1、2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统第六章第六章 交流电动机调速及变频原理交流电动机调速及变频原理 2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.16.1 交流异步电动机调速的基本类型交流异步电动机调速的基本类型三相异步电动机的变频调速原理三相异步电动机的变频调速原理6.26.2通用变频器的基本结构与控制方式通用变频器的基本结构与控制方式6.36.3教教 学学 内内 容容2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统学学 习习 目目 标标了解交流电动机调速的了解交流电动机调速的3 3种基本方法种基本方法。理解通用变频器的各种分类方法和控制方式理解通用变频器
2、的各种分类方法和控制方式。掌握通用变频器的基本结构及变频原理掌握通用变频器的基本结构及变频原理。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统由异步电动机的转速公式：由异步电动机的转速公式：116011fnn(s)(s)p 可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。p（2 2）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。1f（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。s6.1交流异步电动机调速的基本类型交流异步电动机调速的基本类型2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统)1(60)1(
3、11SpfnSn耗能型耗能型有级调速有级调速设备费用高设备费用高异步电动机的调速方式异步电动机的调速方式：2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统 科学分类方法（根据对转差功率的处理方法）分为三类：科学分类方法（根据对转差功率的处理方法）分为三类：（1 1）转差功率消耗型）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。而被消耗掉。特点特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（
4、2 2）转差功率回馈型）转差功率回馈型调速系统调速系统转差功率的少部分被消转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。以利用。特点特点：效率高。串级调速属该类系统。：效率高。串级调速属该类系统。（3 3）转差功率不变型）转差功率不变型调速系统调速系统调速过程中，转差功率调速过程中，转差功率基本不变。基本不变。特点特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.1.16.1.1变极调速变极调速 磁极对数磁极对数
5、 p p 的改变，取决于电动机定子绕组的结的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。机的磁极对数。2p180分）转/(50011p360分）转/(0003磁极对数磁极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速n n0 0)f(Hz501 3p120分）转/(00014p分分）转转/(75090电动机的同步转速取决于磁场的极对数电动机的同步转速取决于磁场的极对数)/(6011分转pfn 02023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统U U相两个线圈，
6、相两个线圈，顺向串联，顺向串联，定子绕组产生定子绕组产生4 4极磁场。极磁场。反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组，定子绕组产生产生2 2极磁场。极磁场。以以4 4极变极变2 2极为例：极为例：2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作一种是从星形改成双星形，写作Y/YYY/YY，如图，如图6-36-3所示；所示；Y-YYY-YY后后,电动机极数减少一半电动机极数减少一半,转速增大一倍转速增大一倍,即即 ，容许输出功率增大，容许输出功率增大一倍，
7、而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。用于恒转矩负载。2YYYnn 变极时，调换相序，以变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电保证变极调速以后，电动机转动方向不变。动机转动方向不变。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统另一种是从三角形改成双星形，写作另一种是从三角形改成双星形，写作/YY/YY，如图，如图6-46-4所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。-YY-YY后后,极数减少一半极数减少一半,转速增大一倍转速增大一倍,即即
8、 ，容许输出功率近似不，容许输出功率近似不变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。2YYnn 变极时，调换相序，以变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电保证变极调速以后，电动机转动方向不变。动机转动方向不变。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统变极调速只用于笼型电动机。变极调速只用于笼型电动机。这种方法的缺点是十分这种方法的缺点是十分明显的明显的:一台电动机最多只能一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能有两种接法。所以最多只能得到多只能得到4 4
9、种转速，与所要种转速，与所要求的无级调速相去甚远。求的无级调速相去甚远。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.1.2 6.1.2 变转差率调速变转差率调速 1.1.改变定子电压调速改变定子电压调速)()/(/3221212211221lleLLsRRsRpUT异步电动机的机械特性方程式异步电动机的机械特性方程式:其中：p为电机极对数；U1为相电压有效值 R1为定子每相绕组的内阻 Ll1为每相漏感 R2为折算到定子侧的每相电阻 Ll2为折算到定子侧的漏感2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统0,0,1TSnnNNNTTSSnn,mTB1nS011n2D理想空载
10、点理想空载点N=N0，S=0，T=0NTC额定运行点额定运行点NnN=NN，S=SN，T=TNN0NNTNmTBmS最大转矩点最大转矩点mmTTSS,TmSmAQT起起 动动 点点QTTSn,1,02023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统调压调速的机械特性nT0S1mT1nNUmSNUUU1 1ZT2knTZn0（1 1）异步电动机调压调速时存在的问题）异步电动机调压调速时存在的问题 1 1）改变定子调压时调速范围不大（恒转）改变定子调压时调速范围不大（恒转矩负载）。如图矩负载）。如图1 1、2 2、3 3点。点。2 2）低速时运行稳定性不好低速时运行稳定性不好（如（如c c点）
11、，点），转子电流相应增大。为了既低速运转子电流相应增大。为了既低速运行稳定又不致过热，要求电动机转行稳定又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻。子绕组有较高的电阻。1U0.7UN 1U0.5UN0 当当s s一定时，一定时，T U 2 ，改变，改变U U1 1得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载T TZ Z时，时，可得到不同的稳定转速，如下图中的可得到不同的稳定转速，如下图中的1 1、2 2、3 3点。点。同步转速同步转速n0 0不变，临界不变，临界转差率转差率Sm m不变不变2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统（2 2）解决问题的
12、措施）解决问题的措施 使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图所示。如图所示。eTS0n0n1NU1N7.0U1N5.0U10LT图 5-7 高 转 子 电 阻 异 步 电 动 机在 不 同 电 压 下 的 机 械 特 性ABC 高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性可见：恒转矩负载下，可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电调速范围变大，转子电流减小。流减小。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统如下左图所示。单相调压电路如右图所示。如下左图所示。单相调压电路如右图所示。M3
13、M3M3TULSVVC+-(a)(b)(c)图5-2 异步电动机调压调速原理RU1U1VT2VT晶闸管单相调压电路晶闸管单相调压电路 U02t 晶闸管相位控制下的负载电压波形晶闸管相位控制下的负载电压波形 通过改变晶闸管的导通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流通角来改变输出交流电压的大小。电压的大小。获取交流电源的方法获取交流电源的方法 知识拓展知识拓展晶闸管交流调压装置晶闸管交流调压装置2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。是负载
14、输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统（3 3）采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械特性）采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械特性硬度，又保证一定负载能力）。硬度，又保证一定负载能力）。转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速转转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速转差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。ASRM3TGnVVCGT-nUnUctU(a)（a）原理图）原理图 2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统（4）调压调速系统闭
15、环静态结构图）调压调速系统闭环静态结构图调节器晶闸管调压装置异步电动机转速反馈装置给定nUnU+-ctU1Un 调压调速系统静态结构框图调压调速系统静态结构框图 它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电动机即可。动机即可。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统nT0S1mTmS1nQT2r2 RrQTmSZTZT轻载调速轻载调速范围不
16、大范围不大调速前：调速前：1，S1调速后：调速后：2，S22.绕线式异步电动机转子串电阻调速绕线式异步电动机转子串电阻调速 绕线式异步电动机转子串绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性如图所示。电阻的机械特性如图所示。转子串电阻时同步转速和转子串电阻时同步转速和最大转矩最大转矩T Tm m不变，临界转不变，临界转差率增大。差率增大。0RmTmS不变不变QT1n不变不变n02023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统转子串电阻调速的优点是：转子串电阻调速的优点是：设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机如桥式起重机等。如桥式起重机等。缺
17、点是：缺点是：转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统3.3.绕线式异步电动机在转子回路中绕线式异步电动机在转子回路中 串电阻调速（串级调速）串电阻调速（串级调速）在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。过改变附加
18、电势的幅值和相位实现调速。其优点是：其优点是：可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。或高同步的连续调速。缺点是：缺点是：只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.1.3 6.1.3 电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速（异步电动机本身并不调速）（异步电动机本身并不调速）电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机
19、、电磁电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。转差离合器以及控制装置组合而成。（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理从动部分从动部分电枢由笼型异电枢由笼型异步电动机带动，步电动机带动，称主动部分称主动部分 2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统（1）电磁转差离合器的转速和转向）电磁转差离合器的转速和转向1）从动轴的转速）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小；取决于励磁电流的大小；2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。）从动轴的转向则取决于原动机的转向。电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传电
20、磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。递功率的装置。电磁转差离合器的机械特性电磁转差离合器的机械特性n1原动机转速；原动机转速；Te电磁转差离合器轴上输出电磁转差离合器轴上输出转矩；转矩；IL电磁转差离合器的励磁电电磁转差离合器的励磁电流；流；知识拓展知识拓展2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统（2）电磁转差离合器闭环调速系统）电磁转差离合器闭环调速系统电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反馈控制，从而可获得速负反馈控制，从而可获得10:1的调速范围。闭环系统的的调速范围。闭环系统的组成与相
21、应的静特性如下图所示。组成与相应的静特性如下图所示。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统 1)优点：l 线路简单，价格便宜；l 速度负反馈后调速相当精确（平滑调速）。2)缺点：l 低速运行时损耗较大（增加了滑差离合器）；l 调速效率较低。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.1.4 变频调速变频调速 交流变频调速技术的原理是把工频交流变频调速技术的原理是把工频50Hz50Hz的交流电转的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，机定子绕组的供电频
22、率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。从而达到调节电动机转速的目的。变频器在英文译名是变频器在英文译名是VFDVFD（Variable-frequency DriveVariable-frequency Drive）。）。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVFVVVF（Variable Voltage Variable Frequency InverterVariable Voltage Variable Frequency Inverter）。）。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统它
23、与直流调速系统相比具有以下显著优点：它与直流调速系统相比具有以下显著优点：（1 1）变频调速装置的大容量化。）变频调速装置的大容量化。（2 2）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。态精度及动态品质好。（3 3）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。升功能，节省软起动装置。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统（4 4）变频器内置功能多，可
24、满足不同工艺要求；保护功能）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、部接口端子，可同计算机、PLCPLC联机，便于实现自动控制。联机，便于实现自动控制。（5 5）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到到20%
25、20%6060。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率改变频率；软起动器实际上是个调压器调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。软起动器与变频器软起动器与变频器 知识拓展知识拓展2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统1 1变频调速的条件变频调速的条件 三相异步电动机定子绕组的反电动势三相异步电动机定子绕组的反电动势E E1 1的表达式为的表达式为 :E1=4.441N1KN1
26、m=U1+U式中:E1定子绕组的感应电动势有效值 N1 定子每相绕组的匝数 KN1定子绕组的绕组系数，KN1 1 1 定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率 m 主磁通可见：E11m 将U忽略，则E1U11m定子电压定子电压漏阻抗压降漏阻抗压降6.2三相异步电动机的变频调速原理三相异步电动机的变频调速原理2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统 当当U1 E1=const时，由时，由E1U11m 知，知，1m电动机磁路过饱电动机磁路过饱和，导致过大的励磁电流，电动机因绕组过热而损坏。和，导致过大的励磁电流，电动机因绕组过热而损坏。当当U1 E1=const时，由时，由E1U11m
27、 知，知，1 m，铁芯利用不充，铁芯利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩分，同样的转子电流下，电磁转矩T ，电动机的负载能力下降，电动机，电动机的负载能力下降，电动机的容量得不到充分利用。的容量得不到充分利用。因此，为维持电动机的输出转矩不变，必须使主磁通因此，为维持电动机的输出转矩不变，必须使主磁通m=const，即，即U11=constE11=m2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统2 2基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速 m U11=constE11=因为变频的同时还要改变电压，所以称为因为变频的同时还要改变电压，所以称为V/FV/F控制，
28、也称为控制，也称为VVVFVVVF（Variable Voltage Variable Frequency Variable Voltage Variable Frequency）。）。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统),(11constfUffN11理想空载转速：理想空载转速：n1f1U1f1频率在额定频率附近下调时，频率在额定频率附近下调时，最大转矩可以近似认为不变。最大转矩可以近似认为不变。最大转矩最大转矩：Tm（)不变不变Tm频率不同时，最大转矩点对应的频率不同时，最大转矩点对应的转差转差 n=const，所以稳定工作区的，所以稳定工作区的机械特性基本是平行的。机
29、械特性基本是平行的。n n当当f 较低时，较低时，U 不能忽略，不能忽略，使使I1 mTm2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统基频以下调速基频以下调速 )222(11 CfU 这是恒压频比的控这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条制方式。在恒压频比条件下改变频率时，能够件下改变频率时，能够证明：机械特性基本上证明：机械特性基本上是平行下移的，如图所是平行下移的，如图所示。示。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统 解解 决决 方方 法法可用提高可用提高U1 1来补偿来补偿 U的影响，使的影响，使E1 1/1 1不变，即不变，即m m不变，这种控制不变，这种控制方
30、法称为方法称为电压补偿电压补偿，也称为，也称为转矩转矩提升。提升。通常提高通常提高U1 1,来保持来保持Tm m不变。定子电源不变。定子电源频率频率f1 1越低，定子绕组电压补偿得越大。越低，定子绕组电压补偿得越大。结论：结论：从基频以下调速时，电磁转矩从基频以下调速时，电磁转矩T恒定，电动机带负载的能力不变，恒定，电动机带负载的能力不变，属于恒转矩调速。属于恒转矩调速。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统3 3基频以上恒功率（恒电压）变频调速基频以上恒功率（恒电压）变频调速 当当f1f1N时，时，U1=const，f m（属于弱磁调速）（属于弱磁调速）电磁转矩电磁转矩T P
31、不变不变，属于恒功率调速。，属于恒功率调速。额定频率以上调频时，理想额定频率以上调频时，理想空载转速增大，最大转矩大幅空载转速增大，最大转矩大幅减小。减小。最大转矩点对应的转差最大转矩点对应的转差 n几乎不变，但由于最大转矩几乎不变，但由于最大转矩减小很多，所以机械特性斜减小很多，所以机械特性斜度加大，特性变软。度加大，特性变软。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统基频以上调速基频以上调速 在基频在基频f1N以上变频调速时，由以上变频调速时，由于电压于电压U1=U1N 不变，不难证明当频不变，不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小
32、，机械特性上移，如右图所转矩减小，机械特性上移，如右图所示。由于频率提高而电压不变，气隙示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转速升高了，可以认为输出功率基于转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，基频以上变频调速属本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。于弱磁恒功率调速。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统4 4变频调速特性的特点变频调速特性的特点f1f1N U11=constm不变，属于恒转矩调速不变，属于恒转矩调速 f1f1N U1=constm变小，电动机的功率变小，电动机的功率不变，属于恒功率
33、调速不变，属于恒功率调速当当f 较低时，较低时，U不能忽略不能忽略mT通常通常 U1 以保持以保持Tm不变（不变（电压补偿电压补偿）P=T（）（）=const2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.3.1 6.3.1 基基 本本 结结 构构主电路主电路控制电路控制电路6.3通用变频器的基本结构与控制方式通用变频器的基本结构与控制方式2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统1 1主电路主电路 由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。将交流变将交流变成直流成直流D=1.35 380 513(V)U为泵生电压提为泵生电压提供放电回路供放
34、电回路将直流电逆变成频率将直流电逆变成频率可调的交流电可调的交流电限制启动限制启动电流电流续流二极管续流二极管IGBT导通，并联二极管为再生电流导通，并联二极管为再生电流及能量返回直流电路提供通路及能量返回直流电路提供通路2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统（1）整流电路）整流电路VD1VD6组成三相不可控整流桥，将交流电组成三相不可控整流桥，将交流电变成变成513V的直流电，整流桥集成电路模块如图。的直流电，整流桥集成电路模块如图。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统滤波电路：滤波电路：滤波电容器滤波电容器CF有两个功能：一是滤平全波整流后的有两个功能：一
35、是滤平全波整流后的电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。电源指示电源指示HL：HL除了表示电源是否接通以外，还有一个除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。上的电荷是否已经释放完毕。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统（2 2）能耗电路）能耗电路 电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超过此时的同步转速（过此时的同步转速（n=60f/P）
36、而处于再生制动（发电）状态，）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压两端）电压UD不断上升（即所说的不断上升（即所说的泵升电压泵升电压），这样变频器），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管由开关管VTB与驱动电路构成，其功能是用来控制流经与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的的放电电流放电电流IB 2
37、023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统电动和制动运行电动和制动运行2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统单管单管IGBT IGBT单管：单管：IGBT，封装较模块小，电流通常在，封装较模块小，电流通常在100A以下以下（3 3）逆变电路）逆变电路 逆变管逆变管VT1VT6组成逆变桥将直流电逆变成频率、电压组成逆变桥将直流电逆变成频率、电压都可调的交流电，是都可调的交流电，是变频器的核心部分变频器的核心部分。常用逆变模块有：。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结等，一般都采用模块化结构有构有2单元、单元、4单元、单元、6单
38、元。单元。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统IGBT模块：就是将多个模块：就是将多个IGBT集成封装在一起。集成封装在一起。目前市场上目前市场上15kW以上变频器使用的是以上变频器使用的是150A/200A/300A/400A/450A的两单元的两单元IGBT模块或模块或100A/150A的三相逆变的三相逆变IGBT模块。模块。全桥全桥IGBTIGBT单桥单桥IGBTIGBT2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统IGBT整流桥与整流桥与IGBT整流桥与封装好的整流桥与封装好的IGBT2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统 集成整流桥集成整流桥
39、+制动单元（制动单元（PFCPFC）+三相逆变（三相逆变（IGBTIGBT桥）桥）15kW以下小功率变频器多采用以下小功率变频器多采用25A/50A/75A的的PIM模块。模块。PIM结构包括三相全波整流和结构包括三相全波整流和67个个IGBT单元，即变频器的主回路单元，即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（全部封装在一个模块内，在中小功率变频器上（15kW以下）均使以下）均使用用PIM模块以降低成本。模块以降低成本。PIM（功率集成模块）（功率集成模块）知识拓展知识拓展功率集成模块功率集成模块PIM2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统 智能智能IPM模块
40、问世已有十年之久。它将模块问世已有十年之久。它将IGBT、驱动电路、保护电路、驱动电路、保护电路集成集成化成功率器件，用电流传感功能芯片，对过流和短路进行保护。化成功率器件，用电流传感功能芯片，对过流和短路进行保护。IPM有四种电有四种电路形式：单管封装（路形式：单管封装（H），双管封装（），双管封装（D），六合一封装（），六合一封装（C），七合一封装），七合一封装（R）。由于）。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，国内外尺寸亦可减小，又有自保护能力，国内外55KW以下的变频器多数采用以
41、下的变频器多数采用IPM模模块。块。IPM有：短路保护（有：短路保护（SC），过流保护（），过流保护（OC），欠压保护（），欠压保护（UV），过热保），过热保护（护（OT），过压保护（），过压保护（OV）等。）等。智能功率模块智能功率模块IPMIGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护 IPM（智能功率模块）（智能功率模块）知识拓展知识拓展2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统2.2.控制电路控制电路变频器控制部分一般有：变频器控制部分一般有：CPU单元、显示单单元、显示单元、电流检测、电压检测单元、输入输出控元、电流检测、电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源制
42、端子、驱动放大电路、开关电源等。等。CPU单元：采用16位、32位单片机或DSP，变频器专用单片机如：INTEL 87C196MH，速度为几十ns级。矢量控制型采用双CPU。主控制电路板主控制电路板DSP 电机控制专用电机控制专用CPU 软件烧制在软件烧制在DSP板上的板上的DSP中，其核心是中，其核心是根据电压及负载电流，来控制根据电压及负载电流，来控制6个逆变个逆变IGBT的的导通与关断，从而控制电机的运转。导通与关断，从而控制电机的运转。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统电流检测单元：对于电流检测单元：对于变频器加速、减速、运行中过流、变频过载及电机过载的检测。显示单
43、元：显示单元：其功能为人机界面、参数设定、状态/故障显示、远距离操作等。驱动电路驱动电路：CPU产生的PWM波经专用驱动芯片、驱动放大电路后给IGBT。驱动电路板驱动电路板2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统类别类别作用作用主要构成器件主要构成器件主电路整流部分将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分将直流转换为频率、电压均可变的交流电，输出无相序要求IGBT制动部分消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT 和制动电阻,大功率制动单元外置上电缓冲降低上电冲击电流，上电结束后开关自动闭合，而后变频器允许运行限流电阻和开关储能部分保持直流母线电压恒定，
44、降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态MCU(单片机）控制电路交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护DSP(或两个MCU）变频器的构成变频器的构成2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种变频器的构成变频器的构成2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统3.3.外部端子外部端子主回路接口主回路接口 工频电网输入380V 3PH/220
45、V 3PH220V 1PHM3制动电阻直流电抗器三相交流电机 R S T P 1 (+)P B (-)U V W P E P O W E R S U P P LY M O T O R P/+PR2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统主电路接口主电路接口3.3.外部端子外部端子控制电路端子控制电路端子控制电路输入端子控制电路输入端子开关量输入开关量输入模拟量输入模拟量输入编码器接口编码器接口控制电路输出端子控制电路输出端子开关量输出开关量输出模拟量输出模拟量输出通信接口通信接口外接控制端子外接控制端子主要主要用于远距离、多功用于远距离、多功能控制能控制通信接口通信接口主要用于主要
46、用于多电动机、系统控制多电动机、系统控制2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统通信接口通信接口 变频器通常采用标准装备变频器通常采用标准装备RS485接口，配上选择通信接口，配上选择通信卡可以对应世界各地的变频器进行通信。卡可以对应世界各地的变频器进行通信。现现 场场 总总 线线OBUS（标准装备标准装备）DeviceNetProfibus-DPCC-LinkCANopenLonWorks 通信选用卡通信选用卡InterBus-SRS485板板2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统通信接口通信接口通信接口通信接口人机界面人机界面通信接口通信接口使用场合：使用场合
47、：各类中大型生产线或系统各类中大型生产线或系统特特 点：点：l 所有控制均通过通信电缆所有控制均通过通信电缆l 线路相对简单，自动化水线路相对简单，自动化水平高，信息交换量大平高，信息交换量大l 实时性好，抗扰能力强实时性好，抗扰能力强,为为防止网络故障，特设独立急防止网络故障，特设独立急停功能停功能l 投入大，调试维护困难投入大，调试维护困难2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统通信扩展通信扩展卡插槽卡插槽变频器变频器控制板控制板通信接口通信接口2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统6.3.2 6.3.2 分类分类1.1.按变换环节分类按变换环节分类 按变换环
48、节来分可以分为按变换环节来分可以分为交交-交直接变频器交直接变频器和和交交-直直-交交间间接变频器。接变频器。优点：没有中间环节，变换效率高。优点：没有中间环节，变换效率高。缺点：缺点：总设备投资大，交总设备投资大，交-交变频器的最大输出频率为交变频器的最大输出频率为30HZ，其应用受到限制。其应用受到限制。改变正反组切换频率改变正反组切换频率可以调节输出交流电可以调节输出交流电的频率，而改变的频率，而改变的的大小即可调节矩形波大小即可调节矩形波的幅值的幅值2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统整流整流逆变逆变直流电压直流电压电源电压电源电压输出电压输出电压 变频器的电压波形变
49、化变频器的电压波形变化输出电压的平均值是正弦波正弦波（正弦波（脉宽调制脉宽调制）控制控制方式方式整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流直流直流交流交交-直直-交变频器：交变频器：目前三菱变频器目前三菱变频器大都为交大都为交-直直-交交变频器。变频器。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统交交-直直-交变频器主要有交变频器主要有3 3种结构形式种结构形式 调压和调频分别在两个环节调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调，上，由控制电路进行协调，但电网侧的功率因数低，输但电网侧的功率因数低，输出谐波大。出谐波大。整流环节采用不可控整流环节采用不可控整流，增设斩波器进行整流，增
50、设斩波器进行调压，再用逆变器变频调压，再用逆变器变频，克服了功率因数低的，克服了功率因数低的缺点，输出谐波仍大。缺点，输出谐波仍大。调压和调频都在逆变器上调压和调频都在逆变器上进行，输出电压是一系列进行，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值，是最以调节输出电压值，是最好的一种调压调频方法。好的一种调压调频方法。2023-1-31交流电动机调速系统交流电动机调速系统2 2按直流电路的滤波方式分类按直流电路的滤波方式分类 交交-直直-交变频器中间直流环节的交变频器中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感储能元件可以是电容或是电感，据此，据此，变频器分成变频器
