交流调速技术概述

变频器与调速技术

徐广明机械电子工程系教材:《交流变频调速技术》何超编北京航空航天

《交流调速系统》陈伯时机械工业

﹡《变频调速技术基础教程》

曾允文机械工业2012﹡《变频技术》付兰芳化学工业2011﹡《变频器应用教程》张燕宾机械工业2011﹡《变频调速技术与应用项目教程》马宏骞电子工业2011近二十年来，科学技术突飞猛进。随着电力电子技术、计算机技术和控制理论发展，电机调速技术得到迅速发展，使得电机的应用不再局限于工业应用而且在商业及家用设备等各个领域获得更加广泛的应用；而随着新材料如稀土永磁材料、磁性复合材料的出现，更给电机设计插上翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。这些都极大地丰富了电机理论，拓宽了电机的应用领域，同时也给电机设计和制造工艺提出更高的要求。交流变频调速系统及变频电机

二十年来，电力电子技术发生了革命性的进展。功率元件从70年代的晶闸管（SCR），发展到80年代的双极型晶体管（BJT，也称作GTR），到90年代则主要是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。日本的三菱电机公司已推出2000V/1200A的IGBT，欧洲的eupec公司也推出了3300V/1200A的元件，而1200V/600A的IGBT模块则已大量生产供应；IR以及Fairchild等著名半导体公司生产的IPM模块更为交流调速技术的白色家电（指冰箱、洗衣机和空调器等）以及汽车等领域的应用提供了可能。控制方面也从模拟控制发展到数字控制，从单片机发展到数字信号处理器（DSP）和高级专用集成电路，控制部件功能日益完善，而所需的控制器件和控制器体积日益减小，控制器可靠性日益提高而成本日益降低。例如0.75kW通用变频器的过去的10年间，体积减小到原来的1/10，成本下降了大约40~50%，中小型电机变频调速系统已经发展成熟。据美国《控制工程》报道在1996~2000年间美国用于工厂自动化方面的电动机和传动装置的总费用约45亿美元，其中采用变频器控制三相异步电动机的约占52.8%，且呈逐年上升趋势。无刷电机

近年来，转子采用永磁结构、主电路采用功率器件的无刷直流电机得到了很大的发展，其功率覆盖等级较大。小功率无刷直流电机主要应用于工厂自动化和办公自动化方面，如计算机外设复印机和家用电器中，它正在迅速取代传统的直流电机和异步电机；90年代以来，在高精度的数控设备中相当多的采用了永磁同步无刷电机（交流伺服电机）以取代宽调速的直流伺服电机，特别是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电机的应用相当多。目前全世界机器人的拥有量已经超过100万台，且每年以大于20%的速度增长，这已经成为无刷直流电机的主要应用领域。近年来，采用交流无刷电机代替异步电机作为机床的主轴直接驱动也已成为新的研究和应用热点。大功率无刷直流电机（一般采用晶闸管作为功率器件，习惯上称为无换向器电机）在低速、环境恶劣和有一定调速性能要求的场合有着广泛的应用前景，如钢厂的轧机、水泥窑传动抽水蓄能等。目前国外交流伺服电机已经部分形成系列，如德国Lens公司，而宝钢引进的轧机流水线电气传动基本采用了无换向器电机实现；日本在电动车的应用中也主要采用了无刷直流电机作为驱动电机，并取得了较好的应用效果。第一章绪论§1.1交流调速系统的概况§1.2异步电机的机械特性§1.3异步电机的基本调速方法§1.1交流调速系统概况

一、电气传动系统的发展历程直流传动和交流传动分别在19世纪先后诞生。19世纪80年代以前，直流传动是唯一的电气传动方式19世纪末，交流传动开始在工业生产中得到应用

交流电的产生；三相制交流电输送与配电问题的解决；交流鼠笼式异步电动机的发明；小知识：1834德国雅可比发明直流发动机

1888南斯拉夫裔美国特斯拉发明了交流电动机

1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动。20世纪前半叶生产技术的发展，对电气传动系统在启制动﹑正反转﹑调速精度﹑调速范围和静动态特性方面提出了更高要求应用情况：高性能可逆可调速传动领域都采用直流传动；约占电气传动总容量80%的不变速传动采用交流传动；技术性能：直流传动具有优良的调速性能；交流传动因技术发展的局限性，尽管提出多种技术解决方案，但是性能无法与直流传动相比，难于满足生产要求；§1.1交流调速系统概况20世纪70年代初叶，交流传动技术获得突破性进展直流电机具有电刷换向器，必须进行维护，转速不高，容量小，适用范围有限；席卷全球的石油危机迫使西方工业国家投入大量的人力物力研究高效的交流调速系统技术基础的发展：大规模集成电路﹑计算机控制技术和现代控制理论的发展为交流电气传动的发展创造了前提条件。§1.1交流调速系统概况目前，交流传动有取代直流传动的趋势交流调速在各个公元领域的应用比例正在逐渐增大；世界范围的设计研究重点转向交流调速；技术方法：变频调速﹑矢量控制/磁场定向控制技术﹑直接转矩控制和解耦控制控制技术的发展，形成了一系列可以和直流传动相比的高性能交流调速系统。§1.1交流调速系统概况§1.1交流调速系统概况

二、交流传动系统的应用前景1.节能大多数交流传动装置设计留有相当余量，而且不总在最大负荷下运行，可以在负荷变化时，采用变流技术降压，达到节能的目的；过去大量的不变速交流传动中，风机﹑水泵﹑压缩机等机械总容量占工业电气传动总容量的一半，不少场合不是不需要调速，而是因为过去交流电机本身无法调速，不得不靠挡板和阀门来调节送风量和供水量，白白浪费了大量的电能。如果换成交流调速系统，那么消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机水泵可节能20%。§1.1交流调速系统概况2.特大容量，极高转速直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量和转速的乘积约为106KW.r/min,超过这一数值的直流电机设计制造比较困难,而交流电机无此限制,因此特大容量(厚板轧机﹑矿井卷扬机)和极高转速传动(高速磨床﹑离心机)3.传统直流传动系统的技术改造过去许多工艺上需要调速的生产机械多采用直流传动,鉴于交流电机比直流电机结构简单成本低工作可靠维护简单转动惯量小效率高,因此采用交流传动来改造直流传动,本身就能带来不少经济效益。§1.1交流调速系统概况三、交流传动系统的类型交流电机有同步电机和异步电机两大类1.异步电机调速系统的类型①降压调速;②电磁转差离合器调速;③绕线转子异步电机转子回路串电阻调速;④绕线转子异步电机串级调速;⑤变极对数调速;⑥变压变频调速§1.1交流调速系统概况按照交流异步电机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率可以分为两个部分：拖动负载的有效功率

P2=（1-S）Pm

转差功率Ps=SPm

§1.1交流调速系统概况从转差功率转换的角度来看，可以将异步电机调速系统分为三类：转差功率消耗型调速系统；转差功率回馈型调速系统；转差功率不变型调速系统。类型调速方法特点转差功率消耗型①②③消耗全部功率；效率最低；结构简单；转差功率回馈型④大部分转差功率回馈利用；效率较高；需要回馈装置转差功率不变型⑤⑥转差功率消耗基本不变；效率高§1.1交流调速系统概况2.同步电机调速系统的类型同步电机没有转差，也没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是功率不变型（恒为零），极对数固定，只能靠改变供电电压的频率来改变同步转速不改变同步转速的调速方法转子串电阻；转子斩波调速；改变定子电压；改变转子附加电势；应用电磁转差离合器等方法改变同步转速的调速方法改变定子极对数；改变定子电压频率；应用无换向器电机；§1.1交流调速系统概况四、交流传动系统的类型1﹑交流调速系统的主要发展方向变频调速变频调速是交流调速的主要研究内容，也是最有发展前途的一种交流调速方式，交-直-交变频调速系统（在电压型和电流型基础上，向PWM型变频和多重化技术方向发展）交-交变频调速系统（在低速大容量应用方面有上升的趋势）变频器的电力半导体器件向模块化﹑快速化﹑光控化﹑高电压﹑大电流﹑自关断和高可靠性方向发展；系统向高性能﹑高精度﹑大容量﹑微型化数字化发展。§1.1交流调速系统概况串级调速这是一种利用绕线式异步电机的转差功率（相当于转子附加电势）的一种比较经济的调速方法，我国串级调速技术比较成熟，有系列化产品。双馈电机又称超同步串级调速，绕线式异步电机的定子由电网电源供电，转子由变频器电源供电，可以在同步速度以上运行，不但可以运行在再生制动状态，还可以运行在电动状态。如采用矢量控制性能类同直流调速系统，并可改善系统功率因数，是一种很有前途的调速方式。§1.1交流调速系统概况无换向器电机又称晶体管电动机，它是具有位置检测器由变频器供电的同步电动机系统。采用位置检测器和晶闸管代替了相当于直流电动机的电刷和换向器，无换向器电机的原理﹑启制动和调速特性与直流电机相似。系统采用自控式，频率和转速永远保持同步方式，不会发生失步，完全克服了同步机的缺点，由兼有同步电机功率因数好的特点。有人甚至断言：如果说交流调速将取代直流拖动，那么无换向器电动机将取代其他交流调速方式。§1.1交流调速系统概况高频化技术交流电源的高频化可使交流变频电源的体积小﹑重量轻﹑性能好，并能节省电能。无功补偿和谐波抑制为了保证供电质量，国家对功率因数和谐波极限提出了要求，为了达到这些指标要求必须采取相应的措施：提高自然功率因数或采用无功补偿。以往通常采用移相电容器或同步调相机，最近发展的无功动态补偿是提高功率因数的一个有效途径。对于高次谐波抑制，可将整流器接成Y/△或△/Y型，增加整流器的脉冲次数，加装调谐滤波器§1.1交流调速系统概况2﹑交流调速控制技术的发展①相位控制相位控制主要应用于交-交和交-直-交变频器的整流控制②调压调频技术为了保持恒磁通变频控制（恒转矩控制）原则，要求变压变频控制。③转差频率控制在调速过程中，保持有限的转差频率进行控制，可以获得高效调速方式。在转差率很小时，考虑到转矩，转差频率及转子电流成正比关系，因此可以利用定子电流幅值和静态同步角速度去控制变频器。§1.1交流调速系统概况④脉宽调制控制PWM调制型变频器由于输入功率因数高和输出波形好的特点，近年发展较快。调制方法：如SPWM，准SPWM，DWPWM，矢量角PWM，最佳开关角PWM，电流跟踪型PWM等等。原理上：面积法，图解法，计算法，采样法，优化法，斩波法，角度法，跟踪法和次谐波法等等。脉宽调制以往多用于交直交电压型变频器，最近电流型变频器也开始应用，如电流跟踪型PWM就是一例。⑤矢量控制矢量控制的基本思想是设法模拟直流电机的控制特点对交流电机进行控制，它分为：磁场定向式矢量控制和转差频率式矢量控制。§1.1交流调速系统概况⑥磁场控制磁场轨迹法基本思想是产生接近圆形的旋转磁场，改变旋转磁场的速度，即可调节电动机的转速。异步电机的磁场加速法磁场加速法是防止励磁电流发生电磁暂态现象，对电机定子电流按一定规律进行控制，可以实现直流电机那样的快速响应。⑦直接转矩控制直接转矩控制对电机参数变化不敏感，可获得良好的调速性能，一般PWM是靠提高调制频率来实现高动态，而直接转矩控制是通过转矩和磁通独立跟踪调整来实现PWM高动态，逆变器成本低，效率高。§1.1交流调速系统概况五、交流传动系统存在的主要问题由半导体功率变换器组成的整流器逆变器斩波器以及交直交变频器交交变频器等装置在交流调速领域中得以广泛应用，但是，目前还存在以下问题：高次谐波的影响①使电动机产生附加损耗，温升增加，电动机出力受到限制；②使电动机产生转矩脉动，在低速稳定运行时影响较大，当脉动频率较低，接近机械系统固有频率时，容易产生机械共振；③电动机和电器噪声增大，对无线电通信干扰增大。瞬时停电措施电源供电系统因雷击或其他原因发生接地故障时，将发生紊乱。从事故发生到瞬时事故消除或通过继电器切断事故回路，这段时间一般在1秒以内，如果变频装置没有瞬时停电措施，会产生过流或过压，在恢复供电时可能造成逆变器换流失败。功率因数变坏半导体功率转换装置采用相位控制，使它们的功率因数变坏，对供电电源质量带来不利的影响。异步电机在晶闸管电力变流器供电时运行的功率因数有时比它在正弦波电源供电下运行的功率因数低8%。§1.2

、变频器概述三相交流异步电机的结构简单、坚固、运行可靠、价格低廉，在冶金、建材、矿山、化工等重工业领域发挥着巨大作用。人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。如果实现交流调速，每台电机将节能20%以上，而且在恒转矩条件下，能降低轴上的输出功率，既提高了电机效率，又可获得节能效果。异步电机调速系统的种类很多，但是效率很高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无级调速。变频器可把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电。随着电力电子技术的发展，出现了高耐压、大功率、具有自关断的全控型电力电子器件，它具有驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电路中可极大提高变频的性能。脉宽调制（PWM)变频就是把通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频中，可使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。采用全数字微机控制技术，使变频器减小了体积、降低了成本、提高了效率、增强了功能。以上三种技术的应用，使电机基本能够平稳运行、无噪声、无抖动。交流变频调速已成为电气调速传动的主流。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱等家电中。一、变频器概述（一）变频器的功用变频器的功用是将频率固定(通常为工频50HZ)的交流点(三相的或单相的)交换成频率连续可调的三相交流电源。如下图2.1所示，变频器的输入端(R,S,T)接至频率固定的三相交流电源，输出端(U,V,W)输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。VVVF(VariationVoltageVariationFrequency)频率可变、电压可变。变频器概述（二）变频器主要功能一、软启动马达二、调频调压调电流三、空（轻）载时能在维持转速的时候减少电流（节能）变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节能效果明显！（三）变频器的核心是电力电子器件及控制方式1.电力电子器件的发展20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器件，以晶闸管元件为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。80年代中期以后采用第二代电力电子器件GTR.GTO,VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速装置(1-1000kw)主要采用IGBT，大功率的变频调速装置(1000-10000kW)采用GTO器件。20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，如高压IGBT,IGCT,IEGT,SGCT、智能功率模块IPM等。2.控制方式变频器用不同的控制方式，得到的调速性能、特性及用途是不同的。控制方式大体分为开环控制及闭环控制。开环控制有U/f电压与频率成正比的控制方式闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。现在矢量控制可以实现与直流机电枢电流控制相媲美，直接转矩控制直接取交流电动机参数进行控制，其方便准确精度高。二、变频器基本原理（一）变频调速的构成要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。现代的变频器都是由大功率电子器件构成的。相对于旋转变频机组，被称为静止式变频装置，是构成变频调速系统的中心环节。一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路3大部分组成，静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对象—感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担。（二）变频调速的基本要求为了充分利用铁心材料，在设计电动机时，总是让电动机在额定频率和额定电压下工作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此，在电动机调速时，希望保持每极磁通量为额定值不变。如果过分增大磁通又会使铁心过分饱和，从而导致励磁电流急剧增加，绕组过分发热，功率因数降低，严重时甚至会因绕组过热而损坏电动机。故而希望在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速，这样，调速时才能保持电动机的最大转矩不变。

变频器的分类有六种方式：按变流环节分类，按直流电路的滤波方式分类，按电压的调制方式分类，按控制方式分类，按输入电流的相数分类，按用途分类。一、按变流环节分类1.交-直-交变频器（间接型）

变频器的类型1）用可控整流器调压、用逆变器调频此装置的调压和调频在两个环节上分别进行。但输入环节采用晶闸管可控整流，电网端功率因数低，而输出环节采用晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。2）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频该装置的输入环节采用不可控整流器，只整流不调压，再增设斩波器进行脉宽调压。输入功率因数高，但输出逆变环节谐波仍较大。3）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频这类装置的输入用不可控整流器，输入功率因数高；用PWM逆变，则输出谐波可以减少。输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称之为正弦脉宽调制逆变器。变频器的类型2.交-交变频器交-交变频器是把工频交流电直接变换成不同频率交流电的过程，它不通过中间直流环节，故又称为直接变频器或周波变换器。因为没有中间环节，仅用一次变换就实现了变频，效率较高。主要构成环节如下图所示。变频器的类型二、按直流电路的滤波方式分类1.电压型

当直流环节采用大电容滤波时，电压波形比较平直，相当于一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形或阶梯波，这类变频装置叫电压型变频器。变频器的类型2.电流型当中间直流环节采用大电感滤波时，电流波形较平直，因而电源内阻抗大，输出是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流型变频器。变频器的类型3.电压型和电流型变频器比较1）无功能量的缓冲不同变频器带感性负载时，无功能量只能靠直流环节中滤波器的储能元件来缓冲。电压型变频器用电容储能，而电流型变频器用电感储能。2）调速时的动态响应电流型变频器的直流电压可迅速改变，所以由它供电的调速系统动态响应比较快，而电压型供电的系统动态响应慢。3）适用范围电压型变频器适用于多台电动机同步运行时的供电电源而不要求快速加减速的场合。电流型变频器由于滤波电感的作用，对负载变化的反应迟缓，适合于单电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。4）回馈制动电流型变频调速系统易实现回馈制动，电压型变频调速系统要实现回馈制动却比较困难，因中间环节大电容的电压极性不能反向，原装置无法实现回馈制动。变频器的类型三、按电压的调制方式分类脉幅调制（PAM）PAM变频器是一种通过改变电压源Ud

或电流源Id的幅值进行输出控制的。逆变部分只控制频率，整流部分只控制电压或电流。脉幅调制（PWM）PWM变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。变频器的类型四、按控制方式分类U/f控制

压频比控制。

特点是对变频器输出的电压和频率同时控制，通过保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性。2.矢量控制（VC）

将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。3.直接转矩控制

通过控制电机的瞬间输入电压来控制电动机定子磁链的瞬时旋转速度，改变它对转子的瞬时转差率，从而达到直接控制电动机输出的目的。变频器的类型五、按输入电流的相数分类三进三出

变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。绝大数变频器属于此类。单进三出

变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电。家用电器里的变频器属于此类。变频器的类型六、按用途分类1.通用变频器

发展方向：低成本的简易型通用变频器。

高性能的多功能通用变频器。特点：

简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而简化了一些系统功能的通用变频器。

它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统调速性能要求不高的场合，并具有体积小、价格低等方面的优势。

变频器的类型2.专用变频器高性能专用变频器高频变频器高压变频器变频器的类型台安变频器台安变频器外形台达变频器变频器外形变频器外形汇菱变频器变频器外形东元变频器英威腾变频器士林变频器二、外形ABB变频器（瑞士）ABB变频器（瑞士）富士变频器（日本）富士变频器G11系列富士变频器GP11系列西门子变频器（德国）MICROMASTER440系列西门子变频器（德国）G110系列西门子变频器（德国）三菱变频器（日本）FR-S500E系列FR-E500系列变频器外形三菱变频器（日本）FR-A700系列变频器外形施耐德变频器ATV11系列灵巧型ATV21系列HVAC专用变频器外形施耐德变频器ATV31系列精巧型ATV61系列节能型变频器外形施耐德变频器ATV78系列大容量ATV71系列高性能变频器外形台安变频器AB（罗克韦尔）变频器(美国)变频器外形安川变频器（日本）G7系列F7系列J7系列变频器外形森兰变频器SB40系列高性能通用型SB80系列矢量控制型变频器外形森兰变频器SB60系列全能王SB12系列风机/水泵专用变频器外形森兰变