第8章 变频器及其应用,本章主要内容,8.1 变频调速的基本原理,8.2 变频器的分类,8.3 交-交变频器,8.4 交-直-交变频器,8.5 通用变频器,8.6 变频调速系统,8.1 变频调速的基本原理,根据电机学原理可知，三相交流电动机的同步转速可表示为,式中，f1定子供电的频率； p电动机的磁极对数。 改变交流电动机的供电频率，就可以改变其同步转速，这就是变频调速的理论依据。,(8-1),对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。这是因为，如果磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；反之，如果磁通太强，则电动机处于过励状态，励磁电流变大，铁心损耗增加，为使电动机不过热，负载能力也要下降。 主磁通是定子和转子磁势合成产生的，那么如何才能保持主磁通恒定不变呢？ 根据电机学原理，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为,(8-2),式中， E1定子每相电动势有效值； f1定子频率； N1定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量。 式中N1、 为常数，因此磁通量 是由E1和f1共同决定的，只要保证E1/f1为一常值，就能保证磁通 不变。下面分两种情况说明。,8.1.1 基频以下的恒磁通变频调速,当变频的范围在基频（额定频率）以下的时候，由式（8-2）可知，要保持磁通 不变，就要求在降低供电频率的同时降低感应电动势， E1/f1保持=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制，这种控制称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。,但是，感应电动势E1难于直接检测和直接控制。在频率f1较高时，定子上的漏阻抗压降相对比较小，可以忽略不计，近似地认为U1=E1，在控制上保持定子电压U1和频率f1的比值为常数，即U1/ f1常数，这种控制方式称为恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。,当频率较低时，定子漏阻抗压降所占的比例较显著，不能忽略，这时可以人为地把定子电压U1抬高一点以补偿定子电压降，使气隙磁通大体保持不变。,8.1.2 基频以上的弱磁变频调速,在基频以上调速时，由于定子电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变。此时，必然会使主磁通随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。 异步电动机变频调速的控制特性如图8-1所示。,图8-1 异步电动机变频调速的控制特性,8.2 变频器的分类,变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率的变化而变化的特性来实现电动机调速运行的装置。变频器最早的形式是采用旋转变频发电机组，作为可变频率电源供给交流电动机，主要是对异步电动机进行调速。随着电力电子器件的发展，静止式变频装置成了变频器的主要形式。 变频器的种类很多，下面就其主要的几种分类方法进行简单介绍。,1. 按主电路结构形式分 静止式变频器从主电路的结构形式上可分为两种形式：交-交型变频器和交-直-交型变频器。 （1）交-交变频器 交-交变频器又称为频率变换器，它是把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电。这种变频器中间不经过直流环节，变换效率高，但最高输出频率只能达到电源频率的1/3至1/2，主要用于大容量的低速拖动系统中。,（2）交直交变频器 交直交变频器又称为间接变频器，由其结构形式可知，它是先通过整流电路将电网的工频交流电变成直流电，再经逆变电路将这个直流电逆变为频率和电压可调的交流电。交直交变频器的原理框图如图8-2所示。这种变频器频率调节范围较大，变频后电动机的特性有明显的改善，是目前应用最广泛的变频方式。,图8-2 交-直-交变频器的原理框图,2. 按直流电源的性质分 当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将有无功功率交换。通常，根据用于缓冲中间直流环节的储能元件是电容还是电感，可把变频器分为电压型变频器和电流型变频器。 （1）电压型变频器 电压型变频器主电路结构形式如图8-3所示。在电路中的直流部分接有大容量的电容器，施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，而大体保持恒定，类似于电压源，故称为电压型变频器。逆变电路输出的电压为矩形波或阶梯波。电压型变频器多用于不要求正反转或快速加减速的通用变频器中。,图8-3 电压型变频器,（2）电流型变频器 电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，所不同的是电流型变频器的直流部分接入的是大容量的电抗器而不是电容器，如图8-4所示。变频器施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，特性类似于电流源，故称为电流型变频器。逆变电路输出的交流电流是矩形波。电流型变频器适用于频繁可逆运转的变频器和大容量的变频器。,图8-4 电流型变频器,3. 按控制方式分 按控制方式变频器可分为U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器。 （1）U/f控制变频器 控制是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，所以，又称为VVVF控制。在额定频率以下，通过保持U/f恒定使异步电动机获得所需的转矩特性。 U/f控制是一种转速开环控制，控制电路简单，成本较低，多用于精度要求不高的通用变频器。 （2）转差频率控制变频器 转差频率控制是在U/f控制基础上的一种改进方式。在这种控制方式中，变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。变频器的输出频率由电动机的实际转速与转差频率之和来自动设定，从而达到在调速控制的同时也使输出转矩得到控制。与U/f控制相比，转差频率控制大大提高了调速精度，但是由于这种控制方式需要在电动机轴上安装速度传感器，并需要针对电动机的机械特性调整控制参数，故通用性较差。,（3）矢量控制变频器 上述的控制方式和转差频率控制方式的控制思想都是建立在异步电动机的静态数学模型上，动态性能指标不高。矢量控制方式是将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的励磁电流和与其相垂直的产生转矩的转矩电流，分别进行控制，然后将两者合成后的定子电流供给电动机。 矢量控制是交流异步电动机的一种理想调速方法，它属于闭环控制方式，使异步电动机的高性能成为可能，是异步电动机调速最新的实用化技术。矢量控制变频器不仅可以实现与直流电动机电枢电流相匹敌的传动特性，而且可以直接控制异步电动机转矩的变化，因而它已在许多需要精密或快速控制的领域得到应用。,4. 按调压方式分 根据输出电压调节方式的不同，变频器又可分脉幅调制和脉宽调制两种。 （1）脉幅调制（PAM） PAM（Pulse Amplitude Modulation）方式，是一种改变电压源的电压或电流源的电流的幅值进行输出控制的方式。因此，在逆变器部分只控制频率，整流器部分只控制输出电压或电流。由于这种控制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂，而且低速运行时转速波动较大，因而现在主要采用PWM方式。,（2）脉宽调制（PWM） PWM（Pulse Width Modulation）方式，是在逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。在PWM方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的。 为了使异步电动机在进行调速运转时能够更加平滑，目前在变频器中多采用正弦波PWM控制方式（SPWM控制），即通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近正弦波。,5. 按用途分 根据用途的不同，变频器可分为通用变频器和专用变频器。 （1）通用变频器 通用变频器是近20年来发展起来的交流电动机新型变频调速装置。它的特点是具有通性，即一方面可以驱动普通的交流电动机；另一方面它本身能提供较多的可供选择的控制功能，能适应许多不同性质的负载，达到不同的控制目的。 随着变频技术的发展和市场需求的不断扩大，通用变频器沿着两个方向发展：简易型通用变频器和高性能多功能通用变频器。,简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而简化了一些系统功能的通用变频器，它具有节能显著、过载能力强、使用维护方便、体积小、价格低等优点，主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对系统调速性能要求不高的场合。 高性能通用变频器在设计过程中充分考虑了在变频器应用中可能出现的各种需求，并为满足这些需求在系统硬件和软件方面都做了相应的准备。在使用时，用户可以根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设定，也可以根据系统的需要选择厂家所提供的各种备用选件来满足系统的特殊需要。,（2）专用变频器 专用变频器又可分为高性能专用变频器、高频变频器和高压变频器。高性能变频器大多数采用矢量控制，驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机。为了满足高速电动机的驱动要求，目前出现了采用PAM控制的高频变频器，其输出频率可达3kHz。高压变频器一般是大容量的变频器，最高功率可做到5000kW，电压等级为3kV、6 kV和10kV。,8.3 交-交变频器,8.3.1 单相输出交-交变频器 单相交-交变频器的电路原理框图如图8-5所示。电路由两组反并联的晶闸管变流电路构成，输出供给单相负载。两组变流器都是相控电路，正组工作时，负载电流自上而下，设为正向；反组工作时，负载电流自下而上，为负向。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电，如图8-6所示。,图8-5 单相交-交变频器的主电路,图8-6 单相交-交变频器输出的方波,改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出到负载上的交流电频率，改变交流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。 交-交变频电路的运行方式就是整流装置中可逆整流电路的运行方式，它可分为无环流和有环流两种。在任何时刻只有一组整流器工作，另一组整流器被封锁，这样的运行方式为无环流运行方式。 交-交变频电路在有环流运行方式时，两组整流器可同时工作，只是一组处于工作状态，另一组处于待逆变状态，对它们的控制应能满足 =180。对于这种运行方式，由于两组整流器整流电压波形不同，在变流器回路中将出现纹波电压而产生环流。为了限制纹波电压产生的环流，必须在变流器回路中设置环流电抗器。,8.3.2 三相输出交-交变频器 交-交变频器主要用于交流调速系统中，因此实际使用的主要是三相交-交变频器。三相交-交变频器电路是由3组输出电压相位互差120的单相交-交变频电路组成。主电路主要有两种连接方式，即公共交流母线进线方式和输出Y形连接方式。 1. 公共交流母线进线方式 如图8-7所示是共公交流母线进线方式的三相交-交变频电路原理图，它由三组彼此独立的、输出电压相位相差120的单相交-交变频电路组成，它们的电源进线通过电抗器接在电网的公共母线上，但三组单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须折开，引出六根线。这种连接方式的变频器主要用于中等容量的交流调速系统。,图8-7 公共交流母线进线方式的三相输出交-交变频器,图8-8 输出Y形连接方式的三相输出交-交变频器,2. 输出Y形连接方式 如图8-8所示是输出Y形连接方式的三相交-交变频电路原理图，三组单相交-交变频电路的输出端Y形连接，交流电动机的三个绕组也是Y形连接，电动机的中点不与变频器的中点接在一起，电动机只引出三根线。这时三组单相变频器的电源进线必须相互隔离，所以三组单相变频器分别用三个变压器供电。这种接线方式的变频器主要用于大容量的交流调速系统。,8.3.3 交-交变频器的特点 交-交变频器属于直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高。由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，约为交流输入电压频率的1/3左右，但输出波形较好。另外，交-交变频电路功率因数较低，特别是在低速运行时更低，因此需要进行适当补偿。鉴于以上特点，交-交变频器特别适合于球磨机、矿井提升机、电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。,8.4 交-直-交变频器,8.4.1 交-直-交电压型变频器 1. 电压型变频器主电路的组成 如图8-9所示是三相串联电感式电压型变频器主电路，它由晶闸管整