变频器原理与应用教案

1、退出退出2022-4-32变频器的分类变频器的分类按变换的环节分类按变换的环节分类1、交交变频器 交交变频器直接将电网频率和电压都固定的交流电源变换成频率和电压都连续可调的交流电源。主要优点是没有中间环节，变换效率高。缺点是连续可调的频率范围比较窄，且只能在电网的固定频率以下变化。一般为电网固定频率的，主要用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统中。2、交直交变频器 先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。在这类装置中，一般用不可控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变，则输出谐波可以减小。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减小的程度取决于PWM的开

2、关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。 交直交变频器频率调节范围宽，变换的环节容易实现，目前广泛采用。通用变频器一般都采用交直交方式。按直流环节的储能方式分类按直流环节的储能方式分类1、电压源型变频器在交直交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器，如图所示。RSTUVW（b） 电流源型变频器RSTUVW（a） 电压源型变频器C 电压源型变频器与电流源型变频器2、电流源型变频器 当交直交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗

3、很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。 有的交一交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。 注意几点：从主电路上看，电压源型变频器和电流源型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同，但是这样一来，却造成两类变频器在性能上相当大的差异，主要表现如下：(1) 无功能量的缓冲 对于变压变频调速系统来说，变频器的负载是异步电机，属于感性负载，在中间直流环节与电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。逆变器中的电力电子开关器件无法储能，无功能量只能靠直流环节中作为滤波器的储

4、能元件来缓冲，使它不致影响到交流电网。因此也可以说，两类变频器的主要区别在于用什么储能元件(电容器或电抗器)来缓冲无功能量。 (2) 回馈制动 如果把不可控整流器改为可控整流器，虽然电力电子器件具有单向导电性，电流不能反向，而可控整流器的输出电压是可以迅速反向的，因此电流源型变压变频调速系统容易实现回馈制动，从而便于四象限运行，适用于需要制动和经常正、反转的机械。与此相反，采用电压源型变频器的调速系统要实现回调制动和四象限运行却比较困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压，使之不能迅速反向，而电流也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只好采用在直流环节中并联电阻的能耗制动，

5、或与可控整流器反并联设置另一组反向整流器，工作在有源逆变状态，以通过反向的制动电流，而维持电压极性不变，实现回馈制动。这样，设备就复杂了。 (3) 调速时的动态响应 由于交直交电流源型变压变频装置的直流电压可以迅速改变，所以由它供电的调速系统动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。(4) 适用范围 由于滤波电容上的电压不能发生突变，所以电压源型变频器的电压控制响应慢，适用于作为多台电机同步运行时的供电电源但不要求快速加减速的场合。电流源型变频器则相反，由于滤波电感上的电流不能发生突变，所以电流源型变频器对负载变化的反应迟缓，不适用于多电机传动，而更适合于一台变频器给一台电

6、机供电的单电机传动，但可以满足快速起动、制动和可逆运行的要求。按控制方式分类按控制方式分类1、U/f控制变频器 U/f控制变频器的方法是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，通过使U/f（电压和频率的比）保持一定或按一定的规律变化而得到所需要的转矩特性。采用U/f控制的变频器结构简单、成本低，多用于要求精度不是太高的通用变频器。2、转差频率控制变频器 转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进。这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环。速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则有电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与

7、U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。 3、矢量控制变频器 矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的基本思路是将电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被成为矢量控制方式。4、直接转矩控制变频器 直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控矢量来控制。其特点为转矩控制是控制定子磁链，并能实现无传感器测速。按功能分类按功能分类1、恒转矩变频器 变频器的控制对象

8、具有恒转矩特性，在转速精度及动态性能方面要求一般不高。当用变频器进行恒转矩调速时，必须加大电动机和变频器的容量，以提高低速转矩。主要用于挤压机、搅拌机、传送带、提升机等。2、平方转矩变频器 变频器的控制对象在过载能力方面要求不高，由于负载转矩与转速的平方成正比 （TLn2），所以低速运行时负载较轻，并具有节能的效果。主要用于风机和泵类负载。按用途分类按用途分类1、通用变频器 通用变频器是指能与普通的异步电动机配套使用，能适合于各种不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。 一般用途多数使用通用变频器，但在使用之前必须根据负载性质、工艺要求等因素对变频器进行详细的设置。2、高性能专用变频器

9、 高性能专用变频器主要用于对电动机的控制要求较高的系统。与通用变频器相比，高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是变频器生产厂家指定的专用电动机。3、高频变频器 在超精度加工和高性能机械中，通常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机的驱动要求，出现了PAM（脉冲幅值调制）控制方式的高频变频器，其生产频率可达3kHz。 交直交变频器的基本工作原理交直交变频器的基本工作原理变频器的功能就是将频率、电压都固定的交流电源变成频率、电压都连续可调的三相交流电源。按照变换环节有无直流环节可以分为交交变频器和交直交变频器。 交直交变频器的主电路交直交变频器的主电路 交直交变频器的主电路如图所

10、示。可以分为以下 几部分：1、整流电路交直部分整流电路通常由二极管或可控硅构成的桥式电路组成。根据输入电源的不同，分为单相桥式整流电路和三相桥式整流电路。我国常用的小功率的变频器多数为单相220V输入，较大功率的变频器多数为三相380V（线电压）输入。VT1VT3VT5VT2VT4VT6OCAB整流电路 滤波电路 逆变电路变频器的主电路UdZA 三相电源ZBZC2、中间环节滤波电路 根据贮能元件不同，可分为电容滤波和电感滤波两种。由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，所以用电容滤波就构成电压源型变频器，用电感滤波就构成电流源型变频器。3、逆变电路直交部分 逆变电路是交直交变频器的

11、核心部分，其中6个三极管按其导通顺序分别用 VT1VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。 按每个三极管的导通电角度又分为120导通型和180导通型两种类型。逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是彼此相差120的交流电压，即实现了从直流电到交流电的逆变。输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率，达到了变频的目的。 实际逆变电路除了基本元件三极管和续流二极管外，还有保护半导体元件的缓冲电路，三极管也可以用门极可关断晶闸管代替。SPWM控制技术原理控制技术原理 我们期望通用变频器的输出电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前技术而言，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生

12、器那样标准的可变频变压的逆变器。目前技术很容易实现的一种方法是：逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波型与正弦波等效。 12t12ttUmsint 单极式SPWM电压波形u等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份（图中n等于12，实际n要大得多），然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，脉冲幅值不变，宽度为t，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形就与正弦波的正半周等效，称为SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation 正弦波脉冲宽度调制）波

13、形。同样，正弦波的负半周也可以用同样的方法与一系列负脉冲等效。这种正、负半周分别用正、负半周等效的SPWM波形称为单极式SPWM波形。 虽然SPWM电压波形与正弦波相差甚远，但由于变频器的负载是电感性负载电动机，而流过电感的电流是不能突变的，当把调制频率为几kHz的SPWM电压波形加到电动机时，其电流波形就是比较好的正弦波了。通用变频器电压与频率的关系通用变频器电压与频率的关系 为了充分利用电机铁心，发挥电机转矩的最佳性能，适合各种不同种类的负载，通用变频器电压与频率之间的关系如图所示。UfnPL额定电压基频电压与频率之间的关系1、基频以下调速在基频（额定频率）以下调速，电压和频率同时变化，但

14、变化的曲线不同，需要在使用变频器时，根据负载的性质设定。（1）曲线n 对于曲线n，U/f =常数，属于恒压频比控制方式，适合于恒转矩负载。（2）曲线L 曲线L也适合于恒转矩负载，但频率为零时，电压不为零，在电机并联使用或某些特殊电机选用曲线L。（3）曲线P 曲线P适合于可变转矩负载，主要用于泵类负载和风机负载。 2、基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从基频往上增高，但电压U却始终保持为额定电压，输出功率基本保持不变。所以，在基频以上变频调速属于恒功率调速。 由此可见，通用变频器属于变压变频(VVVF)装置，其中VVVF是英文Variable Voltage Variable Freque

15、ncy的缩写。这是通用变频器工作的最基本方式，也是设计变频器时所满足的最基本要求。 交交变频器的工作原理交交变频器的工作原理 交交变频器是指无直流中间环节，直接将电网固定频率的恒压恒频（CVCF）交流电源变换成变压变频（VVVF）交流电源的变频器，因此称之为“直接”变压变频器或交交变频器，亦称周波变换器（Cycloconverter）。 交交变频器的基本原理交交变频器的基本原理 在有源逆变电路中，若采用两组反向并联的可控整流电路，适当控制各组可控硅的关断与导通，就可以在负载上得到电压极性和大小都改变的直流电压。若再适当控制正反两组可控硅的切换频率，在负载两端就能得到交变的输出电压，从而实现交交

16、直接变频。 单相输出的交交变频器如图所示。它实质上是一 套三相桥式无环流反并联的可逆装置。正、反向两组晶阐管按一定周期相互切换。正向组工作时，反向组关断，在负载上得到正向电压；反向组工作时，正向组关断，在负载上得到反向电压。工作晶阐管的关断通过交流电源的自然换相来实现。这样，在负载上就获得了交变的输出电压uo。负载反向组正向组50Hz50Hzuo+_a) 电路示意图 交交变频器一相电路及波形b) 方波型输出电压输出波形正向组反向组Uot1.2.2 运行方式运行方式 交交变频器的运行方式分为无环流运行方式、自然环流运行方式和局部环流运行方式。1、无环流运行方式 图1.2.1a是无环流运行方式变频

17、器原理图。采用这种运行方式的优点是系统简单，成本较低。但缺点也很明显，决不允许两组整流器同时获得触发脉冲而形成环流，因为环流的出现将造成电源短路。由于这一原因，必须等到一组整流器的电流完全消失后，另一组整流器才允许导通。切换延时是必不可少的，而且延时较长。一般情况下这种结构能提供的输出电压的最高频率只是电网频率的三分之一或更低。 输出的交流电流是由正向桥和反向桥轮换提供，在进行换桥时，由于普通晶闸管在触发脉冲消失且正向电流完全停止后，还需要1050s的时间才能够恢复正向阻断能力， 所以在测得电流真正为零后，还需延时5001500s才允许另一组晶闸管导通。因此这种变频器提供的交流电流在过零时必然

18、存在着一小段死区。延时时间愈长，产生环流的可能性愈小，系统愈可靠，这种死区也愈长。在死区期间电流等于0，这段时间是无效时间。 无环流控制的重要条件是准确而且迅速地检测出电流过零信号。不管主回路的工作电流是大是小，零电流检测环节都必须能对主回路的电流作出正确的响应。过去的零电流检测在输入侧使用交流电流互感器，在输出侧使用直流电流互感器，它们都既能保证电流检测的准确性，又能使主回路和控制回路之间得到可靠的隔离。 近几年，由于光电隔离器件的发展和广泛应用，已研制成由光电隔离器组成的零电流检测器，性能更加可靠。2、自然环流运行方式 如果同时对两组整流器施加触发脉冲，正向组的触发角P与反向组的触发角N之

19、间保持P +N =，这种控制方式称为自然环流运行方式。为限制环流，在正、反向组间接有抑制环流的电抗器。这种运行方式的交-交变频器，除有因纹波电压瞬时值不同而引起的环流外，还存在着环流电抗器在交流输出电流作用下引起的“自感应环流”，如图1.2.3所示。 图中忽略了因纹波电压引起的环流。产生自感应环流的根本原因是因为交-交变频器的输出电流是交流，其上升和下降在环流电抗器上引起自感应电压，使两组的自感应电压产生不平衡，从而构成两倍电流输出频率的低次谐波脉动电流。 根据分析可知，自感应环流的平均值可达总电流平均值的57%，这显然加重了整流器的负担。因此，完全不加控制的自然环流运行方式只能用于特定的场合

20、。由图1.2.3可见，自感应环流在交流输出电流靠近零点时出现最大值，这对保持电流连续是有利的。另外在有环流运行方式中，负载电压为环流电抗器的中点电压。由于两组输出电压瞬时值中一些谐波分量抵消了，故输出电压的波形较好。3、局部环流运行方式 把无环流运行方式和有环流运行方式相结合，即在负载电流有可能不连续时以有环流方式工作，而在负载电流连续时以无环流方式工作。这样的运行方式既可以使控制简化，运行稳定，改善输出电压波形的畸变，又不至于使电流过大，这就是局部环流运行方式的优点。 主电路形式主电路形式 交交变频器主要用于大容量交流电动机调速，几乎没有采用单相输入的，主要采用三相输入。主回路有三脉波零式电

21、路（有18个晶闸管）、三脉波带中点三角形负载电路（有12个晶闸管）、三脉波环路电路（有9个晶闸管）、六脉波桥式电路（有36个晶闸管）、十二脉波桥式电路等多种。 用的最多的是六脉波桥式电路，又分为分离负载桥式电路和输出负载Y联结两种型式。 通用变频器的面板结构通用变频器的面板结构 尽管生产变频器的厂家不同，型号各异，但其面板结构大致相同。图是施耐德Altivar31变频器的面板结构。主要部分的作用为：.ESCENTSTOPRESETRUNRUNEERCANAltivar31红色LED直流总线接通选择以前的菜单或参数或增大显示值选择下一菜单或参数，或减小显示值给定电位器，如果CtL菜单中的Fr1参

22、数设置为AIP时激活RUN按键，电动机正向模式接通控制，如果I/O菜单中的tCC参数设置为LOC时激活2个CAN总线接通状态LED退出菜单或参数，或清除显示值，以恢复以前的显示值进入某一菜单或参数，或对显示参数或显示值进行储存STOP/RESET键用于故障复位可用于控制电动机停车，如果I/O菜单中的参数tCC没有设置为LOC，为斜坡停车模式，但如果过程中有注入制动，就会产生自由停车Altivar31变频器操作面板4个7段显示器 通用变频器的接线端子通用变频器的接线端子 变频器能把电压、频率固定的交流电变换成电压、频率连续可调的交流电。变频器与外界的联系靠接线端子相连，接线端子又分主端子和控制端

23、子。变频器主端子 变频器的输入端分为三相输入和单相输入两种，而输出端均为三相输出变频器的主端子功能端端 子子功功 能能备备 注注接地端子 接地线，不能与电源零线相接R/L1、S/L2单相电源对于单相输入变频器R/L1、S/L2、T/L3三相电源对于三相输入变频器，不分相序PO直流母线“”极性，接外部电抗器出厂时已短接PA/+接制动电阻、电抗器PB接制动电阻PC/-直流母线“”极性U/T1、 V/T2 、W/T3接三相异步电动机 有相序之分 不同品牌的变频器的主电路端子基本相同。变频器主电路的接线包括接工频电网的输入端(三相R/L1、S/L2、T/L3，单相R/L1、S/L2)和接电动机的电压、

24、频率连续可调的输出端(U/T1、V/T2、W/T3)，特别注意：变频器的输出端只能接电动机，若把三相交流电特别注意：变频器的输出端只能接电动机，若把三相交流电源直接接在变频器上，会损坏变频器！源直接接在变频器上，会损坏变频器！ U V WM2QS变频器变频器 R S L N（a） 三相输入 （b） 单相输入变频器主电路的连接 U V WM2QS变频器变频器 R S T L1 L2 L3变频器输出变频器输出异步电动机异步电动机U V WU V W实验台变频器与电动机的连接变频器控制端子变频器控制端子 Altivar31变频器控制端子。在变频器的下方还有6个按钮开关，供6个逻辑输入端使用。这些按钮

25、带自锁功能，只接了1个触点，按下接通，弹起断开。 控制端子的接线如图所示。图中逻辑输入端的触点可以是按钮，但用得更多的是中间继电器、交流接触器的触点或其它低压电器的触点，也可以是PLC输出触点。R1A R1C R1B R2A R2CCLI LI1 LI2 LI3 LI4 LI5 LI6 24V+10V AI1 COM AI3 AI2 AOV AOC模拟电流模拟电压模拟电压输出模拟电流输出控制端子的接线示意图通用变频器的参数设置通用变频器的参数设置变频器的运行与给定方式变频器的运行与给定方式变频器的多段速度控制变频器的多段速度控制变频器的变频器的PI调节功能调节功能通用变频器的参数设置及功能选择

26、通用变频器的参数设置及功能选择 变频调速控制线路的控制方式变频调速控制线路的控制方式变频器的控制电路都是在逻辑输入端子上接按钮开关进行控制的，并且主要使用带自锁的按钮，这种按钮不能自动复位，在系统突然停电重新送电后，有的变频器会重新起动，很不安全，另一方面不能组成较复杂的自动控制线路。所以，大多数的变频调速控制线路不用按钮控制变频器，而是用以下方式控制：1、用低压电器控制 在逻辑输入端子上接中间继电器的触点或交流接触器的触点，也可以接其它低压电器的触点。比较简单的控制电路常用这种方法。2、直接用PLC控制 把PLC的输出端子直接接在变频器的逻辑输入端子上。这种方法线路简单，控制方便，但占用PL

27、C较多的输出端子。变频器数量较少，且PLC输出点数够用时，可以采用这种方法。 直接用PLC控制变频器时，PLC的逻辑输出端子除了接变频器的输入端子外，还可能接信号灯及其它电器，它们的额定电压可能各不相同，由于PLC的多个输出有一个公用端，特别注意不能造成电源短路或者电源错接。3、PLC加低压电器控制 这种方法是用PLC控制中间继电器或交流接触器的线圈，再用中间继电器或交流接触器的触点控制变频器。多数控制线路采用这种控制方式。 变频器的选用变频器的选用变频器的选择包括型号选择与容量选择两方面。根据电动机电流选择变频器容量 采用变频器驱动异步电动机调速，在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额

28、定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器。 选择变频器容量的基本原则：最大负载电流不能超过变频器的额定电流。一般情况下，按照变频器使用说明书中所规定的配用电动机容量进行选择。 选择时应注意：变频器过载能力允许电流瞬时过载为150额定电流(每分钟)或120额定电流(每分钟)，这对于设定电动机的起动和制动过程才有意义，而和电动机短时过载200以上、时间长达几分钟是无法比拟的。凡是在工作过程中可能使电动机短时过载的场合，变频器的容量都应加大一档。 房间空调的室内部分备有室温传感器，并将设定温度和运行情况等信息传送给室外部分。室外部分则分析这些信息，了解温差与室温

29、变化的时间等，然后计算并指定压缩机电机的频率。开始运行时，如果室温与设定温度差别很大，采用高频运行，随着温度差的减小采用低频运行。另外，在室温急剧变化时使频率也大幅度变化，缓慢时使频率小范围变化，并在平衡冷暖气负载与压缩机输出的同时，以最短时间使室温达到希望值。使用变频器控制空调可以达到以下效果：（1）利用变频控制节能 房间空调一年的运行模式基本上是在轻负载下运行。变频器的容量控制在负载下降时使压缩机能力也下降，以此来保持与负载的平衡。交流变频调速在空调中的应用交流变频调速在空调中的应用（2）压缩机ON/OFF损耗减少 由于使用变频器控制的空调可用变频来对应轻负载，所以可减少压缩机开停次数，使

30、制冷回路的制冷剂压力变化引起的损耗减少。（3）舒适性改善 与通常的热泵空调相比，装上变频器后，在室外气温下降、负载增加时压缩机转速上升，能提高暖气效果。（4）消除50/60Hz地区的能力差 由于变频器控制的空调在原理上是先将交流变为直流再产生交流，所以与50Hz和60Hz的地区差无关，始终具有最大能力。（5）起动电流减小 由变频器控制的空调在起动压缩机时，选择较低电压及频率来抑制起动电流，并获得所需起动转矩，所以可防止预定导通电流的增加。变频调速在恒压供水系统中的应用变频调速在恒压供水系统中的应用 所谓恒压供水是指通过闭环控制，使供水的压力自动地保持恒定，其主要意义是：1、提高供水的质量 用户

31、用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水压力上，即用水多而供水少则压力低；用水少而供水多则压力大。保持供水的压力恒定可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水质量。2、节约能源 用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分明显。3、起动平稳 起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免起动时对电网的冲击，对于比较大的电机，可省去降压起动的装置。4、可以消除起动和停机时的水锤效应 电机在全压下起动时，在很短的起动时间里，管道内的流量从零增大到额定流量，液体流量十分急剧的变化将在管道内产生压强过高或过低的冲击力，压力冲击管壁将产生噪声，犹如锤子敲击管子一般，故称水锤效应。采用了变频调速后，可以