变频器(第一章)1

1、1李方园2008年4月18日2l 交流电机的调速方式交流电机的调速方式 l 变频器的电路结构变频器的电路结构 l 交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理 l 变频器的分类与特点变频器的分类与特点 3l 交流电机的调速方式交流电机的调速方式 l l l 变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构 l l l 交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理 l l l 变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与

2、特点变频器的分类与特点 4 1. 1. 异步电机异步电机 三相异步电机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图所示。图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。 旋转磁场的转速为：n=60f/P5 1. 1. 异步电机异步电机6 2. 2. 同步电机同步电机7 1.1.交流电机的调速

3、交流电机的调速 基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。8分类情况 9异步电机的变极调速异步电机的变极调速 10电磁调速电磁调速 电磁调速技术是通过电磁调速电机实现调速的技术。电磁调速技术是通过电磁调速电机实现调速的技术。电磁调速电机电磁调速电机(又称滑差电机又称滑差电机)由三相异步电机、电磁转由三相异步电机、电磁转差离合器和测速发电机组成，三相异步电机作为

4、原动机差离合器和测速发电机组成，三相异步电机作为原动机工作。该技术是传统的交流调速技术之一，适用于容量工作。该技术是传统的交流调速技术之一，适用于容量在在0.55630kW范围内的风机、水泵或压缩机。范围内的风机、水泵或压缩机。 11电磁调速电磁调速 12串级调速串级调速串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是电机串级调速系统。电气串级调速电路是由异步机转子一一种是电机串级调速系统。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆

5、变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电机串级调速电路是把电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电机串级调速电路是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电机的电枢两端，用调转子整流后的直流作为电源接到一台直流电机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电机串级调速的调速范

6、围不大，又增加了一台直流率回馈机轴。电机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电机，使系统复杂化，应用不多。电气串级调速系统比较简单，电机，使系统复杂化，应用不多。电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。控制方便，应用比较广泛。13定子调压调速定子调压调速定子调压调速是用改变定子电压实现调速的方法来改变定子调压调速是用改变定子电压实现调速的方法来改变电机的转速，调度过程中它的转差功率以发热形式损耗电机的转速，调度过程中它的转差功率以发热形式损耗在转子绕组中，属于低效调速方式。由于电磁转矩与定在转子绕组中，属于低效调速方式。由于电磁转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电

7、机的子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电机的机械特性，与某一负载特性相匹配就可以稳定在不同的机械特性，与某一负载特性相匹配就可以稳定在不同的转速上，从而实现调速功能。转速上，从而实现调速功能。 14转子串电阻调速转子串电阻调速15 变频调速变频调速 16调速方式汇总调速方式汇总 17l l l 交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式 l l l 变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构 l 交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理 l l l 变频器的分类与

8、特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点 18 N0=60f/pN0=60f/p（同步电机）（同步电机） N=N0(1-s)=60f/P(1-s)N=N0(1-s)=60f/P(1-s)（异步（异步电机）电机）式中：式中：f-f-频率；频率；p-p-极对数；极对数；s-s-转差率（转差率（0 03%3%或或0 06%6%）。）。由转速公式可见，只要设法改变三相交流电机的供电率由转速公式可见，只要设法改变三相交流电机的供电率f f，就十分方便地改变了电机的转速，就十分方便地改变了电机的转速N N。实际上仅仅改变。实际上仅仅改变电机的频率并不能

9、获得良好的变频特性。电机的频率并不能获得良好的变频特性。19感应电机稳态模型感应电机稳态模型:T:T型等效电路型等效电路 20感应电机稳态模型感应电机稳态模型: :简化等效电路简化等效电路 21感应电机稳态模型感应电机稳态模型: :简化等效电路简化等效电路 22基频以下调速基频以下调速 基频以上调速基频以上调速 23矢量控制与矢量控制与DTCDTC控制控制 24l l l 交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式 l 变频器的电路结构变频器的电路结构 l l l 交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原

10、理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理 l l l 变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点变频器的分类与特点 25交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率转换和弱电控制两大部分。前者要解决与高压大成功率转换和弱电控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和

11、新型电力电子器件的应用技术问电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题，在目前状况下主要全数字制策略的硬、软件开发问题，在目前状况下主要全数字控制技术。控制技术。26通用变频器的构造通用变频器的构造 1. 1. 主回路主回路 包括整流部分、直流环节、逆变部分、制动或回馈环包括整流部分、直流环节、逆变部分、制动或回馈环节等部分。节等部分。 27通用变频器的构造通用变频器的构造 2. 2. 控制回路控制回路控制回路包括变频器的核心软件算法电路、检测传感电控制回路包括变频器的

12、核心软件算法电路、检测传感电路、控制信号的输入输出电路、驱动电路和保护电路组路、控制信号的输入输出电路、驱动电路和保护电路组成。成。28通用变频器的构造通用变频器的构造 2. 2. 控制回路控制回路控制回路包括变频器的核心软件算法电路、检测传感电控制回路包括变频器的核心软件算法电路、检测传感电路、控制信号的输入输出电路、驱动电路和保护电路组路、控制信号的输入输出电路、驱动电路和保护电路组成。成。29l l l 交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式交流电机的调速方式 l l l 变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构变频器的电路结构

13、变频器的电路结构变频器的电路结构 l l l 交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理交流异步电机的调速原理 l 变频器的分类与特点变频器的分类与特点 30根据变频器的变流环节的不同进行分类根据变频器的变流环节的不同进行分类 ：（1 1）交直交变频器）交直交变频器交直交变频器是先将频率固定的交流电交直交变频器是先将频率固定的交流电 整流整流 成直流电，成直流电，再把直流电再把直流电 逆变逆变 成频率任意可调的三相交流电，又称成频率任意可调的三相交流电，又称间接式变频器。目前应用广泛的通用型变频器都是交直间接式变频器。目前应用

14、广泛的通用型变频器都是交直交变频器。交变频器。（2 2）交交变频器）交交变频器交交变频器就是把频率固定的交流电直接转换成频率任交交变频器就是把频率固定的交流电直接转换成频率任意可调的交流电，而且转换前后的相数相同，又称直接意可调的交流电，而且转换前后的相数相同，又称直接式变频器。式变频器。 31根据直流电路的储能环节（或滤波方式）分类频器的变根据直流电路的储能环节（或滤波方式）分类频器的变流环节的不同进行分类流环节的不同进行分类 ：（1 1）电压型变频器）电压型变频器电压型变频器的储能元件为电容器，其特点是中间直流环节的储电压型变频器的储能元件为电容器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容

15、，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。常选用于负载电压变化较大的场合。 （2 2）电流型变频器电流型变频器的储能元件为电感线圈，因此）电流型变频器电流型变频器的储能元件为电感线圈，因此其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由

16、于该直流内阻较大，故称电流型变频器。故称电流型变频器。32 根据电压的调制方式分类根据电压的调制方式分类 （1 1）正弦波脉宽调制（）正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）变频器）变频器正弦波脉宽调制变频器是指输出电压的大小是通过调节脉冲占空正弦波脉宽调制变频器是指输出电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，且载频信号用等腰三角波，而基准信号采用正弦波。比来实现的，且载频信号用等腰三角波，而基准信号采用正弦波。中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。 （2 2）脉幅调制（）脉幅调制（PAMPAM）变频器）变频器脉幅调制变频器是指将变压与变频分开完

17、成，即在把交流电整流脉幅调制变频器是指将变压与变频分开完成，即在把交流电整流为直流电的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变为交为直流电的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变为交流电时改变交流电频率的变压变频控制方式。流电时改变交流电频率的变压变频控制方式。 33根据输入电源的相数分类根据输入电源的相数分类 （1 1）三进三出变频器）三进三出变频器变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。绝大多数变频器都属变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。绝大多数变频器都属此类。此类。 （2 2）单进三出变频器）单进三出变频器变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，俗称变频器的输入侧为单相交

18、流电，输出侧是三相交流电，俗称“单单相变频器相变频器”。该类变频器通常容量较小，且适合在单相电源情况。该类变频器通常容量较小，且适合在单相电源情况下使用，如家用电器里的变频器均属此类。下使用，如家用电器里的变频器均属此类。 34根据负载转矩特性分类根据负载转矩特性分类 （1 1）P P型机变频器型机变频器适用于变转矩负载的变频器。适用于变转矩负载的变频器。（2 2）G G型机变频器型机变频器适用于恒转矩负载的变频器。适用于恒转矩负载的变频器。（3 3）P/GP/G合一型变频器合一型变频器同一种机型既可以使用变转矩负载，又可以适用于恒转矩负载；同一种机型既可以使用变转矩负载，又可以适用于恒转矩负

19、载；同时在变转矩方式下，其标称功率大一档。同时在变转矩方式下，其标称功率大一档。35根据应用场合分类根据应用场合分类 （1 1）通用变频器）通用变频器通用变频器的特点是其通用性，可应用在标准异步电机传动、工通用变频器的特点是其通用性，可应用在标准异步电机传动、工业生产及民用、建筑等各个领域。通用变频器的控制方式，已经业生产及民用、建筑等各个领域。通用变频器的控制方式，已经从最简单的恒压频比控制方式向高性能的矢量控制、直接转矩控从最简单的恒压频比控制方式向高性能的矢量控制、直接转矩控制等发展。制等发展。（2 2）专用变频器）专用变频器专用变频器的特点是其行业专用性，它针对不同的行业特点集成专用变

20、频器的特点是其行业专用性，它针对不同的行业特点集成了可编程控制器以及很多硬件外设，可以在不增加外部板件的基了可编程控制器以及很多硬件外设，可以在不增加外部板件的基础上直接应用于行业中。比如，恒压供水专用变频器就能处理供础上直接应用于行业中。比如，恒压供水专用变频器就能处理供水中变频与工频切换、一拖多控制等。水中变频与工频切换、一拖多控制等。36根据系统应用分类根据系统应用分类 （1 1）部件级变频器）部件级变频器又称元器件级变频器。如又称元器件级变频器。如ABBABB的的ACS400ACS400系列变频器，能够非常方系列变频器，能够非常方便地当作电气元器件来实现其调速功能。便地当作电气元器件来

21、实现其调速功能。（2 2）工程型变频器）工程型变频器又称自动化级变频器。如西门子的又称自动化级变频器。如西门子的6 6SE70SE70系列、系列、ABBABB的的ACS800ACS800系列、系列、ABAB的的powerflex7powerflex7系列。系列。37根据系统应用分类根据系统应用分类 1. 1. 输入侧的额定数据输入侧的额定数据变频器输入侧的额定数据包括以下内容：变频器输入侧的额定数据包括以下内容：（1 1）输入电压）输入电压U(IN)U(IN)即电源侧的电压。在我国，低压变频器的输即电源侧的电压。在我国，低压变频器的输入电压通常为入电压通常为380380V V（三相）和（三相）

22、和220220V V（单相）。此外，变频器还对（单相）。此外，变频器还对输入电压的允许波动范围作出规定，如输入电压的允许波动范围作出规定，如10%10%、-15%+10%-15%+10%等。等。（2 2）相数如单相、三相。）相数如单相、三相。（3 3）频率）频率f(IN)f(IN)即电源频率（常称工频），我国为即电源频率（常称工频），我国为5050HzHz。频率的。频率的允许波动范围通常规定允许波动范围通常规定5%5%。38根据系统应用分类根据系统应用分类 2. 2. 输出侧的额定数据输出侧的额定数据变频器输出侧的额定数据包括以下内容：变频器输出侧的额定数据包括以下内容：（1 1）额定电压）额

23、定电压U(N)U(N)因为变频器的输出电压要随频率而变，所以，因为变频器的输出电压要随频率而变，所以，U(N)U(N)定义为输出的最定义为输出的最大电压。通常它总是和输入电压大电压。通常它总是和输入电压U(IN)U(IN)相等的。相等的。（2 2）额定电流）额定电流I(N)I(N)变频器允许长时间输出的最大电流。变频器允许长时间输出的最大电流。（ 3 3 ） 额 定 容 量） 额 定 容 量 S ( N )S ( N ) 由 额 定 线 电 压由 额 定 线 电 压 U ( N )U ( N ) 和 额 定 线 电 流和 额 定 线 电 流 I ( N )I ( N ) 的 乘 积 决 定 ：的 乘 积 决 定 ：S(N)=1.732U(N)I(N)S(N)=1.732U(N)I(N)（4 4）容量）容量P(N)P(N)在连续不变负载中，允许配用的最大电机容量。必须注意：在生产机械在连续不变负载中，允许配用的最大电机容量。必须注意：在生产机械中，电机的容量主要是根据发热状况来定的。在变动负载、断续负载及短时负载中，中，电机的容量主要是根据发热状况来定的。在变动负载、断续负载及短时负载中，只要温升不