第二单元变频调速

交流变频调速

第一节交流变频器的基本概念

掌握交流变频调速各种基本控制方式的含义和特点

掌握变频调速系统的控制规律·n=60f/p

一、交流变频调速的控制方式三相异步电动机变频调速的控制方式有恒磁通控制方式、恒电流控制方式和恒功率控制方式三种。1．恒磁通控制方式在电动机调速时，都希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。磁通太弱，电动机的铁心没有得到充分利用，是一种浪费；若增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电动机。直流电动机进行调速时，由于励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持磁通的不变是很容易做到的。但在交流异步电动机中，磁通是由定子和转子的磁动势合成产生的，比直流电动机的情况要复杂很多。计算三相异步电动机定子绕组每相的感应电动势有效值的为：交流变频调速

E=4.44ƒlNlKΦm

式中ƒ1--定子频率；

N1——定子每相绕组串联匝数；

K-基波绕组系数；

Φm-每极气隙磁通。根据上式可知，若要保持瓯不变，则当频率f从额定频率ƒ1。向下调节时，必须同时降低Eg，使Eg/ƒ1=常数。在电动势较高时，可以忽略定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压，U1≈E。

因此，如果定子供电电压u不变，只改变ƒ进行变频调速，将引起气隙磁通瓯的变化，出现励磁不足或励磁过剩的现象。当频率ƒ1从额定值(通常为50Hz)往下降低，磁通会增加，造成磁路过饱和，使励磁电流增加。这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁损增加，电动机过热，这种情况是电动机实际运行所不允许的。反之，如果频率ƒ从额定值往上升高，磁通将减少，同样的转子电流下将使电动机输出转矩Te下降，电动机的负载能力下降，使电动机的利用率降低，在一定的负载下有过电流的危险。为此，通常要求磁通保持恒定，即Φm一常数。为了保持磁通恒定，必须使定子电压和频率的比值保持不变，即：

U1/ƒ1=C

称为恒磁通控制方式交流变频调速在频率变化过程中Φm始终保持恒定，所以称为恒磁通控制方式，又由于电压与频率的比值也保持恒定不变，也称为恒压频比控制方式，相当于直流电动机调压调速的情.属于恒转矩调速。在保持瓯恒定的条件下，异步电动机的机械特性曲线如图2-1所示.由图2-1可知，交流电动机的最大转矩随ƒl的降低而减小。当供电电源频率轲时，电动机最大转矩与额定频率时的最大转矩相似，机械特性曲线斜率也变化不大。频率较低时，最大转矩和机械特性曲线的斜率就会出现较大的变化，这是由于定子缚的内阻引起的电压降在低速时相对影响较大和气隙磁通变化引起的。在低频运行时，矩较小，带负载的能力差，所以只适用于调速范围不大或转矩随转速下降匝越少负载，如风机、水垂箜卫如希望得到具有较大调速范围，可以采用专门电路，在低速时人为地适当提高电压Ul，以补偿定子阻抗压降的影响，使磁通基本保持不变，实现恒磁通恒转矩频调速。这种具有压降补偿的控制特性如图2-2所示。交流变频调速图2-1U1/f1=常数时恒压频比控制机械特性曲线

图2-2恒压频比控制特性.1带定子压降补偿2不带定子压降补偿交流变频调速

2．恒电流控制方式恒流变频调速控制方式就是要求在电动机变频调速过程中定子电流I保持恒定；因此，要求变频电源是一种恒流源，电动机在变频调速过程中始终保持定子电流为绛值。由于变频器的电流被控制在给定的数值上，所以在换流时没有瞬时的冲击电流，调速系统的工作比较安全可靠，特性良好。恒流变频系统与恒磁通变频系统是相似的，均属于恒转矩调速。但恒流变频系统的最大转矩Tm要比恒磁通变频系统的最大转赶得多，故恒流变频系统的过载能力比较小，只适用于负载变化不大的场合。

3．恒功率控制方式电动机工作在额定状态下，ƒl=ƒln。且Ul=U1N，为了使电动机转速超过额定转速，定子供电电源频率由额定值ƒl。向上增大。但定子电压Ul受额定电压UlN的限制不能再升高，只能保持Ul=UlN不变。这样一来，气隙磁通就会小于额定磁通，导致转矩的减小。而电动机的允许输出功率保持近似不变，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似恒功率调速，其机械特性如图2-3所示。交流变频调速

在异步电动机变频调速系统中，为了得到宽的调速范围，可以将恒转矩变频调速与恒功率调速结合起来使用。在电动机转速低于额定转速(ƒl≤ƒln。)时，采用恒转矩变频调速；在电动机转速高于额定转速(ƒl≥ƒln。)时，采用只调频不调压的近似恒功率调速。综合调速性质为恒转矩和恒功率调速。

二、交流变频调速系统的控制系统从变频调速的控制方式可知，要实现交流电动机的变频调速，除了需有一台合适的变频器之外，还需有一套能按一定控制规律对变频器实行控制的环节，由控制电路和变频器一起组成一个变频调速系统。

1．变频调速系统中输出电压的调节方式在交流变频调速系统中，交流电动机由逆变器供电运转。根据变频调速控制方式可知，一般要求逆变器输出电压Ul与输出频率ƒl的比值大体为一定值，即保持电动机的磁通不变，从而使变频调速时电动机的最大转矩基本不变。对输出电压的调节主要有两种方式，即脉冲幅度调制(PAM)方式与脉冲宽度调制(PWM)方式。交流变频调速

(1)PAM控制方式。PAM控制方式是由相控晶闸管整流器或直流斩波器改变直流电压的幅值进行调压的方式，从而实现对变频器输出电压调节，而变频器中的逆变电路只负责调节输出频率，因此，属于同步调速方式。平滑直流电源是由滤波电路使用直流电抗器或大容量电解电容器来实现的。当滤波电路使用大电容时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，采用恒压源的变频器称为电压源变频器；而当滤波电路使用直流电抗器时，直流电压波形也比较平直，对负载来说基本上是一个恒流源，采用恒流源的变频器称为恒流源变频器。

PAM控制方式由于控制回路简单，易于大容量化，长期以来占主流地位。但其缺点是由于有大容量电容，电压控制响应慢，不适于要求加、减速快的系统。另外，由于采用变流器的相位控制来调节电压，交流输入侧的功率因数变坏，特别是在电压低的范围内尤为严重。为了改善功率因数，可采取将交流电源以二极管整流桥进行全波整流，在直流侧采用斩波器调节电压的方法，这时输入功率因数将变得相当好。

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(2)PWM控制方式。PWM控制方式是在保证输出电压的幅值不变的情况下，通过改变其时间宽度来调节平均电压的大小。变频器中整流器使用不可控二极管整流电路，变频器的输出电压和输出频率的调节均由逆变器按PWM方式完成为脉宽调制。变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率，因此，它属于异步调速方式。

PWM控制方式的控制电路中使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于1，可控的功率开关元件少，简化了结构。由于逆变器本身同时完成调频和调压任务，因此，与中间滤波环节无关，变频器的动态响应速度快。输出电压的谐波分量极大地减小，能抑制或消除偶次谐波，实现近似正弦波的输出电压波形。

2．转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制系统采用U/ƒ比例控制时，异步电动机在不同频率下都能获得较硬的机械特性线性段。在生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高，如风机、水泵等的节能调速，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制系统，该控制系统结构最简单，成本也比较低。这种系统的电路原理图如图2-4所示。交流变频调速

图2-4中所示的调速系统由给定积分器GI、绝对值变换器GAB、电压控制环节、频率控制环节、可控整流器UR、电压源逆变器VSI等组成。图2-4转速开环的U/f比例控制异步电动机变频调速系统电路原理图1-频率控制环节2-电压控制环节

交流变频调速

给定积分器将阶跃信号Uw转换成按设定斜率逐渐变化的正、反向控制信号Ug，以防止产生很大的冲击电流，使电压和转速都能平缓的升高和降低。由于正、反向控制信号Ug有正负两种情况，而改变电动机转向只需改变变频器输出电压的相序，不需要在电压和频率的控制信号上反映极性，所以设置了绝对值变换器GAB，将Ug信号转换成只输出绝对值的控制信号UK。电压控制环节是用来控制可控整流器UR直流输出电压的。电压控制环节一般采用电压、电流双闭环结构，电流调节器ACR为内环，电压调节器AVR为外环。电流调节器ACR可以限制动态电流并兼起保护作用。电压调节器AVR是用来控制变频器的输出电压的。控制电压信号UK经过函数发生器GF，相对提高为Uv用以补偿定子阻抗的压降，改善低速时的机械特性，提高带负载的能力。电压型逆变器VSI的输出频率由频率控制环节来进行控制。频率控制环节一般由压频变换器GVF、环形分配器DRC和脉冲放大器AP等组成。压频变换器GVF是一个由电压控制的振荡器，其作用是将控制信号UK变换为所需频率的脉冲列，再通过环形分配器DRC和脉冲放大器AP，为逆变器工作提供脉冲信号。交流变频调速在可逆系统中采用可逆计数器，由Ug经极性鉴别器DPI获得正、反向信号来控制加、减法。每次做“加1”或“减1”运算来改变相序，从而改变电动机的转向。在交流一直流一交流电压型变频器的调速系统中，由于中间直流回路存在大滤波电容Cd，电压的实际变化很缓慢，而频率控制环节的响应是很快的，所以在压频变换器前面加设一个频率给定动态校正器GFC，让频率的变化也慢些，希望与电压在动态过程中一致起来。GFC的具体参数可在调试中确定。

3．转差频率控制系统直流电动机的转矩与电流成正比，控制电流就能控制转矩，问题比较简单。因此，在直流双闭环调速系统中，转速调节器的输出信号实际上就代表了转矩给定信号。异步电动机的转矩为：式中Cm-电动机转矩常数；Φm——气隙磁通，Wb；I2-转子电流，A;cosφ2-转子功率因数。交流变频调速

可以看出，在交流异步电动机中，影响转矩的因素很多。而这些量又都和转速有关，所以控制交流异步电动机转矩的问题就比较复杂了。当电动机稳定运行时，转差率s很小，因而转差角频率叫。Ws=swl也很小，可得到转矩的近似公式为：Te≈KmΦmWs/R2

式中Km——转矩系数；

R2-转子电阻，Ω上式表明，在s很小的范围内，只要能够维持Φm不变，异步电动机的转矩就近似与转差角频率Ws。成正比。这就是说在异步电动机中，控制Ws就和直流电动机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念．。

(1)转差频率控制规律。在恒磁通条件下的机械特性曲线如图2-5所示。图中wsm～Tem为限幅值。由图可知，当Ws。较小时，转矩Te基本上与Ws。成正比。当Ws

-Wsmax时，Te—Temax所以在转差频率控制系统中，只要给Ws

限幅，就可以基本保持Te与Ws成正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这就是转差频率控制的基本规律之一。交流变频调速

上述的规律是在保持Φm恒定的前提条件下成立的，如何才能保持Φm恒定可以从分析磁通与电流的关系来着手解决。当忽略饱和与铁损时，气隙磁通Φm与励磁电流Io成正比，而励磁电流相量Io是定、转子电流的相量I1`I2之差，即：

I1=I2+I0Io是定子电流Il的一部分。在笼形异步电动机中，折合到定子的转子电流I2是难以直接测量的，于是只能根据负载变化调节Il来维持I0不变。根据异步电动机的稳态等效电路可知，当Φm或I0不变时，I0随转差频率WS。变化的规律如图2-6所示。

图2-5交流变频调速

只要Il与ws的关系符合图2-6的规律，就能保持Φm恒定。这样，用转差频率控制代表转矩控制的前提也就解决了。这就是转差频率控制的基本规律之二。实现上述转差频率控制规律的转速闭环变频调速系统电路原理图如图2-7所示。

图2-7转差频率控制的变频调速系统电路原理图交流变频调速

(2)转差频率控制系统的特点

1)采用电流型变频器，使控制对象具有较好的动态响应，而且便于回馈制动，实现四象限运行。这是提高系统动态性能的基础。

2)和直流电动机双闭环调速系统一样，转速环是外环，电流环是内环。转速调节器ASR的输出是转差频率给定值Uws，代表转矩给定。

3)转差频率ws分两路分别作用在可控整流器UR和逆变器CSI上。前者通过Il=f(ws)函数发生器GF，按Uws的大小产生相应的Ui1信号，再通过电流调节器ACR控制定子电流，以保持Φm为恒值。另一路按ws+w=w1，的规律产生，对应于定子频率w1，的控制电压Uw1决定逆变器的输出频率。这样就形成了在转速外环内的电流一频率协调控制。

4)转速给定信号Uw反向时，Uws、Uw、Uwl都反向。用极性鉴别器DPI判断Uwl的极性，以决定环形分配器DRC的输出相序，而Uwl信号本身则经过绝对值变换器GAB决定输出频率的高低，这样就很方便地实现了可逆运行。交流变频调速

(3)转差频率控制系统的优点与不足

1)转差频率控制系统的优点。转差频率控制系统的优点就在于频率控制环节的输入是转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的，即Uw1=Uw+Uws。这样在转速变化过程中，实际频率w1，随着实际转速n同步地上升或下降。与转速开环系统中按电压成正比地直接产生频率给定信号相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。同时，由于在动态过程中转速调节器饱和，系统能够以限幅转矩进行控制，也保证了在允许条件下的快速性。因此，转速闭环转差率控制的交流变频调速系统基本上具备了直流电动机双闭环控制系统的优点，是一个比较好的控制方式，结构也不算复杂，有广泛的应用价值。

2)转差频率控制系统的不足。如果仔细分析转差频率控制系统的静、动态性能，就会发现该系统还不能完全达到直流双闭环系统的水平。存在差距的原因有以下几个方面：①在分析转差频率控制规律时，是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，因此，所得到的“保持磁通Φm恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中Φm如何变化还没有去研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。交流变频调速

②电流调节器ACR只控制了定子电流的幅值，并没有控制到电流的相位，而在动态中电流相位如果不能及时赶上去，将会使动态转矩的调节时间延长。③Il=f(ws)函数是非线性的，采用模拟的运算放大器时，只能按分段线性化方式来实现，而且分段还不能很细，否则会造成调试的困难。因此，在函数发生器这个环节上还存在一定的误差。④在频率控制环节中，取w1=ws+w使频率w1得以和转速同步升降，这就是转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰成分，如测速发电机的纹波等，也会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。鉴于基本型转差频率控制系统存在的上述问题，许多学者提出了各种改进方案，最突出、最具有革命性的方案当属矢量控制系统，它从本质上解决了上述的多数问题，为高性能的交流变频调速系统打开了突破性的道路。

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4．矢量控制系统

由于转差频率控制方式引入了速度反馈，因此其性能优于开环的U/f比例控制方式，可以适用于对速度和精度有较高要求的调速系统。但由于转差频率控制的基本关系是根据稳态机械特性推导出来的，没有考虑到电动机电磁惯性的影响，所以其动态性能仍不够理想。交流变频调速

矢量控制的基本思想是模仿直流电动机的控制方式，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标变换，就能够控制异步电动机了。进行坐标变换的是电流（代表磁动势IN）的空间矢量，所以这种通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统，或称矢量控制系统。针对异步电动机，从矢量分析的角度分析，可以把定子电流分解为产生磁场的电流分量（磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），这两个分量是互相垂‘直的。所以，通过控制电动机定子电流的大小和相位（即对定子电流的电流矢量进行控制），就可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。当前，在变频器中得到实际应用的矢量控制方式包括转差型矢量控制系统和无速度检测器的矢量控制系统两种。

(1)转差型矢量控制系统。矢量控制的基本原理是：通过控制电动机定子电流的幅值和相位（即电流矢量），来分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩特性的目的。

交流变频调速转差型矢量控制的变频调速系统原理框图如图2-8所示，其原理图是在图2-7转差频率控制的变频调速系统结构原理图的基础上，把从稳态特性出发的Te∝ws和I1=f(ws)函数关系换成从动态数学模型出发的矢量控制器，就得到转差型矢量控制系统。该系统克服了转差频率控制系统的大部分不足，从而大大提高了系统的动态性能。这个系统的主要特点如下：

1)转速调节器ASR的输出是定子电流转矩分量的给定信号，与双闭环直流调速系统的电枢电流给定信号相当。

交流变频调速2)定子电流励磁分量给定信号Uim1和转子磁链给定信号Uφ2之间的关系是靠矢量疗程建立的，其中的比例微分环节使iml在动态中获得强迫励磁效应，从而克服了实际磁通的滞后。3）Uit1和Uim1经直接坐标/极坐标(k/p)变化器合成后产生定子电流幅值给定信号Ui1和相角给定信号Uθ1。前者经电流调节器ACR控制定子电流的大小，后者则控制逆变器换相的触发时刻，用以决定定子电流的相位。定子电流相位是否得到及时的控制对于动态转矩的发生极为重要，极端来看，如果电流幅值很大，但相位落后90。，所产生的转矩只能是零。交流变频调速

4)转差频率信号Uws与Uitl、Uφ2的关系同样符合矢量控制方程。

5)定子频率信号Uw1=Uw+Uws，这样就把转差频率控制的主要优点保留下来了。由Uw1积分产生决定M轴（转子磁链方向）相位角φ的信号Uφ，随着坐标的旋转，φ角应不断增长，积分的结果正是这样，它取代了环形计数器的作用。在实际电路中，φ值并不是无限增长，而是从o～2丌周而复始地变化的。φ1角作为定子电流矢量和M轴的夹角叠加在φ角上面，以保证及时的相位控制。转差型矢量控制系统结构简单，思路清晰，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双环控制系统的水平，得到了普遍的应用。控制系统采用模拟电子电路时，除运算放大器外，还需要高精度、低温漂的乘法器。如果采用微型计算机数字控制，用软件来实现矢量控制器是没有什么困难的。

交流变频调速

转差型矢量控制系统M、T坐标的磁场定向是由给定信号确定并靠矢量控制方程保证的，并没有在系统运行中实际检测转子磁链的相位，这种情况属于间接磁场定向。在动态过程中实际的定子电流幅值及相位与其给定值之间总会存在偏差，实际参数与矢量控制方程中所用的参数之间更可能不一致，这些都会造成磁场定向上的误差，从而影响系统的动态性能。这是间接磁场定向的缺点。特别是参数影响，如由于电动机温度变化和频率不同时集肤效应的变化而影响转子电阻，由于饱和程度的不同而影响电感，这些都是不可避免的。为了解决这个问题，在参数辨识和自适应控制方面做过许多研究工作，获得不少成果，但是迄今为止，实用的带有自适应控制的系统还不多。交流变频调速从另一方面看，要使矢量控制系统具有和直流调整系统一样的动态性能，转子磁通在动态过程中是否真正恒定是一个重要的条件。如图2-8所示的系统中对磁通的控制实际上是开环的，在动态中肯定会存在偏差。要解决这个问题应该增加磁通反馈和磁通调节器，或采用实际转子磁链的定向，即直接磁场定向。图2-8转差型矢量控制的变频调速系统原理框图交流变频调速

(2)无速度检测器的矢量控制系统。转差型矢量控制变频器在使用时，需要在异步电动机上安装速度传感器。所以，这种变频器不能充分发挥异步电动机本身结构简单、坚固耐用等特点。并且，在由于电动机本身或所在环境的原因无法在电动机上安装速度传感器和对控制性能要求不是特别高的情况下，往往采用无速度传感器的矢量控制方式的变频器。无速度传感器的矢量控制方式，是以磁场定位矢量控制理论为基础的。为了实现这种控制方式，需要在异步电动机内安装磁通检测装置，虽然该理论早就已得到验证，但在实践中一直未能得到推广和应用，早期的矢量控制变频器基本上多是采用转差型矢量控制方式。

现在，随着传感器技术的发展和现代控制理论在变频调速技术中的应用，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在变频器内部通过对某些变量的计算得到与磁通相应的量（即现代控制理论中所谓的“观测器”），并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。

无速度传感器矢量控制方式的基本控制思想是：分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令及检测值达到一致，从而实现矢量控制。交流变频调速

图2-9所示为无速度传感器矢量控制系统框图。图中的频率控制器的作用是对彩率进行适当控制，使转矩电流的指令值与实际检测值一致。图2-9无速度传感器矢量控制系统框图交流变频调速

第二节直流斩波器掌握直流斩波器的分类及工作原理

一、直流斩波器及其工作方式

直流斩波器是接在直流电源与负载之间，将恒定直流电压变换为可调直流电压的装置，也可称为直流一直流变换器。在图2-10所示的晶闸管直流斩波器中，将晶闸管图2-10晶闸管直流斩波器交流变频调速作为开关，通过控制其通断时间的比值，在负载上获得大小可调的直流平均电压Ud。斩波器输出电压平均值Ud为：

Ud=uτ/TU式中U-直流电源电压，V；

T-斩波器的通断周期，Hz；

τ——斩波器的导通时间，s。由上式可知，只要改变r/T的大小，就可以改变斩波器的直流输出电压。因此，降压型直流斩波器常用的方法有定频调宽法、定宽调频法和调频调宽法三种。交流变频调速

1．定频调宽法

图2-12定频调宽定频调宽法又称脉冲宽度调制(PWM)方式，这种方法是在保持晶闸管触发频率不变（即周期T不变）的同时，通过改变晶闸管的导通时间r，来改变斩波器的输出平均电压值Ud，。如图2-11所示

2．定宽调频法图2-12定频调宽定宽调频法又称脉冲频率调制(PFM)方式，这种方式是在保持晶闸管导通时间r不变的同时，通过改变晶闸管的触发频率(即改变周期T)来改变斩波器的输出平均电压值Ud，如图2-12所示：

3．调频调宽法图2-12调频调宽调频调宽法又称混合调制，这种方法是同时改变晶闸管触发频率和导通时间，来改变斩波器的输出电压平均值Ud。如图2-13所示。交流变频调速

二、晶闸管直流斩波器的工作原理晶闸管直流斩波器的换流方式有电压换流和电流换流两种。

1．采用电压换流的晶闸管直流斩波器工作原理采用电压换流的晶闸管直流斩波器简化主电路如图2-14所示。电路中VT1为主晶闸管，以斩波器频率被定时触发；VT2为辅助晶闸管；VT1、VD1、L组成振荡器电路；VT2、C等组成为关断VT1而设置的换流关断电路。电压换流电路可分为以下几个工作过程：

(1)图2-14a所示为接通电源后，电源经VT2和负载对电容C充电，Uc逐渐上升。当UC上升到接近电源电压U，而充电电流小于VT2的维持电流时，VT2自然关断。2—14a

(2)图2-14b所示为触发主晶闸管VT1使其导通，电源通过VT1给负载供电。同时电容C经过导通的VT1、L、VD1构成放电振荡电路，使电容上的电压先减少，然后反向充电，当Uc接近负的电源电压时，振荡停止，在此期间VT1维持导通。2—14b交流变频调速

(3)需要关断VT1时，要触发VT2使其导通。在VT2导通后Uc经过VT2加在VT1的两端，使VT1承受反向电压而关断，电动机由二极管VD2续流。电动机负彰电流通过VT2对电容重新充电，等待下一次对VT1的触发。从斩波器的工作过程可知，输出的是脉冲电压，其脉冲宽度是通过从VT1触发与通到VT2触发导通的延时时间来控制的。触发电路的延时时间由触发电路的延时环寺来决定。因此，改变触发电路延时时间可以改变脉冲宽度，宽度越大，输出直流电压耳均值越高；反之越小。

2.采用电流换流的晶闸管直流斩波器工作原理

(1)图2-15a所示为接通电源后，晶闸管VT1、VT2均未触发，电源经VD2、】和负载对电容C充电，直到Uc到接近电源电压U。

(2)图2-15b所示为主晶闸管VT1被触发，电源通过VT1向负载提供电流。榧因VD2反向阻断，电容C无法放电。

(3)图2-15c所示为辅助晶闸管VT2被触发，电容C经过VT2、L构成放电振蔼电路。使电容上的电压先减小，然后反向充电，当振荡电路接近于零时，交流变频调速VT2自然弓断。而电容极性改变，为关断VT1做好准备。(4)由于电容极性的改变，如图2-15d所示，振荡电流的方向也发生变化，电流经正在导通的VT1抵消原先流过的电流，使VT1的电流逐渐减小并最终关断。

(5)当振荡电流抵消了VT1的电流后，又继续通过旁路二极管VD1流通，如图2-15e所示。由于VD1的正向压降使VT1承受反压，保证了VT1的可靠关断。电动机由VD3开始续流。

(6)VD1电流过零关断后，电源又再次经VD2、L和负载对C恒流充电，Uc线性上升，当Uc接近电源电压时充电结束。交流变频调速

图2-15采用电流换流的晶闸管直流斩波器工作过程a)Uc充电b）VT1触发c）VT2触发d）VT1关断e）VT1可靠关断交流变频调速第三节变频器的分类与应用实例

能够掌握变频器的分类

能够正确地使用变频器

一、变频器的分类通过对变频调速控制方式的分析可知，要实现异步电动机的变频调速，需要具有一个电压、频率均可调的变频装置。变频器就是将直流电或工频交流电变换成频率可调的交流电，供给需要变频的负载。

1．按供电电压分类低压变频器(110V、220V、380V)、中压变频器(500V、660V、1140V)和高压变频器(3kV、3.3kV、6kV、6.6kV、10kV)。

2．按供电电源的相数分类单相输入变频器和三相输入变频器。

交流变频调速

3．按变频过程分类

交一交变频器和交一直一交变频器。交一交变频器，即将工频交流直接变换成频率、电压可调的交流，又称直接式变频器。由于直接变频器输出的最高频率较低，所以使用于频率低、容量大的交流供电系统；交一直一交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率和电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。

4．通用变频器分类

(1)按变频器直流电源的性质分为电流型变频器和电压型变频器。电流型变频器的特点是：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，故称电流源型（电流型）变频器。电流型变频器能够扼制负载电流频繁而急剧的变化，常选用于负载电流变化较大的场合。电压型变频器的特点是：中间直流环节的储能元件采用大电容，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，常适用于负载电压变化较大的场合。交流变频调速

(2)按变频器输出电压调节方式分为PAM输出电压调节方式变频器和PWM输出电压调节方式变频器。

(3)按变频器中逆变器的换流方式分为负载谐振换流和强迫换流。

(4)按变频器控制方式分为U/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式。

(5)按变频器中使用的电力电子器件分为普通晶闸管和自关断功率器件。

(6)按变频器的性能分为普通型、多功能型和高性能型。1．变频器的选择通用变频器的选择包括变频器的形式选择和容量选择两个方面，总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。

根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的多功能型U/f控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行，对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器；对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械，采用具有转矩控制功能的多功能型变频器则是比较理想的，因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。也有采普通功能型变频器的例子。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量办法；对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），采用矢量控制高性能型通用变频器。交流变频调速大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可驱动电动机功率和额定容量，中后两项由变频器生产厂家按国家或企业标准生产的电动机给出，或随变频器输出电而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一反映半导体变频装置负载能力的关键物理量。负载电流不超过变频器额定电流是选择频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼型异步电机的额定电流。冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动，应保证在无故障状态下负载总电均不超过变频器的额定电流。

交流变频调速

2．通用变频器的应用实例目前，绝大多数燃烧控制系统中的风量调节都是通过调节风门挡板实现的，这种风调节方式不但使风机的效率降低，也使很多能量白白消耗在挡板上。如果在锅炉的送机和引风机上采用变频器进行无级调速，可以节约能量，提高锅炉燃烧控制水平，增经济效益。这里以三菱FRF540型通用变频器在锅炉风机节能控制上的应用为例进行介绍900kW40型RS-485PID菱公司生产的风机、水泵类专用变频器’功率从o．75千瓦到900kW，内置RS-485、PID功能，可通过选件实现制动等其他功能。

(1)特点。FRF540变频器是一种交一直一交型变频器。其主电路使用二极管整流电路，将输入的三相交流电变换为直流电，使用电容进行滤波，所以它是一种电压型变频器。逆变器采用脉宽调制方式进行变频，并在变频的同时可进行变压。该变频器具有下优点：

交流变频调速

1)采用最适磁通控制方式，可实现更高节能运行，使电动机效率得到最大幅度的提高.

2)输出频率调节范围从0～120Hz。3)输出电压调节范围可以从OV一直调到主电源电压。

4)内置PID、变频器／工频切换和多泵循环运行功能。

5)柔性PWM，实现更低噪声运行。

6)内置RS-485通信口。

7)75kW以上随机带直流电抗器。

(2)FRF540型变频器的接线。FRF540型变频器接线图如图2-16所示。

1)主回路端子说明。主回路各端子名称和作用见表2-1。

2)控制回路端子说明。控制回路各端子名称和作用见表2-2。

(3)FRF540型变频器的操作面板。FRF540型变频器的操作面板如图2-17所，FRF540型变频器的操作面板上各按键的名称和作用见表2-3，各显示信号的说见表2-4。机械工业出版社全国技工院校“十二五”系列规划教材交流变频调速

交流变频调速交流变频调速交流变频调速

交流变频调速

LED×4位【模式】键[设置】键

【增，减】键显示说明显示说明

Hz显示频率时灯亮

PU

PU操作时灯亮

A显示电流时灯亮

EXT外部操作模式时灯亮

V显示电压时灯亮

FWD正转时闪灯烁

MON监视显示模式时灯亮

REV反转时闪灯烁表2—4各显示信号的说明按键说明

MODE可用于选择操作模式或设定模式

SET用于确定频率和参数的设定▲／V用于连续增加／降低运行频率，按下这个键可改变频率或设定参数

FWD用于给出正转指令

REV用于输出反转指令

STOP/RESET用于停止运行或保护功能动作输出停止时复位变频器

FRF540型变频器的操作面板上各按键的名称和作用简单模式参数设定P1:上限频率P2：下限频率P3：基准频率P4：多速段（高）P5：多速段（中）P6：多速段（低）P7：加速时间P8：减速时间P13：启动频率P40：RUN旋转方向键选择

0-正转

1-反转P79：运行模式选择0-外部/PU切换模式

1-PU运行模式固定

2-外部运行模式固定

1.将控制方式设为外部（EXT）。2.闭合正向启动开关（SFT）或反向启动开关（STR）电动机转动。3.调节电位器改变电动机转动频率。外部启动控制，调节电位器改变电动机转动频率外部启动控制，多段速频率调节1.将控制方式设为外部（EXT）。2.闭合正向启动开关（SFT）或反向启动开关（STR）电动机转动。3.闭合高速（RH）或中速(RM)或低速(RL)开关改变电动机转动频率。交流变频调速

(4)变频器风机节能控制

1)系统主电路。在锅炉风机控制系统中有两台电动机和一台鼓风机，另一台鼓风机备用，当鼓风机出现故障或需要定期检修时，备用鼓风机马上投入，不使锅炉停炉。两台鼓风机均由变频器驱动，并且当变频器出现故障时，可自动实现变频／工频切换。主电路图如图2-18所示。图中，Ml为鼓风电动机，M2为备用鼓风电动机，QA为自动开关，KM1、KM2、KM3、KM4均为接触器，其中KM1与KM3用于切换备用泵，KM2与KM4用于进行变频／工频切换。KH1、KH2为热继电器。

2)变频器的运行①面板操作转换为外部操作。’设置Pr.79=0（出厂设定），按MODE键，到面板‘显示JOG时，按上升键，出现OP.nd时，PU灯熄灭，EXT灯亮，表明切换成功。再按MODE键，当面板上显示0.00Hz时，MON灯亮，这时已返回频率监视状态。

图2-18锅炉风机控制系统主电路交流变频调速

②频率设定方式选择。Pr.902=1为电压设定方式，此时，在控制端口2端接入O～5V的直流电压，可以使电动机在0～60Hz频率范围内工作，出厂设置为OV、OHz;Pr.904-1为电流设定方式，此时，在控制端口2接人0～20mA的直流电流，可以使电动机在0～60Hz频率范围内工作，出厂设置为4mA、OHz。

3．调试步骤最常见和最严重的故障往往出现在调试过程中，调试时应谨慎细心，调试步骤如下：(1)检查接线是否正确。安装接线时，人多手杂，现场情况复杂，特别是当接线工作不是由调试者做的时候，一定要仔细检查接线是否正确，留意变频器输出端不能接电容器、电感器等除电动机外的其他负载。

(2)不带负载，启动变频器，设定运行参数，加速／减速时间可选经验值。

(3)将变频器设定在手动和面板控制状态，启动变频器，逐渐加大运行频率。

(4)接上负载，启动变频器，将变频器运行在10Hz，观察电动机转向是否正确。若不对，则停止运行后，掉换电动机接线的相序。(5)让变频器从零逐渐增大到最大转速’确认变频器与电动机配合是否恰当口注意，不允许变频器电流超过电动机额定电流值。

交流变频调速

(6)停止变频器运行，将变频器设置为电压显示模式.观察变频器减速过程中是否出现直流过压。如出现，则加大减速时间。若减速时电流较小，则可缩短减速时间参数。

(7)将变频器设置为电压显示模式。设定最大运行频率，启动变频器，观察加速过．程中的输出电流。若出现电流过大，则需延长加速时间参数，若加速时电流较小，则可缩短加速时间参数。

(8)将变频器设定在自动控制状态，锁定变频器运行参数，系统即调试完毕。

4．变频器使用的注意事项

(1)工作温度。变频器内部是大功率的元器件，极易受到工作温度的影响。产品温度一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

(2)环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。

交流变频调速

(3)腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印制电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。

(4)振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗振橡胶垫固定控制柜内外电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

(5)防止电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，在周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统应该选用具有金属外壳，从而屏蔽掉变频器的干扰，所有的弱电单元均应可靠接地。除此之外，各元器件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。

(6)防止输入端过电压。变频器电源输入端往往有过电压保护，但是，如果输入端高电压作用时间长，会使变频器输入端损坏。因此，在实际运用中，要核实变频器的输交流变频调速入电压、单相还是三相以及变频器使用的额定电压。特别是电源电压极不稳定时要有稳压设备，否则会造成严重后果。(7)接地。变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，变频器接地端子E(G)接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于2mm2，长度应控制在20m以内。变频器的接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。信号输入线的屏蔽层应接至E(G)上，其另一端绝不能接于地端，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不止。变频器与控制柜之间应电气连通，如果实际安装有困难，可利用铜芯导线跨接。

(8)防雷。在变频器中，一般都设有雷电吸收网络，主要防止瞬间的雷电侵入，避免使变频器损坏。但在实际工作中，特别是电源线架空引入的情况下，单靠变频器的吸收网络是不能满足要求的。在雷电活跃地区，这一问题尤为重要。如果电源是架空进线，在进线处装设变频专用避雷器（选件），或有按规范要求在离变频器20m的远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备，实践表明，这一方法基本上能够有效解决雷击问题。交流变频调速单元考核要点考核类别考核范围考核点重要程度交流变频调速的基本控制方式★交流变频调速系统的控制规律★理论知识自动控制知识直流斩波器的分类及工作原理★★变频器的分类★变频器的选择★★★操作技能设计、安装与调试变频器的使用★★★交流变频调速单元测试题一、填空题（请将正确的答案填在横线空白处）

1．三相异步电动机变频调速的控制方式有____、____和——控制方式三种。

2．恒压频比控制方式，相当于直流电动机__调速的情况，属于（）调速

3．恒流变频调速控制方式就是要求在电动机变频调速过程中保持定子——为一恒值。恒流变频系统的过载能力____，只适用于负载——的场合。

4．恒功率控制方式，相当于直流电动机____调速的情况；属于近似一调速。

5．变频调速系统中输出电压的调节方式有____调制方式与——调制方式。

6．直流斩波器是接在____与一之间，将恒定直流电压变换为一的装置，也可称为直流一直流变换器。

7．晶闸管直流斩波器的换流方式有____换流和----换流两种。

8．变频器按供电电压分为____变频器、____变频器、——变频器。

9．变频器按供电电源的相数分为____变频器和__—变频器。

10.变频器按变频过程分为____变频器和____变频器。

11.变频器的输出端不允许接____，也不允许接__—电动机。

12.矢量控制方式包括____矢量控制方式和__—的矢量控制方式两种。交流变频调速

二、判断题（下列判断正确的请打“√”，错误的打“×”）

1．直流斩波器可以把直流电源的可调电压变为固定的直流电压输出。()2．斩波器的定频调宽工作方式，是保持斩波器通断频率不变，通过改变电压脉冲的宽度来改变输出电压平均值。()3．变频调速性能优异、调速范围大、平滑性好、低速特性较硬，是笼型转子异步电动机的一种理想调速方法。()4．异步电动机的变频调速装置功能是将电网的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，对交流电动机供电，实现交流无级调速。()5．在变频调速时，为了得到恒转矩的调速特性，应尽可能地使电动机的磁通Φ保持额定值不变。()6．变频调速时，应保持电动机定子供电电压不变，仅改变其频率即可进行调速。

()7．交一交变频器把工频交流电整流为直流电，然后再由直流电逆变为所需频率的交流电。()

交流变频调速

二、判断题（下列判断正确的请打“√”，错误的打“×”）

1．直流斩波器可以把直流电源的可调电压变为固定的直流电压输出。()2．斩波器的定频调宽工作方式，是保持斩波器通断频率不变，通过改变电压脉冲的宽度来改变输出电压平均值。()3．变频调速性能优异、调速范围大、平滑性好、低速特性较硬，是笼型转子异步电动机的一种理想调速方法。()4．异步电动机的变频调速装置功能是将电网的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，对交流电动机供电，实现交流无级调速。()5．在变频调速时，为了得到恒转矩的调速特性，应尽可能地使电动机的磁通①保持额定值不变。()6．变频调速时，应保持电动机定子供电电压不变，仅改变其频率即可进行调速。

()7．交一交变频器把工频交流电整流为直流电，然后再由直流电逆变为所需频率的交流电。()

交流变频调速8．交一直一交变频器将工频交流电经整流器变换为直流电，经中间滤波环节后，再经逆变器变换为变频变压的交流电，故称为间接变频器。()9．直流斩波器是应用于直流电源方面的调压装置，但输出电压只能下调。()10.采用转速闭环矢量变换控制的变频调速系统基本上能达到直流双闭环调速系()

统的动态性能，因而可以取代直流调速系统。()11.变频器的输出不允许接电感性负载。三、单项选择题（下列每题的选项中只有1个是正确的，请将其代号填在横线空白处）

1．在变频调速时，若保持恒压频比(U/f=常数)，可实现近似——。

A．恒功率调速B．恒效率调速c．恒转矩调速D．恒电流调速

2．当电动机在额定转速以上变频调速时，要求——，属于恒功率调速。

A．定子电源频率可任意改变．B．‘定子电压为额定值

C．维持U/f=常数D．定子电流为额定值

3．交一直一交变频器主电路中的滤波电抗器的功能是——。

A．将充电电流限制在允许范围内B．当负载变化时使直流电压保持平稳

C．滤平全波整流后的电压纹波D．当负载变化时使直流电流保持平稳交流变频调速

4．在变频调速系统中，调频时须同时调节定子电源的——，在这种。隋况下机械特性平行移动，转差功率不变。

A．电抗B．电流c．电压D．转矩5．变频调速系统在基速以下一般采用——的控制方式。

A．恒磁通调速B．恒功率调速c．变阻调速n调压调速6．电压型逆变器采用电容滤波，电压较稳定，——，调速动态响应较慢，用于多电动机传动及不可逆系统。

A．输出电流为矩形波B．输出电压为矩形波

C．输出电压为尖脉冲D．输出电流为尖脉冲7．变频器所允许的过载电流以——来表示。

A．额定电流的百分数B．额定电压的百分数

c．导线的截面积D．额定输出功率的百分数交流变频调速

8．变频器的频率设定方式不能采用——。

A．通过操作面板的加速／减速按键来直接输入变频器的运行频率

B．通过外部信号输入端子来直接输入变频器的运行频率

C．通过测速发电机的两个端子来直接输入变频器的运行频率

D．通过通信接口来直接输入变频器的运行频率9．变频调速系统中的变频器一般由——组成。

A．整流器：滤波器、逆变器B．放大器、滤波器、逆变器

C．整流器、滤波器D．逆变器四、简答题1．什么是斩波器？斩波器有哪几种工作方式？2．变频调速时，为什么常采用恒压频比(U/，一常数)的控制方式？3．三相异步电动机变频调速系统有何优缺点？4．选择变频器驱动电动机时，应考虑哪些问题？5．变频调速系统一般分为哪几类？交流变频调速6．通用变频器一般分为哪几类？在选用通用变频器时主要按哪些方面进行考虑？7.频器的选择包括哪些内容．五、技能题交流变频调速系统的安装与调试1．操作准备（由鉴定所准备）序号名称型号与规格单位数量备注

1交流变频器实验装置

YL-F500型套

1

2按钮

LA4-3H型个

2

3三相异步电动机

Y-132S-4型台

1

4组合开关

HZ10-25/3型个

1

5电位器

1/2W、1kfl个

1

6塑料绝缘铜线

RV-1.5RV-1.o

m若干交流变频调速

2．操作要求根据给定的设备和仪器仪表，在规定时间内完成设计、接线、调试等工作，达到考题规定的要求。3．操作时限60min。4．配分及评分标准序号

作业项目

考核内容配分

评分标准元器件质量、外观检查

10漏检每处扣2分

1检查电动机外观质量检查

5漏检每处扣5分安装不牢固每处扣2分元器件的安装