1、变频器的结构和工作原理 郭春荣一、三相异步感应交流电动机的工作原理 1.旋转磁场在一个可旋转的马蹄型磁铁中间，放置一只可转动的笼型短路线圈。当转动马蹄形磁铁时，笼型转子就会跟着一起旋转。这是因为当磁铁转动时，其磁感线(磁通)切割笼型转子的导体，在导体中因电磁感应而产生感应电动势，由于笼型转子本身是短路的，在电动势作用下导体中就有电流流过 。该电流又和旋转磁场相互作用，产生转动力矩，驱动笼型转子随着磁场的转向而旋转起来，这就是异步电动机的简单旋转原理。 在定子三相对称的定子绕组中通入对称三相电流即在气隙中产生旋转磁场一、三相异步感应交流电动机的工作原理电动机的旋转磁场一、三相异步感应交流电动机的
2、工作原理2.旋转磁场的转速在以上的分析中，旋转磁场只有一对磁极，即p=1，当电流变化一个周期，旋转磁场正好在空间转过一周。对50Hz工频交流电而言，旋转磁场每秒在空间旋转50周，n1=60f1=6050r/min=3000r/min。若磁场有两对磁极，p=2，则电流变化一周，旋转磁场只转过0.5周，比磁极对数p=1情况下的转速慢了一半，即n1=60f1/2=1500r/min。同理，在3对磁极p=3情况下，电流变化一周，旋转磁场仅旋转了1/3周，即n1=60f1/3=1000r/min。以此类推，当旋转磁场有p对磁极，旋转磁场的转速为： n1=60f1/p因此， 只要平滑地调节异步电动机的定子
3、供电频率f1， 就可以平滑调节异步电动机的同步转速n1。 由于转子是跟随旋转磁场同步旋转的， 转子转速为n=n1(1-s)， 所以变频能通过同步转速的改变实现异步电动机的无级调速。一、三相异步感应交流电动机的工作原理 表面看来，只要改变定子电压的频率f1就可以调节转速的大小，但是事实上，只改变f1并不能正常调速。参考异步电动机的电压方程 U 1E1 =4.44f1 K1 N1 假设现在只改变f1进行调速， 设供电频率f1上下调节， 而供电电压U 1 不变， 因 为K1 N1常数， 则异步电动机的主磁通必将改变： 如f1向上调， 则会下降， 这使得拖动转矩T下降，因为T=C TI2cos2 ，
4、电动机的拖动能力会降低， 对恒转矩负载会因拖不动而堵转； 如f1 向下调， 则会增强， 这会带来更大的危险， 因为电机铁磁材料的磁化曲线不是直线而具有饱和特性， 设计电机时为了建立更强的磁场， 其工频下的工作点已经接近磁饱和， 如再增强磁场势必引起励磁电流（体现在定子电流上）急剧升高， 最终烧坏电机。 由上可知， 只改变频率f 实际上并不能正常调速。 在许多场合， 要求在调节定子供电频率f 的同时， 调节定子供电电压U 的大小， 通过U 和f 的不同配合实现安全的调频调速。一、三相异步感应交流电动机的工作原理 由于E1 /f1U1 /f1， 故调节三相异步电动机的供电频率f1 时，按比例调节供
5、电电压的U1的大小可以近似实现为常数。 以星形接法的电机为例， 变频调速时， 如供电50 Hz对应220 V相电压（一般为额定点）， 则25 Hz需提供110 V相电压， 10 Hz需提供44 V相电压。 保持E1 /f 1=常数控制方式的机械特性二、变频的控制方式1、 u/f控制模式 控制特点：通过压频变换器使变频器的输出电压与输出频率成比例的改变，即U/?=常数。 性能特点：性价比高，输出转矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。适用于以节能为目的和对速度精度要求较低的场合。低频稳定性较差：在低速运行时，会造成转矩不足，需要进行转矩补偿。该变频器为开环控制，安装调试方便。二、变频的控制方
6、式2、转差频率控制（U/f闭环控制） 电动机由于存在转速差n ，且转速差和转矩T成正比，当改变变频器的输出频率，使变频器的转差n改变时，变频器的输出转矩T改变，变频器的输出转速改变。就是通过控制转差n，来控制电动机的转矩，达到控制电动机转速的目的。这就是转差频率控制原理。 由此可见，变频器要想达到以上控制目的，必须采取闭环控制， 即变频器要设闭环反馈输入端子。二、变频的控制方式 转差频率控制变频器内设比较电路和PID控制电路，处理目标信号和反馈信号。控制系统工作时为闭环控制。变频器给定一个目标量，从变频器的控制量中取回反馈量，反馈量和目标量进行比较：当反馈量小于目标量，变频器给出频率上升信号使
7、频率上升， n上升，转矩随之上升，电动机的转速随之上升；反之，变频器给出频率下降信号， n下降，转矩随之下降，电动机的转速随之下降。使电动机的实际转速按给定目标要求转动。二、变频的控制方式 转差频率控制和U/f控制功能上的区别： U/f制变频器内部不用设置PID控制功能，不用设置反馈端子。而转差频率控制在变频器的内部要设比较电路和PID控制电路。如果用U/F控制变频器实现闭环控制，要在变频器之外配置PID控制板。3、矢量控制 矢量控制是交流电动机用模拟直流电动机的控制方法来进行控制。 1）将控制信号按直流电动机的控制方法分为励磁信号和电枢信号 2）将控制信号按三相交流电动机的控制要求变换为三相
8、交流电控制信号，驱动变频器的输出逆变电路。 变频器控制方式：分为无传感器（开环）和有传感器（闭环）两种控制方式。无传感器控制方式是通过变频器内部的反馈形成闭环。二、变频的控制方式二、变频的控制方式 控制特点：矢量控制是对电动机的转速（转矩） 进行控制，不能对电动机的间接控制量进行控制。 1）使用前要进行自扫描，将电动机的参数扫入变频器。 2）一台变频器只能控制一台电动机。 3）矢量控制既能控制电动机的电流幅值，同时又能控制电流的相位（矢量控制名称的由来）。性能特点：可从零转速进行控制，调速范围宽；可对转矩进行精确控制，系统响应速度快，速度控制精度高。二、变频的控制方式4、转矩控制 直接转矩控制
9、技术，英语称为DSC或DTC控制，是继矢量控制技术之后又一种具有高控制性能的交流调速技术。直接转矩控制是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band-Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的转差范围内，转差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。直接转矩控制完成了交流调速的又一次飞跃。 直接转矩控制也是一对一控制，不能一台变频器控制多台电动机，且不能用于过程控制。二、变频的控制方式 在各种薄
10、膜或线材的收卷或放卷过程中，要求被卷物的张力F必须保持恒定即FC，为此:1)被卷物的线速度v也必须保持恒定即 vC，所以卷绕功率是恒定的；2)负载的阻转矩随被卷物卷径的增大而增大:但为了保持线速度恒定，负载的转速必须随卷径的增大而减小:(b) 用转矩控制模式实现 恒张力运行 令变频器在转矩 控制模式下运行，将给 定信号设定在某一值下不变。则电动机的电磁转矩TM也将不变，如图 (b)中之曲线所示: TMC 而动态转矩TJ则随着卷径D的增大而变为负值，如图(b)中之曲线所示。拖动系统将处于减速状态，满足图(c)所示的转速变化规律。 改变给定转矩的大小，可以改变卷绕的松紧程度二、变频的控制方式变频器
11、的四种运行控制方式比较控制特点：通过压频变换器使变频器的输出电压与输出频率成比例1. u/f控制方式变频器的改变，即u/f=常数 性能特点：性价比高，输出转矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。适用于以节能为目的和对速度精度要求较低的场合。低速运行时，会造成转矩不足，需要进行转矩补偿。2. 转差频率控制方式变频器该控制是一种闭环控制。控制方式有两类：一是用速度传感器将电动机的转速作为反馈信号，以提高电动机的速度控制精度；另一类是将间接物理量如压力、流量、温度等通过传感器转换为电信号，反馈回变频器，以提高这些间接控制量的控制精度。 该控制方式在变频器内部装有PID调节器，可设置变频器的控制速
12、度和快速响应性。 u/f控制方式适用于可变转矩和恒定转矩负载，如风机、水泵、带式输送机等二、变频的控制方式3. 矢量控制方式变频器 矢量控制是在变频器内部通过电子运算电路用模拟直流电动机的控制方法来控制交流电动机的。 控制特点：同时控制电流的幅值和相位，还可通过软件来设定这种控制方式。 性能特点：可从零转速进行控制，低频转矩大，调速范围宽；可对转矩进行 精确控制；系统响应速度快，速度控制精度高。 应用范围 分为无速度传感器（通过内闭环）和有速度传感器（通过外闭环）两种控制方法，这两种控制方法都是直接控制（稳定）电动机的转速（或转矩），不能作为其他量的控制（如压力、流量、温度等）。4. 直接转矩
13、控制方式变频器 直接转矩控制技术，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的转差范围内，转差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制。 性能特点：可从零转速进行控制，调速范围宽；可对转矩进行精确控制；系 统响应速度快，速度控制精度高。 矢量适用于有较高的转矩特性，OHZ仍保持输出转矩的场合，如造纸、轧钢、机床、起重等。转矩控制可对转矩进行精确控制，适用于造纸、印染机械等转矩控制场合。三、变频器的结构原理1、变频器的分类：交交型: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，变换率高。但其连续可调的频率范围较
14、窄。主要用于容量较大的低速拖动系统中。又称直接式变频器。交直交型:先将频率固定的交流电整流后变成直流，在经过逆变电路，把直流电逆变成频率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，因此在频率的调节范围上就有明显优势。又称为间接性变频器。三、变频器的结构原理电压型整流后靠电容来滤波。现在使用的大都为电压型。电流型整流后靠电感来滤波。脉幅调制（PAM） 输出电压大小通过改变直流电压来实现。脉宽调制（PWM）输出电压大小通过改变输出脉冲的占空比来实现。脉宽调制波（PWM波）将一个正弦波电压分为N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，脉冲的宽度与正
15、弦波的大小成正比，这样就得到宽度不等的脉冲列，简称为PWM波。三、变频器的结构原理 按用途分类：专用，通用 专用变频器 ：针对某一种（类）特定的控制对象而设计的，如风机、水泵用变频器、电梯及起重机械用变频器、中频变频器等。 通用变频器： 是数量最多，应用最广泛的一种，也是我们讲解的主要品种。而大容量变频器主要用于冶金工业的一些低速场合。三、变频器的结构原理2、变频器的组成（交直交型）如下图：三、变频器的结构原理a、主电路结构该电路是现在通用的低压变频器主电路图。不管什么品牌的变频器，其主电路结构基本如此。因为：整流电路和逆变电路是两个标准模块，没有变化的空间。三、变频器的结构原理b、变频器控制电路任何品牌的变频器，其内部功能框图是一样的，因为变频器要保证正常工作，必须要有相应的功能。变频器主要包括：主电路、电流保护电路、电压保护电路、过热保护电路、驱动电路、稳压电源、控制端子、接口电路、操作面板、CPU等。 变频器结构框图
