第10章交流變頻調(diào)速系統(tǒng)10.1交流變頻調(diào)速的概念10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)10.3數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用10．1．1交流調(diào)速系統(tǒng)簡介1．交流電動機調(diào)速的發(fā)展簡況異步交流電動機誕生于19世紀末，具有結(jié)構(gòu)簡單、裝置堅固、運行可靠、維護便利等特點，在單機容量、供電電壓和速度極限等方面均優(yōu)于直流電動機，所以很快成為工業(yè)社會的核心，是傳動系統(tǒng)的主力。由于交流電動機的轉(zhuǎn)速主要決定于輸入交流電源的頻率，長期以來一直作為定速傳動使用，其根本原因在于交流電源的頻率調(diào)整是較為困難的，特別是大功率場合。雖然在某些場合可以采用轉(zhuǎn)子串電阻、定子調(diào)壓等方法進行有限的調(diào)速運行，10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回但其穩(wěn)定性、可靠性及效率等方面均存在許多問題，極大地限制了交流異步電動機的使用。隨著電力電子半導(dǎo)體器件的發(fā)展，交流變頻技術(shù)開始成熟并進入實用化，從而徹底改變了交流電動機的應(yīng)用限制。各種采用新型器件的交流變頻裝置不斷涌現(xiàn)，性能不斷提高，交流調(diào)速系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，使得電動機的調(diào)速進入了交流化的時代。由于采用了可變頻率、可調(diào)電壓的交流電源供電，實現(xiàn)了很高精度的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并在快速性、正反轉(zhuǎn)控制和制動等方面的技術(shù)難點均得到了有效的解決，使其調(diào)速性能可以和直流調(diào)速相媲美，10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁加上交流電動機本身的優(yōu)越性，使交流調(diào)速系統(tǒng)逐漸成為調(diào)速傳動的主流。2．交流調(diào)速的基本方法交流電動機的轉(zhuǎn)速方程式為

式中：n為電動機實際轉(zhuǎn)速；f1為定子供電電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率；p為磁極對數(shù)；n1為定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。由該轉(zhuǎn)速方程式可知，交流電動機有三種調(diào)速方法：10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁1）變極調(diào)速通過改變磁極對數(shù)p，來調(diào)節(jié)交流電動機的轉(zhuǎn)速。此種調(diào)速屬于有級調(diào)速，轉(zhuǎn)速不能連續(xù)調(diào)節(jié)。2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速即以改變轉(zhuǎn)差率s來達到調(diào)速的目的。此種方法可通過以下幾種途徑實現(xiàn)：①調(diào)壓調(diào)速：即改變異步電動機端電壓進行調(diào)速。特點：調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差功率損耗在轉(zhuǎn)子里或外接電阻上，效率較低，僅用于特殊籠型和繞線轉(zhuǎn)子等小容量電動機調(diào)速系統(tǒng)中。10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁②轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速：即在轉(zhuǎn)子外電路上接入可變電阻，以改變電動機的轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)調(diào)速。特點：既可實現(xiàn)有級調(diào)速，也可實現(xiàn)無級調(diào)速。結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，操作方便，但轉(zhuǎn)差功率損耗在電阻上，效率隨轉(zhuǎn)差率增加而等比下降。③轉(zhuǎn)子串附加電動勢調(diào)速（串級調(diào)速）：即在異步電動機的轉(zhuǎn)子回路中附加電動勢，從而改變轉(zhuǎn)差率進行調(diào)速的一種方式。特點：運行效率高，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機、泵類等傳動電動機上。④應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器（滑差電動機）調(diào)速：即在籠型異步電動機和負載之間串接電磁轉(zhuǎn)差離合器，10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁使得二者之間只有電磁聯(lián)系而無機械聯(lián)系，通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)差離合器的勵磁電流進行調(diào)速的一種方式。特點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差能量損耗在電磁耦合器上，效率低，僅適用于調(diào)速性能要求不高的小容量傳動控制系統(tǒng)中。3）變頻調(diào)速變頻調(diào)速是利用電動機的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過改變電動機的供電頻率進行調(diào)速的一種方法。特點：調(diào)速范圍寬、效率高、精度高，是交流電動機比較理想的一種調(diào)速方法。10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁10．1．2交流變頻調(diào)速的基本控制方式要實現(xiàn)交流變頻調(diào)速，其基本的控制方式有三種，即恒磁通控制方式、恒電流控制方式和恒功率控制方式。1．恒磁通控制方式及其特性在進行電動機調(diào)速時，通常要考慮的一個重要因素是，希望保持電動機中每極磁通量為額定值，并保持不變。這樣才能充分發(fā)揮電動機的能力，即充分利用鐵芯材料，充分利用繞組達到額定電流，盡可能使電動機的輸出達到額定轉(zhuǎn)矩或最大轉(zhuǎn)矩。如果磁通太弱，沒有充分利用電動機的鐵芯，這是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵芯飽和，10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時還會因繞組過熱而損壞電動機。對于直流電動機，因為勵磁是獨立的，所以只要對電樞反應(yīng)的補償合適，保持Фm的不變是很容易做到的。但在交流異步電動機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子的磁動勢合成產(chǎn)生的，怎樣才能保持磁通恒定，是需要進行認真研究的。1）維持氣隙磁通Фm的恒定異步電動機定子繞組的感應(yīng)電動勢為

如果略去定子阻抗電壓降，則感應(yīng)電動勢近似等于定子的外加電壓，即10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁式中：C1為常數(shù)，C11k1。因此，若定子的供電電壓U1保持不變，則氣隙磁通Фm將會隨頻率變化而變化。一般在電動機設(shè)計中，為了充分利用鐵芯材料，通常把磁通的數(shù)值選為接近磁路飽和值。如果頻率f1從額定值（通常為50Hz）往下降低，則磁通會增加，從而造成磁路過飽和，使勵磁電流增加。這將使電動機帶負載能力降低，功率因數(shù)變壞，鐵耗損增加，電動機過熱，這是不允許的。反之，如果頻率從額定值往上升高，則磁通將會減少，由異步電動機的轉(zhuǎn)矩公式可以看出，磁通Фm的減少勢必導(dǎo)致電動機允許輸出轉(zhuǎn)矩Te的下降，10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁使電動機的利用率降低，在一定的負載下有過電流的危險。為此通常要求磁通保持恒定，即Фm＝常數(shù)。為了保持磁通Фm恒定，必須使定子電壓和頻率的比值保持不變，即

式中：U’1、f’1為變化后的定子電壓和頻率；C為常數(shù)。這就要求定子電壓隨頻率成正比變化。上式就是恒磁通控制方式所要遵循的協(xié)調(diào)控制條件。在滿足這個條件的前提下，由異步電動機的轉(zhuǎn)矩表達式可知，等于電動機的轉(zhuǎn)子額定有功電流，當(dāng)Фm維持不變時，那么電動機的輸出轉(zhuǎn)矩也是恒定的，可以獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性。10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁在U1/f1=C條件下，異步電動機調(diào)頻時的機械特性曲線簇如圖10－1所示，圖中f1>f1>f1″>f1″。由圖10－1可以看出，在定子供電電源頻率較高時，電動機的最大轉(zhuǎn)矩近似保持恒定，機械特性曲線斜率變化很小。若保持U1/f1=C不變，異步電動機的機械特性是一簇平行的曲線，但最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率f1的降低而減少，當(dāng)頻率較低時，機械特性曲線斜率及最大轉(zhuǎn)矩變化較大。從物理概念上來說，低頻時機械特性斜率的加大以及最大轉(zhuǎn)矩的下降，是由于定子繞組內(nèi)阻上引起的電壓降在低速時相對影響較大，無法保持電動機氣隙磁通為恒值而造成的。故低頻啟動時，啟動轉(zhuǎn)矩也將減少，甚至不能帶負載。10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁因此，此種采用保持氣隙磁通Фm恒定的交流調(diào)速系統(tǒng)，只適用于調(diào)速范圍不大的負載。對于要求調(diào)速范圍大的恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，希望在整個調(diào)速范圍中維持最大轉(zhuǎn)矩不變，欲保持磁通Фm的恒定，應(yīng)滿足E1/f1＝常數(shù)的關(guān)系。但由于電動機的感應(yīng)電動勢E1難以測得和控制，故在實際應(yīng)用中通常在控制回路加入一個函數(shù)發(fā)生器，以補償?shù)皖l時定子電阻所引起的壓降影響。圖10－2所示為函數(shù)發(fā)生器的各種補償特性：曲線①為無補償時U1與f1的關(guān)系曲線，曲線②、③為有補償時U1與f1的關(guān)系曲線。實踐證明這種補償效果良好，常被采用。經(jīng)補償后所獲得的恒最大轉(zhuǎn)矩Tm變頻調(diào)速的一簇機械特性曲線，如圖10－1中虛線所示。10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁2）維持轉(zhuǎn)子磁通Ф2的恒定如果把U1再多提高一些，將轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也補償?shù)簦统闪司S持轉(zhuǎn)子磁通Ф2恒定的恒磁通控制，這正是目前異步電動機進行矢量控制所追求的目標(biāo)。由式中：s為轉(zhuǎn)差率；ω1為定子旋轉(zhuǎn)磁場角速度，它與定子供電頻率f1的關(guān)系為ω1=2лf1/p，p為磁極對數(shù)。異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可寫成10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁因為所以按電動勢與磁通的關(guān)系有所以

式中：Ф2為轉(zhuǎn)子全磁通；C′為常數(shù)。經(jīng)整理可得

式中：C″為常數(shù)。10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁可見維持Ф2為常數(shù)時，轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)差率S成線性關(guān)系，即可以得到和直流電動機一樣的硬特性。當(dāng)f1不同時，特性將平行變化。如何實現(xiàn)Ф2恒定，則是以后要介紹的閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)所要解決的問題。2．恒電流控制方式和特性在電動機變頻調(diào)速過程中，若保持定子電流I1為一恒值，則這種變頻調(diào)速的控制方式稱為恒電流變頻調(diào)速控制方式。它要求變頻電源是一恒流源，并要求控制系統(tǒng)帶有由PI調(diào)節(jié)器組成的電流閉環(huán)，使電動機在變頻調(diào)速過程中始終保持定子電流為給定值（恒值）。10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁由于變頻器的電流被控制在給定的數(shù)值上，所以在換流時沒有瞬時的沖擊電流，調(diào)速系統(tǒng)的工作比較安全可靠，特性良好。如圖10－3所示為恒電流控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的機械特性。從特性圖中可以看出，恒流控制時的機械特性形狀與恒磁通變頻系統(tǒng)是相似的，都屬于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。但恒流變頻系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩Tm要比恒磁通變頻系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩小得多，故恒流變頻系統(tǒng)的過載能力比較小，只適合于負載變化不大的場合。3．恒功率控制方式和特性當(dāng)要求電動機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速（對應(yīng)頻率為f1n）調(diào)速時，此時f1>f1n，若仍維持U1/f1=常數(shù)，10.1交流變頻調(diào)速的概念下一頁返回上一頁則定子電壓就要超過電動機電壓的額定值。由于電動機繞組的絕緣是按額定電壓來設(shè)計的，因此電動機電壓必須限制在允許值范圍內(nèi)，定子電壓應(yīng)保持額定值。這樣一來，氣隙磁通就會小于額定磁通，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。由電動機轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系式P＝Tn/9550可知，當(dāng)f1>f1n時，轉(zhuǎn)矩減小，而電動機轉(zhuǎn)速上升，電動機的輸出功率近似維持恒定，這種調(diào)速方式可視為恒功率調(diào)速。在異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了得到寬的調(diào)速范圍，可以將恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速與恒功率調(diào)速結(jié)合起來使用。在電動機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時（即基速之下），采用恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速；在電動機轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時（即基速之上），采用近似恒功率調(diào)速。10.1交流變頻調(diào)速的概念返回上一頁要實現(xiàn)交流電動機的變頻調(diào)速，通常需要有一個合適的變頻器來改變交流電動機的供電頻率。變頻器是由整流器、濾波器和逆變器三大部分所組成的。另外，交流變頻調(diào)速還需要有一套能夠按一定控制規(guī)律對變頻器實行控制的控制環(huán)節(jié)，從而由控制線路和變頻器一起，組成一個變頻調(diào)速系統(tǒng)。按照被控量的性質(zhì)，可分為標(biāo)量和矢量，本節(jié)簡單介紹一下標(biāo)量控制的幾種典型的控制方法。這幾種方法有一個共同的特征，控制環(huán)節(jié)所涉及的被控量都是標(biāo)量，即只有大小變化而無方向變化。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回10．2．1.控制輸出電壓的方式交流電動機由逆變器供電運轉(zhuǎn)時，通常要控制逆變器輸出電壓U1與輸出頻率fl的基本不變，即近似采用恒磁通控制方式，從而使變頻調(diào)速時電動機的最大轉(zhuǎn)矩基本不變。對輸出電壓的控制可分為兩大類，一類是PAM(PulseAmplitudeModulation)控制，另一類是PWM(PulseWidthModulation)控制。PAM為脈幅調(diào)制，即通過改變逆變器輸出電壓的幅值來改變輸出電壓；PWM為脈寬調(diào)制，即輸出電壓的幅值不變，通過改變輸出電壓脈沖時間寬度來調(diào)節(jié)平均電壓的大小。當(dāng)然，也有同時采用PAM與PWM兩種方法來調(diào)節(jié)電壓的。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁在實際的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，PAM是一種在變頻器的整流電路部分對輸出電壓的幅值進行控制，而在逆變電路部分對輸出頻率進行控制的控制方式。在這種控制方式中，對整流電路輸出電壓的幅值進行控制，大多是采用晶閘管整流器的相位控制，平滑直流電源使用直流電抗器和大容量電解電容器，如圖10－5(a)所示；逆變器中換流器件的開關(guān)頻率即為變頻器的輸出頻率，逆變器常采用120導(dǎo)通制和180導(dǎo)通制的六拍逆變器。這種PAM控制方式實際上是一種同步調(diào)速方式。PAM控制方式由于控制回路簡單，易于大容量化，長期以來一直占據(jù)著主流地位。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁其缺點是由于有大容量電容，所以電壓控制響應(yīng)慢，不適于要求加、減速快的系統(tǒng)。另外，由于采用整流器的相位控制來調(diào)節(jié)電壓，使得交流輸入側(cè)的功率因數(shù)變壞，特別是在電壓低的范圍內(nèi)尤為嚴重。為了改善功率因數(shù)，可采取將交流電源以二極管整流橋進行全波整流，在直流側(cè)采用斬波器調(diào)節(jié)電壓的方法，如圖10－5(b)所示，這時的輸入功率因數(shù)將變得相當(dāng)好。PWM控制是在變頻器的逆變電路部分同時對輸出電壓的幅值及頻率進行控制的控制方式。在這種控制方式中，是以較高頻率對逆變電路的半導(dǎo)體功率控制器件進行開關(guān)，從而改變輸出脈沖的寬度來達到控制電壓的目的。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁為了使異步電動機在進行調(diào)速運轉(zhuǎn)時能夠更加平滑，目前在變頻器中多采用正弦波PWM控制方式。所謂正弦波PWM控制方式，指的是通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值近于正弦波。正弦波PWM控制也稱為SPWM控制。PWM控制器的基本結(jié)構(gòu)以及正弦波PWM的波形示意如圖10－6所示。由圖中波形可見，在PWM控制方式下，變頻器的輸出頻率不等于逆變電路換流器件的開關(guān)頻率，因此它屬于異步調(diào)速方式。10．2．2．U/f比例控制方式采用U/f比例控制時，異步電動機在不同頻率下都能獲得較硬的機械特性線性段。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁如果生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求不高，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒定壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?，如圖10－7所示為這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，成本最低。風(fēng)機、水泵等的節(jié)能調(diào)速就常采用這種系統(tǒng)。在圖10－7中，UR是可控整流器，用電壓控制環(huán)節(jié)控制它的輸出直流電壓；VSI是電壓型逆變器，用頻率控制環(huán)節(jié)控制它的輸出頻率。電壓和頻率控制采用同一個控制信號Uabs，以保證兩者之間的協(xié)調(diào)。由于轉(zhuǎn)速控制是開環(huán)的，不能讓階躍的轉(zhuǎn)速給定信號Ugw直接加到控制系統(tǒng)上，否則將產(chǎn)生很大的沖擊電流而使電源跳閘。為了解決這個問題，設(shè)置了給定積分器GI，10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁將階躍給定信號Ugw轉(zhuǎn)變成按設(shè)定的斜率逐漸變化的斜坡信號Ug，從而使電壓和轉(zhuǎn)速都能平緩地升高或降低。其次，由于Ug是可逆的，而電動機的旋轉(zhuǎn)方向只取決于變頻電壓的相序，并不需要在電壓和頻率的控制信號上反映極性。因此，在GI后面再設(shè)置絕對值變換器GAB，將Ug變換成只輸出其絕對值的信號Uabs。采用模擬控制時，GI和GAB都可用運算放大器構(gòu)成；采用數(shù)字控制時則很容易用軟件實現(xiàn)。電壓控制環(huán)節(jié)一般采用電壓、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，如圖10－8所示。控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)設(shè)電流調(diào)節(jié)器ACR，用以限制動態(tài)電流，兼起保護作用。外環(huán)設(shè)電壓調(diào)節(jié)器AVR，用以控制變頻器輸出電壓。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁簡單的小容量系統(tǒng)也可用單電壓環(huán)控制。電壓一頻率控制信號Uabs在加到AVR之前，應(yīng)先通過函數(shù)發(fā)生器GF，把電壓給定信號Ugv相對地提高一些，以補償定子阻抗壓降，改善調(diào)速時(特別是低速時)的機械特性，提高負載能力。頻率控制環(huán)節(jié)主要由壓頻變換器GVF、環(huán)形分配器DRC和脈沖放大器AP三部分組成，如圖10－9所示。壓頻變換器GVF將電壓一頻率控制信號Uabs轉(zhuǎn)變成具有所需頻率的脈沖列，再通過環(huán)形分配器DRC和脈沖放大器AP，按6個脈沖一組依次分配給逆變器，分別觸發(fā)橋臂上相應(yīng)的6個晶閘管。壓頻變換器GVF是一個由電壓控制的振蕩器，將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗忻}沖信號，10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁脈沖列的頻率與控制電壓的大小成正比，從而得到恒定壓頻比的控制作用。其頻率值是輸出頻率的6倍，以便在逆變器的一個周期內(nèi)發(fā)出6個脈沖，經(jīng)過環(huán)形分配器DRC(具有六分頻作用的環(huán)形計數(shù)器)，將脈沖列分成6個一組，相互間隔60的具有適當(dāng)寬度的脈沖觸發(fā)信號。對于可逆系統(tǒng)，需要改變晶閘管觸發(fā)的順序以改變電動機的轉(zhuǎn)向。這時，DRC可以采用可逆計數(shù)器，每次做“加1”或“減1”運算，以改變相序，控制加、減法的正、反向信號從Ug經(jīng)極性鑒別器DPI獲得。在交流一直流一交流電壓型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)中，由于中間直流回路有大容量電容濾波，電壓的實際變化很緩慢，10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁而頻率控制環(huán)節(jié)的響應(yīng)是很快的，因而在動態(tài)過程中電壓和頻率就難以協(xié)調(diào)一致。為此，在壓頻變換器前面加設(shè)一個頻率給定動態(tài)校正器GFC，它可以是一個一階慣性環(huán)節(jié)，用以延緩頻率的變化，希望能使頻率和電壓變化的步調(diào)一致起來。GFC的具體參數(shù)可在調(diào)試中確定。10．2．3．轉(zhuǎn)差頻率控制方式轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般平滑調(diào)試的要求，但靜、動態(tài)性能都有限。要提高靜、動態(tài)性能，首先要用轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)強，但是如何提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，需要進一步加以研究。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁對于任何電氣傳動的自動控制系統(tǒng)，都服從基本的運動方程式：要提高調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能，主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率dn/dt，顯然，控制電磁轉(zhuǎn)矩Te，就能控制dn/dt。因此歸根結(jié)底，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制其轉(zhuǎn)矩的能力。在異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，需要控制的是電壓(或電流)和頻率，從而達到控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的。在直流電動機中，轉(zhuǎn)矩與電流成正比，即Te=CmId，其氣隙磁通是由勵磁電流單獨產(chǎn)生的，當(dāng)勵磁電流保持恒定時，氣隙磁通可以保持恒定不變。這時，只要控制電樞電流Id就能控制轉(zhuǎn)矩，10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁問題比較簡單，因此在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號實際上就代表了轉(zhuǎn)矩給定信號。而在交流異步電動機中，影響轉(zhuǎn)矩的因素很多。異步電動機的轉(zhuǎn)矩為

式中：Cm是電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。可見氣隙磁通m、轉(zhuǎn)子電流I2及轉(zhuǎn)子功率因數(shù)cos2都影響到異步電動機的轉(zhuǎn)矩，而這些量又都和轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以控制交流異步電動機轉(zhuǎn)矩的問題就復(fù)雜得多。根據(jù)異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩： 為常數(shù)）10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁由2＝mcosm，1＝2f1，s1＝s(轉(zhuǎn)差角頻率)可得 為常數(shù)）由此可見，如果維持氣隙磁通m不變，則異步電動機的轉(zhuǎn)矩近似和轉(zhuǎn)差角頻率成正比。因此只要在恒磁通的條件下，控制s也就達到了控制轉(zhuǎn)矩的目的。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。如圖10－10所示，為在恒磁通條件下Te=f（s）的曲線。圖中sm，Tem為限幅值。上述規(guī)律是在保持m恒定的前提下成立的。至于如何才能保持m的恒定這個問題，可從分析磁通和電壓的關(guān)系來著手解決。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁眾所周知，當(dāng)忽略飽和鐵損時，氣隙磁通m與勵磁電流Io成正比，而勵磁電流并不是獨立的變量，其由下式所決定：亦即，I0是定子電流I1的一部分。在籠型異步電動機中，折合到定子的轉(zhuǎn)子電流I2是難以直接測量的，于是只能根據(jù)負載的變化，相應(yīng)地調(diào)節(jié)I1，從而維持Io不變。根據(jù)異步電動機的等值電路可以得到：

而 10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁經(jīng)整理可得出：

根據(jù)上式可以得出，為了維持m恒定，定子電流I1隨s而變化的規(guī)律如圖10－1l所示。實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖10－12所示。該系統(tǒng)有以下特點：①采用電流型變頻器，可使控制對象具有較好的動態(tài)響應(yīng)，而且便于回饋制動，實現(xiàn)四象限運行。這是提高系統(tǒng)動態(tài)性能的基礎(chǔ)。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁②和直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是轉(zhuǎn)差頻率給定值Ugs，代表轉(zhuǎn)矩給定，其輸出最大值Ugs被限幅。③轉(zhuǎn)差頻率信號分兩路分別作用于可控整流器UR和逆變器CSI上。前者通過I1＝f(

s)函數(shù)發(fā)生器GF，按Ugs的大小產(chǎn)生相應(yīng)的Ugi1信號，再通過電流調(diào)節(jié)器控制定子電流，以保持m為恒值。另一路按s+=1的規(guī)律產(chǎn)生對應(yīng)于定子頻率1的控制電壓U1，決定逆變器的輸出頻率。這樣就形成了在轉(zhuǎn)速外環(huán)內(nèi)的電流頻率協(xié)調(diào)控制。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁④轉(zhuǎn)速給定信號Ug反向時，Ugs、Uf、U1都反向。用極性鑒別器DPI判斷U1的極性，以決定環(huán)形分配器DRC的輸出相序，而U1信號本身則經(jīng)過絕對值變換器GAB決定輸出頻率的高低。這樣就可方便地實現(xiàn)可逆運行。10.2脈寬調(diào)制型變頻調(diào)速系統(tǒng)返回上一頁目前，在變頻器中得到實際應(yīng)用的矢量控制方式有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度檢測器的矢量控制方式兩種，下面對這兩種控制方式進行簡單的介紹。10．3．1．基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式矢量控制的基本原理是通過控制電動機定子電流的幅值和相位(即電流矢量)，來分別對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩特性的目的。在圖10－13中，定子電流可分為磁場電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子電流。從圖中可看出，設(shè)原來磁場電流分量為，轉(zhuǎn)矩電流分量為。10.3數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回若要改變，使其幅值由I2增大到，而磁場電流IM仍要保持不變時，我們不僅要改變定子電流的幅值使其從I1變?yōu)镮1，同時還必須改變I1的相位角，使其從改變?yōu)椋赐瑫r改變定子電流的幅值和相位，才能只改變I2的大小而不改變IM的大小，使轉(zhuǎn)矩電流平穩(wěn)變化。而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式中，雖然通過對轉(zhuǎn)差頻率的控制達到了控制轉(zhuǎn)矩電流I2幅值的目的，但是并沒有對電動機定子電流的相位進行控制，因此在轉(zhuǎn)矩電流從I2到I2的過渡過程中將存在一定的波動。并造成電動機輸出轉(zhuǎn)矩的波動。10.3數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁根據(jù)圖10－13所示等效電路得知，定子電流I1、轉(zhuǎn)矩電流I2、勵磁電流IM三者之間有如下關(guān)系：

由于轉(zhuǎn)差頻率

s定義為：s＝s1，所以從上式可得設(shè)電動機轉(zhuǎn)子電路時間常數(shù)2＝M/r2，則可得

與轉(zhuǎn)差頻率控制方式相同，基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進行E/f控制的基礎(chǔ)上，通過檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速，得到與實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)子頻率2，10.3數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩按照上式對變頻器的輸出頻率進行控制的。因此，兩者的靜態(tài)特性相同。但是基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式中，除了按照上述方式進行控制之外，還要根據(jù)下式的條件，即：

對電動機定子電流的相位進行控制，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。10．3．2．無速度傳感器的矢量控制方式基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制變頻器在使用時，需要在異步電動機上安裝速度傳感器。10.3數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁嚴格地講，這種變頻器難以充分發(fā)揮異步電動機本身具有的結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用等特點。此外，在某些情況下，由于電動機本身或所在環(huán)境的原因無法在電動機上安裝速度傳感器，因此在對控制性能要求不是特別高的情況下往往采用無速度傳感器的矢量控制方式的變頻器。無速度傳感器的矢量控制方式是建立在磁場定位矢量控制理論的基礎(chǔ)上的。由于實現(xiàn)這種控制方式需要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置，雖然該理論已得到驗證，但在實踐中一直未能得到推廣和應(yīng)用，早期的矢量控制變頻器基本上多是采用基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。10.3數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論在變頻調(diào)速技術(shù)中的應(yīng)用，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在變頻器內(nèi)部通過對某些變量的計算得到與磁通相應(yīng)的量(即現(xiàn)代控制理論中所謂的“觀測器”)，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。無速度傳感器矢量控制方式的基本控制思想是：分別對作為基本控制量的勵磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流的指令和檢測值達到一致，從而實現(xiàn)矢量控制。10.3數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁當(dāng)按照上述方式實現(xiàn)矢量控制時，可以根據(jù)下式對電動機的實際轉(zhuǎn)速進行推算，從而實現(xiàn)無速度傳感器的矢量控制。因為 所以 由于矢量控制原理的理論推導(dǎo)比較復(fù)雜，這里只給出圖10－14所示的控制系統(tǒng)方框圖。圖中的頻率控制器的作用是通過按上述關(guān)系對頻率的適當(dāng)控制，使轉(zhuǎn)矩電流的指令值與實際檢測值一致。10.3數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用返回上一頁10．4．1PWM型變頻器工作原理脈寬調(diào)制式變頻器電路如圖10－15所示。它由二極管整流橋、濾波電容和逆變器組成。逆變器的輸入為恒定不變的直流電壓，通過調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出交流電壓的頻率，既實現(xiàn)調(diào)壓又實現(xiàn)調(diào)頻，變頻變壓都由逆變器承擔(dān)。圖10－16所示為單相逆變器的主電路，其波形如圖10－17所示。PWM控制方式是通過改變電力晶體管V1、V4和V2、V3交替導(dǎo)通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率的，改變每半周期內(nèi)V1、V4或V2、V3開關(guān)器件的通、斷時間比，10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回即改變了脈沖寬度，從而改變了逆變器輸出電壓幅值的大小。如果使開關(guān)器件在半個周期內(nèi)反復(fù)通、斷多次，并使每個輸出矩形脈沖電壓下的面積接近于對應(yīng)正弦波電壓下的面積，則逆變器輸出電壓就很接近于基波電壓，高次諧波電壓將大為削減。若采用快速開關(guān)器件，使逆變器輸出脈沖數(shù)增多，即使輸出低頻時，輸出波形也是比較好的。所以，PWM型逆變器很適用于作為異步電動機變頻調(diào)速的供電電源，實現(xiàn)平滑啟動、停車和高效率、寬范圍的調(diào)速。1)系統(tǒng)主要優(yōu)點①簡化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，由二極管整流器對逆變器提供恒定的直流電壓。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁在PWM逆變器內(nèi)，變頻的同時還控制其輸出電壓。系統(tǒng)僅有一個可控功率級，從而使裝置的體積小、質(zhì)量輕、造價低、可靠性高。②由二極管整流器代替了晶閘管整流器。提高了變頻電源對交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。③改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。PWM型逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，因此調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓的配合好，系統(tǒng)的動態(tài)性能好。④有較好的對負載供電的波形。PWM型逆變器的輸出電壓和電流波形接近正弦波，從而解決了由于以矩形波供電引起的電動機發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩降低等問題，改善了電動機運行的性能。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁2)系統(tǒng)主要缺點①在調(diào)制頻率和輸出頻率之比固定的情況下，特別是在低頻時，高次諧波的影響較大，因而電動機的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲都較大。②在調(diào)制頻率和輸出頻率之比作有級變化的情況下，往往使控制電路比較復(fù)雜。③器件的工作頻率與調(diào)制頻率有關(guān)。有些器件的開關(guān)損耗和換相電路損耗都較大，而且需要采用導(dǎo)通和關(guān)斷時間短的器件，而此類器件往往比較昂貴。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁2．單極性正弦波PWM調(diào)制原理PWM型逆變器是靠改變脈寬控制其輸出電壓，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率的，所以脈寬調(diào)制方式對PWM型逆變器的性能具有根本性的影響。脈寬調(diào)制的方法很多，從調(diào)制脈沖的極性上看，有單極性和雙極性之分；從載頻信號和參考信號(或稱基準(zhǔn)信號)的頻率之間的關(guān)系來看，又有同步式和異步式兩種。參考信號ur為正弦波的脈寬調(diào)制叫做正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)，產(chǎn)生的調(diào)制波是等幅、等距而不等寬的脈沖序列，如圖10－18所示。此圖為單極性脈寬調(diào)制波形。SPWM調(diào)制波的脈沖寬度基本上成正弦分布，各脈沖與正弦曲線下對應(yīng)的面積近似成正比。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁可見SPWM比一般PWM的調(diào)制波形更接近于正弦波，因此，諧波分量大為減小。SPWM逆變器輸出基波電壓的大小和頻率均由參考電壓ur來控制。當(dāng)改變ur幅值時，脈寬隨之改變，從而可改變輸出電壓的大?。划?dāng)改變ur頻率時，輸出電壓頻率即隨之改變。但正弦波最大幅值必須小于三角波幅值，否則輸出電壓的大小和頻率就將失去所要求的配合關(guān)系。若脈沖調(diào)制波在任何輸出頻率情況下，正、負半周始終保持完全對稱，即為同步調(diào)制式。若載頻三角波頻率一定，只改變正弦參考信號的頻率，這時正、負半周的脈沖數(shù)和相位就不是隨時對稱的了。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁這種調(diào)制方式叫做異步調(diào)制式。異步調(diào)制將會出現(xiàn)偶次諧波，但每周的調(diào)制脈沖數(shù)將隨輸出頻率的降低而增多，有利于改善低頻輸出特性。一般地，三角波頻率應(yīng)比正弦參考電壓頻率大9倍以上，否則偶次諧波的影響就會比較明顯。3．雙極性正弦波PWM調(diào)制原理上述單極性調(diào)制必須加倒向控制信號，而如圖10－19所示的雙極性調(diào)制就不需要倒向控制信號了。SPWM雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制一樣，輸出基波大小和頻率也是通過改變正弦參考信號的幅值和頻率而改變的，在用于變頻調(diào)速時，要保持U1/f比基本恒定。這種雙極性調(diào)制方式，當(dāng)然也可采用同步式或異步式的調(diào)制方法。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁10．4．2PWM型變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路三極管通用型三相PWM型逆變器的主電路如圖10－20所示。逆變器由二極管三相整流橋整流的恒定直流電壓供電。平波電容器C起著中間能量存儲作用，使逆變器與交流電網(wǎng)去耦，對異步電動機等感性負載，可以提供必要的無功功率，而有功功率由電網(wǎng)來補充。由于直流電源是二極管整流器，所以能量只能單方向流動，不能向電網(wǎng)反饋能量。因此當(dāng)負載工作在再生情況下時，反饋能量將經(jīng)過反饋二極管VD1～VD6向電容C充電，而平波電容器容量有限，勢必將直流電壓抬高。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁為了避免直流電壓過高，在直流側(cè)接入制動（放電）電阻R和三極管V7。當(dāng)直流電壓升高到某一限定值后，使V7飽和導(dǎo)通而接入電阻R，將部分反饋能量消耗在電阻上，這樣電動機就可以在四個象限內(nèi)運行了。逆變器由6個電力晶體管開關(guān)和6個反饋二極管組成，可以采用前述的任何一種脈寬調(diào)制方法驅(qū)動，而且可以進行高頻調(diào)制。異步電動機為感性負載，當(dāng)電流連續(xù)時，不管采用何種脈寬調(diào)制方法，逆變器每相輸出的脈寬調(diào)制電壓波都是雙極性的，而輸出電流則為帶鋸齒的正弦波，如圖10－21所示。例如以A相為例，在輸出電流正半周，當(dāng)V1導(dǎo)通時，A點（見圖10－20）接到直流電壓正極，10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁電流上升；當(dāng)V1管截止時，感性負載電流不能突變，勢必要經(jīng)過二極管VD4由直流電源負極續(xù)流，電壓為負，電流下降，如此循環(huán)下去。2．晶閘管PWM型逆變器近年來，具有自關(guān)斷能力及高頻開關(guān)性能的大容量門極關(guān)斷晶閘管（GTO）發(fā)展很快，已經(jīng)付諸實際應(yīng)用。它和電力晶體管一樣，很適合用作PWM型逆變器和開關(guān)器件。但是，目前大容量逆變器仍然采用晶閘管（包括快速和高頻晶閘管）。由于晶閘管沒有自關(guān)斷能力，因此用在PWM型逆變器中必須進行強迫換相。根據(jù)換相方式的不同，晶閘管PWM型逆變器具有多種構(gòu)成形式。如圖10－23所示為一種同時關(guān)斷的晶閘管PWM型逆變器主電路。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁在圖10-23中，逆變器由VT1～VT6和VD1～VD6組成，VT7～VT10和L|、C構(gòu)成換相電路，而VT11、VT12和CP及R1、R2等組成過載斷路開關(guān)電路。10．4．3PWM型變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制電路PWM型變頻調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用場合和要求的不同可有多種組成形式，控制方式更是各式各樣，現(xiàn)舉例說明如下。1．系統(tǒng)的組成在交流電動機變頻調(diào)速的模擬控制系統(tǒng)中，需要一個0～100Hz可變頻變幅的三相正弦波參考信號。但直接產(chǎn)生這樣的三相參考信號是非常困難的，10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁而產(chǎn)生可變頻的三相方波卻比較容易做到。圖10—25所示系統(tǒng)是利用方波產(chǎn)生三角波再轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ǖ姆椒?。圖10—25中示出當(dāng)逆變器的輸出頻率為f時，U／f變換器輸出的方波頻率應(yīng)為18f，經(jīng)三分頻后，轉(zhuǎn)換成頻率為6f的方波。然后經(jīng)三相方波發(fā)生器產(chǎn)生三相頻率為f的方波，再按相分別變換成頻率為f的三相正弦波。改變給定信號的大小，即可改變?nèi)嗾也▍⒖夹盘柕念l率。把可變頻的正弦波與幅值控制信號電壓Uca一起加到有象限模擬乘法器作乘法運算，輸出便是三相可變頻變幅的正弦波參考信號。最后經(jīng)相序倒換開關(guān)輸出，以控制系統(tǒng)正、反轉(zhuǎn)。脈寬調(diào)制信號是采用"△"PWM電路產(chǎn)生的。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁2．變頻器的主要控制環(huán)節(jié)U／f變換器及三相方波發(fā)生器的實際電路如圖10—26所示。U／f變換器由數(shù)控模擬開關(guān)(DCAS)、積分器和施密特觸發(fā)器組成。數(shù)控模擬開關(guān)輸出方波，其頻率與控制信號Ucf的大小成正比，DCAS輸出正、負對稱的方波使積分器進行交替地正、反向積分而產(chǎn)生三角波，只要適當(dāng)?shù)剡x擇DCAS的各個電阻，并使施密特觸發(fā)器為單位增益，則Ucfmax與周期Tmin之間符合下式關(guān)系：這里選Ucfmax=10V，Uz＝10V及Tmin＝1／(18fmax)，根據(jù)上式即可選出電阻R2和電容C2。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁電阻R4是在Ucf為Ucfmin的情況下，保證晶體管飽和導(dǎo)通和在Ucf為Ucfmax時的集電極電流小于它的安全電流而選取的。此U／f變換器實驗結(jié)果表明線性度是比較好的。電壓頻率轉(zhuǎn)換器輸出頻率為18f的方波脈沖序列，經(jīng)3分頻后作為三相方波發(fā)生器的輸入。三相方波發(fā)生器由3個JK觸發(fā)器組成。三相方波發(fā)生器開始工作前，開關(guān)S閉合，置初始狀態(tài)：A=0，B＝0，C＝1。開始工作時，斷開開關(guān)S，便形成如圖10—27所示的工作狀態(tài)。三相方波發(fā)生器的工作原理較容易理解，不再加以說明。由控制電壓Ucf和由三相方波發(fā)生器輸出的一相方波控制并轉(zhuǎn)換成正弦波的實際電路如圖10—28所示，現(xiàn)分兩部分加以說明。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁1)恒幅值三角波的產(chǎn)生恒幅值三角波發(fā)生器由數(shù)字控制模擬開關(guān)(DCAS)和積分器組成，它與電壓一頻率轉(zhuǎn)換器中的DCAS和積分環(huán)節(jié)基本相同，所不同的是DCAS的無觸點開關(guān)一個是由三極管V1自鎖控制，一個是用場效應(yīng)半導(dǎo)體管FET，由來自三相方波發(fā)生器輸出的一相方波控制并在積分器輸出限幅。這里恒幅值三角波的頻率決定于它控方波的頻率，因此，改變輸入方波的頻率即可改變?nèi)遣ǖ念l率。但是，由于積分器的積分時間常數(shù)一定，如果輸入的正負方波幅值一定，三角波的幅值將隨頻率的升高而下降。為了獲得恒幅值三角波，常把控制頻率的電壓一頻率轉(zhuǎn)換器輸入信號電壓一Ucf作為DCAS的一個輸入信號。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁這樣，當(dāng)輸入方波頻率升高時，Ucf值也增大，從而使DCAS的輸出電壓提高，積分器輸出電壓變化率加大，以保證積分器輸出三角波的幅值不變。另外，積分器輸出端接上正、負向限幅穩(wěn)壓管，使積分運算放大器在輸出三角波的幅值處接近飽和輸出狀態(tài)，產(chǎn)生的三角波波形如圖10—29中的波形（e）所示。設(shè)三角波的幅值為UTmax，要保持三角波幅值為正負UTmax不變，積分器的積分時間常數(shù)及R5、C5可由下式求得：10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁將階躍給定信號Ugw轉(zhuǎn)變成按設(shè)定的斜率逐漸變化的斜坡信號Ug，從而使電壓和轉(zhuǎn)速都能平緩地升高或降低。而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式中，雖然通過對轉(zhuǎn)差頻率的控制達到了控制轉(zhuǎn)矩電流I2幅值的目的，但是并沒有對電動機定子電流的相位進行控制，因此在轉(zhuǎn)矩電流從I2到I2的過渡過程中將存在一定的波動。其發(fā)展情況可粗略地由以下幾個方面來說明。簡易通用型變頻器一般采用U／f控制方式，主要以風(fēng)扇、風(fēng)機、泵等為控制對象，其節(jié)能效果顯著，成本較低。金屬加工機械，從各類切削機床直到高速磨床乃至數(shù)控機床、加工中心超高速伺服機構(gòu)的精確位置控制都已應(yīng)用了通用變頻器；4)控制端子外部信號操作特點：運行效率高，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機、泵類等傳動電動機上。因此歸根結(jié)底，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制其轉(zhuǎn)矩的能力。電壓型是指在直流中間回路中采用電容進行濾波，而電流型的直流中間回路則采用電感濾波。4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)或者130％，持續(xù)60s。電源回饋制動則是將能量通過回饋電路反饋到供電電網(wǎng)上。在使用變頻器時，應(yīng)該首先注意變頻器的銘牌數(shù)據(jù)，它用最簡潔的方式給出了變頻器最重要的信息。2)三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換這個轉(zhuǎn)換是利用場效應(yīng)晶體管的非線性進行轉(zhuǎn)換的。只需調(diào)整兩個電阻R6和R7。R6用作正弦波幅值調(diào)節(jié)，R7用作變頻的恒幅正弦波調(diào)節(jié)。變頻正弦波與幅值控制電壓Uca在乘法器中相乘，便獲得可變頻變幅的正弦波。圖10—28是單相正弦波發(fā)生器，因此要產(chǎn)生三相正弦波需要三套如圖10—28所示的相同電路。只是每相的輸入控制方波分別取自圖10—26所示三相方波發(fā)生器的A、B、C三點。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)下一頁返回上一頁圖10—30是一種線路比較簡單的“△”脈寬調(diào)制電路，它也是一種雙極性正弦波PWM電路。只要輸入一個頻率可變、幅值恒定的正弦波參考電壓信號ur，就可以在運算放大器A1的I點輸出基波電壓與頻率之比自動維持恒定的調(diào)制波。上述系統(tǒng)是開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于異步電動機在不同供電頻率下的機械特性硬度變化不大，所以開環(huán)變頻調(diào)速控制也獲得了廣泛的應(yīng)用。如果調(diào)速精度要求較高，可以實行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)。10.4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)返回上一頁10．5．1通用變頻器概況隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，各種自關(guān)斷化、模塊化器件的出現(xiàn)，變流電路開關(guān)模式的高頻化和控制手段的全數(shù)字化等，促進了變頻電源裝置的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全數(shù)字化利用了微型計算機巨大的信息處理能力，其軟件功能不斷強化，使變頻裝置的靈活性和適應(yīng)性不斷增強。目前，中小容量(600kVA以下)的一般用途的變頻器已經(jīng)實現(xiàn)了通用化。采用大功率自關(guān)斷開關(guān)器件(GTO，GTR，IGBT等)作為開關(guān)器件的正弦脈沖調(diào)制式(SPWM)變頻器，目前已經(jīng)成為通用變頻器的主流。國外在開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用通用變頻器方面以日本、德國最為突出。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回1．通用變頻器的發(fā)展20世紀80年代初，通用變頻器實現(xiàn)了商品化，經(jīng)過20多年的發(fā)展，通用變頻器經(jīng)歷了由模擬控制到全數(shù)字控制和由采用GTR到采用IGBT兩個大的進展過程。其發(fā)展情況可粗略地由以下幾個方面來說明。①容量不斷擴大。20世紀80年代初采用GTR的PWM變頻器實現(xiàn)了通用化，到了20世紀90年代，GTR通用變頻器的容量就達到了600kVA。400kVA以下的已經(jīng)基本實現(xiàn)了系列化。到20世紀的后幾年，通用變頻器的主開關(guān)器件開始采用IGBT。目前利用IGBT構(gòu)成的高壓(3kV／6．3kV)變頻器的最大容量已達7460kVA。隨著IGBT容量的不斷擴大，通用變頻器的容量也將隨之?dāng)U大。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁但考慮到大電動機輕載運行時電流波動大，故應(yīng)將容量放大一些，選用5．5kW的變頻器為好。B）變頻器與電動機之間的連線不能超過變頻器允許的最大布線距離，否則應(yīng)加交流輸出電抗器。這樣就形成了在轉(zhuǎn)速外環(huán)內(nèi)的電流頻率協(xié)調(diào)控制。20世紀80年代初，通用變頻器實現(xiàn)了商品化，經(jīng)過20多年的發(fā)展，通用變頻器經(jīng)歷了由模擬控制到全數(shù)字控制和由采用GTR到采用IGBT兩個大的進展過程。變頻器對電源的要求主要有電壓／頻率、允許電壓變動率和允許頻率變動率等幾個方面。根據(jù)換相方式的不同，晶閘管PWM型逆變器具有多種構(gòu)成形式。應(yīng)接入各種開關(guān)量輸入信號；3Hz，最高頻率則因變頻器性能指標(biāo)而異。SPWM雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制一樣，輸出基波大小和頻率也是通過改變正弦參考信號的幅值和頻率而改變的，在用于變頻調(diào)速時，要保持U1/f比基本恒定。其含義是，針對電動機的固有特性、負載特性以及運轉(zhuǎn)速度的要求，變頻器若在運行中發(fā)生故障，則會通過無源端子30A、30C的閉合給微機控制器發(fā)出故障警報信號，使微機端子控制器采取相應(yīng)的措施控制水泵的變頻／工頻切換。變頻器在正式投入運行前，應(yīng)驅(qū)動電動機空載試運行幾分鐘。4脈寬調(diào)制型交流變頻調(diào)速系統(tǒng)圖10—26U／f變換器及三相方波發(fā)生器實際電路異步交流電動機誕生于19世紀末，具有結(jié)構(gòu)簡單、裝置堅固、運行可靠、維護便利等特點，在單機容量、供電電壓和速度極限等方面均優(yōu)于直流電動機，所以很快成為工業(yè)社會的核心，是傳動系統(tǒng)的主力。②無易燃、易爆、腐蝕性氣體和液體，粉塵少。②結(jié)構(gòu)的小型化。變頻器主電路中功率電路的模塊化，控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用“平面安裝技術(shù)”等一系列措施，促進了變頻電源裝置的小型化。以富士公司的變頻器為例，經(jīng)一次改型(由G5S到G7S)其裝置體積就縮小了一半。③多功能化和高性能化。電力電子器件和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，使變頻器向多功能化和高性能方向發(fā)展。微機的應(yīng)用，以其精練的硬件結(jié)構(gòu)和豐富的軟件功能，為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。特別是日益豐富的軟件功能使通用變頻器的適應(yīng)性不斷增強。如變頻器的轉(zhuǎn)矩提升功能使低速下的轉(zhuǎn)矩過載能力提高到150％，10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁使啟動和低速運行性能得到很大提高；又如轉(zhuǎn)差補償功能使異步電動機的機械特性的硬度甚至大于工頻電網(wǎng)供電時的硬度。此外，如多步轉(zhuǎn)速設(shè)定功能，S型加減速和自動加速控制功能，故障顯示和記憶功能，靈活的通信功能等等，使變頻器的應(yīng)用更為廣泛、靈活。④應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。通用變頻器對各類生產(chǎn)機械、各類生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性不斷增強。最初通用變頻器僅用于風(fēng)機、泵類負載的節(jié)能調(diào)速和化纖工藝中高速纏繞的多機協(xié)調(diào)運行等?，F(xiàn)在，通用變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域得到了相當(dāng)?shù)臄U展，如搬送機械，從反抗性負載的搬運車輛、帶式運輸機到位能負載的起重機、提升機、立體倉庫、10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁立體停車場等都已采用了通用變頻器；金屬加工機械，從各類切削機床直到高速磨床乃至數(shù)控機床、加工中心超高速伺服機構(gòu)的精確位置控制都已應(yīng)用了通用變頻器；此外，在農(nóng)用機械、食品機械、木工機械、印刷機械等方面也獲得了廣泛的應(yīng)用?？梢哉f，變頻器的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣闊并且還將繼續(xù)擴大。2．通用變頻器的技術(shù)動向通用變頻器的技術(shù)發(fā)展動向大致有如下幾個方面：①IGBT和IPM(智能功率模塊)的應(yīng)用。最近幾年IGBT的應(yīng)用正在迅速推進。它顯著的特點是開關(guān)頻率高，驅(qū)動電路簡單，用于通用變頻器時具有低噪聲運行、電流波形更趨于正弦波、裝置緊湊、可靠性高等明顯效果。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁②網(wǎng)側(cè)變頻器的PWM控制。目前，上市的絕大多數(shù)通用變頻器其網(wǎng)側(cè)變流器都采用不可控的二極管整流器。為進一步提高效率，減少損耗，現(xiàn)已開發(fā)出一種新型的采用PWM控制方式的自換相變流器(稱為PWM整流器)。其電路結(jié)構(gòu)形式與逆變器完全相同，每個橋臂均由一個自關(guān)斷器件和一個二極管反并聯(lián)組成。其特點是：直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流(網(wǎng)側(cè)電流)波形基本上是正弦波，功率因數(shù)可保持為1，并且能量可以雙向流動。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁10．5．2通用變頻器的選擇1．變頻器種類的選擇通用變頻器根據(jù)性能及控制方式的不同可分為簡易型、多功能型、高性能型等。用戶可根據(jù)實際用途及需要進行選擇。1)簡易通用型變頻器。簡易通用型變頻器一般采用U／f控制方式，主要以風(fēng)扇、風(fēng)機、泵等為控制對象，其節(jié)能效果顯著，成本較低。2)多功能通用型變頻器。隨著工業(yè)企業(yè)自動化技術(shù)的不斷應(yīng)用，自動倉庫、升降機、搬運系統(tǒng)等的高效化、低成本化，10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁小型CNC機床、擠壓成型機、紡織及膠片機械的高速化、高效率化、高精度化等已日趨重要，選用多功能變頻器可滿足這些具有一定特殊要求的驅(qū)動需要。3)高性能通用型變頻器。經(jīng)過十余年的發(fā)展，目前矢量控制的變頻器已通用化、實用化。矢量控制回路的數(shù)字化以及參數(shù)自調(diào)整功能的引入，使得變頻器自適應(yīng)等功能更加充實，特別是無速度傳感器矢量控制技術(shù)的實用化，使得高性能的采用矢量控制方式的通用變頻器的應(yīng)用日益廣泛，目前這類變頻器主要應(yīng)用于擠壓成型機、電線、橡膠制造等設(shè)備的驅(qū)動需要。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁2．通用變頻器的規(guī)格指標(biāo)在選擇變頻器時，會接觸到生產(chǎn)廠家提供的各種類型變頻器的產(chǎn)品樣本。這些產(chǎn)品樣本中一般會介紹變頻器的系列型號、特點以及選定變頻器所需要的多種性能和功能指標(biāo)。下面簡單介紹一下通用變頻器的標(biāo)準(zhǔn)性能和功能指標(biāo)的基本含義。1)型號。一般為廠家自定的系列名稱，其中還包括電壓級別和可適配的電動機容量(或為變頻器輸出容量)，可作為定購變頻器的依據(jù)之一。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁2)電壓級別。根據(jù)各國的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或用途不同，其電壓級別也各不相同。在選擇變頻器時首先應(yīng)該考慮其中電壓級別是否與輸入電源和所驅(qū)動的電動機的電壓級別相適應(yīng)。普通變頻器的電壓級別分為200V級和400V級兩種。3)最大適配電動機。這一欄中通常給出最大適配電動機的容量(kW)。應(yīng)該注意，這個容量一般是以4極普通異步電動機為對象，而6極以上電動機和變極電動機等特殊電動機的額定電流大于4極普通異步電動機，10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁因此在驅(qū)動4極以上電動機及特殊電動機時就不能單單依據(jù)此項指標(biāo)選擇變頻器。同時還要考慮變頻器的額定輸出電流是否能夠滿足電動機的額定電流。4)額定輸出。變頻器的額定輸出包含額定輸出容量和額定輸出電流兩方面的內(nèi)容。其中額定輸出容量為變頻器在額定輸出電壓和額定輸出電流下的三相視在輸出功率(kVA)：而額定輸出電流則為變頻器在額定輸入條件下，以額定容量輸出時，可連續(xù)輸出的電流。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁5)電源。變頻器對電源的要求主要有電壓／頻率、允許電壓變動率和允許頻率變動率等幾個方面。其中電壓／頻率指輸入電源的相數(shù)(單相、三相)以及電源、電壓的范圍(200～230V，380～460V)和頻率要求(50Hz，60Hz)。允許電壓變動率和允許頻率變動率為輸入電壓幅值和頻率的允許波動的范圍，一般電壓允許波動為額定電壓的士10％左右，而頻率波動一般允許為額定頻率的土5％左右。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁6)控制特性。變頻器控制特性方面的指標(biāo)較多，通常包括以下幾個方面：①主回路工作方式。由整流電路與逆變電路的連接方式所決定，可分為電壓型和電流型兩類。電壓型是指在直流中間回路中采用電容進行濾波，而電流型的直流中間回路則采用電感濾波。②變頻工作方式。變頻器的變頻(或逆變)電路工作方式分為PWM和PAM方式，其中PWM方式有等幅PWM和正弦波PWM兩種類型；PAM方式有相控PAM和斬波PAM兩種類型。③逆變電路控制方式。其含義是，針對電動機的固有特性、負載特性以及運轉(zhuǎn)速度的要求，10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁控制變頻器的輸出電壓(電流)和頻率的方式。一般可分為U／f、轉(zhuǎn)差頻率、矢量運算三種控制方式。④輸出頻率范圍。變頻器可控制的輸出頻率范圍。最低的啟動頻率一般為0.3Hz，最高頻率則因變頻器性能指標(biāo)而異。⑤輸出頻率分辨率。輸出頻率分辨率為輸出頻率變化的最小量。在數(shù)字型變頻器中軟啟動回路(頻率指令變換回路)的運算分辨率決定了輸出頻率的分辨率。若運算分辨率能達到1／10000到1／30000，則對于一般的應(yīng)用沒有問題；若運算分辨率在1／1000左右，則電動機進行加減速時可能發(fā)生速度不平穩(wěn)的情況。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁⑥輸出頻率精度。為輸出頻率根據(jù)環(huán)境條件變化而變化的程度。⑦頻率設(shè)定方式。一般普遍采用變頻器自身的參數(shù)設(shè)定方式設(shè)定頻率，或者通過設(shè)定電位器及其它規(guī)格為0—10V(0～5V)、4～20mA的外部輸入信號進行頻率設(shè)定。高性能變頻器還可選擇數(shù)字(BCD碼、二進制碼)輸入以及上位機通過RS—232C或RS—422等接口發(fā)送的運轉(zhuǎn)控制信號。⑧過載能力。變頻器所允許的過載電流，以額定電流的百分數(shù)和允許的時間來表示。一般變頻器的過載能力為額定電流的150％，持續(xù)60s；或者130％，持續(xù)60s。如果瞬時負載超過了變頻器的過載耐量，即使變頻器與電動機的額定容量相符，也應(yīng)選擇大一擋的變頻器。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁⑨制動方式。變頻器的電氣制動一般分為能耗制動、電源回饋制動、直流制動三種。前兩類都是電動機把能量反饋到變頻器，其中能耗制動是將能量消耗在制動電阻上，轉(zhuǎn)換成熱能；電源回饋制動則是將能量通過回饋電路反饋到供電電網(wǎng)上。直流制動是運用變頻器輸出的直流電壓在電動機繞組中產(chǎn)生的直流電流將轉(zhuǎn)子的能量以熱能的形式消耗掉。7)保護功能。變頻器的保護功能很多，通常有以下內(nèi)容：①欠壓保護。欠壓指的是變頻器的電源電壓在規(guī)定值以下的狀態(tài)，也包括瞬時斷電，10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁此時會導(dǎo)致電動機的輸出轉(zhuǎn)矩不足和過熱現(xiàn)象。欠壓保護就是為了防止控制回路的誤動作和主回路元件工作異常，在直流中間回路電壓持續(xù)15ms以上低于欠壓低限值時，變頻器將停止輸出。②過壓保護。電源電壓過高或電動機急速減速以及起重機、電梯等超負荷的場合，當(dāng)直流回路的電壓超出規(guī)定值時，為防止主回路元件因過壓而損壞，變頻器將停止輸出。③過流保護。由于電動機直接啟動或變頻器輸出側(cè)發(fā)生相間短路或接地等事故時，變頻器的輸出電流會瞬間急劇增大，當(dāng)超過主電路元件的允許值時，為保護其不被燒毀，將關(guān)閉主回路元件停止輸出。變頻器的瞬間過流保護通常設(shè)定在額定輸出電流的200％左右10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁④變頻器防失速功能。加速中失速的概念是指U／f控制的變頻器，在無速度反饋電動機加速的時候，瞬間急劇提高轉(zhuǎn)速使得變頻器輸出的頻率與電動機實際的運轉(zhuǎn)頻率之差，即轉(zhuǎn)差頻率很大，而同時，變頻器的輸出電流又受到限制，使得電動機得不到足夠的轉(zhuǎn)矩進行加速而維持原狀的現(xiàn)象。失速發(fā)生時由于轉(zhuǎn)差過大一般都伴隨著過流的發(fā)生而導(dǎo)致變頻器跳閘。在加速過程中為避免陷入此種狀態(tài)，通常根據(jù)過流狀態(tài)采取暫時停止增加頻率的方法，等待電流減小以達到防失速、無跳閘的效果。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁3．變頻器容量的選定變頻器容量的選定由很多因素決定，如電動機容量、電動機額定電流、加速時間等，其中最基本的是電動機電流。下面分三種情況就如何選定通用型變頻器容量作一些簡單的介紹。1)驅(qū)動單臺電動機對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的變頻器必須同時滿足表10—2中所列三項要求。表中k是電流波形補償系數(shù)，由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而是含有高次諧波的成分，因而其電流就有所增加。PWM方式的變頻器電流波形補償系數(shù)約為1．05～1．1。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁2)驅(qū)動多臺電動機當(dāng)變頻器同時驅(qū)動多臺電動機時，一定要保證變頻器的額定輸出電流大于所有電動機額定電流的總和，見表10—3。3)指定啟動加速時間變頻器的容量一般以標(biāo)準(zhǔn)條件為準(zhǔn)，在變頻器過載能力之內(nèi)進行加減速。在進行急劇地加速或減速時，一般利用失速防止功能以避免變頻器跳閘，但這同時加長了加減速時間。在對加速時間有特殊要求時，必須事先核算變頻器的容量是否能夠滿足所要求的加速時間，如不能則要加大一擋變頻器容量。在指定加速時間的情況下，變頻器所需要的容量計算如下：10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁≤變頻器容量式中：GD2——電動機轉(zhuǎn)矩(kg·m2)；TA——電動機加速度(m／s2)；T1——負載轉(zhuǎn)矩(N·m)；——電流波形補償系數(shù)；η——電動機效率(通常取0．85)；cosφ——電動機功率因數(shù)；n——電動機額定轉(zhuǎn)速(r／min)。4．應(yīng)用變頻器的注意事項1）按變頻器額定輸出容量來選擇變頻器時，要注意變頻器的電壓等級，當(dāng)額定電壓是200V，400V時，和220V，440V是不一樣的，這容易造成混淆。而且輸人電壓還可能上下波動。因此，額定容量往往作為參考指標(biāo)。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁2）按最大適配電動機指標(biāo)選變頻器時，要注意4極以上的電動機應(yīng)將容量適當(dāng)選大一些。3）需考慮過載能力。同樣容量的變頻器有不同的過載能力，須分清楚是125％／min，還是150％／min。4）可以用小容量的變頻器來驅(qū)動輕載運行的大電動機，但要適當(dāng)放大容量。如一臺7．5kW的電動機長期工作在輕載，負載容量只有2．2kW。若按負載電流(17A)計算容量只需3．7kW的變頻器就夠了。但考慮到大電動機輕載運行時電流波動大，故應(yīng)將容量放大一些，選用5．5kW的變頻器為好。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁10．5．3通用變頻器的運行通用變頻器經(jīng)過多年的更新?lián)Q代，在產(chǎn)品性能和可靠性等方面都有了很大的提高，目前市場上流行的通用變頻器主要的種類有富士電機公司的FRN—G9S／P9S系列、三菱電機公司的FR—A540／FR—F540系列、西門子公司的MMV／MDV系列、安川公司的VS—616G5系列、三墾公司的SAMCO—i／iP系列、臺達公司VFD—M系列、成都希望森蘭公司的SB／ST系列及山東新風(fēng)光公司的JD—BP系列等。這些變頻器在功能、操作、維護及應(yīng)用注意事項等方面基本相同，在此只作一般介紹。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁1．通用變頻器的銘牌與結(jié)構(gòu)1)通用變頻器的銘牌在使用變頻器時，應(yīng)該首先注意變頻器的銘牌數(shù)據(jù)，它用最簡潔的方式給出了變頻器最重要的信息。圖10—36是富士電機公司的FRN30G9S—4JE型變頻器的銘牌。如圖10—36所示，在該銘牌上告訴了我們許多重要信息：①變頻器型號：FRN30G9S中給出了適配電動機為30kW，過載能力為150％(G9S為150％，P9S為120％)額定電流。②電源系列：4JE表示為400V電壓等級(若為2JE則為200V)。③相數(shù)：3相。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁④輸入電壓范圍：380～420V／380～460V。⑤輸入電壓頻率：50／60Hz。⑥額定容量為46kVA，額定電流為60A。⑦輸出頻率范圍：0．2—400Hz。⑧生產(chǎn)序列號。2)通用變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理框圖變頻器的實際電路相當(dāng)復(fù)雜，如圖10—37所示為通用變頻器的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)原理圖。從圖中可以看出變頻器的基本組成，圖的上方是由電力電子器件構(gòu)成的整流器、中間環(huán)節(jié)、逆變器主電路，R、S、T是三相交流電源輸人端，10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁U、V、W是變頻器三相交流電源輸出端；圖的下方是以16位單片機為核心的控制電路，以及過電壓、過電流、過熱、過載等多種保護電路，周邊引出有多種輸入／輸出控制端子。2．通用變頻器的安裝環(huán)境和安裝空間1)安裝環(huán)境變頻器是精密的電子設(shè)備，為確保其穩(wěn)定運行，計劃安裝時，對其工作的場所和環(huán)境必須進行考慮，以使其發(fā)揮出應(yīng)有的功能，設(shè)置場所一般應(yīng)注意以下方面：①應(yīng)避免受潮，無水浸的顧慮。②無易燃、易爆、腐蝕性氣體和液體，粉塵少。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁③易于對變頻器進行維修和檢查，搬動方便。④應(yīng)備有通風(fēng)口和換氣設(shè)備，以排出變頻器產(chǎn)生的熱量。2)安裝空間變頻器運行時，會產(chǎn)生熱量。為了便于通風(fēng)，使變頻器散熱，變頻器應(yīng)垂直安裝，不可倒置，并且安裝時要使其距離其它設(shè)備、墻壁或電路管道有足夠的距離。變頻器安裝在電控柜內(nèi)時，應(yīng)注意散熱問題，一般應(yīng)考慮強制換氣，但在空氣吸人口要設(shè)有空氣過濾器，門扉部設(shè)屏蔽墊，電纜引人口有精梳板以防吸人塵埃。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁3．通用變頻器的標(biāo)準(zhǔn)接線與端子功能各種系列的變頻器都有其標(biāo)準(zhǔn)的接線端子，它們的這些接線端子與其自身功能的實現(xiàn)密切相關(guān)，但都是大同小異。變頻器接線主要有兩部分：一部分是主電路接線；另一部分是控制電路接線。1)主電路接線①電源端子(R，S，T)。一般應(yīng)將交流電源通過斷路器和接觸器連接至主電路電源端子，電源連接不須考慮相序。②變頻器輸出端子(U，V，W)。應(yīng)按正確的相序連接到電動機。如運行命令和電動機的實際旋轉(zhuǎn)方向不一致時，可在U，V，W三相中任意更改兩相接線。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁不要將功率因數(shù)補償電容器或浪涌吸收器連接到變頻器的輸出端，更不要將交流電源連接至變頻器的輸出端。這樣將會損壞變頻器。③外部制動電阻接線端子。額定容量比較小的變頻器有內(nèi)裝的制動單元和制動電阻，如內(nèi)裝的制動電阻容量不夠時要外接制動電阻。容量較大的變頻器一般內(nèi)部不裝制動電阻，如需要外接制動電阻，應(yīng)選配與各種不同變頻器相適配的制動電阻接在專用制動電阻接線端子上。④接地端子。為了安全和減小噪聲，接地端子必須接地。接地導(dǎo)線應(yīng)盡量粗，距離應(yīng)盡量短，并應(yīng)采用變頻器系統(tǒng)的專用接地方式。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁2)控制電路接線在變頻器的控制電路接線端子上，應(yīng)按各種變頻器的具體要求接入所需的控制信號或控制元件、部件。一般在控制端子上應(yīng)連接為設(shè)定頻率所需的器件，如電位器、按鈕等；應(yīng)接入各種開關(guān)量輸入信號；連接各種必要的按鈕如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動、停止、緊急停止等。有的變頻器還可連接輸出顯示信號、報警信號等。4．變頻器的功能單元(操作面板)通用變頻器的功能單元根據(jù)變頻器生產(chǎn)廠家的不同而千差萬別，但它們的基本功能相同。主要有以下幾個方面：①監(jiān)視變頻器運行。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁②變頻器運行參數(shù)的自整定。③顯示頻率、電流、電壓等。④設(shè)定操作模式、操作命令、功能碼。⑤故障報警狀態(tài)的復(fù)位。⑥讀取變頻器運行信息和故障報警信息。以上功能，可按照各種變頻器的具體說明進行各種設(shè)置和操作。5．變頻器的運行變頻器安裝好后，可以進行調(diào)試和運行。當(dāng)然在變頻器通電之前，必須進行必要的檢查。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁1)通電前的檢查①接線、外觀檢查首先檢查變頻器的安裝空間和安裝環(huán)境是否合乎要求，查看變頻器的銘牌，看是否與驅(qū)動的電動機相匹配。然后檢查變頻器的主電路接線和控制電路接線是否合乎要求。在檢查接線過程中，主要應(yīng)檢查以下幾方面的問題：A）交流電源線不要接到變頻器的輸出端上。B）變頻器與電動機之間的連線不能超過變頻器允許的最大布線距離，否則應(yīng)加交流輸出電抗器。C）交流電源線不能接到控制電路端子上。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁D）主電路地線和控制電路地線、公共端、零線的接法是否合乎要求。E）在工頻與變頻相互轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中，應(yīng)注意電氣與機械的互鎖。②對電源電壓、電動機和變頻器控制信號進行測試檢查電源是否在允許電源電壓值以內(nèi)，變頻器的控制信號(模擬量信號、開關(guān)量信號)是否滿足工藝要求。2)系統(tǒng)功能設(shè)定為了使變頻器和電動機能在最佳狀態(tài)下運行，必須對變頻器的運行頻率和有關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁①頻率的設(shè)定變頻器的頻率設(shè)定有兩種方式：一種是通過操作面板上的增、減速按鍵來直接輸入變頻器的運行頻率；另一種是通過外部信號輸人端子(電位器、電壓信號、電流信號等接線端)直接輸入變頻器運行頻率。兩種方式的頻率設(shè)定只能選擇其中之一，這種選擇通過對功能碼的設(shè)定來完成。②功能碼的設(shè)定變頻器一般都具有多個功能碼，可對變頻器的各種功能進行設(shè)定。絕大部分功能必須在STOP狀態(tài)下進行設(shè)定，僅有一小部分功能碼可在RUN狀態(tài)下設(shè)定。10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁③變頻器系統(tǒng)功能的設(shè)定變頻器在出廠時，所有的功能碼已經(jīng)按缺省值進行了設(shè)定。但是在變頻器系統(tǒng)運行時，應(yīng)按照系統(tǒng)的工藝要求對一些功能碼重新進行設(shè)定，如頻率信號的來源、操作方式的選擇、最高頻率的限制、基頻的設(shè)定、額定電壓、加減速時間、過載系數(shù)、過電流的限制等等。3)試運行變頻器在正式投入運行前，應(yīng)驅(qū)動電動機空載試運行幾分鐘。試運行可在5Hz，10Hz，15Hz，20Hz，25Hz，35Hz，50Hz等幾個頻率點進行。此時應(yīng)注意檢查以下幾點：10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁①核對電動機的旋轉(zhuǎn)方向。②電動機是否有不正常的振動和噪聲。③電動機的溫升是否過高。④電動機軸旋轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)。⑤電動機升、降速時是否平滑。試運行正常后，按照系統(tǒng)的設(shè)計要求進行面板操作或控制端子操作。4)控制端子外部信號操作變頻器在實際系統(tǒng)中往往不是獨立運行的，而是相互聯(lián)鎖，共同完成系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制，10.5數(shù)字式通用變頻器及其應(yīng)用下一頁返回上一頁如可以通過控制端子引人計算機系統(tǒng)輸出的0～10V、4～20mA的信號，并同時設(shè)置功能碼，使變頻器接受外部信號作為頻率給定?？赏ㄟ^控制端子外接按鈕如正轉(zhuǎn)啟動、反轉(zhuǎn)啟動、緊急停車等，也