變頻器培訓(xùn)教材

第一節(jié)變頻器簡介

交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況

縱觀電力傳動(dòng)的發(fā)展過程，交、直流兩種傳動(dòng)方式共

存于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流

調(diào)速系統(tǒng)，因此直流調(diào)速系統(tǒng)一直在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)居首位。但

由于直流電動(dòng)機(jī)具有機(jī)械整流器和電刷，因而存在著維護(hù)保

養(yǎng)工作量大、電動(dòng)機(jī)安裝環(huán)境受到限制和難以向大容量、高

轉(zhuǎn)速及高電壓方向發(fā)展等缺點(diǎn)。隨著電子技術(shù)和自動(dòng)控制技

術(shù)的迅速發(fā)展以及各種高性能電力電子元器件產(chǎn)品的出現(xiàn)，

歷來阻礙交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的一些因素相繼被克服，原直流

調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)先的一些技術(shù)性能，如寬廣的調(diào)速范圍、較高的

穩(wěn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等方面，交流調(diào)速

系統(tǒng)都能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。另外，由于交流電動(dòng)機(jī)本

身具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠和慣性小等優(yōu)點(diǎn)，還

適用于直流調(diào)速無法比擬的場合，因此，交流調(diào)速在電氣傳

動(dòng)領(lǐng)域中越來越占有重要的地位，它已成為機(jī)電一體化的電

氣傳動(dòng)技術(shù)。

一、變頻調(diào)速器的分類

可分為交-交變頻器，即將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，目前廣泛采用交-

直-交變頻器。

二、變頻調(diào)速的原理和實(shí)現(xiàn)算法變壓變頻的基本原理

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=60f(1—

s)/p,在改變供電電源頻率時(shí)，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也相應(yīng)的

改變。當(dāng)電機(jī)在負(fù)載條件下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速低于電機(jī)的同

步轉(zhuǎn)速，兩者的差值就是轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差的大小與電機(jī)的負(fù)載有

關(guān)。

電機(jī)定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為：Es=4.44fsNks

Om

Es為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值；

fs為定子頻率；

N為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

Ks為基波繞組系數(shù)；

①m為每極氣隙磁通。

由異步電機(jī)T型等效電路圖7-1可知異步電機(jī)端電壓與

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系式為：U1=E1+I1R1其中，I分別為

定子繞組阻抗及其流過的電流。在電機(jī)控制過程中，使每級(jí)

磁通中①m保持為額定值不變是關(guān)鍵的一環(huán)。磁通太弱，沒

有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費(fèi)；若增大磁通，又會(huì)使

鐵芯飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱

而損壞電機(jī)。在交流異步電機(jī)中，磁通①m是定子和轉(zhuǎn)子磁

動(dòng)勢(shì)合成產(chǎn)生的，因此由式Es=4.44fsNks①m可知，只要同

時(shí)協(xié)調(diào)控制Es和fs,就可以達(dá)到控制①m并使之恒定的目

的。對(duì)此，需要考慮額定頻率以下和額定頻率以上兩種情況。

異步電機(jī)T型等效電路圖7-1：

1.額定頻率以下的調(diào)速，要保持①m不變，當(dāng)頻率fs從

額定值介向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低Es,使：①常數(shù)

即采用恒電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電

動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)定子頻率fs較高時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

的值也增大，因此可以忽略定子阻抗壓降，認(rèn)為定子相電壓

Us=Es則得：①m=KUs/fs二常數(shù)，這就是恒壓頻比((V/F)的

控制方式。低頻時(shí)，Es和工都較小，定子阻抗壓降所占的比

率就比較顯著，不能再忽略，這時(shí)可以人為的對(duì)定子阻抗壓

降進(jìn)行補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)奶岣吣孀兤鞯妮敵鲭妷骸?/p>

2.額定頻率以上的調(diào)速：在額定頻率以上調(diào)速時(shí)，頻

率可以從額定值fsn往上提高，但是端電壓Us不能繼續(xù)上

升，只能維持在額定值Usn,這將迫使磁通與頻率成反比的

下降，相當(dāng)于直流電機(jī)的弱磁升速的情況。在整個(gè)電機(jī)調(diào)速

范圍內(nèi)，異步電機(jī)的控制特性如圖7-2所示。如果電機(jī)在不

同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電機(jī)都能在溫升允許的條件下

長期運(yùn)行。這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，因此在額定頻

率以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定頻率以上為恒功率調(diào)速。

圖7-2異步電機(jī)變頻調(diào)速

控制特性

三、變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)：變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體方框圖如圖7-3所

示。主要由整流器、濾波環(huán)節(jié)、逆變器、檢測(cè)環(huán)節(jié)和控制回

路組成。系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，采用

SPWM變頻技術(shù)。

四、變頻器的主電路

變頻器是將工頻交流電變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的三相交

流電的電器設(shè)備，用以驅(qū)動(dòng)交流異步（同步）電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻

調(diào)速，不但能滿足不同生產(chǎn)工藝需要，而且節(jié)能效果顯著。

圖7-3變頻調(diào)速的總圖

三

相

交逆

變

流流

電

電

源電

路

路

顯示

DSP

07

F24

20L

TMS3

鍵盤

塊

處理模

原理

頻調(diào)速

1.變

，但直

系統(tǒng)

傳動(dòng)

動(dòng)機(jī)

流電

管直

晶閘

式是

速方

的調(diào)

傳統(tǒng)

過去

、維

價(jià)高

機(jī)造

電動(dòng)

直流

點(diǎn)：

的缺

固有

一些

存在

本身

動(dòng)機(jī)

流電

一定

都有

容量

度和

高速

；最

件多

約條

境制

用環(huán)

受使

大；

護(hù)量

速

交流調(diào)

展。而

速發(fā)

了迅

得到

系統(tǒng)

調(diào)速

交流

年來

等。近

限制

速等

應(yīng)快

和響

精度

、高

節(jié)能

廉、

本低

、成

簡單

結(jié)構(gòu)

具有

系統(tǒng)

。

優(yōu)點(diǎn)

突出

為：

轉(zhuǎn)速

機(jī)其

電動(dòng)

異步

(1-S)

”迎

P

電源

和調(diào)節(jié)

差率s

、轉(zhuǎn)

對(duì)數(shù)夕

改變極

出，

以看

式可

從上

0

對(duì)數(shù)

變極

中改

運(yùn)行

機(jī)，

電動(dòng)

同步

。對(duì)于

調(diào)速

可以

廣都

頻率

會(huì)引起失步，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，改變極對(duì)數(shù)夕是有級(jí)調(diào)速，

改變轉(zhuǎn)差率S大部分是耗能調(diào)速，唯有改變頻率調(diào)速是交流

電動(dòng)機(jī)較為理想的調(diào)速方式。但是只改變頻率并不能使電動(dòng)

機(jī)得到經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)行，原因是異步電動(dòng)機(jī)是鐵磁結(jié)構(gòu)。對(duì)

于任何鐵磁結(jié)構(gòu)的設(shè)備，只有使它的磁通保持為額定磁通，

才可使鐵磁材料得到充分利用。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，有如下的

關(guān)系式：U^E=4.44/M

式中，U----定子電壓；

E——定子電動(dòng)勢(shì)；

f定子頻率；

N——定子每相繞組的匝數(shù)；

及——繞組系數(shù)；

0——每極氣隙磁通。

在變頻調(diào)速時(shí)，為了得到所需的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)的鐵

磁材料得到充分利用，則應(yīng)盡可能地使氣隙磁通恒定為額定

磁通。由U^E=4.44/M式可知，為保持氣隙磁通

。近似不變，在調(diào)節(jié)定子頻率f時(shí)則必須同時(shí)改變定子電壓

U,即〃個(gè)二常數(shù)。為此，用于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的變頻器

實(shí)際上都是變壓變頻器，即VVVF。由于電機(jī)的電壓不能超過

額定電壓，因此，在基頻以上調(diào)頻時(shí)，電壓〃只能保持在額

定電壓，當(dāng)電壓〃一定時(shí)，電機(jī)的氣隙磁通。隨著頻率r的

升高成比例下降，類似直流電機(jī)的弱磁調(diào)速，因此，基頻以

上的調(diào)速屬恒功率調(diào)速。

2.變頻器的主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

變頻器的主電路是從整流到逆變的整個(gè)功率電路，如圖

7-4所示。工頻電源經(jīng)整流及逆變后輸出，主要針對(duì)整流及

（1）整流部分電路分析

目前應(yīng)用最為廣泛的三相橋式全控整流電路，其原理圖

如圖7-4所示，將其中陰極連接在一起的3個(gè)二極管（VD1、

VD2、VD3）稱為共陰極組;陽極連接在一起的3個(gè)二極管（VD4、

VD5、VD6）稱為共陽極組。

對(duì)共陰極組的3個(gè)二極管，陽極所接交流電壓值最高的

一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)共陽極組的3個(gè)二極管，則是陰極所接交流

電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻

共陽極組和共陰極組中各有1個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，加于

負(fù)載上的電壓為某一線電壓。此時(shí)電路工作波形如圖7-5所

示。從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點(diǎn)n為參考點(diǎn)，

共陰極組二極管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓Udi為相電壓在正半

周的包絡(luò)線；共陽極組導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓Ud2為相電壓

在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓Ud=Udl-Ud2,是兩條

包絡(luò)線間的差值，將其對(duì)應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在

正半周的包絡(luò)線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處

于通態(tài)的二極管對(duì)應(yīng)的是最大（正得最多）的相電壓，而共陽

極組中處于通態(tài)的二極管對(duì)應(yīng)的是最?。ㄘ?fù)得最多）的相電

壓，輸出整流電壓Ud為這兩個(gè)相電壓相減，是線電壓中最

大的一個(gè)，因此輸出整流電壓Ud波形為線電壓在正半周期

的包絡(luò)線。

由下圖7-5知，第I階段，a相電位最高，共陰極組VD3

得到導(dǎo)通，b相電位最低，共陽極組VD5導(dǎo)通。電流流通路

徑為a—VD3—VD5—b,負(fù)載上的電壓Ud=Ua-Ub=Uab,變壓

器在a、b兩相工作，共陰極組a相電流為正，共陽極組的b

相電流為負(fù)。

第II階段，a相電位仍為最高，VD3繼續(xù)導(dǎo)通，但c相

電位最低，VD4導(dǎo)通，電流從b相換至c相。VD5因承受反

向電壓而關(guān)斷。這時(shí)電流流通路徑為：a—VD3—VD5—c,負(fù)

載上的電壓Ud=Ua-Uc=Uac

第ni階段，b相電位最高，VD2導(dǎo)通，則共陰極組換相

至VD2,電流從a相換至b相，VD3因?yàn)槌惺芊聪螂妷憾P(guān)

斷，VD4因?yàn)閏相電位仍為最低，而繼續(xù)導(dǎo)通，電流流通路

徑為：b—VD2—VD4—c,負(fù)載上電壓Ud=Ub-Uc=Ubc。

以下IV、V、VI段依次類推，以后重復(fù)上述過程。

圖7-5電容濾波的三相橋式可控整流電路的波形

(2)逆變電路

由VT1-VT6組成三相逆變橋，逆變器件是絕緣柵雙極

晶體管(IGBT)。三相逆變橋由計(jì)算機(jī)控制將直流電逆變?yōu)?/p>

三相SPWM波，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。

VD7-VD12為6只續(xù)流二極管。續(xù)流二極管的功能如下:

1.由于電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，工作時(shí)其無功電流返回直

流電源需要VD7?VD12提供通路。

2.降速時(shí)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，VD7-VD12為再生

電流提供返回直流的通路。

3.逆變時(shí)VT7?VT12快速高頻率地交替切換，同一橋臂

的兩管交替工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，在切換的過程中，也需

要給線路的分布電感提供釋放能量的通路。

逆變電路的基本工作方式：導(dǎo)電方式每橋臂導(dǎo)電180°,

同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120°,

任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，每次換流都是在同一相上下

兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。

三相橋式逆變電路中各開關(guān)元件每隔60。導(dǎo)通一個(gè)，導(dǎo)

通180°后關(guān)斷，各元件導(dǎo)通順序?yàn)閂T7-VT10-VT9-VT12

-VTll-*VT8o

一個(gè)周期中逆變器輸出線電壓為矩形波，相電壓為六階梯

波的交流電。改變?cè)?dǎo)通與關(guān)斷的頻率，就能改變輸出交

流電頻率，改變直流側(cè)電壓，就能調(diào)節(jié)交流輸出電壓幅值。

在上述180°導(dǎo)電方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋

臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取

“先斷后通”的方法。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其

關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通

信號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長

短要視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的

死區(qū)時(shí)間就可以越短。這一“先斷后通”的方法對(duì)于工作在

上下橋臂通斷互補(bǔ)方式下的其他電路也是適用的。

0

圖7-6VD7-VD12出發(fā)控制信號(hào)的波形

(3)制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元

當(dāng)變頻器停止了輸出，但由于電動(dòng)機(jī)的慣性，都使電動(dòng)

機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)向變頻器回饋能量，回

饋電流通過VD7?VD12這6只續(xù)流二極管給電容G、G充電,

這時(shí)電容上電壓在工頻整流電壓的基礎(chǔ)上上升。此時(shí)如果不

設(shè)法將電容上多余的電壓釋放，電容就會(huì)因過載而損壞，電

動(dòng)機(jī)也因發(fā)出的電能得不到消耗而不能制動(dòng)。

圖7-4中的VT7和電阻尼組成制動(dòng)回路，人稱為制動(dòng)電

阻，由于電阻發(fā)熱和體積大，安裝在變頻器外部；VT7為控

制器件，當(dāng)電容兩端電壓升高到一定程度，由檢測(cè)電路給出

控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)VT7導(dǎo)通，電容通過制動(dòng)電阻尼和VT7放電，

電流通過用將電能轉(zhuǎn)換成熱能。由于電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能得到

了消耗，電動(dòng)機(jī)得到了制動(dòng)力矩而使轉(zhuǎn)動(dòng)立刻停止。在小功

率變頻器中VT7都為內(nèi)置，在大功率變頻器中特別是要求制

動(dòng)功率較大時(shí)，VT7則作為一個(gè)外選件安裝在變頻器外部，

稱為制動(dòng)單元。

第二節(jié)二期凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器介紹

二期2X600MW（級(jí)）工程共4臺(tái)凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器，

每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)100%容量的凝結(jié)水泵，其中1臺(tái)運(yùn)行，1

臺(tái)備用，采用變頻調(diào)速電機(jī)。四臺(tái)電機(jī)通過四套高壓變頻裝

置進(jìn)行一拖一變頻控制。凝結(jié)水泵的運(yùn)行方式：凝結(jié)水泵能

滿足機(jī)組各種運(yùn)行工況，當(dāng)運(yùn)行泵事故跳閘時(shí)，備用泵應(yīng)能

自動(dòng)投入運(yùn)行。

凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)概況：

型號(hào)：YLBKS630-4

額定功率：1900kW

額定電壓：10kV

效率：94%

功率因數(shù)：0.89

額定轉(zhuǎn)速：1480r/min

一次接線：一拖一手動(dòng)，接線如圖7-7：

基本原理:

凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器由1個(gè)單刀高壓隔離開關(guān)QS1和兩

個(gè)機(jī)械閉鎖的高壓隔離開關(guān)QS2和QS3組成（見上圖）。QS2

和QS3在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖，保證電機(jī)不會(huì)同時(shí)工作在工頻和

變頻，也保證工頻電源不會(huì)直接加到變頻器的輸出端，提高

設(shè)備的可靠運(yùn)行。QS1、QS2、QS3刀閘操作設(shè)有電磁閉鎖,

QF的常閉接點(diǎn)引入電磁鎖回路，只有QF斷路器在分閘位

置才能夠操作刀閘。投變頻運(yùn)行時(shí)，手動(dòng)閉合QS1和QS2,

斷開QS3,合上QF,然后啟動(dòng)變頻器即可。投工頻運(yùn)行時(shí),

手動(dòng)斷開QS1和QS2,然后閉合QS3,合上QF,工頻直接

啟動(dòng)電機(jī)。

注意事項(xiàng)

LQS2與QS3相互閉鎖，通過機(jī)械實(shí)現(xiàn)閉鎖，類似于單

刀雙擲開關(guān)。

2.凝泵電機(jī)開關(guān)QF的常閉接點(diǎn)串入QSKQS2、QS3電

磁鎖回路，實(shí)現(xiàn)QF分閘后QS1、QS2、QS3才能分合操作，以

防止帶負(fù)荷拉合刀閘。

3.檢查并確認(rèn)QS1與QS2合閘、QS3分閘或QS1與QS2

分閘、QS3合閘后凝泵電機(jī)開關(guān)才可以送電。

4.凝泵電機(jī)測(cè)絕緣時(shí)，檢查確認(rèn)凝泵電機(jī)開關(guān)在檢修位

置，QS1分閘，QS2分閘，QS3合閘，確認(rèn)無電后在10KV配

電室凝泵電機(jī)開關(guān)下出線進(jìn)行測(cè)量（與其他電機(jī)絕緣測(cè)量相

同）；或是凝泵電機(jī)開關(guān)在檢修位置，QS1分閘，QS2分閘，

QS3分閘，確認(rèn)無電后在QS3的下出線測(cè)量（建議不使用這

種測(cè)量方法）。需要強(qiáng)調(diào)的是在對(duì)凝泵電機(jī)測(cè)絕緣過程中，

必須保證QS1與QS2在分閘位置，以確保在測(cè)量過程中不損

害到凝泵電機(jī)變頻器。

一、凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器技術(shù)要求

1.進(jìn)線變壓器：根據(jù)變頻裝置的型式選擇與變頻裝置配

套的進(jìn)線變壓器，能承受系統(tǒng)過電壓和變頻裝置產(chǎn)生的共模

電壓以及諧波的影響；進(jìn)線變壓器為干式變，干式變壓器銅

線繞制，配金屬外殼、冷卻器，實(shí)現(xiàn)按溫度設(shè)定自動(dòng)投、退

功能，具有就地和遠(yuǎn)方超溫報(bào)警功能；進(jìn)線變壓器能在規(guī)定

的電源參數(shù)下正常工作。進(jìn)線變壓器過負(fù)載能力為1.2倍額

定負(fù)載60分鐘、1.1倍過電壓長期空載運(yùn)行、1.