变频器应用技术讲义及实验指导书.doc

第1章变频调速基础1.1各种调速方法简介电力电子技术的发展开始于上世纪初汞弧整流器的发明真正的革命开始于1956年贝尔实验室发明的晶闸管，1958年通用电气公司推出了商品化产品经过40多年的发展，电力电子技术已经成为一门多学科的边缘技术，包含整流电路、电力半导体器件、计算机技术、控制理论以及集成电路等从调速的工作情况来看，可分为三大类，一类是机械调速，第二类是联轴节的变速，第三类是电气调速，主要是电动机的调速一．机械调速机械式调速是采用机械式动力源来调节传动速度，也是最古老的一种调速方法其典型方式如下：蒸气机调速具有起动转矩大、调速及反转容易等优点；缺点是热效率低，单位输出的重量(功率)大所以，中小功率已被内燃机和电动机取代，大功率改为气轮机或电动机气轮机的优点是能量转换效率高，容易获得高速等；缺点是需用锅炉和大的附属设备，先逐步被变速联轴节和调速电动机所取代使用汽油等的内燃机主要用在汽车、船舶等交通领域，不需要电源二．联轴节变速联轴节变速是在以定速运转的电动机轴上装设可调速的联轴节，用于改变负载装置的输入转速，其典型代表如下：变间距带轮调速主要是利用带与皮带轮的接触面摩擦力传递动力，调节轴的带与带轮间距、改变等效直径比进行调速，调速比为1：3~1：6。

这种调速响应性及精度差液力式变速机是利用改变液量来改变输出轴的转速，容易实现无级调速，比机械式调速平稳电磁转差离合器是调节励磁电流控制速度与转矩特性但总效率低，转筒需要冷却，不能产生制动力矩电气调速按调速性能分，有普通型和高性能调速型，按提供的电能类型，可分为直流调速和交流调速；而交流调速还可以再分类目前国内生产的电气和机械调速的各种设备主要有：变极调速电机、电磁调速电机及其调速装置、串级调速、变频调速装置及变频调速电机、直流调速装置及直流调速电机、调速液力偶合器、调速离合器、开关磁阻电机、微型电子调速电机、力矩电机等类型三．调速电动机下面主要介绍几种常见的电气调速方法1．变极调速异步电动机简单的调速之一就是倍级变极调速（p），见下表序号极数（2P）1极数（2×2P）2转矩比T2/T1功率比（P2/P1）特性联结方法联结方法1YYY10.5恒转矩2YY YY21恒功率3YY△（D）1.7320.866可变转矩4△YY1.31.15可变转矩5△△Y0.5770.288可变功率优点：调速设备简单，运行可靠、机械特性较好（硬），有恒转矩调速、近似恒功率调速和可变转矩调速缺点：有级调速，电动机结构复杂，精度不高。

应用：恒转矩调速应用于起重电葫芦、运输传送带等；恒功率调速应用于各种机床粗、精加工、风机、水泵负载等2．电磁调速电机电磁调速电机又称为滑差电动机、电磁转差离合器调速电动机、涡流式电磁调速电动机，日本称之为变速电动机（VS电机）或涡流耦合电机（HC电机），台湾称之为自动变速电动机（AS马达）或涡流电动机（ED马达）结构：笼型异步电动机（Y/YD）、电磁转差离合器及控制装置（包括测速发电机）三部分组成特点：结构简单、加工方便、使用可靠、起动性能好、起动转矩大、可直接使用三相交流电源、控制系统简单、维护方便、价格低、调速范围宽、速度调节平滑，有一定的调速精度（2%左右）；但在低速时效率低，而高速时特性软新技术是：采用低电阻端环调速电机，效率有所提高应用场合：起重机的松卷下落，但需要与电磁调速制动装置并用负恒转矩）3．串级调速线绕转子异步电动机除了采用变频调速外，还可以采用串级调速，其转子通过集电环和电刷接入附加电阻或其他控制装置，以改善电动机的起动性能，具有起动转矩大，起动电流小等优点但调速是有级的，不能平滑调速；串入电阻后，机械特性变软，在低速运行时如果负载增加，转速变化很大，且效率很低等。

4．变频调速（略、后专门叙述）5．直流电动机三种调速（1） 改变电枢串阻调速（Ra）（2） 改变电枢电压调速（Ua）（3） 改变励磁电流调速（）三种调速性能比较表调速方式和方法控制装置调速范围转差率平滑性动态性能负载能力性质效率改变Ra串Ra变阻器或接触器2：1低速时大用变阻器好，其它差无自动调节能力恒转矩低改变Ua电动机—发电机组发电机或磁放大器或扩大机10：1~20：1小好较好恒转矩60%~70%静止变流器晶闸管变流器50：1~100：1小好好恒转矩80%~90%直流脉冲调宽晶体管或晶闸管直流开关电路50：1~100：1小好好恒转矩80%~90%改变In串联Rn或用直流可变电源直流电源变阻器3：1~5：1较大差差恒功率80%~90%磁放大器或扩大机好较好晶闸管变流器好1.2 变频调速的关键技术直流电动机：存在换向器，使直流电动机维护工作量加大，单机容量、最高转速及使用环境都受到限制变频调速器简称变频器，是将某一个频率一定的交流电变为频率和电压可调的交流电静止装置三相交流异步电动机发明于19世纪80年代（即1889年），由其转速n=60f（1—s）/p中可知，改变f可以改变转速，也就是说从发明异步电动机的那一天起，就已经知道通过改变f来调节电机转速的原理。

然而，变频器真正进入实用阶段的却是在20世纪80年代，中间经历了整整100年的时间那么，究竟是什么原因影响了变频器的实现呢？关键技术有以下几个方面：１．电力电子器件：电力电子器件的发展为A.C调速奠定了技术基础不管是什么类型的变频器，都少不了“驱动器”，而驱动器的核心技术就是电力电子器件一直到50年代末才出现晶闸管，属于半控型器件（导通可控，但不能由门极控制关断，故须增加强迫换相电路），70年代出现功率晶体管（GTR）、门极关断晶闸管（GTO晶闸管）、功率MOS场效应管（Power　ＭＯＳＦＥＴ）、绝缘栅双极晶体管（ＩＢＧＴ）、ＭＯＳ控制晶闸管（ＭＣＴ）等，都属于全控型器件（通、断都可以控制，无须强迫换相），使逆变器结构简单ＩＢＧＴ兼有ＭＯＳＦＥＴ和ＧＴＲ的优点，是用于中、小功率目前最流行的器件；ＭＣＴ则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和ＭＯＳＦＥＴ的快速开关特性，是很有前景的大功率、高频率开关器件８０年代出现功率集成电路，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前应用于交流调速的智能功率模块ＩＰＭ，PIC（功率集成电路的一种），它簇拥ＩＢＧＴ作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我表现保护等多种智能功能，是发展方向。

大功率开关器件是实现变频调速的必要条件（基础），主要解决大功率、高可靠性以及高速开关等问题变频器的产生和发展，始终与大功率开关器件的进步紧密联系在一起，其性能的优劣也直接关系到变频调速系统的开关速度、驱动功率及价格２．变频技术：直流电动机具有优良的外特性，这是众所周知的事实如何将交流异步电动机也以直流电动机相媲美的外特性来取代，是变频器一直追求的目标随着普通晶闸管构成的方波逆变器被全控型高频开关器件组成的ＰＷＭ（三角波脉冲宽度调制）逆变器所取代、ＳＰＷＭ（正弦波脉冲宽度调制）逆变器及其专用芯片的普遍应用、磁通跟踪型ＰＷＭ逆变器，即用电压矢量方法决定逆变器的开关状态来形成ＰＷＭ波形，并取代传统的ＳＰＷＭ技术，以及滞环电流型ＰＷＭ逆变器因其电流动态响应快、实现方便而受到重视，变频技术已经日趋完善目前随着开关频率的提高，使ＰＷＭ逆变器输出波形非常逼近正弦波但在电网一侧，尽管以不控整流器取代相控整流器，使基波的ｃｏsΦ接近于１，然而电流谐波成分大，总的ｃｏｓΦ仍很低，消除对电网的谐波污染并提高功率因数，是变频技术不可回避的问题近年来研究的谐振型逆变器，使功率开关在０电压或０电流下进行开关状态转换，开关损耗几乎为０，效率提高，体积减小，成本降低，这是很有发展前景的变频器。

在变频的同时，由于电压也会发生变化因此，在变频技术领域，解决好变频又变压是变频技术的关键问题３．控制技术：７０年代提出矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解藕（强耦合），达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的，获得与直流调速系统同样优良的静、动态性能８０年代提出直接转矩控制理论，是把电动机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型ＰＷＭ逆变器的开关状态直接控制转矩因此，无须对定子电流进行解藕，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前受到各国重视当然计算机技术的引入，促进了模拟系统向数字系统转化，数字化使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，也大大提高了自动化程度近10年来，无速度反馈（矢量）控制技术理论得到了进一步的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器其关键在于获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求速度的估算方法，除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。

无传感器控制技术不需要检测硬件，提高了系统可靠性降低成本，是今后变频控制技术重点研究的课题（问题：安全性例如反应速度，控制精度、紧急制动）在控制技术领域，实现良好的机械特性是变频调速的目标1.3 如何实现变频调速异步电动机转速公式：ｎ＝ｎ0（１－ｓ）＝６０ｆ１／Ｐ（１—ｓ）调速方法：ｆ、Ｐ、ｓ，后二者大都属于机械调速方法，暂不分析因此，变频调速通常是通过改变定子供电频率来改变旋转磁场速度，从而实现对电动机的速度调节由于异步电动机旋转磁场速度n0（n0也称为同步转速，n0=６０ｆ１／Ｐ）与电源频率f1成正比关系，可见，改变f1就可改变n0而实现调速1.3.1 变频调速的控制方法若改变频率f1，从转速公式可知道，则可以改变旋转磁场的转速n0，也就改变转子的转速n从上述公式看出，n与f1成正比；但从电磁转矩公式T≈KU12/λmf12也看出，改变f1的同时，电磁转矩T也发生相反的变化（λm称为过载系数），T与f1成反比，而n从机械特性看，在一定范围内（0~SM）是与T成正比的可见，单独调整f1，难于实现n的有效调节如何解决这一问题？通常采用下列方法：一、恒转矩特性的控制电动机一般工作在磁饱和曲线的弯曲处（弱饱和），若磁通增加，将引起铁芯过分饱和，励磁电流将急剧增加而发热，使cos a（功率因数）降低；反之，电动机输出转矩下降，若负载不变，则引起定、转子都会过电流而发热。

因此，在变频时要维持恒磁通此种要求实现的方法有：理论上要求E1/f1为常数（恒定）由于E1=4.44f1N1Kn1￠m（反电势），为保持￠m不变，在改变f1的同时，必须按比例改变感应电动势E1，即E1/f1=K￠m，K是比例常数可见，E1和f1需要协调控制，这是一种属于恒磁通调速的控制方法问题：由于E1难于直接控制，因此，保持E1/f1恒定只是一种理想控制方法因为U1=E1—U漏，当忽略漏阻抗压降时，则U1≈E1，因此，实际上是采用保持U1/f1= K￠m的比例控制方式来进行调速的保持U1/f1= K￠m，可以近似地维持￠m恒定，这显然是很容易通过对定子相电压U。