第一章變頻器基礎知識61-2變頻器的組成與工作原理1-1三相交流異步電動機的調速1-3變頻器的控制方式1-1

三相交流異步電動機的調速891.理解三相交流異步電動機的工作原理。2.掌握三相交流異步電動機的調速方法。3.理解三相交流異步電動機變頻調速的機械特性。學習目標一、三相交流異步電動機的工作原理1.旋轉磁場（1）旋轉磁場的產生三相交流異步電動機的核心結構由定子和轉子兩部分構成。定子部分包括定子鐵心與定子繞組，當三相定子繞組中通入三相對稱交流電時，將生成一個旋轉磁場，其產生過程如圖所示。1011旋轉磁場產生過程由圖a可知，當ωt=0時，電流瞬時值

iU=0，iW

為正值，iV

為負值。這表示U相無電流，W相電流由W1流進（標為

×），W2流出（標為

?），V相電流由V2流進（標為

×），V1流出（標為

?），這一刻定子繞組電流產生的合成磁場方向可由安培定則判斷得出。12當

時，電流瞬時值

iU

為正最大值，iV、iW

均為負值，這表示U相電流從U1流進，U2流出，V相電流、W相電流分別由V2、W2流進，V1、W1流出，這一刻定子繞組電流產生的合成磁場方向如圖b所示，可見磁場方向較

ωt=0時順時針旋轉了90°。以此類推，當

ωt=π、

、ωt=2π時，定子繞組電流產生的合成磁場方向分別如圖c、d、e所示。由圖可見，當交流電經(jīng)歷一個完整周期后，三相交流電合成磁場正好以順時針方向旋轉一周。（2）旋轉磁場的轉速旋轉磁場的轉速（也稱同步轉速）與三相交流電源的頻率和三相交流異步電動機的磁極對數(shù)有關，其關系表達式為：式中，n1——旋轉磁場的轉速，r/min；

f1——三相交流電源的頻率，Hz；

p——三相交流異步電動機的磁極對數(shù)。13（3）旋轉磁場的轉向旋轉磁場的轉向由電源的相序決定。若電源為正相序（即電源按U—V—W相排列，也稱順序），則旋轉磁場沿順時針方向旋轉，前面闡述的旋轉磁場產生過程即為電源正相序時的磁場產生過程；若將三相電源中的任意兩相對調（即電源按W—V—U相逆相序排列，也稱反序），則旋轉磁場沿逆時針方向旋轉，其旋轉磁場產生過程與正相序原理一致。14（4）三相交流異步電動機的工作原理當定子繞組接入三相交流電源，定子空間內將形成旋轉磁場。若此旋轉磁場沿順時針方向旋轉，則其效果等同于轉子在逆時針方向上切割旋轉磁場。因此，轉子繞組中將產生感應電流，該電流在旋轉磁場中受到力的作用，進而驅動轉子沿旋轉磁場旋轉的方向轉動，如圖所示。15三相交流異步電動機的工作原理2.轉差率由于轉子只有在切割旋轉磁場的情況下，才能產生感應電流，從而產生電磁力矩使轉子轉動，因此轉子的轉速

n

要比旋轉磁場的同步轉速

n1

低一些，它們之間的差值用轉速差Δn

表示，即Δn=n1-n，轉速差Δn

與同步轉速

n1

的比值稱為轉差率

s，即：式中，s——轉差率；

n1——同步轉速；

n——轉子轉速。16二、三相交流異步電動機的調速原理由式（1-1）和式（1-2），可得到轉子轉速

n

的表達式：由該表達式可以看出，三相交流異步電動機的調速方法有三種，分別是變極（

p）調速、變轉差率（

s）調速和變頻（

?1）調速。其中，變頻調速性能最好，不僅調速范圍大，且靜態(tài)穩(wěn)定性好、運行效率高。171.變極調速由式（1-3）可知，變極調速是在電源頻率不變的條件下，通過改變定子磁極對數(shù)的方式改變同步轉速，從而達到調速的目的。2.變轉差率調速變轉差率調速一般只適用于繞線型異步電動機。具體調速方法很多，例如，轉子串電阻調速、串級調速、調壓調速等。隨著

s

增大，電動機的機械特性會變軟，效率降低。183.變頻調速從機械特性分析，其調速性能比變極調速和變轉差率調速要好得多，甚至可以達到近似直流電動機調壓調速的性能，這也是變頻調速的基本原理。下面分基頻以下與基頻以上兩種調速情況進行分析。（1）基頻以下恒磁通（恒轉矩）變頻調速1）恒磁通變頻調速原理。恒磁通變頻調速實質上就是調速時要保證電動機的電磁轉矩恒定不變。這是因為電磁轉矩與磁通成正比的關系。192）保證磁通恒定的方法。由感應電動勢公式

E1=4.44f1N1Φm

可知，每極磁通量的最大值

Φm=E1/（4.44N1

f1），其值的大小由

E1

和

f1

共同決定，對

E1

和

f1

進行適當控制，就可以使

Φm

的值保持恒定不變。由于一臺電動機的

N1

始終為固定常數(shù)，所以只要保持

E1/f1

為固定常數(shù)，即可保持磁通恒定不變。203）恒磁通變頻調速機械特性。如圖所示是用VVVF變頻器對三相交流異步電動機在基頻以下進行變頻控制時的機械特性，其控制條件為

E1/f1=常數(shù)。21三相交流異步電動機在基頻以下進行變頻控制時的機械特性（2）基頻以上恒功率（恒電壓）變頻調速恒功率變頻調速又稱弱磁通變頻調速，是考慮由基頻

f1N

開始向上調速的情況。頻率由額定值

f1N

向上增大，如果按照

U1/f1=常數(shù)的規(guī)律控制，電壓

U1

也必須由額定值

U1N

向上增大，但實際上電壓

U1

受額定電壓

U1N

的限制不能再升高，只能保持

U1=U1N

不變。根據(jù)公式Φm=E1/（4.44N1

f1），主磁通

Φm

隨著

f1

的上升而減小，這相當于直流電動機的弱磁調速，屬于近似的恒功率調速方式。22三相交流異步電動機基頻以下及基頻以上兩種調速情況下的變頻調速控制特性如圖所示。

23變頻調速控制特性1-2

變頻器的組成與工作原理241.了解變頻器的分類。2.掌握變頻器的工作原理和結構。3.了解變頻器中常用的電力半導體器件。25學習目標一、變頻器的分類變頻器的分類方式有很多：按照主電路工作方式分類，可分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照輸出電壓調制方式分類，可分為PAM（脈沖幅度調制）控制變頻器、PWM（脈沖寬度調制）控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可分為

U/f

控制變頻器、轉差頻率控制變頻器、矢量控制變頻器和直接轉矩控制變頻器；按照用途分類，可分為通用變頻器、高性能專用變頻器和高頻變頻器等。除此以外，變頻器還有其他分類方式，具體可見下表。2627變頻器的其他分類方式二、變頻器的銘牌與型號1.變頻器的銘牌如圖所示是三菱FR-E840型變頻器的額定銘牌（機身側面），其主要內容包括變頻器型號、額定輸入、額定輸出、制造編號和制造年月等。28三菱FR-E840型變頻器的額定銘牌2.變頻器型號變頻器型號由代表不同含義的字母和數(shù)字組成，其型號含義如下：?A：表示電壓等級。29?B：表示電源相數(shù)。?

C：表示變頻器的額定容量或額定電流。30?D：表示通訊和功能安全的規(guī)格。?

E：表示標準規(guī)格產品的監(jiān)視輸出及額定頻率、Ethernet規(guī)格產品及安全通訊規(guī)格產品所能使用的通訊協(xié)議。31?F：表示有無電路板涂層、導體鍍層。32三、變頻器的基本結構變頻器分為交—交和交—直—交兩種形式。目前，通用變頻器大多采用交—直—交的變頻變壓方式。33交—交交—直—交交—交變頻器是將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，又稱直接變頻器。交—直—交變頻器則是先把工頻交流電通過整流器變換成直流電，然后再把直流電逆變成頻率、電壓均可控制的交流電，又稱間接變頻器。變頻器的基本構成如圖所示，其主要由主電路和控制電路組成，其中主電路又包括電網(wǎng)側變流器、中間直流環(huán)節(jié)和負載側變流器三部分。如下圖所示是變頻器的內部結構示意圖。34變頻器的基本構成35變頻器的內部結構示意圖1.變頻器的主電路通用變頻器的主電路由三部分組成，一是交—直變換部分（整流電路），二是能耗制動部分（能耗制動電路），三是直—交變換部分（逆變電路），其電路圖如圖所示，各元器件的作用見下表。36通用變頻器的主電路電路圖37通用變頻器主電路各元器件的作用38通用變頻器主電路各元器件的作用2.變頻器的控制電路變頻器控制電路的作用是為主電路提供關鍵控制信號，其構成通常涵蓋運算電路、檢測電路、控制信號的輸入輸出電路以及驅動電路等多個環(huán)節(jié)。其核心職責在于實現(xiàn)對逆變器開關元件的精確開關控制、整流器電壓的精準調控，并同時承擔多種保護功能。在控制方式上，有模擬控制和數(shù)字控制兩種，二者各有特點。39變頻器控制電路主要由主控制板、鍵盤與顯示板、電源板與驅動板、外接控制電路等構成，其控制原理框圖如圖所示。40變頻器控制電路的控制原理框圖（1）主控制板主控制板是變頻器運行的控制中心，其核心器件是微控制器（單片機）或數(shù)字信號處理器（DSP），其主要功能有：1）接收并處理從鍵盤、外部控制電路輸入的各種信號，如修改參數(shù)、正/反轉指令等。2）接收并處理內部的各種采樣信號，如主電路中電壓與電流的采樣信號、各部分溫度的采樣信號、逆變電路中各功率管工作狀態(tài)的采樣信號等。413）向外電路發(fā)出控制信號及顯示信號，如正常運行信號、頻率到達信號等，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立刻發(fā)出保護指令進行保護或停車，并輸出故障信號。4）完成SPWM調制，對接收到的各種信號進行判斷和綜合運算，產生相應的SPWM調制指令，并分配給逆變電路中各功率管的驅動電路。5）向顯示板和顯示屏發(fā)出各種顯示信號。42（2）鍵盤與顯示板變頻器的鍵盤與顯示板一般采用一體化設計，其中鍵盤的作用是向變頻器發(fā)出運行控制指令，并對運行數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)等進行必要調整和修正；顯示板則主要是展示主控制板上的各類數(shù)據(jù)，通常采用數(shù)碼管或液晶板作為顯示介質。43（3）電源板與驅動板變頻器的內部電源普遍采用開關穩(wěn)壓電源，電源板主要提供以下直流電源：1）主控制板電源。為一組具有極好穩(wěn)定性和抗干擾能力的直流電源。2）驅動電源。在逆變電路中，上橋臂三只功率管的驅動電路電源是相互隔離的三組獨立電源，下橋臂三只功率管的驅動電路電源則采用共“地”設計。驅動電源與主控制板電源之間必須可靠絕緣。3）外控電源。為變頻器外電路提供穩(wěn)恒直流電源。44（4）外接控制電路外接控制電路可通過電位器、主令電器、繼電器以及多種自控設備實現(xiàn)對變頻器的運行控制，并輸出變頻器的運行狀態(tài)、故障報警以及運行數(shù)據(jù)等信號，變頻器外接控制電路一般包括外部給定電路、外接輸入控制電路、外接輸出控制電路和報警輸出電路等。45四、變頻器中的常用電力半導體器件1.整流器變頻器使用的整流器通常采用由整流二極管構成的三相或單相整流橋設計，其核心功能是將交流電轉換為直流電，以提供逆變電路和控制電路使用。在通用變頻器中，整流模塊的配置如圖所示，其中小功率整流器主要接到單相220V交流電源，大功率整流器則接到三相380V交流電源。4647通用變頻器中的整流模塊2.逆變器逆變器是變頻器的核心器件，其在控制電路作用下，可將直流電路輸出的直流電轉換成頻率、電壓均可控制的交流電。逆變器的常見結構形式是以六個功率開關器件組成的三相橋式逆變電路。目前，常用的開關器件有晶閘管（SCR）、門極可關斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、電力場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。48（1）晶閘管（SCR）晶閘管有平板式和螺栓式兩種類型，如圖所示。作為一種電流控制型元件，晶閘管的控制電路結構復雜，工作頻率低，效率也不高，但其電壓、電流容量大，目前仍廣泛應用于可控整流和交—交變頻等變流電路中。49平板式和螺栓式晶閘管（2）門極可關斷晶閘管（GTO）門極可關斷晶閘管如圖所示，是一種多元功率集成器件，也屬電流控制型元件，一般由十幾個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO單元組成。具有高阻斷電壓和低導通損失率的特性，其電壓、電流容量較大，通常可達6000V和6000A，常用于大功率高壓變頻器中。50門極可關斷晶閘管（3）電力晶體管（GTR）電力晶體管作為一種雙極型大功率高反壓晶體管，亦稱巨型晶體管，其單管結構與常規(guī)雙極型晶體管結構類似。在變頻器的應用中，GTR通常以GTR模塊形式呈現(xiàn)，該模塊將2至7只單管GTR或達林頓式GTR的管芯集成于一個管殼內，旨在實現(xiàn)出色的耐高壓、大電流及優(yōu)良的開關特性。如圖所示為電力晶體管的外形及內部結構。5152電力晶體管的外形及內部結構（4）電力場效應晶體管（MOSFET）電力場效應晶體管如圖所示，是一種單極型的電壓控制器件，其輸入阻抗高、驅動功率小、驅動電路簡單、開關速度快，開關頻率可達500kHz以上。變頻器使用的電力場效應晶體管一般是N溝道增強型。53電力場效應晶體管（5）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）絕緣柵雙極晶體管是一種復合型三端電力半導體器件，其外形如圖所示。它將MOSFET與GTR的卓越性能融為一體，展現(xiàn)出了極佳的輸出特性、高速的開關能力以及高頻率的工作狀態(tài)，通常其工作頻率可超過20kHz。54絕緣柵雙極晶體管的外形（6）集成門極換流型晶閘管（IGCT）集成門極換流型晶閘管如圖所示，是一種新型功率半導體器件，該器件不僅繼承了IGBT的高開關頻率特性，同時還兼?zhèn)淞薌TO的高阻斷電壓和低導通損失率優(yōu)點。55集成門極換流型晶閘管（7）智能功率模塊（IPM）智能功率模塊是一種混合集成電路，是將大功率開關元件和驅動電路、保護電路、檢測電路等集成在同一個模塊內，是電力集成電路的一種，其外形和內部結構如圖所示。56智能功率模塊的外形和內部結構1-3

變頻器的控制方式571.熟悉

U/f

恒定控制方式。2.熟悉轉差頻率控制方式。3.了解矢量控制方式。4.了解直接轉矩控制方式。58學習目標在三相異步電動機的變頻調速系統(tǒng)中，變頻器能夠基于電動機的具體特性，對供電電壓、電流以及頻率等進行精準而適當?shù)目刂啤２煌目刂品绞街苯佑绊戨妱訖C的調速性能、特性以及應用場景，從而帶來各異的控制效果。目前，變頻器在電動機控制領域的應用主要涵蓋

U/f

恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制等多種方式。59一、U/f

恒定控制變頻器在調節(jié)電動機電源頻率的同時，亦同步調整其電源電壓，使電動機磁通維持恒定，這種控制方式被稱為

U/f

恒定控制，亦稱VVVF（變壓變頻）控制模式。實現(xiàn)變壓變頻的方式有很多，其中常用的有脈沖幅值調制（PAM）、脈沖寬度調制（PWM）和正弦脈沖寬度調制（SPWM）等。601.PAM方式PAM方式是通過改變直流側的電壓幅值來實現(xiàn)電壓調控的。在變頻器中，逆變器只負責調節(jié)輸出頻率，而輸出電壓則由相控整流器或直流斬波器通過調節(jié)直流電壓來控制。PAM方式一般在采用晶閘管逆變器的中大功率變頻器中應用較為廣泛。612.PWM方式PWM方式是一種廣泛應用的調制技術，其核心原理是在維持整流后直流電壓恒定的情況下，通過調整輸出脈沖的寬度（或以占空比的形式表示），同步調整輸出頻率，進而實現(xiàn)對等效輸出電壓的有效調節(jié)。6263PWM方式輸出電壓波形如圖所示，變頻器的輸出電壓和輸出頻率均采用PWM逆變器調節(jié)。由圖分析可以看出，當載波信號

UC

的三角波幅值維持恒定時，調整參考信號

Ur

的幅值即可使輸出脈沖寬度相應發(fā)生改變，進而實現(xiàn)對輸出基波電壓大小的調控。當改變載波信號三角波的頻率，并保持每周期輸出的脈沖數(shù)不變時，亦可改變基波電壓的頻率。643.SPWM方式采用PWM方式控制得到的輸出電壓波形為非正弦波，在用于驅動三相交流異步電動機時性能較差。如果讓每半個周期的脈沖寬度都按正弦規(guī)律變化，即脈沖寬度先逐漸增大，再逐漸減小，輸出電壓也會按正弦規(guī)律變化，這就是工程中應用最多的正弦波脈寬調制（SPWM），如圖所示。65PWM方式輸出電壓波形SPWM方式的顯著特點是其半個周期內脈沖中心線保持等距分布，脈沖幅度恒定而寬度呈現(xiàn)變化，且變化遵循正弦分布規(guī)律。此外，各脈沖所覆蓋的面積總和與正弦波下的面積呈現(xiàn)比例關系。這一特性使得SPWM調制波形更加接近正弦波，從而極大地減少了諧波分量的產生。66如圖所示為

U/f

恒定控制的PWM變頻器主控制電路框圖。在此框圖中，主電路開關器件的基極驅動信號是通過載波信號與正弦波參考信號的值被調整，脈沖寬度將隨之變動，從而實現(xiàn)對主電路輸出電壓大小的控制。同時，當調整輸出頻率時，輸出電壓的頻率亦會相應發(fā)生改變。6768U/f

恒定控制的PWM變頻器主控制電路