1、变频器BG080129 李华平 2011.10.10一一.原理原理 改变输入频率 （无级调速）变频器变频器N=60F/P P：极对数 F：频率N：转速改变极对数 （有级调速）1.调速原理：调速原理：2.调速方法：调速方法：（一）变频器的调速原理（一）变频器的调速原理（二）交流异步电动机变频调速原理（二）交流异步电动机变频调速原理 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
2、变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。一一一一一一.原理原理原理原理原理原理（一）交（一）交-直直-交变频器的主要结构框图交变频器的主要结构框图二二.组成组成（二）交（二）交-直直-交变频器构成图交变频器构成图二二二二二二.组成组成组成组成组成组成变频器元件作用（变频器元件作用（1）1.交-直部分u整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。u电容C1：是吸收电容，整流电路输出是脉动的直流电压，必
3、须加以滤波。u变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。u压敏电阻：有三个作用，一过电压保护，二耐雷击要求，三安规测试需要。u热敏电阻：过热保护u霍尔:安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。二二二二二二.组成组成组成组成组成组成u充电电阻：作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为 0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流
4、导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300。u储能电容：又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在 430VDC700VDC 之间，而一般的高压电容都在 400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择60uf/Au均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。uC2电容;吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量
5、变频器元件作用（变频器元件作用（2）二二二二二二.组成组成组成组成组成组成2.直-交部分vVT1-VT6逆变管（IGBT绝缘栅双极型功率管）：构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。vVT1-VT6是续流二极：作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT6在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。3.控制部分:电源板、驱动板、控制板（CPU板）v电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源，开关电源提供的低压电源有：5V、15V、24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。
6、v驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。v控制板（CPU板）：也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分 【注:再次整流（直流变交流）-更贴切的叫法是 逆变!】变频器元件作用（变频器元件作用（3）二二二二二二.组成组成组成组成组成组成（一）单相逆变桥（一）单相逆变桥三三.逆变桥逆变桥（二）变频方法（二）变频方法三三三三三三.逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥（三）三相逆变桥（三）三相逆变桥三三三三三三.逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥（四）变频器的输出和频率（四）变频器的输出和频率 即：变频的同时变压，也叫VVVF三三三
7、三三三.逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥逆变桥四四.变频又变压方法变频又变压方法PWMv利用调制波与三角波信号比较后获得一系列等幅不等宽的脉冲序列。v原理：利用三角波载波作为信号与调制信号（一般为正弦波）相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。v改变调制波的电压脉冲频率时，输出电压基波的频率也随之改变，降低调制波的幅值时，各段脉冲宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减少。（一）变频又变压方法（一）变频又变压方法PWM四四四四四四.变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法PWMPWMPWM（二）（二）SPWM四四四四四四.变频又变压方法变频又变压方法
8、变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法PWMPWMPWM（三）（三）SPWM的实现的实现1 单极性单极性四四四四四四.变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法PWMPWMPWM（三）（三）SPWM的实现的实现2 双极性双极性v在半个周期内，SPWM波有正，负，零三种值。四四四四四四.变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法变频又变压方法PWMPWMPWM五五.变频器的控制方法变频器的控制方法 Td=Km Fs Fr sinTd:电动机的电磁转矩Km：比例系数Fs，Fr：三相矢量中的任意两个矢量的模：Fs
9、和 Fr的夹角 FsFrFc电动机统一转矩公式电动机统一转矩公式电动机磁通矢量图 由电动机统一转矩公式可知，电动机的电磁由电动机统一转矩公式可知，电动机的电磁转矩和三个磁通矢量中的任意两个矢量的模和夹转矩和三个磁通矢量中的任意两个矢量的模和夹角有的余弦成正比，所以要控制电磁转矩就必须角有的余弦成正比，所以要控制电磁转矩就必须控制任意两个矢量的模和夹角控制任意两个矢量的模和夹角（一）电动机调速基础（一）电动机调速基础（二）变频器的控制方法（二）变频器的控制方法U/F1.恒恒U/F控制控制(属于标量控制属于标量控制)定子电动势有效值为定子电动势有效值为:E=4.44F:电动机气隙磁链电动机气隙磁链
10、 F:电动机工作频率电动机工作频率 为避免电动机因频率的变化而导致磁路饱和引起励磁电流增大,功率因数和效率降低,需要维持气隙磁通,所以在调节F时,E也回相应地变化,即:E/F=K(恒定值)五五五五五五.变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法（三）变频器的控制方法矢量控制（三）变频器的控制方法矢量控制v基本思想基本思想v (1)对直流电动机的分析v 在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的。究其原因，是因为它具有两个十分重要的特点:v (a)磁场特点 v 它的主磁场和电v枢磁场在空间是互相垂v直的，如图(a)所示;v
11、(b)电路特点 v 它的励磁电路和v电枢电路是互相独立的，v如图(b)所示。v 在调节转速时，v只调节其中一个电路的v参数。五五五五五五.变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法矢量控制 仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率的给定信号，分解成和直流电动机具有相同特点的磁场电流信号i*M和转矩电流信号i*T，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点。对于控制电路分解出的控制信号i*M和i*T，根据电动机的参数进
12、行一系列的等效变换，得到三相逆变桥的控制信号i*A、i*B和i*C，对三相逆变桥进行控制，如图所示。从而得到与直流电动机类似的硬机械特性,提高了低频时的带负载能力。五五五五五五.变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法矢量控制五五五五五五.变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法无传感器和有传感器的矢量控制v根据在实行矢量控制时，是否需要转速反馈的特点，而有无反馈和有反馈矢量控制之分。v无反馈矢量控制是根据测量到的电流、电压和磁通等数据，简接地计算出当前的转速，并进行
13、必要的修正，从而在不同频率下运行时，得到较硬机械特性的控制模式。由于计算量较大，故动态响应能力稍差在许多场合，安装编码器不方便，同时也是为了降低成本，要求使用无编码器系统。例如安装空间较小，控制精度要求不高的场合。v有反馈矢量控制则必须在电动机输出轴上增加转速反馈环节，如图中的虚线所示。由于转速大小直接由速度传感器测量得到，既准确、又迅速。与无反馈矢量控制模式相比，具有机械特性更硬、频率调节范围更大、动态响应能力强等优点。五五五五五五.变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法直接转矩控制3.直接转矩控制（基于定子磁场定向）
14、直接转矩控制（基于定子磁场定向）直接转矩控制的原理框图直接转矩控制的原理框图电动机变频调速时的机械特性电动机变频调速时的机械特性n:定常系数定常系数 转矩调节器T*T+-+-n*nTn当TT*时，T0=1,磁场加速n增大，转矩增加；当TT*时，T0=0，磁场不变，电动机转子因惯性使n减小，转矩减小。五五五五五五.变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法矢量控制与直接转矩控制矢量控制与直接转矩控制五五五五五五.变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法变频器的控制方法六六.负载负载v恒转矩负载v恒功率负
15、载v风机泵类负载（一）普通异步电动机与变频电机区别（一）普通异步电动机与变频电机区别v普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。以下为变频器对电机的影响 v1、电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1（u为调制比）。高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，
16、因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%20%。七七.关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题v2、电动机绝缘强度问题 目前中小型变频器，不少是采用PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对
17、电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。七七七七七七.关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题v3、谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。v4、电动机对
18、频繁启动、制动的适应能力 由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。七七七七七七.关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题（二）电机的极数对其选用有何影响？（二）电机的极数对其选用有何影响？v电机的极对数越多，电机的转速就越低，但它的扭距就越大；在选用电机时，您要考虑负载需要多大的起动扭距，比如象带负载起动的
19、就比空载起动的需要扭距就大，如果是大功率大负载起动，还要考虑降压启动（或星三角启动）；至于在决定了电机极对数后和负载的转速匹配问题，则可考虑用不同直径的皮带轮来传动或用变速齿轮（齿轮箱）来匹配。如果由于决定了电机极对数后经过皮带或齿轮传动后达不到负载的功率要求，那就要考虑电机的使用功率问题了。七七七七七七.关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题（三）变频器能否调至（三）变频器能否调至1Hz吗，最高可吗，最高可 以调多少以调多少HZ使用？使用？v有的品牌变频器最低频率可以调至0.1HZ,最高频率可以调至3000HZ
20、.v如果变频器用在一般的交流异步电机上，变频器调至1Hz时已经接近直流，是绝对不可以的，电机将运行在变频器限制内的最大电流下工作，电机将会发热严重，很有可能烧毁电机。如果超过50Hz运行会增大电机的铁损，对电机也是不利的，一般最好不要超过60Hz，（短时间内超过是允许的）否则也会影响电机使用寿命。七七七七七七.关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题（四）使用变频器时，电机温升为什（四）使用变频器时，电机温升为什么比工频时高呢？么比工频时高呢？v因为变频器输出电压波形不是正弦波，而是畸形波，在额定扭矩下的电机电流比
21、工频时要多出约10%左右，所以温升比工频时略有提高。v另外还有一点：当电机转速降低的时候，电机散热风扇速度不够，电机温升会高一些。七七七七七七.关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题（五）交流伺服电机可以用变频器控制（五）交流伺服电机可以用变频器控制吗？吗？v由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，应用也不大相同，所以是不可以的：v1、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器，也有在上位加位置反馈信号构成闭环用变频进行位置控制的，精度和响应都不高。现有些变频也接受脉冲序列信号控制速度的，但好象不能直接控
22、制位置。v2、在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，还有就是伺服的响应速度远远大于变频，有些对速度的精度和响应要求高的场合也用伺服控制，能用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取代。v关键是两点：一是价格伺服远远高于变频，二是功率的原因：变频最大的能做到几百KW，甚至更高，伺服最大就几十KW。伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。变频是伺服控制的一个必须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。七七七七七七.关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题（六）为什么变频器不能用作变频（六）为什么变频器不能用作变频电源？电源？v变频电源的整个电路由交流一直流一交流一滤波等部分构成，因此它输出的电压和电流波形均为纯正的正弦波,非常接近理想的交流供电电源。可以输出世界任何国家的电网电压和频率。v而变频器是由交流一直流一交流（调制波）等电路构成的,变频器标准叫法应为变频调速器。其输出电压的波形为脉冲方波,且谐波成分多,电压和频率同时按比例变化,不可分别调整,不符合交流电源的要求。原则上不能做供电电源的使用,一般仅用于三相异步电机的调速。七七七七七七.关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题关于变频器的一些问题
