变频器应用技术（高职）全套教学课件

全套可编辑PPT课件项目引入

变频器是利用电力半导体的通断作用，将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电能控制装置。变频器的问世，在电气传动领域掀起了一场技术革命，最终使交流调速取代直流调速，成为了电气传动领域的主流调速方式。变频器主要应用在节能、工业自动化及工艺控制等领域，是公认的最理想、最有发展前景的调速装置之一。近年来，变频空调、变频冰箱已逐渐走入成千上万普通百姓的生活中，人们对“变频”的直接印象是节能。那么，为什么采用变频技术的空调和冰箱会更节能呢？项目目标了解变频器的分类方法及类型了解变频器的应用了解三菱变频器的型号及命名规则掌握三菱变频器FR－PA02的操作方法掌握变频调速的基本原理掌握变频器的主电路及其工作原理了解变频器常用的开关器件5

任务一认识变频器任务导入20世纪70年代以前，电动机的基本运行方式还是转速不变的定速拖动。之后随着工业化进程的不断发展，对传动方式也提出了可调速拖动的更高要求。人们通过大量的理论研究和实验逐渐认识到，对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖动系统具备非常优秀的控制性能，而且在许多生产场合中还具有非常显著的节能效果。得益于此，交流变频调速技术得到了快速发展和广泛应用。因此，我们对变频器的认识也显得尤为必要。相关知识

直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，至今均有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动方式。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统主要采用交流电动机（包括异步电动机和同步电动机）拖动，而需要进行调速控制的拖动系统则主要采用直流电动机。一变频器的发展可由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点。①需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短。②由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境。③结构复杂，造价昂贵，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。与直流电动机相比，交流电动机成功克服了以上缺点。因此，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面做了大量的研发工作。课堂讨论异步电动机诞生于19世纪80年代，由异步电动机的基本原理可知，改变定子侧的电流频率就可以调节电动机的转速，但将这一梦想从理论变为现实却经历了整整一个世纪，你知道是什么原因吗？如何得到可单独向异步电动机供电的经济可靠的变频装置，一直是交流变频调速研究的主要课题。从目前已普及的“交－直－交”变频器的结构分析，由交流变直流的整流技术早已实现，而由直流逆变为交流的逆变过程则需要不同组合的开关长时间频繁地交替接通和关断，这就要求控制接通和关断的方法必须十分方便，而这些开关还要能够承受足够大的电压和电流。基本满足这些条件的电力晶体管（GTR）直至20世纪70年代才开发成功。20世纪80年代，人们又进一步开发成功了绝缘栅双极晶体管（IGBT），使变频技术又向前迈进了一步。此后，随着电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展，电力半导体器件和微处理器性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展。随着各种复杂控制技术在变频器上的应用，使变频器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。如今，变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断发展。目前，中国市场上的变频器主要有如下品牌。欧美品牌西门子、科比、伦茨、施耐德、ABB、丹佛斯、罗克韦尔（ROCKWELL）、伟肯（VACON）、AB、西威等。日本品牌富士、三菱、安川、三垦、日立、欧姆龙等。国产品牌安邦信、佳灵、森兰、英威腾、汇川、风光、科姆龙、惠丰等。港台品牌台达、普传、台安、东元、美高等。韩国品牌LG、现代、三星、收获等。二变频器的分类1按变频原理分类变频器根据变频原理的不同，可分为交－交变频器和交－直－交变频器两种。1）交－交变频器交－交变频器可将频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换效率高，故又被称为直接变频器。但其连续可调的频率范围窄，所采用的器件多，体积庞大，使其应用受到很大限制，通常用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。交－交变频器原理如图1-1所示。（a）电路原理

（b）方波型平均输出电压波形图1-1交－交变频器原理2）交－直－交变频器交－直－交变频器先将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率和电压连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此交－直－交变频器在频率的调节范围及变频后电动机特性改善等方面，都具有明显优势，是目前使用最多的变频器类型。交－直－交变频器的内部结构如图1-2所示，如图1-3所示为交－直－交波形变换示意图。图1-2交－直－交变频器的内部结构图1-3交－直－交波形变换示意图2按直流滤波方式分类交－直－交变频器根据其中间直流环节滤波方式的不同，又可分为电压型变频器和电流型变频器两种。1）电压型变频器电压型变频器在将交流电整流后，采用电容来滤波，可使加在负载两端的电压不受负载变动的影响而基本保持恒定，其特性相当于电压源，因此被称为电压型变频器。现在使用的变频器大部分为此类，其原理框图如图1-4所示。图1-4电压型变频器原理框图

2）电流型变频器电流型变频器在将交流电整流后，采用电感来滤波，使其直流回路中的电流波形趋于平稳，滤波后加在逆变器上的电流值不受负载变化的影响而基本保持不变，其特性相当于电流源，因此本称为电流型变频器。此类变频器较为少见，其原理框图如图1-5所示。图1-5电流型变频器原理框图3按输出电压调制方式分类交－直－交变频器根据其输出电压调制方式的不同，可分为脉幅调制（PAM）变频器和脉宽调制（PWM）变频器两种。1）脉幅调制（PAM）变频器脉幅调制变频器是在整流电路部分对输出电压的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出电压的频率进行控制。由于脉幅调制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，其控制电路比较复杂，且还有当电动机进行低速运转时波动较大等缺陷，故此类调制方法现已很少采用。2）脉宽调制（PWM）变频器

脉宽调制变频器是在逆变电路部分同时对输出电压的幅值和频率进行控制，输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来实现。目前使用最多的是占空比按正弦规律变化的正弦波脉宽调制，即SPWM方式。资料卡

占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。4按变频器的控制方式分类变频器作为控制装置，需要对其输出的交流电压和频率进行优化控制，才能保证电动机良好的运行特性。变频器根据控制方式的不同，可分为U/f

控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器等类型。1）U/f控制变频器

U/f控制变频器可对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使U/f的值保持恒定而得到电动机所需的转矩特性。U/f控制变频器的控制电路比较简单，成本较低，通用性强，因此性价比相对较高，多用于对精度要求不高的场合。2）转差频率控制变频器转差频率控制是对

控制的一种改进，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由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于转差频率控制变频器通过控制转差频率来控制转矩和电流，其加减速特性和限制过电流的能力得到了提高。3）矢量控制变频器矢量控制变频器的基本原理是通过坐标转换等手段，将电动机的定子电流分为产生磁场的励磁电流分量和与其垂直的产生转矩的转矩电流分量，并分别对其加以控制。由于此类控制方式必须同时控制电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此被称为矢量控制。矢量控制方式使交流异步电动机的机械特性及动态性能可以和直流电动机相媲美，具有很好的应用前景。4）直接转矩控制变频器直接转矩控制（DirectTorqueControl，简称DTC）变频器是把转矩直接作为控制量来控制。直接转矩控制的优越性在于：无需通过控制定子磁链来控制转矩，在本质上并不需要转速信息；在控制上，对除定子以外的所有电动机参数变化，都有良好的鲁棒性；所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地实现无速度传感器化变频控制。知识加油站鲁棒（Robust，音译）就是健壮和强壮的意思，它是在异常和危险情况下系统生存的关键。控制系统的鲁棒性是指控制系统在某种类型的扰动作用下，系统某个性能指标保持不变的能力，即抗干扰能力。5按变频器的用途分类根据用途的不同，变频器可分为通用变频器和专用变频器。1）通用变频器一般将应用范围较广、大多数场合都可以使用的变频器称为通用变频器。在过去，通用变频器基本上采用简单的U/f控制方式。随着变频器技术的发展，大部分变频器厂家已在原来变频器U/f

控制方式的基础上增加了矢量控制方式，用户可以根据实际需要来自行选择采用U/f

控制方式还是矢量控制方式。通用变频器通常都可以和标准电动机结合使用，目前市场上大多数变频器都属于通用变频器。2）专用变频器专用变频器是在通用变频器的基础上，根据拖动负载的特性而增加了一些特殊功能，以及针对控制方式进行了一系列专门的优化，以此形成了专门适用于特殊场合的变频器。例如，针对电厂大功率电动机设计的高压变频器，其最高功率可达5000kW；针对超精密机械加工中常用的高速电动机设计的高频变频器，其输出主频率通常可达3kHz。专用变频器的驱动对象通常是变频器厂家指定的、特殊场合下的专用电动机。三变频器的应用利用变频器进行交流变频调速具有优异的调速和启、制动性能，以及高效率、高功率因数和明显的节能特性，已在社会生产的各领域中得到了广泛应用，主要体现在以下几个方面。1节能方面如图1-6所示为变频器在锅炉风机节能改造上的应用示意图。传统的风机、泵类电动机采用挡板和阀门进行流量调节，电动机转速基本不变，耗电功率变化不大；而采用变频调速后，其节电率可达20%～60%。这是因为风机、泵类电动机的实际耗电功率基本与转速的3次方成正比，当用户需要的平均流量较小时，风机、泵类采用变频调速使其转速降低，节能效果非常可观。图1-6变频器在锅炉风机节能改造上的应用据统计，风机、泵类电动机用电量占全国用电量的31%，占工业用电量的50%。在此类负载上使用变频调速装置具有非常重要的意义。以节能为目的的变频器的应用，在近几十年来发展非常迅速。据有关方面统计，我国已经进行变频改造的风机、泵类负载的容量占总容量的5%以上，年节电约4×1010kW·h。由于风机、泵类负载在采用变频调速后可以节省大量的电能，所需的投资在较短的时间内就可以收回，因此变频器在这一领域的应用最广泛。目前，应用较成功的有恒压供水（见图1-7）、各类风机（见图1-8）、中央空调和液压泵的变频调速等领域。图1-7变频器在恒压、恒液位供水系统的应用图1-8风机变频柜2工业自动化方面随着控制技术的发展，变频器除了具有基本的调速控制之外，还具备了多种算术运算和智能控制功能，可使输出频率的控制精度高达0.1%～0.01%；变频器还具有完善的检测、保护功能，因此在自动化控制系统中得到了广泛的应用。例如，化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制系统等。3工艺控制方面变频器还广泛地应用于传送、起重、挤压和机床等各种机械设备的控制领域，可用来提高工艺水平和产品质量，减少设备冲击和噪声，延长设备使用寿命。采用变频器控制后，可以使机械设备简化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改变原有工艺规范，从而提高整个设备的性能。变频器在干法造纸生产系统、涂装输送系统、保温棉生产线上的应用分别如图1-9、图1-10和图1-11所示。图1-9变频器在干法造纸生产系统中的应用图1-10变频器在涂装输送系统中的应用图1-11变频器在保温棉生产线上的应用任务实施一、列举变频器应用实例列举你所了解到的或生活中碰到的变频器应用实例，完成表1-1。表1-1变频器应用实例变频器类型应用场合特点二、认识变频器实物教师给出若干不同类型的变频器实物（或图片）；由学生观察其外观结构，了解变频器的品牌、主要功能及应用场合，对变频器进行分类后将相关信息填入表1-2。表1-2变频器实物分类表品牌功能变频器类型应用场合任务总结变频技术主要用于交流电动机调速系统，它终结了电动机机械调速时代，通过改变三相交流电动机输入电源电压的频率直接对电动机实施无级调速。它的应用有助于现有工艺的改进、产品质量的改观、新技术的研发以及控制能源消耗等。目前我国应用变频器的领域相当广泛，除了轻工业领域，化工、纺织塑料等领域也有应用。变频技术的根本任务是提高机械自动化水平，即致力于产品质量的改善和产量的增加。除此之外，家电工业领域也实现了变频技术的应用，变频冰箱、变频空调等家电项目纷纷推出，初步实现了家电产品的智能化控制。35

任务二掌握变频器的面板操作及运行方法任务导入控制面板是执行变频器调试、运行操作的重要部件。不同型号、不同功能的变频器，其操作面板也有所不同，本任务以三菱FR－PA02操作面板为例，来介绍变频器各功能键的操作方法。在实际应用中，要使变频器工作、电动机旋转，需要连接变频器主电路，输入给定频率，给出变频器的运行信号。相关知识

三菱变频器常见型号有矢量重负载型、风机水泵型、经济通用型和简易型4种类型，各型的基本特性如下。一三菱变频器的型号及命名规则1三菱变频器的型号1）矢量重负载型（FR－A740系列）功率范围：0.4～500kW。闭环时可进行高精度的转矩/速度/位置控制。无传感器矢量控制，可实现转矩/速度控制。内置PLC功能（特殊型号）。使用长寿命元器件，内置EMC滤波器。强大的网络通信功能，支持DeviceNet、Profibus－DP、Modbus等协议。2）风机水泵型（FR－F740系列）功率范围：0.75～630kW。简易磁通矢量控制方式，输出频率为3Hz时输出转矩为120%。采用最佳励磁控制方式，实现更高节能运行。内置PID功能，可以实现变频/工频运行切换和多泵循环运行功能。内置独立的RS485通信口。使用长寿命元器件。内置噪声滤波器（75kW以上）。带有节能监控功能，节能效果一目了然。3）经济通用型（FR－E740系列）功率范围：0.1～15kW。先进磁通矢量控制，输出频率为0.5Hz时输出转矩为200%。扩充PID（比例－积分－微分控制），柔性PWM。内置Modbus－RTU协议。停止精度提高。加选件卡FR－A7NC，可以支持CC－Link通讯。加选件卡FR－A7NL，可以支持LonWorks通讯。加选件卡FR－A7ND，可以支持DeveiceNet通讯。加选件卡FR－A7NP，可以支持Profibus－DP通讯。4）简易型（FR－D740系列）功率范围：0.4～7.5kW。通用磁通矢量控制，输出频率为1Hz时输出转矩为150%。采用长寿命元器件。内置Modbus－RTU协议。内置制动晶体管。扩充PID、三角波功能。带安全停止功能。三菱变频器的型号命名规则如图1-12所示。2三菱变频器的型号命名规则图1-12三菱变频器的型号命名规则知识加油站

变频器按额定电压的电压等级可分为高压变频器、中压变频器和低压变频器，其中3kV、6kV、10kV的变频器属于高压变频器；660V、1140V的变频器属于中压变频器；220V、380V的变频器属于低压变频器。目前市场是主流的变频器电压等级有单相220V（200V级），或三相380V（400V级）、450～500V、660～690V、6kV、10kV。变频器的容量即视在功率，是变频器有功功率和无功功率的总和，单位kVA。此外，变频器的技术指标还包括输入/输出电压、输入/输出电流、频率调节范围等。二三菱变频器的操作面板三菱变频器主要有540系列和740系列两个系列的产品，其中740系列是从540系列升级而来的，故740系列与540系列变频器的接线端子、功能及参数大多数是相同的，掌握540系列变频器的使用后，参照740系列变频器的不同点，就可快速学会使用740系列变频器。1操作面板结构三菱变频器的操作面板有FR－DU04、FR－DU07、FR－PA02－02以及FR－PA07等型号，各型操作面板分别适用于不同型号的变频器，本任务以FR－E540型变频器为例，介绍变频器操作面板的操作。FR－E540型变频器采用FR－PA02－02型面板，其结构如图1-13所示。通过操作面板FR－PA02－02可对变频器进行运行频率的设定、运行指令的监视、运行参数的设定以及错误信息的显示等操作。图1-13FR－PA02－02操作面板操作面板FR－PA02－02的按键说明和单位及运行状态的表示分别如表1-3、表1-4所示。2按键和显示功能表1-3操作面板FR－PA02的按键说明按键说明键

正转运行指令键键

用于选择操作模式或设定模式键

用于确定频率和参数的设定键

①用于连续增加或除低运行频率，按下这个键可改变频率

②在“设定”模式中按下此键，则可连续设定参数键

用于给出正转指令键

用于给出反转指令键

①用于停止运行

②用于保护功能动作输出停止时复位变频器表1-4操作面板FR－PA02的单位单位及运行状态的表示表示说明Hz①表示频率时灯亮②参数Pr.52“操作面板/PU主显示数据选择”设置为“100”时，有闪烁/亮灯的动作A

表示电流时灯亮RUN

变频器运行时灯亮（正转时灯亮、反转时闪烁）MON

“监视/显示”模式时灯亮PU

“PU操作”模式时灯亮EXT

“外部操作”模式时灯亮任务实施一、观察变频器铭牌认真观察并记录变频器铭牌上的有关信息，如图1-14所示。包括品牌型号、出厂编号、变频器容量、输入/输出电压、输入/输出电流、频率调节范围等。图1-14变频器铭牌二、拆、装变频器操作面板和盖板以变频器FR－E540为例，练习变频器操作面板和盖板的拆、装操作，具体步骤如下。①按照图1-15所示的方法拆开变频器前盖板，认识FR－E540变频器的所有接线端子的含义，具体如图1-16～图1-18所示。然后按照图1-15和图1-19所示的方法反复练习前盖板和接线盖板的拆、装。图1-15前盖拆卸图1-16变频器接线端子的含义图1-17主回路接线端子排列图图1-18控制回路接线端子排列图图1-19接线盖板的拆卸与安装

②按照图1-20～图1-24所示反复练习操作面板的拆卸与安装，如图1-25所示为变频器FR－E540的部件展开图。图1-20辅助盖板的拆卸图1-21辅助盖板的安装图1-22操作面板的拆卸图1-23操作面板的安装图1-24操作面板表面盖板的拆卸图1-25变频器FR－E540的部件展开图图1-26变频器的主接线图三、变频器的试运行以FR－PA02－02操作面板为例，认识操作面板上各按键的功能和指示灯所代表的状态，完成以下操作。1．连接变频器按照如图1-26所示的方法，连接好变频器。注意电源线必须接L1、L2、L3，绝对不能接U、V、W，否则会烧坏变频器。图1-27合上电源后变频器操作面板显示图接通电源，练习操作面板不同模式下功能键的使用，具体方法如下。2．设置操作面板的模式1）“监视”模式接通电源后，操作面板的LED显示屏显示“0.00”，同时“MON”“PUEXT”“Hz”三个指示灯点亮，如图1-27所示。图1-28“监视”模式内部功能切换示意图“监视”模式用于监视变频器运行过程中输出电压、输出电流、输出频率等参数。如监视频率时，LED显示屏显示频率的值，“Hz”指示灯亮。在该模式下，连续按动【SET】键，LED显示屏内容可在频率、电流、电压之间切换，相应的指示灯也会发亮，如图1-28所示。图1-29五种工作模式的切换方法三菱变频器的运行模式除了“监视”模式外，还有“频率设定”模式、“参数设定”模式、“运行”模式和“帮助”模式。连续按动【MODE】键，可在5种模式之间进行切换，如图1-29所示。2）

“参数设定”模式按【MODE】键，使变频器处于“参数设定”模式，此时LED数码显示屏显示“P0000”。要设置其他参数，必须使变频器处于“PU操作”模式，“Pr.79”应先设定为“1”，这样才能对其他参数进行正确的设定。其余参数可以使用默认值，也可另行设定。参数设定后，再根据运行模式，设置变频装置的操作模式。贴心服务窗图1-30参数模式的设定方法将参数号Pr.79（运行模式选择）设定值从“2”（“外部操作”模式）变更到“1”（“PU操作”模式），设定操作步骤如图1-30所示。3）

“运行”模式“运行”模式（也叫“操作”模式）用来确定给定频率和电动机启动信号是由外部给定还是由操作面板的键盘给定。变频器的“运行”模式包括外部运行（外部操作）、PU运行（PU操作）、PU点动运行（PU点动操作）3种运行方式，各运行方式之间的切换操作示意图如图1-31所示。图1-31“运行模式”在3种运行方式之间的切换操作示意图4）

“频率设定”模式“频率设定”模式是在“PU操作”模式的前提下，通过操作面板键盘进行变频器运行频率的设定，运行频率的设定必须要在“频率设定”模式下进行，将运行频率从60Hz改为50Hz的操作步骤如图1-32所示。图1-32运行频率设定操作示意图5）

“帮助”模式在“帮助”模式下用【▲/▼】键可以在“显示报警记录”“清除报警记录”“清除参数”“全部清除”“读软件版本号”5个功能之间进行切换，如图1-33所示。图1-33“帮助”模式下的操作示意图①报警记录显示操作。用【▲/▼】键能显示最近的4次报警（带有“.”的表示最近的报警）。当没有报警存在时，显示“E.__0”，具体操作如图1-34所示。图1-34报警记录显示操作示意图②报警记录清除操作，方法如图1-35所示。图1-35报警记录清除操作示意图③参数清除操作。参数清除操作用于将所有参数初始化到出厂值。变频器在出厂时，所有的参数均有一个出厂设定值，用户在使用时，根据需要可以在参数设定的允许范围内改变出厂值，在进行参数清除操作后，其参数又初始化到出厂值。参数清除操作方法如图1-36所示。图1-34报警记录显示操作示意图④全部清除操作。全部清除操作用于将所有参数和校准值全部初始化到出厂值。注意这里的“全部清除”就是将参数值和校准值全部初始化到出厂设定值，而并非全部清为“0”。此外，以上所有的清除操作均应在“PU操作”模式下才可进行。四、运行控制实施1．全部清除为了调试能够顺利进行，在开始设置参数前要进行一次“全部清除”操作，具体步骤如下。①

按【MODE】键至“运行”模式，按【▲/▼】键选择“PU操作”模式。②

按【MODE】键至“帮助”模式。③

按【▲/▼】键至“ALLC”。④

按【SET】键，按【▲】键至LED显示屏显示“1”。⑤长按【SET】键至LED显示屏显示在“1”和“ALLC”之间闪烁。2．点动①

按【MODE】键，在“参数设定”模式下，设Pr.791。②

预置Pr.1510Hz。③

按【MODE】键，在显示屏显示为“PU”时，按【▲】键切换到“点动”模式，此时LED显示屏显示“JOG”。④

按【FWD】键正转点动运行，按【REV】键反转点动运行。3．设定频率运行①

按【MODE】键，在“参数设定”模式下，设Pr.791，这时，“PU”灯亮。②

按【MODE】键，在“频率设定”模式下，设F40Hz，按【SET】键写入设定频率。③

按【MODE】键，选择“监视”模式。④

按【FWD】或【REV】键，电动机正转或反转，监视各输出量，按【STOP】键，电动机停止。⑤

按【MODE】键，在“参数设定”模式下，设定变频器的有关参数，具体为Pr.1=50Hz Pr.2=0Hz Pr.3=50Hz Pr.7=5s Pr.8=5s。⑥

分别设变频器的运行频率为35Hz、45Hz和50Hz，运行变频器，观察电动机的运行情况。任务总结变频器运行的PU操作，可使变频器不需要控制端子的接线，完全通过操作面板上的按键来控制各类生产机械的运行，如加工中心机床上的前进后退、上升下降、进刀回刀等。PU操作是变频器使用最多的操作方式，因此，掌握好这种操作方法是学习变频器使用的关键所在。变频器在正式投入运行前应试运行。试运行可选择以较低频率点动运行，此时电动机应旋转平稳，无不正常的振动和噪声，能够平稳地增速和减速。72

任务三认识变频器的主电路及开关器件任务导入随着工、农业生产对调速性能要求的不断提高和电力电子、微电子及计算机控制等技术的迅速发展，变频调速技术得到长足的进步。变频调速是通过变频器来实现的，它是如何实现的呢？相关知识一变频调速的基本原理1交流异步电动机调速的基本方法由异步电动机的转速公式

（1-1）式中，n

——电动机的转速（r/min）；

n1

——旋转磁场的转速；f1

——交流电频率（Hz）；

s

——异步电动机的转差率；

p

——磁极对数。可知，异步电动机有下列3种基本调速方法。①通过改变定子极对数

p来调速。②通过改变电源频率

f1来调速。③通过改变转差率s

来调速。其中，改变电源频率调速即为变频调速，由于其具有调速范围宽、平滑性好、机械特性较硬等优点，已成为近代交流调速发展的主要方向之一。2变频调速的结构框图交流变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过同时改变交流异步电动机定子绕组的供电频率和电源电压，以达到调节电动机转速的目的。变频器的基本原理框图如图1-37所示，它与外界的联系基本上由主电路和控制电路两部分来实现。图1-37变频器的基本原理框图变频器实际应用中使用最多的是交－直－交结构的变频器，该类变频器的主电路主要由整流电路、制动电路和逆变电路3部分组成，如图1-38所示。图1-38交－直－交变频器的主电路二变频器的主电路1整流电路图1-38所示的整流电路中，由VD1~VD6

组成三相整流桥，它们将三相380V工频交流电整流成直流。此外，整流电路中还包含了滤波电路和限流电路。1）滤波电路整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。图1-38中的滤波电容CF1

和CF2

的主要作用就是对整流电压进行滤波，另外，它在整流器与逆变器之间还起到了去耦作用，以消除两者之间的相互干扰。知识加油站滤波电容是大容量电容器，可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响而基本保持恒定，通常称这样的变频器为电压型变频器。电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机绕组感性负载滤波后接近于正弦波。如果将滤波电路的元件改为电感，就可使加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载影响，通常称这样的变频器为电流型变频器。电流型变频器逆变电流波形为方波，而电压的波形经电动机绕组感性负载的滤波后接近于正弦波。2）限流电路在电压型变频器的二极管整流电路中，由于在接通电源时，滤波电容的充电电流很大，该电流过大时能使三相整流桥损坏，还可能形成对电网的干扰，影响同一电源系统的其他装置正常工作。为了限制滤波电容的充电电流，在变频器开始接通电源的一段时间内，开关SL断开，电路串入限流电阻RL

，当滤波电容充电到一定程度时将SL

闭合，使RL

短接。制动电路又称能耗电路，包括制动电阻RB

和制动控制管VTB

。2制动电路1）制动电阻RB

电动机在降速时处于再生制动状态，回馈到直流电路中的能量将使电压UD不断上升，可能导致危险。因此需要将这部分能量消耗掉，使UD保持在允许的范围内，制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。2）制动控制管VTB

制动控制管一般由功率晶体管GTR（或IGBT）及采样、比较和驱动电路构成，其作用是控制流经RB的放电电流。逆变器的基本作用是将直流变成交流，是变频器的核心部分。它一般由逆变桥和续流电路组成。3逆变电路1）逆变桥在图1-40中，由

组成三相逆变桥，

工作在开关状态。

导通时相当于开关接通，

截止时相当于开关断开。

交替通断，将整流后的直流电压变成交流电压。2）续流电路续流电路由反向并联在6个逆变管上的6个续流二极管

组成。续流二极管主要有以下功能。①由于电动机是一种感性负载，在导通的桥臂开关管关断时，电流不可能降为零，此时由与其并联的二极管进行续流，将其能量返回直流电源。②当电机降速时，电动机处于再生制动状态，

为再生电流返回直流电源提供通道。续流二极管的作用原理如图1-39所示。图1-39续流二极管的作用原理视野拓展1．单相逆变模型的工作原理单相逆变是逆变电路最基本的工作原理，是通过改变两组开关切换的频率来改变输出交流电频率的。单相逆变模型的工作原理如图1-40所示，S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。当S1、S3同时导通时，U1电压为正；当S2、S4同时导通时，U1电压为负。由于开关S1、S3和S2、S4依次交替通断，从而将直流电压Ed逆变成了交流电压U1。图1-40单相逆变模型的工作原理

逆变器的主要功能如下。①通过改变开关管导通的时间来改变输出电压的频率。②通过改变开关管导通的顺序来改变输出电压的相序。2．三相逆变模型的工作原理三相逆变模型的工作原理如图1-41所示。电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式是180°导通方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一组上下两个桥臂的2个逆变管交替导电，6个逆变管每隔60°触发导通一次，相邻两相的逆变管触发导通时间互差120°，一个周期共换相6次，对应6个不同的工作状态。在一个周期内，6个逆变管触发导通的次序为S1→S2→S3→S4→S5→S6，依次相隔60°，以保证在任意时刻均有3个逆变管同时导通，其组合顺序为S1S2S3，S2S3S4，S3S4S5，S4S5S6，S5S6S1，S6S1S2，每种组合工作60°。当S1S2S3导通时，UUV=0

，UVW=Ed

，UVU=−Ed

。同理，可以分析出其他5个工作状态。图1-41三相逆变模型的工作原理从上述分析可以看出，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，交流电的幅值可通过调节Ed的大小来实现。

电力半导体器件是变频器的核心元件。目前，变频器中常用的逆变管有可关断晶闸管（GTO）、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和智能功率模块（IPM）等形式。三变频器常用的开关器件可关断晶闸管的电气符号、原理及常见形状如图1-42所示。可关断晶闸管的优点是电压、电流容量较大，目前其工作电压可达到6000V，电流可达到6000A，多应用于大功率高压变频器；其缺点是驱动功率大，驱动电路复杂，关断控制易失败，工作频率不够高，一般在10kHz以下。1可关断晶闸管图1-42可关断晶闸管的电气符号、原理及常见形状电力场效应管的结构原理如图1-43所示。电力场效应管属于电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单；开关速度快，开关频率可达500kHz以上。电力场效应管的缺点是电流容量小，耐压低。2电力场效应管图1-43电力场效应管的结构原理绝缘栅双极晶体管常见的形状及原理如图1-44所示。绝缘栅双极晶体管的输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达20kHz以上；其通态压降比电力场效应管低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比电力场效应管高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。目前在中小容量变频器电路中，IGBT的应用处于绝对优势。3绝缘栅双极晶体管图1-44绝缘栅双极晶体管常见的形状及原理智能功率模块（IPM）的结构包括三相全波整流和6～7个IGBT单元，即将变频器的主回路全部封装在一个模块内，在中小功率变频器上（15kW以下）均使用IPM模块。智能功率模块内部结构如图1-45所示，智能功率模块是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路集成在同一个模块内。这种功率集成模块特别适应逆变器高频化发展方向的需要，而且由于高度集成化，结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系列技术难题。智能功率模块的主要特点如下。4智能功率模块图1-45智能功率模块内部结构框图①IPM内含驱动电路，可以按最佳的IGBT驱动条件进行设定。②IPM内含过流（OC）和短路（SC）保护电路，使检测功耗小、灵敏、准确。③IPM内含欠电压（UV）保护电路，当控制电源电压小于规定值时进行保护。④IPM内含过热（OH）保护电路，可以防止IGBT和续流二极管过热，在IGBT内部的绝缘基板上设有温度检测元件，结温过高时即输出报警（ALM）信号，该信号送给变频器的单片机，使系统显示故障信息并停止工作。⑤IPM内含制动电路，用户如有制动要求可另购选件，在外电路规定端子上接制动电阻，即可实现制动。资料卡结温是指电子设备中实际半导体芯片PN结的工作温度。目前，IPM一般采用IGBT作为功率开关器件构成单相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。15kW以下小功率变频器多采用25A/50A/75A的IPM模块以降低成本。任务实施一、判断极性①将万用表拨在“R×1k”挡，然后开始测量。②测量时，若某一极与其他两极间的阻值为无穷大，调换表笔后该极与其他两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G）。③用万用表测量其余两极，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小，则判定在测量阻值较小的一次中，红表笔接的为集电极（C），黑表笔接的为发射极（E）。变频器的主要组成部分就是逆变电路，逆变电路通常是指IGBT逆变模块，IGBT模块损坏也是变频器常见故障。请尝试用简便方法检测IGBT模块的好坏，具体方法如下。二、判断好坏①将万用表拨在“R×10k”挡，用黑表笔接IGBT的集电极（C），红表笔接IGBT的发射极（E），此时万用表的指针在零位。②用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能指示在某一位置。③再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT被阻断，万用表的指针应回零，此时即可判定IGBT良好。三、注意事项①任何指针式万用表均可用于检测IGBT。②注意判断IGBT好坏时，一定要将万用表拨在“

”挡，因“

”挡及以下各挡万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT导通，而无法判断IGBT的好坏。③此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管（P－MOSFET）的好坏。任务总结变频器作为交流调速的一种电能控制装置，它的主电路组成相对简单，主要由整流电路、制动电路和逆变电路3部分构成，关键是控制技术要求很高。随着电力电子、微电子及计算机控制等各项技术的迅速发展，变频调速技术已日趋成熟。项目总结风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可达到20%～60%，这是因为风机、泵类负载的实际消耗功率基本与转速的3次方成正比。当用户需要的平均流量较小时，风机、泵类采用变频调速使其转速降低，节能效果非常可观。生活用空调、冰箱都属于风机、泵类负载，故变频的空调、冰箱节能就成为变频器应用的一大亮点。项目引入某厂的饮料传输带进行设备更新，装上了新的变频器。为了充分利用资源，该厂把旧的变频器改用到容量相同的鼓风机上，结果在启动时，变频器在运行频率上升到5Hz时就因“过电流”而跳闸，这是什么原因呢？项目目标了解变频器实现变频与变压的方法了解异步电机及常见负载的机械特性掌握

控制的基本原理掌握选择

控制曲线时常用的操作方法了解矢量控制的基本原理了解直接转矩控制的基本思想、特点及应用105

任务一认识变频与变压任务导入前已述及，改变逆变管的通断速度就可以改变变频器输出交流电的频率，而输出交流电的幅值等于整流后的直流电压。但事实上，只改变变频器的输出频率，并不能正常调速，还有可能导致电动机的运行性能变差，这是什么原因呢？相关知识一变频变压调速原理1变频对异步电动机定子绕组反电动势的影响由电机学原理可知，在调速时，异步电动机每相定子绕组的感应电动势E的有效值为

（2-1）式中，E——定子绕组切割旋转磁场产生的感应电动势（V）；f——定子绕组供电频率（Hz）；N——定子每相绕组串联匝数；

kN——基波绕组系数；

Φm——气隙磁通量（Wb）。由式（2-1）可知，如果定子每相电动势E的有效值不变，改变定子供电频率f时会出现下面两种情况。①若f

>

fN

，则

Φm

<

ΦmN

，结果电动机的铁芯没有得到充分利用，造成浪费。②若f

<

fN

，则

Φm

>

ΦmN

，结果电动机的铁芯产生过饱和，导致励磁电流过大，从而使电动机的功率因数和效率下降，严重时甚至会因为绕组过热而烧坏电动机。由此可见，在变频调速时，单纯调节频率是行不通的。因此，要实现变频调速，且在不损坏电动机的情况下充分利用电机铁芯，应保持气隙磁通Φm不变。2额定频率以下的调速由式（2-1）可知，要保持气隙磁通Φm不变，当频率f从额定频率

fN向下调时，必须同步降低旋转磁场的感应电动势E，使E/f=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。但绕组中的感应电动势不易直接控制，当电动势的值较高时，可以认为电动机的输入电压U=E

，即可通过控制U达到控制E的目的，即保持

（2-2）

通过以上分析可知，在额定频率以下（f

<

fN

）调速时，在调频的同时也需要调压。提示在额定频率以上调速时，虽然电动机的工作频率超过额定频率

fN，但由于输入电压U受其额定电压UN的限制而不能再升高，只能保持U=UN不变。此时可采用恒功率调速，此处不再详细介绍。二变频变压实现的方法1SPWM的概念要使变频器在频率变化的同时，电压也同步变化，并且保持U/f=常数，通常采用正弦脉宽调制（SinusoidalPulseWidthModulation，简称SPWM）的方法。脉宽调制（PWM）的指导思想是将输出电压分解成很多脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可控制输出电压的幅值，脉宽调制的输出电压波形如图2-1所示。（a）调制前的波形（b）调制后的波形图2-1脉宽调制的输出电压波形从图中可以看出，脉冲的宽度t1

越大，脉冲的间隔t2越小，输出电压的平均值就越大。为了说明t1

、

t2

和电压平均值之间的关系，我们引入了占空比的概念。占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期的比值，用D表示，即

（2-3）

由于输出电压的平均值与占空比成正比，调节脉冲的宽度即可调节输出电压，所以称为脉宽调制。如图2-1（a）所示为调制前输出电压的波形，电压周期为TN

；如图2-1（b）所示为调制后输出电压的波形，电压周期为TX

。与图2-1（a）相比，图2-1（b）中的电压周期变大，通过调制使输出电压的频率降低，电压脉冲的幅值保持不变，减小占空比，从而降低了输出电压的平均值。变频器输出的是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化。因此，在一个周期内的占空比也必须是变化的。具体来说，就是在靠近正弦波幅值的部分，D取大一些；而在正弦波即将到达零处，D取小一些，如图2-2所示。图2-2SPWM的输出电压由于这种脉宽调制的占空比是按正弦规律变化的，因此这种调制方法被称作正弦波脉宽调制，即SPWM。在SPWM的脉冲系列中，各脉冲的宽度

t1和脉冲间隔

t2都是周期性变化的。虽然SPWM电压波形与正弦波相差甚远，但由于变频器的负载（即电动机）是电感性负载，而流过电感的电流是不能突变的。当把调制频率为几千赫兹的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。从脉宽调制的极性来看，有单极性SPWM和双极性SPWM两种调制方式。2单极性SPWM单极性SPWM调制波形如图2-3所示，其调制原理就是把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。脉宽调制通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。在图2-3中，调制波为正弦波ura

，载波为等腰三角波ut

。在单极性的调制方式中，每半周期内所有三角波的极性均相同。图2-3单极性SPWM调制单极性SPWM调制原理如图2-4所示，主要具有以下两个特点。图2-4单极性SPWM调制原理①在调制波正半周期内，逆变桥中的逆变管VT1、VT4按规律导通，而VT2、VT3一直处于截止状态；在调制波负半周期内，逆变桥中的逆变管VT2、VT3按规律导通，而VT1、VT4一直处于截止状态。②当ura>ut

时，相应的逆变管导通，导通时间决定了SPWM系列脉冲的宽度t1

；当ura<ut

时，所有的逆变管截止，截止时间决定了SPWM系列脉冲间的间隔宽度t2

。若降低调制波的幅值，各段脉冲的宽度将变窄，从而使输出电压的等效幅值也相应减少。3双极性SPWM双极性SPWM的调制波与载波均为双极性信号，其中调制波为可变频变幅的三相对称普通正弦波

urU、urV

、

urW，载波为双极性三角波

，如图2-5所示。图2-5三相桥式逆变器主电路原理图如图2-6所示为三相SPWM波形，其中

urU、urV

、urW

为U、V、W三相的正弦调制波，

为双极性三角载波；uUN

、uVN

、uWN

为U、V、W三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形；uUV

为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为

+ud和−ud

；

uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。双极性SPWM主要具有以下两个特点。①调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的。②逆变桥在工作时，同一桥臂的两只管子不停地交替导通、关断。而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。图2-6双极性SPWM调制波形4正弦脉宽调制SPWM的开关点

SPWM脉冲序列的产生是由基准正弦波和三角载波信号的交点所决定的，且每个交点都是逆变器同一桥臂上两只逆变管的开、关交替点，因此，将这个交替点称之为SPWM的开关点。CPU必须将所有开关点的时间坐标计算出来，才能有序地向逆变器发出通断指令。任务实施一、在SPWM变频模式下观测磁通轨迹通过实验观测旋转磁通的轨迹、转速和转向等，从而加深对电机恒磁通运行的认识，具体步骤如下。①接通实验室DJK13三相异步电动机变频调速控制实验挂件电源，关闭电机开关，并设定在SPWM方式下（将S、V、P三端子悬空），②打开电源开关，将示波器的X、Y输入端分别接磁通轨迹观测的X、Y测试孔，并将示波器置于“X－Y”方式。③点动“增速”键将频率设定在0.5Hz，观察示波器中显示的磁通形状。④点动“转向”按键，改变转向，观察磁通轨迹的变化。⑤逐渐升高频率，观察磁通轨迹的变化。二、不同频率下变频器输出电压测量在实验室用三菱E500变频器进行“PU”运行操作，测量不同频率下变频器的输出电压及电动机的转速，具体步骤如下。①预置基频“Pr.3”为50Hz。②预置基频电压“Pr.19”为380V。③预置给定频率为60Hz。④按下【RUN】键，电动机启动。待电动机运转稳定后，测出电动机的转速及变频器的输出电压，并将数值填入表2-1。⑤按表中的频率值改变给定频率，测出各相应转速及电压值并将结果填入表2-1中。表2-1频率（Hz）60504030205转速（r/min）输出电压（V）任务总结在变频调速过程中，为了保持气隙磁通量的恒定而使

常数的控制方式就叫

控制方式。这是变频器的基本控制方式，多用于通用变频器对风机、泵类、生产线的工作台传动、空调等的控制。124

任务二掌握变频器调速时电动机的机械特性任务导入生产机械运行时常用转矩表示其负载的大小。在电力拖动系统中，存在两个主要的转矩，一是生产机械的负载转矩

，二是电动机的电磁转矩

，两个转矩与转速之间的关系分别称为负载的机械特性和电动机的机械特性；两者的交点就是电力拖动系统的工作点。交流变频调速目前在电力拖动领域广泛应用，在其调速后电动机的机械特性是怎样的呢？相关知识在电力拖动系统中，为了便于分析，通常将电动机的转速n和电动机的电磁转矩T之间的关系特性（即n=f(T)的函数特性）称为电动机的机械特性。异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身固有的参数决定的n=f(T)函数特性叫做电动机的自然机械特性，其曲线如图2-7所示。一异步电动机的机械特性图2-7三相异步电动机的机械特性曲线只要确定以下3个特殊点，就能画出电动机的机械特性曲线。13个特殊点

①理想空载点，即图中A点。在这点上，电动机以同步转速n0运行，电磁转矩

T=0。②启动点，即图中C点。在启动点，电动机已经接通电源，但尚未启动，其转速n=0

，电磁转矩称为启动转矩Tst

，电动机在启动时带负载的能力一般用启动倍数来表示，即Kst=Tst/TN

，其中

TN为额定转矩。

③临界点，即图中B点，是机械特性稳定运行区和非稳定运行区的分界点。此处电磁转矩为临界转矩Tm

，表示电动机所能产生的最大转矩。电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用βm

表示，βm=Tm/TN

，普通电动机的

βm值约为2.0～2.2，特殊用途的电动机其过载能力可以更高一些。2电动机的稳定运行1）电动机的稳定运行电动机在接通三相电源时的启动瞬间，即n=0时，电动机的电磁转矩为启动转矩Tst。这时，如果电动机的启动转矩小于负载转矩（Tst<TL

），电动机将无法启动，称为堵转；如果Tst>TL

，则电动机的转速n将不断上升，电动机的电磁转矩T也将从Tst开始沿着图2-7所示的机械曲线CB段上升，经过最大转矩Tm

后，又沿着曲线BA段逐渐减小，当电磁转矩

时，电动机以稳定的转速T=TL运行。2）电动机工作点的动态调整工作点的动态调整如图2-8所示，对于在稳定运行在Q1点的电动机，当轴上的负载转矩TL增大（如车床切削量加大）时，电动机转速由n1减速。在曲线AB段，随着电动机转速的下降，电磁转矩T逐渐增加，当增加到T=TL

时，电动机达到新的平衡，此时电动机以比原来n稍低的速度稳定运行。图2-8工作点的动态调整电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程，叫做启动过程。电动机在启动时的启动电流很大，而启动转矩并不是很大，为了减小启动电流，常用降低电压的方法来启动。3异步电动机的启动电动机在工作过程中，如电磁转矩方向和转子的实际旋转方向相反，就称作制动状态。异步电动机的制动有多种，如再生制动、直流制动等。4异步电动机的制动1）再生制动异步电动机的再生制动机械特性曲线如图2-9所示，再生制动特点如下。图2-9异步电动机的再生制动机械特性曲线发生再生制动的实例有：起重机械在重物下降时，重物的重力加速度可能使电动机的转速超过同步转速；变频调速系统中，当通过降低频率来减速时，在频率刚降低的瞬间，电动机的同步转速小于实际转速。①转子转速超过旋转磁场转速n0

。④在频率下降的调速过程中，电动机处于再生制动状态，直至转速稳定。②电磁转矩

T

与

n

方向相反，电磁转矩T

变成了制动转矩。③电动机此时不再消耗能量，而是将拖动系统的动能再生给了电网。异步电动机变频调速时的再生制动特性曲线如图2-10所示，图中，电动机稳定运行于曲线①的Q点时，频率突然下降，则特性曲线变为②，因为转速不能突变，所以，工作点跳变至B点，产生反向制动转矩T。此时电动机进入再生制动状态，系统开始沿曲线②减速，直到稳定运行于Qˊ点。图2-10异步电动机变频调速时的再生制动特性曲线2）直流制动直流制动是在定子绕组中通入直流电流，使电动机产生一个制动转矩。直流制动常用来使电动机迅速停止运转。二变频后电动机的机械特性1调频比与调压比调频时，通常都是相对于其额定频率fN来进行调节的，调频频率fx可以用下式表示。

（2-4）式中，

kf——频率调节比（简称调频比）。根据变频也要变压的原则，在变压时也存在着调压比，调频后电压Ux

可用下式表示。

（2-5）式中，

ku——调压比；

UN——电动机的额定电压。2变频后的机械特性调频的过程中，若频率调至

fx，则

fx=kffN

，此时的电压为Ux=kuUN

。通过实验数据得出的机械特性曲线如图2-11所示。各机械特性曲线的特点如下。图2-11三相异步电动机变频调速机械特性1）

fx<fN时的机械特性（kf=ku<1时）

①从fN向下调频时，n0x

由

n0下移，TKx

逐渐减小。②fx在

fN附近下调时（kf=ku

→1），

TKx减小很少，可近似认为TKx≈TKN。③fx不同时，临界转差∆nKx变化不是很大，所以稳定工作区的机械特性基本是平行的，且机械特性较硬。2）

fx>fN时的机械特性（ku=1,kf>1时）

①从fN

向上调频时，

n0x上移，

TKx大幅度减小。②TKx的减小是有规律的。③机械特性斜度加大，特性变软。3）对额定频率fN

以下变频调速特性的修正在低频时，

大幅度减小，严重影响电动机的带负载能力，为解决此问题，必须了解

大幅度减小的原因。（1）

TKx

减小的原因分析。前已述及，绕组中的感应电动势不易直接控制，当电动势较高时，可以认为U=E。这种近似代替是以忽略电动机定子绕组阻抗压降为代价的。当低频时，定子电压小，再忽略此压降，就会引起很大的误差，从而引起

TKx大幅度减小，推导过程如下。（2）

解决方法。适当提高调压比ku

，使

ku>kf，即提高Ux的值，使得Ex的值增加。从而保证Ex/fx=常数。这样就能保证主磁通Φm基本不变，最终使电动机的临界转矩得到补偿，这种方法被称作电压补偿法。U/f

采用电压补偿后的机械特性曲线如图2-12所示。图2-12U/f采用电压补偿后的机械特性曲线

4）变频调速特性①恒转矩调速特性。当fx<fN

时，经过补偿后，各条机械特性曲线的TKx

基本为一定值，为恒转矩调速区域，适合带恒转矩负载。②恒功率调速特性。当fx>fN时，各条机械特性曲线的最大电磁功率基本为常数。电动机近似具有恒功率的调速特性，适合带恒功率负载。三3种常见负载的机械特性1恒转矩负载恒转矩负载的转矩大小仅取决于负载的轻重，和转速大小无关。负载的功率与转速成正比。此类负载的机械特性和功率特性如图2-13所示。典型的恒转矩负载如起重机、提升机、吊车、传送带、搅拌机等。图2-13恒转矩负载的机械特性和功率特性2恒功率负载恒功率负载在不同转速下的功率基本恒定；负载所需的转矩与转速成反比。此类负载的机械特性和功率特性如图2-14所示。典型的恒功率负载有卷纸机、塑料薄膜生产线的卷取机等。图2-14恒功率负载的机械特性和功率特性3二次方律负载二次方律负载的转矩与转速的二次方成正比；负载所需的功率与转速的3次方成正比。此类负载的机械特性和功率特性如图2-15所示。典型负载有风机、泵类。图2-15二次方律负载的机械特性和功率特性任务实施试列举生产生活中属于恒转矩负载、恒功率负载或二次方律负载的电力拖动设备，完成表2-2。表2-2电力拖动负载分类负载类型设备名称特点恒转矩负载恒功率负载二次方律负载任务总结电动机变频后的机械特性如下。①在

fN以下调频时，

n0x下移、TKx

不断减小。②在fN

以上调频时，

n0x上移、TKx