变频器培训教材

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第一节变频器简介

交流变频调速技术发展概况

纵观电力传动的发展过程，交、直流两种传动方式共

存于各个生产领域，由于直流调速系统的性能指标优于交流

调速系统，因此直流调速系统一直在调速领域内居首位。但

由于直流电动机具有机械整流器和电刷，因而存在着维护保

养工作量大、电动机安装环境受到限制和难以向大容量、高

转速及高电压方向发展等缺点。随着电子技术和自动控制技

术的迅速发展以及各种高性能电力电子元器件产品的出现，

历来阻碍交流调速技术发展的一些因素相继被克服，原直流

调速系统领先的一些技术性能，如宽广的调速范围、较高的

稳速精度、快速的动态响应和四象限运行等方面，交流调速

系统都能与直流调速系统相媲美。另外，由于交流电动机本

身具有结构简单、坚固耐用、运行可靠和惯性小等优点，还

适用于直流调速无法比拟的场合，因此，交流调速在电气传

动领域中越来越占有重要的地位，它已成为机电一体化的电

气传动技术。

一、变频调速器的分类

可分为交-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；交-直-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

率电压可调的交流，又称间接式变频器，目前广泛采用交-

直-交变频器。

二、变频调速的原理和实现算法变压变频的基本原理

根据电机学原理，异步电动机的转速为：n=60f(1—

s)/p,在改变供电电源频率时，电机的同步转速也相应的

改变。当电机在负载条件下运行时，电机转速低于电机的同

步转速，两者的差值就是转差，转差的大小与电机的负载有

关。

电机定子每相感应电动势的有效值为：Es=4.44fsNks

Om

Es为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值；

fs为定子频率；

N为定子每相绕组串联匝数；

Ks为基波绕组系数；

①m为每极气隙磁通。

由异步电机T型等效电路图7-1可知异步电机端电压与

感应电动势的关系式为：U1=E1+I1R1其中，I分别为

定子绕组阻抗及其流过的电流。在电机控制过程中，使每级

磁通中①m保持为额定值不变是关键的一环。磁通太弱，没

有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；若增大磁通，又会使

铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热

而损坏电机。在交流异步电机中，磁通①m是定子和转子磁

动势合成产生的，因此由式Es=4.44fsNks①m可知，只要同

时协调控制Es和fs,就可以达到控制①m并使之恒定的目

的。对此，需要考虑额定频率以下和额定频率以上两种情况。

异步电机T型等效电路图7-1：

1.额定频率以下的调速，要保持①m不变，当频率fs从

额定值介向下调节时，必须同时降低Es,使：①常数

即采用恒电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电

动势是难以直接控制的，当定子频率fs较高时感应电动势

的值也增大，因此可以忽略定子阻抗压降，认为定子相电压

Us=Es则得：①m=KUs/fs二常数，这就是恒压频比((V/F)的

控制方式。低频时，Es和工都较小，定子阻抗压降所占的比

率就比较显著，不能再忽略，这时可以人为的对定子阻抗压

降进行补偿，适当的提高逆变器的输出电压。

2.额定频率以上的调速：在额定频率以上调速时，频

率可以从额定值fsn往上提高，但是端电压Us不能继续上

升，只能维持在额定值Usn,这将迫使磁通与频率成反比的

下降，相当于直流电机的弱磁升速的情况。在整个电机调速

范围内，异步电机的控制特性如图7-2所示。如果电机在不

同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许的条件下

长期运行。这时电机转矩基本上随磁通变化，因此在额定频

率以下为恒转矩调速，在额定频率以上为恒功率调速。

图7-2异步电机变频调速

控制特性

三、变频调速系统的硬件实现

系统整体结构：变频调速系统的总体方框图如图7-3所

示。主要由整流器、滤波环节、逆变器、检测环节和控制回

路组成。系统主电路采用交-直-交电压型变频器结构，采用

SPWM变频技术。

四、变频器的主电路

变频器是将工频交流电变为频率和电压可调的三相交

流电的电器设备，用以驱动交流异步（同步）电动机进行变频

调速，不但能满足不同生产工艺需要，而且节能效果显著。

图7-3变频调速的总图

三

相

交逆

变

流流

电

电

源电

路

路

显示

DSP

07

F24

20L

TMS3

键盘

块

处理模

原理

频调速

1.变

，但直

系统

传动

动机

流电

管直

晶闸

式是

速方

的调

传统

过去

、维

价高

机造

电动

直流

点：

的缺

固有

一些

存在

本身

动机

流电

一定

都有

容量

度和

高速

；最

件多

约条

境制

用环

受使

大；

护量

速

交流调

展。而

速发

了迅

得到

系统

调速

交流

年来

等。近

限制

速等

应快

和响

精度

、高

节能

廉、

本低

、成

简单

结构

具有

系统

。

优点

突出

为：

转速

机其

电动

异步

(1-S)

”迎

P

电源

和调节

差率s

、转

对数夕

改变极

出，

以看

式可

从上

0

对数

变极

中改

运行

机，

电动

同步

。对于

调速

可以

广都

频率

会引起失步，对于异步电动机，改变极对数夕是有级调速，

改变转差率S大部分是耗能调速，唯有改变频率调速是交流

电动机较为理想的调速方式。但是只改变频率并不能使电动

机得到经济可靠的运行，原因是异步电动机是铁磁结构。对

于任何铁磁结构的设备，只有使它的磁通保持为额定磁通，

才可使铁磁材料得到充分利用。对于异步电动机，有如下的

关系式：U^E=4.44/M

式中，U----定子电压；

E——定子电动势；

f定子频率；

N——定子每相绕组的匝数；

及——绕组系数；

0——每极气隙磁通。

在变频调速时，为了得到所需的电磁转矩，使电动机的铁

磁材料得到充分利用，则应尽可能地使气隙磁通恒定为额定

磁通。由U^E=4.44/M式可知，为保持气隙磁通

。近似不变，在调节定子频率f时则必须同时改变定子电压

U,即〃个二常数。为此，用于交流电动机变频调速的变频器

实际上都是变压变频器，即VVVF。由于电机的电压不能超过

额定电压，因此，在基频以上调频时，电压〃只能保持在额

定电压，当电压〃一定时，电机的气隙磁通。随着频率r的

升高成比例下降，类似直流电机的弱磁调速，因此，基频以

上的调速属恒功率调速。

2.变频器的主电路结构及工作原理

变频器的主电路是从整流到逆变的整个功率电路，如图

7-4所示。工频电源经整流及逆变后输出，主要针对整流及

（1）整流部分电路分析

目前应用最为广泛的三相桥式全控整流电路，其原理图

如图7-4所示，将其中阴极连接在一起的3个二极管（VD1、

VD2、VD3）称为共阴极组;阳极连接在一起的3个二极管（VD4、

VD5、VD6）称为共阳极组。

对共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的

一个导通。而对共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流

电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻

共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，加于

负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图7-5所

示。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，

共阴极组二极管导通时，整流输出电压Udi为相电压在正半

周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压Ud2为相电压

在负半周的包络线，总的整流输出电压Ud=Udl-Ud2,是两条

包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在

正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处

于通态的二极管对应的是最大（正得最多）的相电压，而共阳

极组中处于通态的二极管对应的是最小（负得最多）的相电

压，输出整流电压Ud为这两个相电压相减，是线电压中最

大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周期

的包络线。

由下图7-5知，第I阶段，a相电位最高，共阴极组VD3

得到导通，b相电位最低，共阳极组VD5导通。电流流通路

径为a—VD3—VD5—b,负载上的电压Ud=Ua-Ub=Uab,变压

器在a、b两相工作，共阴极组a相电流为正，共阳极组的b

相电流为负。

第II阶段，a相电位仍为最高，VD3继续导通，但c相

电位最低，VD4导通，电流从b相换至c相。VD5因承受反

向电压而关断。这时电流流通路径为：a—VD3—VD5—c,负

载上的电压Ud=Ua-Uc=Uac

第ni阶段，b相电位最高，VD2导通，则共阴极组换相

至VD2,电流从a相换至b相，VD3因为承受反向电压而关

断，VD4因为c相电位仍为最低，而继续导通，电流流通路

径为：b—VD2—VD4—c,负载上电压Ud=Ub-Uc=Ubc。

以下IV、V、VI段依次类推，以后重复上述过程。

图7-5电容滤波的三相桥式可控整流电路的波形

(2)逆变电路

由VT1-VT6组成三相逆变桥，逆变器件是绝缘栅双极

晶体管(IGBT)。三相逆变桥由计算机控制将直流电逆变为

三相SPWM波，驱动电动机工作。

VD7-VD12为6只续流二极管。续流二极管的功能如下:

1.由于电动机是感性负载，工作时其无功电流返回直

流电源需要VD7〜VD12提供通路。

2.降速时电动机处于再生制动状态，VD7-VD12为再生

电流提供返回直流的通路。

3.逆变时VT7〜VT12快速高频率地交替切换，同一桥臂

的两管交替工作在导通和截止状态，在切换的过程中，也需

要给线路的分布电感提供释放能量的通路。

逆变电路的基本工作方式：导电方式每桥臂导电180°,

同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°,

任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下

两臂之间进行，也称为纵向换流。

三相桥式逆变电路中各开关元件每隔60。导通一个，导

通180°后关断，各元件导通顺序为VT7-VT10-VT9-VT12

-VTll-*VT8o

一个周期中逆变器输出线电压为矩形波，相电压为六阶梯

波的交流电。改变元件导通与关断的频率，就能改变输出交

流电频率，改变直流侧电压，就能调节交流输出电压幅值。

在上述180°导电方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥

臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取

“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其

关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通

信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长

短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的

死区时间就可以越短。这一“先断后通”的方法对于工作在

上下桥臂通断互补方式下的其他电路也是适用的。

0

图7-6VD7-VD12出发控制信号的波形

(3)制动电阻和制动单元

当变频器停止了输出，但由于电动机的惯性，都使电动

机继续转动，此时电动机变为发电机向变频器回馈能量，回

馈电流通过VD7〜VD12这6只续流二极管给电容G、G充电,

这时电容上电压在工频整流电压的基础上上升。此时如果不

设法将电容上多余的电压释放，电容就会因过载而损坏，电

动机也因发出的电能得不到消耗而不能制动。

图7-4中的VT7和电阻尼组成制动回路，人称为制动电

阻，由于电阻发热和体积大，安装在变频器外部；VT7为控

制器件，当电容两端电压升高到一定程度，由检测电路给出

控制信号驱动VT7导通，电容通过制动电阻尼和VT7放电，

电流通过用将电能转换成热能。由于电动机发出的电能得到

了消耗，电动机得到了制动力矩而使转动立刻停止。在小功

率变频器中VT7都为内置，在大功率变频器中特别是要求制

动功率较大时，VT7则作为一个外选件安装在变频器外部，

称为制动单元。

第二节二期凝结水泵电机变频器介绍

二期2X600MW（级）工程共4台凝结水泵电机变频器，

每台机组配置2台100%容量的凝结水泵，其中1台运行，1

台备用，采用变频调速电机。四台电机通过四套高压变频装

置进行一拖一变频控制。凝结水泵的运行方式：凝结水泵能

满足机组各种运行工况，当运行泵事故跳闸时，备用泵应能

自动投入运行。

凝结水泵电动机概况：

型号：YLBKS630-4

额定功率：1900kW

额定电压：10kV

效率：94%

功率因数：0.89

额定转速：1480r/min

一次接线：一拖一手动，接线如图7-7：

基本原理:

凝结水泵电机变频器由1个单刀高压隔离开关QS1和两

个机械闭锁的高压隔离开关QS2和QS3组成（见上图）。QS2

和QS3在机械上实现互锁，保证电机不会同时工作在工频和

变频，也保证工频电源不会直接加到变频器的输出端，提高

设备的可靠运行。QS1、QS2、QS3刀闸操作设有电磁闭锁,

QF的常闭接点引入电磁锁回路，只有QF断路器在分闸位

置才能够操作刀闸。投变频运行时，手动闭合QS1和QS2,

断开QS3,合上QF,然后启动变频器即可。投工频运行时,

手动断开QS1和QS2,然后闭合QS3,合上QF,工频直接

启动电机。

注意事项

LQS2与QS3相互闭锁，通过机械实现闭锁，类似于单

刀双掷开关。

2.凝泵电机开关QF的常闭接点串入QSKQS2、QS3电

磁锁回路，实现QF分闸后QS1、QS2、QS3才能分合操作，以

防止带负荷拉合刀闸。

3.检查并确认QS1与QS2合闸、QS3分闸或QS1与QS2

分闸、QS3合闸后凝泵电机开关才可以送电。

4.凝泵电机测绝缘时，检查确认凝泵电机开关在检修位

置，QS1分闸，QS2分闸，QS3合闸，确认无电后在10KV配

电室凝泵电机开关下出线进行测量（与其他电机绝缘测量相

同）；或是凝泵电机开关在检修位置，QS1分闸，QS2分闸，

QS3分闸，确认无电后在QS3的下出线测量（建议不使用这

种测量方法）。需要强调的是在对凝泵电机测绝缘过程中，

必须保证QS1与QS2在分闸位置，以确保在测量过程中不损

害到凝泵电机变频器。

一、凝结水泵电机变频器技术要求

1.进线变压器：根据变频装置的型式选择与变频装置配

套的进线变压器，能承受系统过电压和变频装置产生的共模

电压以及谐波的影响；进线变压器为干式变，干式变压器铜

线绕制，配金属外壳、冷却器，实现按温度设定自动投、退

功能，具有就地和远方超温报警功能；进线变压器能在规定

的电源参数下正常工作。进线变压器过负载能力为1.2倍额

定负载60分钟、1.1倍过电压长期空载运行、1.