变频器技术教案

教学回顾：电力拖动中的设备不少都需要调速，比如机床线路有些是机械调速，而有些则需要电气调速。

教学引导：交流异步电机的调速有三种方法，一.变级调速；二.改变转差率调速；

三.变频调速。

正课内容：

变频技术

课题一：变频调速的基础知识和控制原理

一、变频器及其分类

1.变频器

变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用，将工频

交流电变换成频率、电压连续可调的交流电的电能控制装

置，如图4-2所示。

2.变频器的分类

变频器的种类很多，分类方法也有多种，常见的分类方

式见下表。

二、通用变频器的甚本结构

目前，通用变频器的变换环节大多采用交一直一交变频变压方式。即先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电逆变成频率、电压连续可调的交流电。基本框图如下。

常用的逆变管：1. 大功率晶体管（GTR），高电压、大电流。工作在开关状态。

2. 绝缘栅双级晶体管（IGBT），输入电阻大，栅极电流约为零。

3. IPM智能模块，驱动、保护、检测在一个模块。

2.变频器的控制电路

变频器的控制电路为主电路提

供控制信号，其主要任务是完成对

逆变器开关元件的开关控制和提供

多种保护功能。控制方式有模拟控

制和数字控制两种。

通用变频器控制电路的控制框

图如图4-5所示，主要由主控板、键

盘与显示板、电源板与驱动板、外

接控制电路等构成。各部分的功能

见下表

三、变频器的工作原理和功能

1.变频器的工作原理

(1)逆变的基本工作原理当开关S1、S2与S3、S4轮流闭合和断开时，在负载上即可得到波形如图4-17b所示的交流电压，完成直流到交流的逆变过程。用具有相同功能的逆变器开关元件取代机械开关，即得到单相逆变电路，电路结构和输出电压波形如图4-18所示。改变逆变器开关元件的导通与截

止时间，就可改变输出电压

的频率。

常用的变频器采用三相

逆变电路，电路结构如图

4-19a所示。在每个周期中，

各逆变器开关元件的工作情

况如图4-19b所示，图中阴

影部分表示各逆变管的导通时间。下面以U、V之间的电压为例，分析逆变电路的输出线电压。

间隔600

1).在△t1、△t2时间内，Vl, V4同时导通，U为“＋”、V为“一”，u uv为“＋”，且U m＝U D。

2).在△t3时间内，V2, V4均截止，u uv= 0 。

3).在△t4、△t5时间内，V2, V3同时导通，U“一”，V为“＋”，u uv为“一”，且U m＝U D。

4).在△t6时间内，Vl, V3均截止，u uv= 0 。

根据以上分析，可画出U与V之间的电压波形。同理可画出V与W之间、W与U 之间

的电压波形，如图4-19c所示。从图中看出，三相电压的幅值相等，相位互差120 0 。

上面讨论的仅是逆变的基本原理，据此得到的交流电压是不能直接用于控制电动机的运行，实际应用的变频器要复杂得多。

(2) U/f控制是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维持电动机磁通基本恒定，三相交流异步电动机在工作过程中，铁心磁通接近饱和状态。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。

在励磁不足时，电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时，又会使铁心中的磁通处于饱和状态，使电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铁耗，并易使电动机温升过高。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定并为额定值。

由异步电动机定子绕组感应电动势可得到：

显然，要使电动机的磁通在整个调速过程中保持不变，只要在改变电源频率f的同时改变电动机的感应电动势E,使其满足E/f为常数即可。考虑到正常运行时电动机的电源电压与感应电动势近似相等，只要使U/f等于常数，即可使电动机的磁通基本保持不变，采用这种控制方式的变频器称为U/ f控制变频器。

当电动机低速运行时，感应电动势较低，定子阻抗上的压降不能忽略，采用U/f控制的调速系统在工作频率较低时，电动机的输出转矩将下降。为了改善低频时的转矩特性，可采用补偿电源电压的方法，即低频时适当提升电压U来补偿定子阻抗上的压降，以保证电动机在低速区域运行时仍能得到较大的输出转矩，这种补偿功能称为变频器的转矩提升功能。

综上所述，对电动机供电的变频器一般要求兼有调压和调频功能，通常将这种变频器称为变频变压(VVVF)型变频器。

(3)脉冲宽度调制(PWM)技术在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度（或用占空比表示），达到改变等效输出电压的一种方法。

PWM的输出电压基本波形如图4-20所示。在半周中保持脉冲个数不变而改变脉冲宽度，可改变半周内输出电压的平均值，从而达到改变输出电压有效值的目的。

PWM输出电压的波形是非正弦波，用于驱动三相异步电动机运行时性能较差。如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化，即使脉冲宽度先逐步增大，然后再逐渐减小，则输出电压也会按正弦规律变化，简称SPWM。如图4-21所示，如将一个正弦波的正半周划分为12等份，每一份正弦波下的面积可用一个与该面积近似相等的矩形脉冲来代替，则这12个等幅不等宽的矩形脉冲的面积之和与正弦波所包围的面积等效。

2.变频器的功能

(1)系统所具有的功能

1)全范围转矩自动增强功能变频器在电动机的加速、减速和正常运行的所有区域中可以根据负载情况自动调节U/f值，对电动机的输出转矩进行补偿。

2)防失速功能变频器的防失速功能包括加速过程的防失速功能、恒速运行过程的防失速功能和减速过程的防失速功能三种。

3)过转矩限定运行功能这种功能的作用是对机械设备进行保护并保证运行的连续性。利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定，当电动机的输出转矩达到该设定值时，变频器停止工作并发出报警信号。

4)运行状态检测显示功能该功能主要用于检测变频器的工作状态并及时显示。

5)自动节能运行功能该功能使变频器能自动选择工作参数，使电动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行。

6)自动电压调整功能当电源电压下降时，使用自动电压调整功能可以维持电动机的高启动转矩。

7)通过外部信号对变频器进行启停控制的功能变频器通常都具有通过外部信号控制变频器启停的功能。

(2)频率设定功能

1)给定频率的设定方法有面板给定、预置给定、外接

给定三种方式。

2)基本频率f b和最高频率f max.电动机的额定频率称为

变频器的基本频率。当频率给定信号为最大时，变频器的给

定频率称为最高频率。

3)上限频率,f'H和下限频率f L 上限频率与下限频率是

调速系统所要求变频器的工作范围，