第一篇变频调速的基础理论

第一篇变频调速的基础理论通用变频器的基础知识第一章的交－91一1变频器的分类变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调流电，以供给电动机运转的电源装置。类。目前国内外变频器的种类很多，可按以下几种方式分一、按变换环节分类1．交一直一交变频器交一直一交变频器首先将频率固定的交流电整流成直流电，经过滤波，再将平滑的直流电逆变成频率连续可调的交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围内，得到普及。以及改善频率后电动机的特性等方面都有明显的优势，目前，此种变频器已2．交一交变频器交一交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的它主要用于低速大容量的动拖系统中。IQ以下，故二、按电压的调制方式分类1．PAM（脉幅调制）所谓PAM，是PulseAmPlitudeMOdulation的简称，它是通过调节输出脉冲的幅值来调节输出电压的一种方式，调节过程中，逆变器负责调频，相控整流器或直流斩波器负责调压。目前，在中小少采用，这种方式基本不用。2．PWM（脉宽调制）所谓PWM，是PulseWidthMOdulation的简称，它是通过改变输出脉冲的宽度和占空比来调节输出电压的一种方式，调节过程中，逆变器负责调频调压。目前普遍应用的是脉宽按”弦规律变化的正弦脉宽调制方式，即．－。类型的变频器。SPWM方式。中小乎全部采用三、按滤波方式分类1．电压型变频器在交一直一交变压变频装置中，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，在理想情况下可以等效成一个内阻抗为零的恒压源，波，这类变频装置叫作电压型变频器（见图输出的交流电压是矩形波或阶梯1—1—la）。一般的交一交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压型变频器。

2．电流型变频器在交一直一交变压变频装置中，当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，这类变频装置叫作电流型变频器（见图二一抗1—fo）。有的交一交变压变频装置用电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，它也是电流型变频器。四、按输入电源的相数分类1．三进三出变频器变频器的输人侧和输出侧都是三相交流电，绝大多数变频器都属于此类。2．单进三出变频器变频器的输人侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，家用电器里的变频器都属于此类，通常容量较小。五、按控制方式分类1．U／f控制变频器U／f控制是在改变变频器输出频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的主磁通保持一定，在较宽的调速范围内，的比，所以称为电动机的效率和功率因数保持不变。因为是控制电压和频率U／f控制。它是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，是目前通用变频器中使用较多的一种控制方式。2．转差频率控制变频器转差频率控制需捡测出电动机的转速，构成速度闭环。速度调节器的输出为转差频转差频率控制是指能够在控率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。制过程中保持磁通轧的恒定，能够限制转差频率的变化范围，且能通过转差频率调节异步电动机的电磁转矩的控制方式。与U／f控制方式相比，加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，还有速度调节器，它是利用速度反馈进行速度闭环控制。速度的静态误差小，适用于自动控制系统。3．矢量控制方式变频器上述的U／f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都建立在异步电动机的静态数学模型上，因此动态性能指标不高。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。矢量控制方式基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，基本上可以达到和直流电动机一样的控制特性。·91—2变频器的额定参数介绍。一、变频器的额定值1、输人侧的额定值输人侧的额定值主要是电压和相数。值有在我国的中小容量变频器中。输人电压的额定似下几种情况（均为线电压）：《1）380V／50Hi，三相，用于绝大多数电器中。（2）20O～230V／50th或6（）ff，－三相、主要用于某些进口设备中。（3）200～230V／50u，单相，，主要用于精细加工和家用电器。2．输出侧的额定值（1）输出电压额定值U。由于变频器在变频的同时也要变压。所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输人电压相等的～、一。（2）输出电流额定值IN输出电流的额定值是指允许长时间输出的最大电流，－是用户在选择变频器时的主要依据一－。’－”（3）输出容量印）．S。与UN和I。的关系为S。。bH。I。一（4）配用电动机容量P。（kw）变频器说明书中规定的配用电动机容量，是根据下式估算出来的。．Pw二Sw7ucosgu式中V。——电动机的效率；cos咖——电动机的功率因数。由于电动机容量的标称值是比较统一的，而伽和os甲。值却很不一致，所以容量相同的电动机配用的变频器容量往往是不相同的。－变频器铭牌上的“适用电动机容量”是针对四极的电动机而言，若拖动的电动机是六极或其他，那么相应的变频器容量加大。－－（5）过载能力变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为二、变频器的频率指标1、频率的名词术语＿（1）基底频率150％I。，608或180％I。，0·5S。f－当变频器的输出电压等于额定电压时对应的最小输出频率，称为基底频率，用来作为调节频率的基准。（2）最高频率在大多数情况下，，基底频率等于额定频率，即人一八。fr当变频器的频率给定信号为最大值时，变频器的给定频率。这是变频器的最高工作频率的设定值。

（3）上限频率fH和下限频率人根据拖动系统的工作需要；变频器可设定上限频率和下限频率，如图1—1—2所信号分别是X。和X。，则上限频率的定义是：当X＞x。时，fx—，；下限频率的定是：当X＜X。时，人（4）跳变频率人示。与fH和人对应的给定义一人。生产机械在运转时总是有振动的，其振动频率和转速有关。有可能在某一转速下，机械的振动频率与它的固有振荡频率相一致而发生谐振的情形，这时，振动将变得十分强烈，使机械不能正常工作，甚至损坏。为了避兔机械谐振的发生，机械系统必须回避可能引起谐振的转速。与回避转速对应的工作频率就是跳变频率，用人表刁RQ6）点动频率人要“点一点、动一动”，以便观察各部位的如每果次在点动前后，都要进行频率调整的话，既麻烦．又浪费时间。因此，变频器可特点和要求，预先一次性地设定一个“点动频率人时都在运行，而不必变动已经设定好了的2。变频器的频率指标门）频率范围频率范围即变频器能够输出的最高频率fp和最低频率fi。各种变频器规定的频率范围不尽一致。通常，最低工作频率为0．1～lth，最高工作频率为120～650h。（2）频率精度指变频器输出频率的准确程度。用变频器的实际输出频率间的最大误差与最高工作频率之比的百分数表示。例如、用户给定的最高工作频率为fmax－120h，频率精度为0．01％，则最大误差为：凸人皿一0．000120—0．012HZ分辨率指输出频率的最小改变量，即每相邻两挡频率之间的最小差值。一般分模拟设定分辨率和数字设定分辨率两种。例如，一25h时，如变频器的频率小频率（人）和下。生产机械在调试过程中，以及每次新的加工过程开始前，常常需运转情况。以根据生产机械的。”，每次点动该频率下给定频率＿与设定频率之（3）频率当工作频率为人分辨率为0．ofh，则上一挡的最一挡的最大频率（厂）分别为：fi—25＋0．01—25．DIHrrf；＝25—0．01—24．99hsiTS变频器的随着变频技术的发展，变频器，尤其是高性能通用变频器的将以通用变频器为例加以简单说明。一、变频器的保护功能主要功能功能越来越丰富。在本节中1．过电流保护功能O）升降速过电流的自处理在升降速过程中，过电流时，变频器将自动延长升降速时间或自动暂停升降速，使电流回到限值以内，然后再恢复到原设定的升降速时间。（2）运行过电流的自处理在运行过程中发生过电流时，变频器将自动地适当降低工作频率，使电流回到限值以内后，再恢复到原设定频率。（3）必须立即跳闸的过电流当输出电路短路、接地和逆变电路发生桥臂直通等情况－时，会出现危险的短路电流，必须立即跳闸。2．过载保护功能过载保护功能主要用于电动机的过载保护。3．电压保护功能l（1）降速过电压的自处理由于降速过快而发生过电压时，变频器将自动延长降速时间或自动暂停降速，减缓降速过程，直到电压回到正常范围后再恢复到原设定的降速时间。（2）欠电压保护欠电压包含的内容有电源电压过低，电源缺相，电源瞬时停电等。许多新系列的变频器，当停电时间极短时，允许电源自动重合闸，变频器可不必因欠电压而跳闸。二、变频器的控制功能1．程序控制功能（1）由外控信号的状态进行控制整个工作过程全部定。变频器只需预置好各挡的转速及升降速时间即可。（2）由变频器自动切换即由变频器内的程序控制功能自动完成置的项目有：1）各程序步的运行方式由连接至变频器输入控制端的外控信号来决工作过程，变频器须预包括正转、反转、升速、降速停止等。二）程序步之间的切换规定本程序步完成后应转人的程序步号；决定切换程序步的依据，可以由变频器内部的计时器决定，也可以由外接控制信号决定。变频器内部的程序控制过程如图2．PID调节功能标值”给定方式的不同，大致有两种情形：l—1－－－－23所示。根据“目（1）键盘给定方式1）接线特点将反馈信号接至变频器的外接给定端或反馈信号输人端即可。2）给定方法由键盘输人目标值的百分数。目标值的百分数是指所要求的目标值与传感器最大信号之比的－百分数。（2）外接给定方式1）接线特点将目标给定信号接至外接给定端，而把反馈信号接至辅助给定端或反馈信号输人端。2）给定方法由外接电位器进行目标值的给定。＝、升速和降速功能1．升速功能（1）升速过程在变频调速系统中，启动和升速过程是通过逐渐升高频率来实现的。在升速过程中，如能使同步转速与转速之间的转差限制在一定范围内，升速过程将能保持平稳，升速电流也不会过大。如果频率上升过快，电动机转子的转速因拖动系统的惯性较大子转

而跟不上同步转速的上升，结果是转差增大，导致升速电流超过允许值。（2）可供选择的升速功能1）升速时间给定频率从OHz上升至基底频率fb所需的时间。瞅，升速时间越短，频率上升越快，越容易“过流”。2）升速方式主要有三种：①线性方式。在升速过程中，频率与时间呈线性关系，如图1二1－－24的曲线1所示。②S形方式。’在开始阶段和结束阶段，升速的过程比较缓慢，而在中间阶段，则按线性方式升速，如图1—1－－－－2所示。x4的曲线1—1一24的曲线③半S形方式。升速过程呈半S形，如图3所示。（3）与启动有关的功能1）启动频率对于静摩擦系数较大的负载，为了易于启动，启动时须有一点冲击力。为此，用户可根据需要预置启动频率人，使电动机在2）启动前的直流通人直流电流，目的是保证拖动系3）暂停升速功能启动惯性较大的负载时，可预置暂停升速功窒，使拖动系统先在低速下运转一段时间，然后再继续升速。该频率下“直启接动”。制动功能每次启动前，都向电动机的绕组中统在零速下启动。短时间的2．降速功能（1）降速过程在变频调速系降速过程中，电动机将因同步转速低于转也会使转差增大，同时直流电压也可能升高至允许值的程（2）可供选择的降速功能1）降速时间下降越快，越容易“过流”和“过2）降速方式降速过程中，频率与时间呈线性关系，如图1—1－－25的曲线1所示。②S形方式。在开始阶段和结束阶段，降速的过程比较缓慢，而在中间阶段，则按线性降速，如图1—1—25的曲线2所示。③半S形方式。降速过程呈半S形，如图1—1—25的曲线3．与制动有关的功能变频调速系统在降速过程中，电动机因处于再生制动状态而迅速降速。但随着转速的统中，停止和降速过程是子转速而处于再生制动状态。如果频率度。通过逐渐降低频率来实现的。在下降太快，给定频率从基底频率fb下降至ofu所需的时间、显然，降速时间越短，频率压”。主要有三种：①线性方式。在方式3所示。下降，拖动系统的动能在减小，电动机的再生能力和制动转矩也随之减小。因此，在惯性较大的拖动系统中，会出现低速时停不住的“爬行”现象。为了克aR）1＼BTh；现象，当拖动系统的转速下降到一定程度时，向电动机绕组中通人直流电流，以加大制动转矩，使拖动系统迅速停住。如图1—1－－－－26所示，在预置直流制动功能时，主要设定以下项目：（1）直流制动电压UDB即需要向电动机绕组中施加的直流电压。拖动系统的惯性越U。的（2）直流制动时时间略长一（3）直流制动的起始频率fDB即变频调速系统越大，fDB的设定大，设定值也越大。间t。即向电动机绕组施加直流电压的时间，t。可设定的时间比估计些。由再生制动转为直流制动状态的起始频率。拖动系统的惯性值也越大。四、控制方式的选择功能1．U／f控制l（正）基本U／f线满足关系给定频率）的U／f线称为基本U／f线，如图1—1—27所示。基本U／f线给出了方式的选择功能l式Ulx／fX＝constV。为与定额电压U。对应的基底频率fb的大小，是对U／f的比值进行调整时的（2）任选U／f线的U／f线，供用户选定，如图／f线，主要用于风机和水泵一类低速时（3）自动调整U／f线的功能变频器可根据负载的具体情况自动调整转矩补偿程度的自动调整的U／f线是互相平行的，如图1—1—29所示。基准线。功能在U／f控制方式中，变频器为用户提供了许多不同补偿程度的1—1－－－－28所示，图中曲线2和曲线3低于基本U阻转矩很小的负载。功能，2．矢量控制方式的选择功能（1）带速度反馈的矢量控制这是迄今为止，性能最好的一种控制方式。不但可以使电动机得到很硬的机械特性，而且具有很好的动态响应性能。（2）无反馈矢量控制这是新系列变频器中的一个重要功能，它不需要速度反馈。在一些对动态响应要求不很高的场合，采用无反馈矢量控制已经足够。因此，其用途十分广泛。（3）预置矢量控制方式预置矢量控制方式时，须注意以下问题：1）电动机的容量与变频器规定的配用电动机的容量应相同，最多相差一挡。2）应输入电动机的容量、极数等基本数据。五、频率给定功能1．频率给定的选择功能（1）给定方式的选择功能1）面板给定方式，通过面板上的键盘进行给定。2）外接给定方式，通过外部的给定信号3）通信接口给定方式，由计算机或其他控制器通过通信接口（2）外接给定信号的选择1）电压信号，通常有0～5V，0～15V，0～10V，0～110V等几种。2）电流信号，通常有0～20mA，4～20mLA两种。2．频率给定线及其预置（1）频率给定线和基本频率给定线的概念变频器的给定频率fX与给定信号X之间的关系曲线fX＝f（X），称为频率给定线。在给定信号从0增大至最大值X＿的过程中，给定频率fX从0线性地增大由模拟信号到fmaX的频率给定线称为基本频率给定线。其起点为（X—0，fX—0）；终点为（X—X＿，fX一fa）。终点坐标可以根据拖动系统的需要任意预（2）频率给定线的预置频率给定线的起点和置。率。1）起点坐标以一0，fX＝fBI），fBI为偏置频率，是给定信号X—0时所对应的给定频X—Xm。x时2）终点坐标（X—X＿，fX＝fXM），fXM为最大给定频率，是给定信号对应的给定频率。习题与思考题1．试述变频器的主要类型。2．指出电压型变频器和电流型变频器各自的特点。3．试说明电压型交一直一交变频器主电路中指示灯的作用。4．选择GTR时，开路阻断电压Ucro和集电极最大持续电流I。各应怎样选择？5．简述