變頻器的基本原理、特點(diǎn)及維修

1、 變頻器的基本原理及特點(diǎn) 變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。常用三相交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)為圖1所示。定子由鐵心及繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子繞組做成籠型（見圖2），俗稱鼠籠型電動(dòng)機(jī)。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時(shí)，在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。電機(jī)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用n表示 n=60f/p(r/min) （1） 式中：f三相交流電源頻率，一般為50hz；p磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)p=1時(shí)，n=3000r/min；p=2時(shí)，n=1500r/min?？梢姶艠O對(duì)

2、數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速n越慢。 轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速n要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率s表示： s=n1n）/n1100% （2） 當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，n=0，這時(shí)s=1；起動(dòng)后的極端情況n=n，則s=0，即s在01之間變化。一般異步電機(jī)在額定負(fù)載下的s=（16）%。 綜合式（1）和式（2）可以得出 n=60f（1s）/p （3 圖1 三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 圖2籠型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組 由式（3）可以看出，對(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。

3、但是，為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率（variablefrequency）的同時(shí)還要調(diào)整電壓（variablevoltage），故簡稱vvvf（裝置）。通過電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。 變頻器的工作原理是把市電（380v、50hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件（gto、gtr或igbt）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調(diào)制（spwm）方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅(qū)動(dòng)異步

4、電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。上述的兩次變換可簡化為acdcac（交直交）變頻方式。 圖3給出國產(chǎn)（深圳華為）變頻器的原理圖。圖中各組成部分名稱已經(jīng)標(biāo)出，dsp是微機(jī)編程器。 利用變頻器可以根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑的增速或減速，基本保持異步電機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)， 具有效率高、范圍寬、精度高且能無級(jí)變速的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于水泵，風(fēng)機(jī)等設(shè)備是很適用的。 我國應(yīng)用的變頻器，國外產(chǎn)品以日本富士、三菱牌號(hào)較多，臺(tái)灣普傳產(chǎn)品也不少，國內(nèi)有西普（西安）、艾倫（上海）、華為（深圳）、艾普斯（天津）等廠家的產(chǎn)品均在推廣應(yīng)用。圖3變頻器的結(jié)構(gòu)主電路 一、主電路 給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電

5、路。圖1 示出了典型的電壓逆變器的例子。其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的整流器，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的平波回路，以及將直流功率變換為交流功率的逆變器。另外，異步電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，有時(shí)要附加制動(dòng)回路 。圖1 變頻器主電路示意圖1、整流器 最近大量使用的是二極管的變流器，如圖1 所示，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。 2、平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6 倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，

6、如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 3、逆變器 同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6 個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3 相交流輸出。 4、制動(dòng)回路 異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)（轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動(dòng)機(jī)）慣量積累的能量比電容能儲(chǔ)存的能量大，需要快速制動(dòng)時(shí)， 可用可逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動(dòng)回路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。 5、異步電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行 根據(jù)負(fù)載種類，所需要的異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)矩方向是不同的，必須根據(jù)負(fù)載構(gòu)成適當(dāng)

7、的主電路圖。在、象限異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向一致，為電動(dòng)狀態(tài)。象限是正轉(zhuǎn)的電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)， 象限是反轉(zhuǎn)的電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。在，象限器轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，為再生狀態(tài)。象限為正轉(zhuǎn)的再3 生運(yùn)轉(zhuǎn)，象限為反轉(zhuǎn)的再生運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則只需由電源向異步電動(dòng)機(jī)供給功率，可使用不可逆變流器。對(duì)于減速時(shí)需要制動(dòng)力的負(fù)載，功率就必須從異步電動(dòng)機(jī)向逆變器流傳，可附加制動(dòng)回路以便能在，象限使用。另外，對(duì)于需要急加減速并且加減速頻繁的場所（例如電梯），或者對(duì)于制動(dòng)為主要目的的場合，可以采用可逆變流器，實(shí)現(xiàn)-的象限運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，能量向電源反饋而節(jié)能變頻器的結(jié)構(gòu)控制電路 二、控制電路 給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路

8、提供控制信號(hào)的回路，稱為控制電路。如圖1所示，控制電路由以下電路組成 ：頻率、電壓的運(yùn)算電路、主電路的電壓、電流檢測電路，電動(dòng)機(jī)的速度檢測電路，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)電路，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路 。 在圖1點(diǎn)劃線內(nèi)，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路增加了速度檢測電路，即增加速度指令，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。 1、運(yùn)算電路 將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 2、電壓、電流檢測電路 與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。 3、驅(qū)動(dòng)電路 為驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)

9、斷。 4、i/0輸入輸出電路 圖1 為了變頻器更好人機(jī)交互，變頻器具有多種輸入信號(hào)的輸入（比如運(yùn)行、多段速度運(yùn)行等）信號(hào)，還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸出（比如電流、頻率、保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)等）信號(hào)。 5、速度檢測電路 以裝在異步電動(dòng)軸機(jī)上的速度檢測器（tg、plg等）的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 6、保護(hù)電路 檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 逆變器控制電路中的保護(hù)電路，可分為逆變器保護(hù)和異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)兩種圖1變頻器的一般分類1、 按變換的環(huán)節(jié)分類： 可分為交-交變頻器，即將

10、工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱直接式變頻器；交-直-交變頻器，則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接式變頻器，是目前廣泛應(yīng)用的通用型變頻器。 2、按直流電源性質(zhì)分類： （1）電流型變頻器電流型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負(fù)載電流變化較大的場合。 （2）電壓型變頻器 電壓型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無功功率將由它來緩沖，直流電壓比

11、較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場合。 此外，變頻器還可以按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類，按控制方式分類，按主開關(guān)元器件分類，按輸入電壓高低分類。2、 變頻器的控制方式的選用 一、 變頻器的控制方式 低壓通用變頻器輸出電壓在38o65ov，輸出功率在o75400kw，工作頻率在o400hz，它的主電路都采用交一直一交電路。其控制方式經(jīng)歷以下四代。 1、第一代以u(píng)/fc，正弦脈寬調(diào)制（spwm）控制方式。其特點(diǎn)是：控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的

12、存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。 2、第二代以電壓空間矢量（磁通軌跡法），又稱svpwm控制方式。它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形。以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式而進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)：引人頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流成閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引人轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 3、第三代以矢量控制（磁場定向法）又稱vc控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度、磁場兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子

13、磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。然而轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，實(shí)際效果不如理想的好。 4、第四代以直接轉(zhuǎn)矩控制，又稱dtc控制。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。具體方法是： （1）控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式； （2）自動(dòng)識(shí)別（id）依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別； （3）算出實(shí)際值對(duì)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制； （4）實(shí)現(xiàn)bandband控制一一按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的band一band控制產(chǎn)

14、生pwm信號(hào)，對(duì)逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制； （5）具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（2ms，很高的速度精度（2%，無pg反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（土3%）； （6）具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)（包括0速度時(shí)），可輸出15o%200%轉(zhuǎn)矩。變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方案的選擇 劉亮喜（上海金山石化公司） 徐潮昆（浙江中源電氣有限公司） 摘 要：本文討論了三相異步電動(dòng)機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)；無傳感器矢量變頻器異步調(diào)速系統(tǒng)；矢量變頻器閉環(huán)異步變頻調(diào)速系統(tǒng)；永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)四種控制方案。文中還就這四種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，指出它們各自的適用范圍。 關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī)、三相稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)、通用

15、變頻器、矢量控制變頻器、轉(zhuǎn)速編碼器、開環(huán)和閉環(huán)控制 一、 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速 交流電動(dòng)機(jī)不論三相異步電動(dòng)機(jī)還是三相同步電動(dòng)機(jī)，它們的轉(zhuǎn)速n公式為： n0=60f/p （同步電動(dòng)機(jī)） n=n0(1-s)=60f/p(1-s) （異步電動(dòng)機(jī)） 式中：f-頻率；p-極對(duì)數(shù)；s-轉(zhuǎn)差率（03%或06%）。 由轉(zhuǎn)速公式可見，只要設(shè)法改變?nèi)嘟涣麟妱?dòng)機(jī)的供電率f，就十分方便地改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。比改變極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s兩個(gè)參數(shù)簡單得多，特別是近二十多年來，靜態(tài)電力變頻調(diào)速器突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使得三相交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速成為當(dāng)前電氣調(diào)速的主流。 實(shí)際上僅僅改變電動(dòng)機(jī)的頻率并不能獲得良好的變頻特性。例如：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)

16、計(jì)的三相異步電動(dòng)機(jī)，380v，50hz。如果電壓不變，只改變頻率，會(huì)產(chǎn)生什么問題？380v不變，頻率下調(diào)(50hz)，則使磁通減弱。所以，真正應(yīng)用變頻調(diào)速時(shí)，一般需要同時(shí)改變電壓和頻率，以保持磁通基本恒定。因此，變頻調(diào)速器又稱為vvvf(variable voltage variable frequency)裝置。 二、 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速四種控制方案的分析 根據(jù)生產(chǎn)的要求，變頻器的型式和電動(dòng)機(jī)的種類，會(huì)出現(xiàn)多種多樣的變頻調(diào)速控制方案。這里只討論交-直-交(ac-dc-ac)變頻器。至于交-交循環(huán)變頻器（ac-ac相控變頻）以及自同步控制逆變器（不論ac-ac方式還是ac-dc-ac方式），即

17、俗稱無換向器電動(dòng)機(jī)，均不展開討論。 1、開環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。 圖1 開環(huán)異步機(jī)變頻調(diào)速 vvvf-通用變頻器 im-異步電動(dòng)機(jī) 該控制方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。但是，由于是開環(huán)控制方式，其調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。尤其是在低速區(qū)域電壓調(diào)整比較困難，不可能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。異步7 電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動(dòng)，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以達(dá)到0.5%的精度，所以采用這種v/f控制的通用變頻器異步機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速適用于一般要求不高的場合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械。 2、無速度傳感器的矢量控

18、制變頻器異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。 圖2 矢量控制變頻器的異步電機(jī)變頻變頻調(diào)速 vvvf -矢量變頻器 對(duì)比圖1和圖2控制框圖，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。由于使用無速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測、控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了矢量控制。雖說它是開環(huán)控制系統(tǒng)，但是大大提升了靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精 圖3 異步電機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速 度約等于0.5%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。 pg-速度脈沖發(fā)生器 如果生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用矢量變頻器無傳感器開環(huán)異步電機(jī)變頻調(diào)速是非常合適的，可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的實(shí)效。 3、帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。 矢量控制異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速是一種理想的控制方式。它有許多優(yōu)點(diǎn)： （1）可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，即甚低速亦能運(yùn)行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達(dá)100:1或1000:1； （2）可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制； （3）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度甚快； （4）電動(dòng)機(jī)的加速度特性很好等優(yōu)點(diǎn)。 二、 然而，帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖好，但是畢竟它需要在異步電動(dòng)機(jī)軸上安裝