第1章 變頻器的認識

1、變頻器原理與應用（第3版）第一章第一章 變頻器的認識變頻器的認識變頻器的概念 變頻器是將固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調電壓、可調頻率的交流電的裝置。 變頻器原理與應用（第3版） 1.1 1.1 變頻器概述變頻器概述 1.1.1 變頻器的發(fā)展 1.電力電子器件是變頻器發(fā)展的基礎 變頻器問世于20世紀80年代，初期的變頻器主電路由晶閘管等分立電子元件組成，可靠性差、頻率低，而且輸出的電壓和電流的波形是方波。隨著GTR和GTO的出現(xiàn)并成為逆變器的功率器件時，脈寬調制（PWM）技術也進入到應用階段，這時的逆變電路能夠得到相當接近正弦波的輸出電壓和電流，同時8位微處理器成為變頻器的控制核心，按壓頻

2、比（V/f）控制原理實現(xiàn)異步電動機的變頻調速，在工作性能上有了很大提高。近年來人們陸續(xù)研制出絕緣柵雙極晶體管IGBT和集成門極換流晶閘管IGCT，以及性能更為完善的智能功率模塊IPM，使得變頻器的容量和電壓等級不斷擴大和提高。變頻器原理與應用（第3版） 2 2 變頻器的發(fā)展得益于計算機技術和變頻器的發(fā)展得益于計算機技術和自動控制理論的支持自動控制理論的支持 計算機制造技術突飛猛進地發(fā)展，使變頻器的中央處理單元從采用8位微處理器迅速升級為16位乃至32位微處理器，有的還使用了DSP系統(tǒng)，使變頻器的功能從單一的變頻調速發(fā)展為包含算術、邏輯運算及智能控制的綜合功能。 自動控制理論的發(fā)展使變頻器在改善

3、壓頻比控制性能的同時，推出了能實現(xiàn)矢量控制、直接轉矩控制、模糊控制和自適應控制等多種模式?，F(xiàn)代的變頻器已經內置有參數(shù)辨識系統(tǒng)、PID調節(jié)器、PLC控制器和通訊單元等，根據(jù)需要可實現(xiàn)拖動不同負載、寬調速和伺服控制等多種應用。變頻器原理與應用（第3版）3 3 市場需求是變頻器發(fā)展的動力市場需求是變頻器發(fā)展的動力 變頻器的問世為交流電機的調速提供了契機，不僅要取代結構復雜、價格昂貴的直流電機調速，而且能節(jié)省大量的能源。 據(jù)調查統(tǒng)計，全國各類電動機耗電量約占全國發(fā)電量的70%。其中80%為異步電動機，大多數(shù)電動機長時間處于輕載運行狀態(tài)，特別是風機、泵類負載的電動機。若在此類負載上使用變頻調速裝置，將可

4、節(jié)電30%左右。 目前，變頻器作為商品在國內的銷售額呈逐年增加趨勢，銷售前景十分看好，據(jù)有關資料報道，在過去幾年內中國變頻器市場保持著12%15%的增長率，這一速度遠遠超過了近幾年GDP的增長速度，變頻器全面推廣應用的時代已經不遠了。 變頻器原理與應用（第3版）4 4 變頻器的發(fā)展趨勢變頻器的發(fā)展趨勢 今天，電力電子的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）進入到高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、微小型化、智能化和低成本化，多種適宜變頻調速的新型電機正在開發(fā)研制之中 ，IT技術的迅猛發(fā)展，以及控制理論的不斷創(chuàng)新，這些與變頻器相關的技術將影響其發(fā)展的趨勢。 變頻器技術的發(fā)展趨勢是朝著網(wǎng)絡智能化

5、 、專門化 、一體化 、操作簡便、功能健全、安全可靠、環(huán)保低噪、低成本和小型化的方向發(fā)展。變頻器原理與應用（第3版） 1.1.1.2 1.2 變頻器的分類變頻器的分類1 1 按變頻的原理分類按變頻的原理分類 變頻器原理與應用（第3版）（1）交-交變頻器 交-交變頻器只有一個變換環(huán)節(jié)，即把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源轉換為變壓變頻（VVVF）電源，稱為直接變頻器，或稱為交-交變頻器。 變頻器原理與應用（第3版）（2）交-直-交變頻器 交-直-交變頻器又稱為間接變頻器，它是先將工頻交流電通過整流器變成直流電，再經逆變器將直流電變成頻率和電壓可調的交流電。圖1-1所示為交-直-交變頻器的原理框圖。

6、 圖1-1 交-直-交變頻器的原理框圖變頻器原理與應用（第3版）1） 交-直-交變頻器根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲能方式，又分為電壓型和電流型兩種，如圖1-2所示。a) 電壓型變頻器 b) 電流型變頻器圖1-2 電壓型和電流型變頻器的主電路結構變頻器原理與應用（第3版）2）根據(jù)調壓方式的不同，交）根據(jù)調壓方式的不同，交-直直-交變頻交變頻器又分為脈幅調制和脈寬調制兩種。器又分為脈幅調制和脈寬調制兩種。 脈幅調制（PAM） 改變電壓源的電壓或電流源的電流的幅值進行輸出控制的方式。 圖1-3 PAM方式調壓變頻器原理與應用（第3版）脈寬調制（脈寬調制（PWM）變頻器輸出電壓的大小是通過改變輸出脈沖的占變頻器輸

7、出電壓的大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)的。目前使用最多的是占空比按正弦空比來實現(xiàn)的。目前使用最多的是占空比按正弦規(guī)律變化的正弦波脈寬調制，即規(guī)律變化的正弦波脈寬調制，即SPWM方式。方式。 a) 調制原理 b) 輸出電壓波形 圖1-4 用PWM方式調壓輸出的波形 變頻器原理與應用（第3版）2 按控制方式分類按控制方式分類（1）V/f控制變頻器 （2）轉差頻率控制變頻器（3）矢量控制變頻器（4）直接轉矩控制變頻器原理與應用（第3版）3 3 按用途分類按用途分類 1 1） 通用變頻器通用變頻器 簡易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主要目的而簡化了簡易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主要目的而簡化了一些系

8、統(tǒng)功能的通用變頻器。它主要應用于水泵、風扇、鼓一些系統(tǒng)功能的通用變頻器。它主要應用于水泵、風扇、鼓風機等對于系統(tǒng)調速性能要求不高的場合，并具有體積小、風機等對于系統(tǒng)調速性能要求不高的場合，并具有體積小、價格低等方面的優(yōu)勢。價格低等方面的優(yōu)勢。 高性能通用變頻器在設計過程中充分考慮了在變頻器高性能通用變頻器在設計過程中充分考慮了在變頻器應用中可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件應用中可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面都做了相應的準備。和硬件方面都做了相應的準備。 2 2）專用變頻器）專用變頻器 高性能專用變頻器高性能專用變頻器 高頻變頻器高頻變頻器 高壓變頻器高壓

9、變頻器變頻器原理與應用（第3版） 1.1.1.3 1.3 變頻器的應用變頻器的應用 1.1.1.1 1.1 變頻器在節(jié)能方面的應用變頻器在節(jié)能方面的應用 風機、泵類負載采用變頻調速后，節(jié)電率可以達到20%60% 1.1.1.2 1.2 變頻器在自動化系統(tǒng)中的應用變頻器在自動化系統(tǒng)中的應用 化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計量、導絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機；電弧爐自動加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制等。1.1.1.3 1.3 變頻器在提高工藝水平和產品質量方面的應用變頻器在提高工藝水平和產品質量方面的應用 物料傳送、起重、擠壓和機床等各種機械設備控制領域，它可以提高工藝水

10、平和產品質量，減少設備的沖擊和噪聲，延長設備的使用壽命。 變頻器原理與應用（第3版）1.2 異步電動機變頻調速原理異步電動機變頻調速原理 1.2.1 異步電動機變頻調速機理異步電動機變頻調速機理 由電機學可知，三相交流電動機的同步轉速（即定由電機學可知，三相交流電動機的同步轉速（即定子旋轉磁場轉速）子旋轉磁場轉速）n0可表示為可表示為 (1-1)式中，式中，f1 為定子供電的頻率；為定子供電的頻率；p為電動機的磁極對數(shù)。為電動機的磁極對數(shù)。pfn1060變頻器原理與應用（第3版） 根據(jù)異步電動機的工作原理，異步電動機根據(jù)異步電動機的工作原理，異步電動機要產生轉矩，同步轉速要產生轉矩，同步轉速n

11、0與轉子轉速與轉子轉速n必須有必須有差別。這個轉速差（差別。這個轉速差（n0n）與同步轉速）與同步轉速n0的的比值比值s稱為轉差率稱為轉差率. (1-2) 異步電動機的轉速異步電動機的轉速n的表達式為的表達式為 (1-3) 異步電動機在額定狀態(tài)運行時，轉子轉速異步電動機在額定狀態(tài)運行時，轉子轉速n通常與通常與n0相差不大，因此額定轉差率相差不大，因此額定轉差率sN一般都比較小，其范圍一般都比較小，其范圍在在0.010.05之間之間。00nnns)1 (60)1 (10spfsnn變頻器原理與應用（第3版） 如果將電源頻率調節(jié)為如果將電源頻率調節(jié)為fx，則同步轉速，則同步轉速n0 x也隨也隨之調

12、節(jié)成之調節(jié)成 (1-4) 異步電動機變頻后的轉速異步電動機變頻后的轉速nx的表達式的表達式 (1-5) 由此式可見，調節(jié)電源頻率由此式可見，調節(jié)電源頻率fx，可使異步電，可使異步電動機的轉速動機的轉速nx得到大范圍的調節(jié)。這就是異步電得到大范圍的調節(jié)。這就是異步電動機變頻調速的理論依據(jù)。動機變頻調速的理論依據(jù)。pfnxx600)1 (60)1 (0spfsnnxxx變頻器原理與應用（第3版）1.2.2 三相異步電動機的機械特性三相異步電動機的機械特性 當加在電動機上的電壓當加在電動機上的電壓U1為額定電壓時，電為額定電壓時，電動機的電磁轉矩動機的電磁轉矩T與轉子轉速與轉子轉速n之間的關系，稱之

13、間的關系，稱為電動機的機械特性，即為電動機的機械特性，即 n = f (T )三相異步電動機的機械特性曲線如圖三相異步電動機的機械特性曲線如圖1-5所示。所示。 圖1-5 三相異步電動機的機械特性曲線變頻器原理與應用（第3版）1.2.3 三相異步電動機的變頻起動三相異步電動機的變頻起動 在變頻調速系統(tǒng)中，變頻器用降低頻率f1從而也降低了電壓U1的方法來起動電動機。 圖1-6 低頻起動時電動機的機械特性曲線。變頻器原理與應用（第3版） 電動機以很低的頻率起動，隨著頻率的上升，轉速上升，直至達到電動機的工作頻率后，電動機穩(wěn)速運行。在此過程中，轉速差n被限制在一定的范圍，起動電流也將被限制在一定的范

14、圍內而且動態(tài)轉矩T很小，起動過程很平穩(wěn)。變頻器原理與應用（第3版）1.2.4 三相異步電動機的變頻制動三相異步電動機的變頻制動 三相異步電動機的變頻制動方式有直流制動和回饋三相異步電動機的變頻制動方式有直流制動和回饋制動。制動。 1.直流制動直流制動 電動機制動時，切斷電動機的三相電源，在定子繞電動機制動時，切斷電動機的三相電源，在定子繞組中通入直流電，產生一恒定磁場，如圖組中通入直流電，產生一恒定磁場，如圖1-7a所示。所示。由于轉子在機械慣性作用下仍按原方向旋轉它切割由于轉子在機械慣性作用下仍按原方向旋轉它切割恒定磁場產生感應電流用左手定則可判斷感應電流恒定磁場產生感應電流用左手定則可判斷

15、感應電流在磁場中的受力方向，從而可判斷電磁轉矩方向與轉在磁場中的受力方向，從而可判斷電磁轉矩方向與轉子轉速方向相反，為制動轉矩。子轉速方向相反，為制動轉矩。 變頻器原理與應用（第3版） 如圖1-7b所示，曲線為原電動運行狀態(tài)機械特性曲線，曲線為直流制動運行狀態(tài)機械特性曲線。 a) 直流制動的原理 b)直流制動的機械特性曲線 圖1-7 直流制動的原理與機械特性變頻器原理與應用（第3版）2回饋制動回饋制動 當nn1時，轉子切割旋轉磁場的方向和電動運行狀態(tài)nn1正好相反，轉子中感應電動勢和電流的方向也相反，電磁轉矩T也就和n反向，為制動轉矩。 圖1-8 回饋制動的機械特性曲線 變頻器原理與應用（第3

16、版）1.3 變頻器的結構與主要技術參數(shù)1.3.1 變頻器的外形變頻器的外形變頻器的外形可分為掛式、柜式和柜掛式三種. a) 掛式 b) 柜式 c) 柜掛式 圖1-9 森蘭通用變頻器的外形變頻器原理與應用（第3版）1.3.2 變頻器的基本原理結構變頻器的基本原理結構 變頻器的內部電路相當復雜，圖1-10所示為變頻器的基本原理結構圖。圖1-10 變頻器的基本原理結構框圖 變頻器原理與應用（第3版） 控制電路的結構如圖1-11所示，它主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板、外接控制電路等構成。 圖1-11 控制電路的結構變頻器原理與應用（第3版）1主控板 主控板是變頻器運行的控制中心 2鍵盤與顯示板 鍵

17、盤是向主控板發(fā)出各種信號或指令的，顯示板是將主控板提供的各種數(shù)據(jù)進行顯示兩者總是組合在一起。圖1-12 通用變頻器的鍵盤配置 圖1-13 通用變頻器的顯示屏 變頻器原理與應用（第3版） 3.電源板 (1) 主控板電源 (2) 驅動電源 (3) 外控電源 變頻器原理與應用（第3版）1.3.3 變頻器的銘牌變頻器的銘牌 變頻器銘牌用于說明變頻器的型號和主要技術參數(shù)。 圖1-14 森蘭變頻器的銘牌變頻器原理與應用（第3版）變頻器型號說明：變頻器原理與應用（第3版）1.3.4主要技術參數(shù)主要技術參數(shù)1.輸入電壓輸入電壓 主要是指變頻器的輸入電壓的相數(shù)、大小和頻率，常見的有以下幾種：（1）3相 380V

18、 50/60Hz 絕大多數(shù)變頻器采用這種規(guī)格。（2）3相 220V 50/60Hz 主要用于某些進口變頻器。（3）單相220V 50/60Hz 主要用于家用小容量變頻器。變頻器原理與應用（第3版）2. 輸出電壓輸出電壓UN 由于變頻器在變頻的同時也要變壓，所以輸出電壓是指輸出電壓的相數(shù)、電壓變動范圍和頻率變動范圍。一般輸出電壓變動范圍為0V輸入電壓，即輸出電壓的最大值總是和輸入電壓相等。3. 額定電流額定電流IN 通常是指允許長時間輸出的最大電流，是用戶選擇變頻器時的主要依據(jù)。變頻器原理與應用（第3版）4. 輸出容量輸出容量SN SN取決于UN和IN的乘積 （1-6）5. 額定功率額定功率PN PN是變頻器說明書中規(guī)定的配用電動機容量。6. 過載能力過載能力 是指變頻器輸出電流超過額定電流的允許范圍和時間。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為1.5 IN和60s。NNN3IUS變頻器原理與應用（第3版） 本章小結本章小結 變頻器是將固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調電壓、可調頻率交流電的裝置。 1.變頻器的發(fā)展 變頻器是隨著微電子學、電力電子技術、計算機技術和自動控制理論等的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。變頻器的發(fā)展趨勢為：智能化 、專門化 、一體化 、環(huán)?；?。變頻器原理與應用（第3版） 2.變頻器的分類 1) 按變頻器的工作原理分類: