倍左右。

图l－2给出了变极对数时的机械特性曲线。

极对数调至1对队极、2对极、3对极时，在同样的转矩M值下，转速不一样，用此方法实现了阶跃式调速。

3.变极调速的特点

该方法具有以下特点；

它属于有极调速，即跳变式调速；

要实施变极调速，须通过外接定子绕组控制线路的切换来完成。

变极调速适用于绕线式异步电动机。

二、定子电压调速

（一）工作原理

以调节定子绕组电压的方式实现电机转速变化。

1．开环调压调速

控制理论中，定义能够自动跟踪．将输出反馈回输入侧，进行自动有差词节的控制为闭环控制：

输出与输入无反馈关系，即下能进行自动调整的控制方式称为开环控制。

在开环状态下，对定子电压进行调节，由于电动机电磁转矩M与定子电压U的平方成正比，而转矩M又与转速n受机械特性关系约束，故调节定子绕组电压的同时，电机转速也得到了调节。

图1－3给出了开环调压调速的示意图。

当电压由U1调至U2时，机械特性曲线由①变换为曲线②，此时转速对应两个不同值。

在实际拖动场合中，负载性质往往不同，有恒转矩负载，如风机、水泵类等。

当电机拖动绞车起吊重物时，由于负载重量W恒定，对绞车形成的阻转矩是定值，故这类负载称为恒转矩负载。

在对风机、水泵的拖动中，转矩与转速的平方成正比，即转速稍有增加，引起转矩的增加幅度很大。

恒转矩负载特性与风机、水泵负载特性分别见图1－4中的曲线①与曲线②。

对恒转矩负载，调压调速意义不大，由图l－5可见；

当定子电压由U1变换为U2时，转速由特性曲线上的A点变到B点，调节范围太小，仅限AB间一小段。

对风机、水泵类负载，调压调速的范围相对恒转矩负载要大一些，见图1－6，但在低速段，电机定子绕组功率因数低，此种方法也不经济。

2.闭环调压调速

闭环调压调速系统中，使用了测速发电机，转速n不同，测速发电机输出电压U不同，系统中设定一个参考电压Ud，将U与Ud比较，得差动电压ΔU，经放大器处理，送至触发电路，根据ΔU控制触发脉冲的发出时刻，对应不同的电压值输出，即实现闭环的调压调速。

（二）调速特点

由于开关元件的关断与开通，使定子电压、电流中存在幅度较高的高次谐波分量，对电网影响较大，且功率囵数较低。

此调速方法仅适用于中小型电动机。

三.转子串电阻调速

1．工作原理

在绕线式交流异步电动机的转子绕组中，接人阻值可调节的变阻器，改变其阻值实现调速。

图1－7中，sE2为转子电动势有效值，转子绕组电路中的电流即是转于电动势所引起；

sX2为转子漏电感，r2为转子电阻，Rw为外接变阻器。

转子绕组电路串电阻实现调速的过程是：

增加电阻Rw时，转子电流I2减小，电动机转矩下降，此时负载转矩大于电动机电磁转矩，电机转速下降，直到负载转矩等于电磁载矩时，电机才在较低的转速下运行。

减小电阻Rw时，电机转速上升。

2.调速特点

此调速方法的词速范围小，同时由于使用接入电阻的方式调速，造成附加的能耗损失。

在调速过程中，当调电阻Rw使之增大时，转速下降，电磁转矩下降，此时转子线路中转子电动势增加（转子电动势sE2），使转子电流增加并又导致电磁转矩增大，进而使电磁转矩等于负载转矩，这一过程负载转矩值不变。

因此，转子串电阻调速方式仅适用于恒转炬负载，如吊车提升系统，且转子串电阻调速的线路较简单。

这种调速方法仅能在绕线式电动机上使用。

四、串极调速

绕线式电机转子等效电路见图1－8。

如果在转子绕组中再串入一个与转子电动势sE2同频率的附加电动势E,则电路见图1-9。

当串入的附加电动势极性与转子电动势同极性时，则转子电路中合

电动势数值增加，转子回路中的电流增大，电磁转矩增大，转速增加；

当串人的附加电动势与转于电动势sE2极性相反时，转子电路中的合电动势减小，转子回路电流减小，电磁转矩降低，转速减小。

2.实现串极调速的方法

串极调速过程如下：

转子电路中，转于绕组电动势sE2与外加电动势E迭加，由于sE2是正弦电动势，因此要求附加电动势E也是正弦电动势并与sE2有相同的频率，要做到这一点技术难度相当大，故通过大功率整流元件将正弦转子电动势变为直流，而附加电动势也是直流电动势，但附加电动势是由可控硅可控整流，通过控制可控硅开通关断时间，来调整附加电动势的平均值，即控制了转子电路中的总电动势，这样通过调节总电动势来调节转子电流，进而控制电动机的转速。

实现串级调速的原理电路见图l－10。

图中L为平波电抗器，皿为绕线式异步电动机，ETO为逆变变压器。

R为整流器。

I为逆变器。

转子转差电动势sE2经三相整流桥R整流为直流电压Ud，再由三相逆变器I将直流功率UdId回馈给电网。

平波电抗器L的作用是平抑直流电流Id的脉动。

逆变变压器的作用是使逆变器输出的交流电压回馈给交流电网。

三.高功率因数串级调速系统

近年来，出现了一种高功率因数串极词速系统，它采用了方脉冲触发可控硅通断的工作方式，较好地改进了传统的串级调速系统的一些固有缺点。

4.串极调速评价

（1）优点是调速性能好。

当电动机减速时，转子电路中的电能将通过逆变器馈回电冈，使减速过程中的机械能转化成电能，无损失地送回电网。

因此，这种调速方式节能效果较为显著。

（2）缺点。

由于串级调速系统使用了较多的开关元件与电网耦合连接，系统中高次谐波窜入电网较严重；

另外，系统功率因数低。

5．适用范围

串级调速系统仅适用于绕线式异步电动机。

第三节变频调速及系统

一、变频调速工作原理

前面列出了电机学的一个基本公式

n。

＝60f/p

式中电动机定子绕组的磁极对数p一定，改变电源频率f，即可改变电动机同步转速。

异步电动机的实际转速总低于同步转速。

而且随着同步转速而变化。

电源频率憎加，同步转速n0增加，实际转速也增加；

电源频率下降，电机转速也下降，这种通过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速。

在工程中，鼠笼式电动机在电动机总数量中占主导部分。

因此，对鼠笼式电动机的调速控制成为建筑领域中电机调速的主要部分。

在变频调速技术中，向电动机提供频率可变的电源并控制电动机的转这是由变频器完成的。

变频器（VVVF）是VariableVoltageVariableFrequency等英文字头的缩写．意思是变压变频器。

二、调速控制方式

其控制方式基本上有以下3种。

1.电源频率低于工频范围调节

电源的工频频率在我国即50Hz。

电机定子绕组内的感应电动势公式为

（1-4）

式中W－电机定子绕组匝数的常数；

Rw1－绕组系数；

Φ1——电机每极磁通。

定子电压U1与定子绕组感应电动势E1的关系为

U1=E1+I1Z1（1－5）

式中Z1定子绕组每相阻抗；

I1－－定子绕组相电流。

若忽略定子压降I1Z1，则

，把该式整理成

E1=Kf1Φ1（1-6）

K=4.44f1WRW1（1-7）

则Φ1＝Ul/Kf1（1－8）

电动机的电磁转矩M与（U1/f1）2成正比，若下调电源频率f1，同时也下调U1，使（U1/f1）比值保持为恒量，则磁通Φ1不变，因此，转矩也保持常值，此时电动机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速。

2.电源频率高于工频范围调节

由于使电源频率f1增加，U1/f1变小，而U1不能高于额定电压，在该控制方式中，保持U1不变。

由于频率变高，由式（1－8）知道，定于磁通Φ1变小，电磁转短M也变小，但电源频率增加导致电动机转速n增加，设电动机转动角速度ω＝2πn。

电机的功率P是电磁转矩M与角速度ω的乘积

P＝M∙ω（1．9）

调节过程中，使频率f与转矩的变化呈一定协调关系，从而保持电机功率P为恒量，即功率不发生变化，这种升频定压调速称为恒功率调速。

3.转差频率控制

三相异步电动机中，定子与转子之间的圆周空隙内有一旋转磁场，转速为n0，电机转子实际转速为n，（n。

－n）是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。

对频率、电压并行协调控制，使U1/f1不变，此时，磁通Φ1也不变，在Φ1不变的条件下，电磁转矩M与（n。

－n）2成正比。

对频率f进行调节，即调节了（n。

－n），因此，在实现转速调节时也实现了转矩的调节。

三、恒转炬与恒功率调速机械特性

如前所述，保待磁通Φ1不变，调频调压，同时使U1/f1为常数，并且频率在低于工频的范围变化，这种调速方式称为恒转矩调速。

恒转矩情况下，电机转速n与电磁转矩之关系即机械特性见图1－11。

A、B、C3点处对应3个转速nA、nB、nC，但转矩相等。

电源频率大于工频时的恒功率调速的机械特性如图1－12所示。

四、变频调速核心没备－变频器

鼠笼型异步电动机的定子采用变频电源共电构成的变频调速系统是具有高效率和高性能的调速系统。

通过改变定子供电频率，电机转速可得到宽范围的无极调节。

对定子电压（或电源）以及频率按一定规律进行协调控制，可提高传动系统的运行特性。

通过控制转差率（n0－n）/n，电机可获得较理想的快速响应特性。

一旦采用闭环控制系统，整个拖动及传动系统可获得高精度及优良的传动特性。

给电动机定子提供频率可变电源的设备就是变频器，变颁器是变频调速系统的核心部分。

变频器与电动机完美的控制配合构成了性能优良的变频调速系统。

为分析变颁器的工作情况，下面给出异步电动机工作运行的一些必要知识。

（一）异步电动机的特性

由于异步电机中转子转速低于气隙旋转磁场的旋转速度即同步转速，故在转子回路中，将产生转差电动势．该电动势产生转子电流，转子电流与旋转磁杨相互作用产生电磁转矩。

1．工频电源向异步电动机供电

用工频50Hz电源给异步机供电，驱动电机运行时。

下面给出转矩M·

与转速n之间的关系见图l－13。

从图中看出，当转速与转矩反向时，电动机处于制动区；

当转矩与转速同向时，电动机处于电动区，当速皮高于同步转速后，电动机进入发电区，此时，转矩为负。

定子电流I1与转速的关系如图1－14所示。

工频电源供电时，电机转速从0开始增加，转矩也增加。

到达最大转矩后，又开始下降，在下降段与随速度增加而单调增加的负载转矩曲线相交，相交点是稳定点。

此时，电磁转矩与负载转矩平衡，电机稳定运行。

注意上图中转矩特性M和n的关系，就是前面讲的机械特性，机械特性曲线中；

转速n为纵坐标表示，电磁转矩M为横坐标表示，上图把两个坐标顺序对调了。

2．用变频器给电动机供电

下面我们讨论用变频器给电动机供电时，机械特性的变化情况。

给出频率在10—50Hz时的机械特性曲线，如图l－16所示。

注意，这组特性是在U1/f1为常数条件下作出的．即定子电压U1与电流频率f1的比值保持不变时作出的。

从图中看出，在U1/f1常数条件下，调节f1使转速得到调节，有一点很重要：

在低速区（即低频供电区），电磁转矩明显较正常速度下的转矩值小，如果这样，会出现的后果是：

在低速区，电机拖动转矩小。

出现这个问题是由于电机定子电压U1是定子绕组感应电动势E1与定子阻抗压降之和，当频率较低时，定子阻抗电压相对干定子电压不能忽略，造成转矩值下降。

解决这一问题的方法是采用端电压补偿，可补常低频区或低速区时转矩损失，于是，得出用变频器供电时，电机的转矩特性随频率而变的规律．如图1－17所示。

变频器是介于电源与电动机之间的，电压与频率可调变的供电环节如图l－18所示。

（二）电压型逆变器与电流型逆变器

从逆变器的主回路上看，如果主回路等效于电压源供电，再把电源的直流量通过开关及控制元件，转化成交流输出，这样的逆变器称为电压型逆变器。

主回路等效于电流源供电，开关元件将其转换为交流输出，这种类型的逆变器叫电流型逆变器。

1.电压型逆变器

在分析变频器驱动异步电动机运行时，常用到异步电动机的筒化等效电路，如图1－19所示。

图中，

为定子电流，

为转子电流，

为励磁电流，

为定子电压，由于分析基本是正弦规律，故电压、电流诸量均使用复数。

r1为定子电阻，r2为转子电阻，L为定子与转子的漏感之和，xl为励磁电感。

e为电动机反电动势，它用来与外加电压平衡。

当忽略励磁电流

和定、转子电阻rl、r2后，更简化的异步机等效电路见图l－20。

下面再来看电压型逆变器的图1－21及图l－22。

逆变器中的开关元件等效于开关，如开关sl、s2、s3、s4，Ed为供电直流电压源。

开关动作随时间变化的彼形为图1－22（a）、（b），对应的Uab波形见图1－22（c）。

从波形图1－22（c）、（d）中可看出：

（0～t0）时间段内，Id与Ed同方向，（t0～t1）时间段内，Id与Ed反方向．由电路原理可知，当某段电路电压与电流同向时，电功率为正，该段电路吸收功率；

当电压与电流反向时，电功率为负，该段电路放出功率。

从波形图可看出，逆变器工作时，既能吸收功率又能向外馈送功率，在变频调速技术中，逆变器一般是向电网回馈功率。

2．电流型逆变器

如果逆变器的主回路等效于电流源供电，再将电流源的直流量通过控制开关元件变换为交流输出，这样的逆变器叫电流型逆变器。

图1－23为电流型逆变器的分析简图，图中用更简化的异步电动机等效电路代替异步电动机。

在此，用单相的情况进行分折，三相异步机是对称三相电路，所以单相的情况自然地适用于三相情况。

4个开关元件的通断图及有关波形囹见图1－24。

Ed=Ucd，当时间趋近于t1时刻时，S3、S4突然闭合，电流的实际方向由原来的自A流向B突然改为自B流向A，发生电流突变，而电感上要抑制这个电流跳变，由

eL＝－L（di/dt）

知道，在t1时刻，Ed电压中含有了一个上跳尖脉冲，见图1－24（d）。

比较图1－24（c）、（d）看到有一时间段（0－to），电流流IAB与Ed反向，此时负载功率为负，即负载向电冈回馈功率。

在电流型逆变器中，用晶闸管作开关元件，使用了平滑电抗器，使之具有很强的抑制电流波动的能力，形成等效的电流源，而电压型逆变器中使用了大容量电容，抑制电压脉动，形成等效的电压源。

（三）逆变器主回路的控制方式

逆变器的控制方式分两种：

电压控制及电流控制。

与输出频率成比例地控制输出电压，协调控制电压及频率，这一控制方式叫电压控制。

当某些控制场合，需要电机具有快速响应特性，此时可采用电流控制方式。

1．电压控制

变频器中有一部分电路叫变流器，进行电流变换，还有一部分就是逆变器，即把直流电量变换为交流电量，输送给异步电动机。

在电压控制方式中，不管逆变器采用晶闸管还是晶体瞥GTO作主开关元件的逆变器,都在逆变器部分对电压及频率进行控制。

有些情况下，可在变流器部分控制电压，在逆变器部分控制频率。

2.电流控制在电流控制这种方式中，一般在变流器部分控制电流，在逆变器部分控制频率。

（四）PAM与PWM输出控制方式

输出电压与输出电流的控制手段有PAM与PWM方式。

1.PAM控制方式

PAM是英文，PulseAmplitudeModulation的缩写．意即脉冲幅度调节。

PAM是改变电压源幅值Ed或电流源幅值Id的一种控制输出方式。

2.PWM控制方式

PWM是PulseWidthModulation的缩写，意即脉宽词节。

PWM控制方式是输出波形的半个周期内发生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，使输出的波形含各次偕波成分少。

这种控制方式可用图1－25形象地说明。

从图1－25中看到，当信号值大于三角调制波时，S1、S2开关元件同步开通闭合，当信号恒小于三角调制波时，S3、S4同步闭合，输出－Ed电压。

输出正负相间，幅值为Ed的波形等效于信号波。

注意，以上分析是指电压词节过程而言的。

（五）逆变器构成的有关知识

1.用于逆变器主回路的开关元件

常用于逆变器主回路中的开关元件有：

晶闸管、可关断晶闸管GID、电力晶体管、电力场效应管等。

晶闸管的导通用门极电流触发，若要关断，须使正向阳极电流减小到维持电流以下，或在阴极与阳极间加反向电压强行关断，晶闸管容量可以做得很大，大容量逆变器中应用较多。

可关断晶闸管GTO也叫门极关断晶闸管，即用门极反向电流来关断GTO，有自关断能力。

电力晶体管指达林顿连接的双极型晶体管，即常说的复合管构成方式。

由于采用复合管连接方式，可将晶体管的工作电流做得很大，并仍可以较小的基极电流控制主电路的通断。

用电力晶体管作主开关元件的逆变器，效率可以很高。

电力场效应管是根据门极电压的电场效应控制通断的单极晶体管，有自关断能力，但容量较小。

2．逆变器构成

构成框图见图1－26。

3．逆变器的主回路

为异步电动机提供调压调频电源的电路叫逆变器主回路。

主回路由三部分构成：

将50Hz交流电转换为直流的变流器；

吸收由变流器出来的直流电量中脉冲成分的滤波器；

将直流电量再转换为交流电量输出的逆变器。

变流器是一个“交变直”的整流桥滤波器是一个L、C混联的脉动成分吸收器。

逆变器部分是“直变交’的电量变换部分。

4．逆变器的控制回路

控制回路包括以下郡分：

运算单元、驱动单元、保护单元、电压和电流检测单元、速度检测单元。

由图1－26可见，控制回路的作用是向主回路提供和发出控制指令信号，控制主回路进行调频、调压后，为异步电动机供电。

当控制回路中的速度检测单元不工作时，在回路的输出路径上没有速度检测量反馈给系统，此时称系统工作在开环状态。

当速度检测单元工作，速度检测量反馈回系统，进而精确控制速度，称调速系统工作在闭环状态。

将电机速度，转矩及系统中有关电压、电流检测量送到运算单元，与设定参考值比较，按照一定协调规律来控制频率、电压。

主回路开关元件需要控制信号指令去导通与关断，驱动单元即提供这样的控制指令。

为使系统主回路及整个逆变器和调速系统不因过载、过流而损坏，设置了自动保护单元，在电路出现上述故障时，能针对整个系统进行安全保护，或停机或自动消除或减轻过载、过流、过压等。

5．逆变器的保护回路

逆变器的保护回路即前面讲过的保护单元。

保护回路有两大功能：

对逆变器进行保护和对异步电动机进行保护。

（1）对逆变器的保护功能如下：

1）过载保护：

逆变器输出电流超过额定值，并在额定值以上连续流通超过规定时间，这种情况叫过载。

出现过载时，保护环节