1、交流電動機調速系統交流電動機調速系統第六章第六章 交流電動機調速及變頻原理交流電動機調速及變頻原理 交流電動機調速系統交流電動機調速系統6.16.1 交流異步電動機調速的基本類型交流異步電動機調速的基本類型三相異步電動機的變頻調速原理三相異步電動機的變頻調速原理6.26.2通用變頻器的基本結構與控制方式通用變頻器的基本結構與控制方式6.36.3教教 學學 內內 容容交流電動機調速系統交流電動機調速系統學學 習習 目目 標標了解交流電動機調速的了解交流電動機調速的3 3種基本方法。種基本方法。理解通用變頻器的各種分類方法和控制方式理解通用變頻器的各種分類方法和控制方式 。 掌握通用變頻器的基本結

2、構及變頻原理掌握通用變頻器的基本結構及變頻原理 。概述n直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先后誕生。在20世紀上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優越的調速性能，高性能可調速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總容量80%以上的不變速拖動系統則采用交流電機。n交流調速系統的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統相比。n隨著電力電子技術的發展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統得以實現，特別是大規模集成電路和計算機控制的出現，高性能交流調速系統便應運而生。交流電動機調速系統交流電動機調速系統直流電機的缺點:n直流電機具有電刷和換相器因而必須經常檢查維修；n 換向火

3、花使直流電機的應用環境受到限制；n 換向能力限制了直流電機的容量和速度。交流電機沒有上面的弱點。目前，交流拖動控制系統已經成為當前電力拖動控制的主要發展方向。交流電動機調速系統交流電動機調速系統 交流拖動控制系統的應用領域主要有三個方面： 一般性能的節能調速 高性能的交流調速系統和伺服系統 特大容量、極高轉速的交流調速交流電動機調速系統交流電動機調速系統1. 一般性能的節能調速n 應用數量巨大：風機、水泵等通用機械的容量幾乎 占工業電力拖動總容量的一半以上；n 過去的調速運行手段：因為過去的交流拖動調速比 較困難，不得不依賴擋板和閥門來調節送風和供水 的流量，因而把許多電能白白地浪費了；n 如

4、果采用交流調速系統，把消耗在擋板和閥門上的 能量節省下來，每臺風機、水泵平均都可以節約 20 30% 以上的電能，效果是很可觀的。n 風機、水泵的調速范圍和對動態快速性的要求都不 高，只需要一般的調速性能。交流電動機調速系統交流電動機調速系統2. 高性能的交流調速系統和伺服系統n許多在工藝上需要調速的生產機械過去多用直流拖動；n由于交流電機比直流電機結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。n由于交流電機原理上的原因，其電磁轉矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。n 20世紀70年代初發明了矢量控制技術，通過坐標變換，把交流

5、電機的定子電流分解成轉矩分量和勵磁分量，用來分別控制電機的轉矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態性能。n又出現了直接轉矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列高性能交流調速系統和交流伺服系統。交流電動機調速系統交流電動機調速系統3. 特大容量、極高轉速的交流調速n直流電機的換向能力限制了它的容量轉速積不超過106 kW r /min，超過這一數值時，其設計與制造就非常困難了。n 交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調速為宜。交流電動機調速系統交流電動機調速系統交流調速系統的主要類型 交

6、流電機主要分為異步電機（即感應電機）和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調速系統。 現有文獻中介紹的異步電機調速系統種類繁多，可按照不同的角度進行分類。交流電動機調速系統交流電動機調速系統交流電動機調速系統交流電動機調速系統由異步電動機的轉速公式：由異步電動機的轉速公式：116011fnn (s)(s)p 可知，異步電動機有下列三種基本可知，異步電動機有下列三種基本調速方法調速方法：（1 1）改變定子極對數）改變定子極對數 調速。調速。p（2 2）改變電源頻率）改變電源頻率 調速。調速。1f（3 3）改變轉差率）改變轉差率 調速。調速。s6.1交流異步電動機調速的基本類型交流異步電動機調速

7、的基本類型交流電動機調速系統交流電動機調速系統)1(60)1(10SpfnSn異步電動機的調速方式異步電動機的調速方式：交流電動機調速系統交流電動機調速系統6.1.1 變頻調速變頻調速 交流變頻調速技術的原理是把工頻交流變頻調速技術的原理是把工頻50Hz50Hz的交流電轉的交流電轉換成頻率和電壓可調的交流電，通過改變交流異步電動換成頻率和電壓可調的交流電，通過改變交流異步電動機定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時也改變電壓，機定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時也改變電壓，從而達到調節電動機轉速的目的。從而達到調節電動機轉速的目的。 變頻器在英文譯名是變頻器在英文譯名是VFDVFD（Varia

8、ble-frequency DriveVariable-frequency Drive）。）。 變頻器在中、韓等亞洲地區受日本廠商影響而曾被稱作變頻器在中、韓等亞洲地區受日本廠商影響而曾被稱作VVVFVVVF（Variable Voltage Variable Frequency InverterVariable Voltage Variable Frequency Inverter）。）。 交流電動機調速系統交流電動機調速系統它與直流調速系統相比具有以下顯著優點：它與直流調速系統相比具有以下顯著優點： （1 1）變頻調速裝置的大容量化。）變頻調速裝置的大容量化。（2 2）變頻調速系統調速范圍

9、寬，能平滑調速，其調速靜）變頻調速系統調速范圍寬，能平滑調速，其調速靜態精度及動態品質好。態精度及動態品質好。（3 3）變頻調速系統可以直接在線起動，起動轉矩大，起）變頻調速系統可以直接在線起動，起動轉矩大，起動電流小，減小了對電網和設備的沖擊，并具有轉矩提動電流小，減小了對電網和設備的沖擊，并具有轉矩提升功能，節省軟起動裝置。升功能，節省軟起動裝置。交流電動機調速系統交流電動機調速系統（4 4）變頻器內置功能多，可滿足不同工藝要求；保護功能）變頻器內置功能多，可滿足不同工藝要求；保護功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護簡便；具有通用的外完善，能自診斷顯示故障所在，維護簡便；具有通用的外部接口

10、端子，可同計算機、部接口端子，可同計算機、PLCPLC聯機，便于實現自動控制。聯機，便于實現自動控制。（5 5）變頻調速系統在節約能源方面有著很大的優勢，是目）變頻調速系統在節約能源方面有著很大的優勢，是目前世界公認的交流電動機的最理想、最有前途的調速技術。前世界公認的交流電動機的最理想、最有前途的調速技術。其中以風機、泵類負載的節能效果最為顯著，節電率可達其中以風機、泵類負載的節能效果最為顯著，節電率可達到到20%20%6060。 交流電動機調速系統交流電動機調速系統軟起動器和變頻器是兩種完全不同用途的產品。變頻器是用于需要調速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率改變頻率；軟起動器實際

11、上是個調壓器調壓器，用于電機起動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所有軟起動器功能，但它的價格比軟起動器貴得多，結構也復雜得多。 軟起動器與變頻器軟起動器與變頻器 知識拓展知識拓展交流電動機調速系統交流電動機調速系統6.1.26.1.2變極調速變極調速 磁極對數磁極對數 p p 的改變，取決于電動機定子繞組的結的改變，取決于電動機定子繞組的結構和接線。通過改變定子繞組的接線，就可以改變電動構和接線。通過改變定子繞組的接線，就可以改變電動機的磁極對數。機的磁極對數。2p180分）轉/( 50011p360分）轉/( 0003磁極對數磁極對數每個電流周期每個電流周期磁場轉過的空間角度磁場

12、轉過的空間角度同步轉速同步轉速n n0 0)f(Hz501 3p120分）轉/( 00014p分）分）轉轉/( 75090電動機的同步轉速取決于磁場的極對數電動機的同步轉速取決于磁場的極對數)/( 6010分轉pfn 交流電動機調速系統交流電動機調速系統U U相兩個線圈，相兩個線圈，順向串聯，順向串聯，定子繞組產生定子繞組產生4 4極磁場。極磁場。反向串聯反向串聯和和反向并聯反向并聯，定子繞組，定子繞組產生產生2 2極磁場。極磁場。以以4 4極變極變2 2極為例：極為例：交流電動機調速系統交流電動機調速系統目前，我國多極電動機定子繞組聯繞方式常用的有兩種：目前，我國多極電動機定子繞組聯繞方式常

13、用的有兩種：一種是從星形改成雙星形，寫作一種是從星形改成雙星形，寫作Y/YYY/YY，如圖，如圖6-36-3所示；所示；Y-YYY-YY后后, ,電動機極數減少一半電動機極數減少一半, ,轉速增大一倍轉速增大一倍, ,即即 ，容許輸出功率增大，容許輸出功率增大一倍，而容許輸出轉矩保持不變，所以這種變極調速屬于恒轉矩調速，它適一倍，而容許輸出轉矩保持不變，所以這種變極調速屬于恒轉矩調速，它適用于恒轉矩負載。用于恒轉矩負載。2YYYnn 變極時，調換相序，以變極時，調換相序，以保證變極調速以后，電保證變極調速以后，電動機轉動方向不變。動機轉動方向不變。交流電動機調速系統交流電動機調速系統另一種是從

14、三角形改成雙星形，寫作另一種是從三角形改成雙星形，寫作/YY/YY，如圖，如圖6-46-4所示，這兩種接法可使電動機極對數減少一半。所示，這兩種接法可使電動機極對數減少一半。 -YY-YY后后, ,極數減少一半極數減少一半, ,轉速增大一倍轉速增大一倍, ,即即 ，容許輸出功率近似不，容許輸出功率近似不變，所以這種變極調速屬于恒功率調速，它適用于恒功率負載。變，所以這種變極調速屬于恒功率調速，它適用于恒功率負載。2YYnn 變極時，調換相序，以變極時，調換相序，以保證變極調速以后，電保證變極調速以后，電動機轉動方向不變。動機轉動方向不變。交流電動機調速系統交流電動機調速系統變極調速只用于籠型電

15、動機。變極調速只用于籠型電動機。 這種方法的缺點是十分這種方法的缺點是十分明顯的明顯的: :一臺電動機最多只能一臺電動機最多只能安置兩套繞組，每套繞組最安置兩套繞組，每套繞組最多只能有兩種接法。所以最多只能有兩種接法。所以最多只能得到多只能得到4 4種轉速，與所要種轉速，與所要求的無級調速相去甚遠。求的無級調速相去甚遠。 只只適用于籠型異步電動機。這適用于籠型異步電動機。這種調速方法簡單，但電動機種調速方法簡單，但電動機結構復雜，較少應用。結構復雜，較少應用。交流電動機調速系統交流電動機調速系統6.1.3 6.1.3 變轉差率調速變轉差率調速 1.1.改變定子電壓調速改變定子電壓調速 交流調壓

16、調速交流調壓調速)()/(/3221212211221lleLLsRRsRpUT異步電動機的機械特性方程式異步電動機的機械特性方程式:其中：p為電機極對數； U1為相電壓有效值 R1為定子每相繞組的內阻 Ll1為每相漏感 R2為折算到定子側的每相電阻 Ll2為折算到定子側的漏感交流電動機調速系統交流電動機調速系統0, 0,1TSnnNNNTTSSnn,mTB1nS011n2D理想空載點理想空載點N=N0，S=0，T=0NTC額定運行點額定運行點NnN=NN，S=SN，T=TNN0NNTNmTBmS最大轉矩點最大轉矩點mmTTSS,TmSmAQT起起 動動 點點QTTSn, 1, 0交流電動機調

17、速系統交流電動機調速系統調壓調速的機械特性nT0S1mT1nNUmSNUUU1 1ZT風機類負載特性n0（1 1）異步電動機調壓調速時存在的問題）異步電動機調壓調速時存在的問題 1 1）改變定子調壓時調速范圍不大（恒轉）改變定子調壓時調速范圍不大（恒轉矩負載）。如圖矩負載）。如圖1 1、2 2、3 3點。點。 2 2）低速時運行穩定性不好，如帶風機類）低速時運行穩定性不好，如帶風機類負載時，可得到較大的調速范圍負載時，可得到較大的調速范圍（如（如abcabc點），轉子電流相應增大。點），轉子電流相應增大。為了既低速運行穩定又不致過熱，為了既低速運行穩定又不致過熱，要求電動機轉子繞組有較高的電阻

18、。要求電動機轉子繞組有較高的電阻。1U0.7UN 1U0.5UN0 當當s s一定時，一定時， T U 2 ，改變，改變U U1 1得到一組不同的人為特性。在帶恒轉矩負載得到一組不同的人為特性。在帶恒轉矩負載T TZ Z時，時，可得到不同的穩定轉速，如下圖中的可得到不同的穩定轉速，如下圖中的1 1、2 2、3 3點。點。同步轉速同步轉速n0 0不變，臨界不變，臨界轉差率轉差率Sm m不變不變交流電動機調速系統交流電動機調速系統（2 2）解決問題的措施）解決問題的措施 使用高轉子電阻的電機。高轉子電阻電機的機械特性使用高轉子電阻的電機。高轉子電阻電機的機械特性如圖所示如圖所示機械特性變軟。機械特

19、性變軟。eTS0n0n1 NU1 N7.0U1 N5.0U10LT圖 5 -7 高 轉 子 電 阻 異 步 電 動 機在 不 同 電 壓 下 的 機 械 特 性ABC 高轉子電阻異步電動機在不同電壓下的機械特性高轉子電阻異步電動機在不同電壓下的機械特性可見：恒轉矩負載下，可見：恒轉矩負載下，調速范圍變大，轉子電調速范圍變大，轉子電流減小。流減小。交流電動機調速系統交流電動機調速系統如下左圖所示。單相調壓電路如右圖所示。如下左圖所示。單相調壓電路如右圖所示。M3 M3 M3 T UL SV V C+-( a )( b )( c )圖 5 - 2 異 步 電 動 機 調 壓 調 速 原 理RU1U

20、1VT2VT圖5-3 晶閘管單相調壓電路晶閘管單相調壓電路晶閘管單相調壓電路 U02t圖 5-4 晶 閘 管 相 位 控 制 下的 負 載 電 壓 波 形 晶閘管相位控制下的負載電壓波形晶閘管相位控制下的負載電壓波形 通過改變晶閘管的導通過改變晶閘管的導通角來改變輸出交流通角來改變輸出交流電壓的大小。電壓的大小。獲取交流電源的方法獲取交流電源的方法 知識拓展知識拓展晶閘管交流調壓裝置晶閘管交流調壓裝置交流電動機調速系統交流電動機調速系統晶閘管三相交流調壓電路如圖所示。這種電路接法的特點晶閘管三相交流調壓電路如圖所示。這種電路接法的特點是負載輸出諧波分量低，適用于低電壓大電流的場合。是負載輸出諧

21、波分量低，適用于低電壓大電流的場合。 三相全波星形聯結的調壓電路三相全波星形聯結的調壓電路交流電動機調速系統交流電動機調速系統（3 3）采用轉速負反饋閉環調速系統（既保證低速時機械特性）采用轉速負反饋閉環調速系統（既保證低速時機械特性硬度，又保證一定負載能力）。硬度，又保證一定負載能力）。 轉子電阻的增大使調速范圍擴大，機械特性變軟，轉速轉子電阻的增大使調速范圍擴大，機械特性變軟，轉速轉差率變大。解決方法：采用帶速度負反饋的閉環控制。轉差率變大。解決方法：采用帶速度負反饋的閉環控制。ASRM3TGnVVCGT-nUnUctU(a)（a）原理圖）原理圖 交流電動機調速系統交流電動機調速系統（4）

22、調壓調速系統閉環靜態結構圖）調壓調速系統閉環靜態結構圖調 節 器晶 閘 管調 壓 裝 置異 步電 動 機轉 速 反 饋 裝 置給 定nUnU+-ctU1Un圖 5-9 調 壓 調 速 系 統 靜 態 結 構 框 圖 調壓調速系統靜態結構框圖調壓調速系統靜態結構框圖 它與單閉環直流調速系統的靜態結構框圖非常相似，只它與單閉環直流調速系統的靜態結構框圖非常相似，只要將直流調速系統中的晶閘管整流器、直流電動機換成要將直流調速系統中的晶閘管整流器、直流電動機換成晶閘管交流調壓器（圖中的晶閘管調壓裝置）、異步電晶閘管交流調壓器（圖中的晶閘管調壓裝置）、異步電動機即可。動機即可。交流電動機調速系統交流電動

23、機調速系統 交流調壓調速是通過改變電動機定子交流調壓調速是通過改變電動機定子外加電壓從而改變轉差率外加電壓從而改變轉差率S進行調速的。進行調速的。它是一種簡單、可靠、價格便宜的調速方它是一種簡單、可靠、價格便宜的調速方法，但其調速特性軟，低速時轉差功率損法，但其調速特性軟，低速時轉差功率損耗大，效率較低。交流調壓調速常采用晶耗大，效率較低。交流調壓調速常采用晶閘管組成的交流調壓調速系統。閘管組成的交流調壓調速系統。小結小結交流電動機調速系統交流電動機調速系統nT0S1mTmS1nQT2r2 RrQTmSZTZT輕載調速輕載調速范圍不大范圍不大調速前：調速前：1，S1調速后：調速后：2，S22.

24、繞線式異步電動機轉子串電阻調速繞線式異步電動機轉子串電阻調速 繞線式異步電動機轉子串繞線式異步電動機轉子串電阻的機械特性如圖所示。電阻的機械特性如圖所示。轉子串電阻時同步轉速和轉子串電阻時同步轉速和最大轉矩最大轉矩T Tm m不變，臨界轉不變，臨界轉差率增大。差率增大。 0RmTmS不變不變QT0n不變不變nn=n0(1-s)交流電動機調速系統交流電動機調速系統轉子串電阻調速的優點是：轉子串電阻調速的優點是： 設備簡單，主要用于中、小容量的繞線式異步電動機設備簡單，主要用于中、小容量的繞線式異步電動機如橋式起重機等。如橋式起重機等。缺點是：缺點是： 轉子繞組需經過電刷引出，屬于有級調速，平滑性

25、轉子繞組需經過電刷引出，屬于有級調速，平滑性差；由于轉子中電流很大，在串接電阻上產生很大損耗，差；由于轉子中電流很大，在串接電阻上產生很大損耗，所以電動機的效率很低，機械特性較軟，調速精度差。所以電動機的效率很低，機械特性較軟，調速精度差。交流電動機調速系統交流電動機調速系統3.3.繞線式異步電動機在轉子回路中串級調速繞線式異步電動機在轉子回路中串級調速在轉子回路中串入與轉子電勢同頻率的附加電勢，通在轉子回路中串入與轉子電勢同頻率的附加電勢，通過改變附加電勢的幅值和相位實現調速。過改變附加電勢的幅值和相位實現調速。其優點是：其優點是：可以通過某種控制方式，使轉子回路的能量回饋到電網，可以通過某

26、種控制方式，使轉子回路的能量回饋到電網，從而提高效率；在適當的控制方式下，可以實現低同步從而提高效率；在適當的控制方式下，可以實現低同步或高同步的連續調速。或高同步的連續調速。缺點是：缺點是：只能適應于繞線式異步電動機，且控制系統相對復雜。只能適應于繞線式異步電動機，且控制系統相對復雜。 交流電動機調速系統交流電動機調速系統6.1.3 6.1.3 電磁轉差離合器調速電磁轉差離合器調速（異步電動機本身并不調速）（異步電動機本身并不調速）電磁轉差離合器調速系統是由籠型異步電動機、電磁電磁轉差離合器調速系統是由籠型異步電動機、電磁轉差離合器以及控制裝置組合而成。轉差離合器以及控制裝置組合而成。（一）

27、電磁轉差離合器的基本結構與工作原理（一）電磁轉差離合器的基本結構與工作原理從動部分與負從動部分與負載連在一起載連在一起電樞由籠型異步電樞由籠型異步電動機以恒速帶電動機以恒速帶動，稱主動部分動，稱主動部分 晶閘管控制裝置通過對電磁轉差離合器的勵磁電流的控制，實現對從動部分磁極與負載的轉速調節交流電動機調速系統交流電動機調速系統（1）電磁轉差離合器的轉速和轉向）電磁轉差離合器的轉速和轉向1）從動軸的轉速）從動軸的轉速n取決于勵磁電流的大小；取決于勵磁電流的大小；2）從動軸的轉向則取決于原動機的轉向。）從動軸的轉向則取決于原動機的轉向。電磁轉差離合器本身并不是一個電動機，它只是一種傳電磁轉差離合器本

28、身并不是一個電動機，它只是一種傳遞功率的裝置。遞功率的裝置。電磁轉差離合器的機械特性電磁轉差離合器的機械特性n1原動機轉速；原動機轉速；Te電磁轉差離合器軸上輸出電磁轉差離合器軸上輸出轉矩；轉矩； IL電磁轉差離合器的勵磁電電磁轉差離合器的勵磁電流；流； 知識拓展知識拓展交流電動機調速系統交流電動機調速系統（2）電磁轉差離合器閉環調速系統）電磁轉差離合器閉環調速系統電磁轉差離合器的機械特性很軟，實際使用時都加上轉電磁轉差離合器的機械特性很軟，實際使用時都加上轉速負反饋控制，從而可獲得速負反饋控制，從而可獲得10:1的調速范圍。閉環系統的的調速范圍。閉環系統的組成與相應的靜特性如下圖所示。組成與

29、相應的靜特性如下圖所示。交流電動機調速系統交流電動機調速系統 1) 優點： l 線路簡單，價格便宜； l 速度負反饋后調速相當精確（平滑調速）。 2) 缺點： l 低速運行時損耗較大（增加了滑差離合器）； l 調速效率較低。交流電動機調速系統交流電動機調速系統1 1變頻調速的條件變頻調速的條件 三相異步電動機定子繞組的反電動勢三相異步電動機定子繞組的反電動勢E E1 1的表達式為的表達式為 : :Eq=4.441N1kN1m=U1+U式中: Eq氣隙磁通在定子每相繞組中感應電動勢有效值； N1 定子每相繞組的匝數； kN1定子繞組的基波繞組系數， kN1 1； 1 定子繞組感應電動勢的頻率，即

30、電源的頻率； m 主磁通； U1 定子相電壓。可見： Eq1m 將U忽略，則EqU11m定子電壓定子電壓漏阻抗壓降漏阻抗壓降6.2三相異步電動機的變頻調速原理三相異步電動機的變頻調速原理交流電動機調速系統交流電動機調速系統 當當U1 E1=C時，由時，由E1U11m 知，知，1m電動機磁路過飽和，電動機磁路過飽和，導致過大的勵磁電流，電動機因繞組過熱而損壞。導致過大的勵磁電流，電動機因繞組過熱而損壞。 當當U1 E1=C時，由時，由E1U11m 知，知，1 m，鐵芯利用不充分，鐵芯利用不充分，同樣的轉子電流下，電磁轉矩同樣的轉子電流下，電磁轉矩T ，電動機的負載能力下降，電動機的容，電動機的負

31、載能力下降，電動機的容量得不到充分利用。量得不到充分利用。因此，為維持電動機的輸出轉矩不變，必須使主磁通因此，為維持電動機的輸出轉矩不變，必須使主磁通m =C，即，即U11= CE11=m交流電動機調速系統交流電動機調速系統2 2基頻以下恒磁通（恒轉矩）變頻調速基頻以下恒磁通（恒轉矩）變頻調速 m U11=CE11=因為變頻的同時還要改變電壓，所以稱為因為變頻的同時還要改變電壓，所以稱為V/FV/F控制，也稱為控制，也稱為VVVFVVVF（ Variable Voltage Variable Frequency Variable Voltage Variable Frequency ）。）。交

32、流電動機調速系統交流電動機調速系統),(1111CfUffN理想空載轉速：理想空載轉速：n1f1U1f1頻率在額定頻率附近下調時，頻率在額定頻率附近下調時，最大轉矩可以近似認為不變。最大轉矩可以近似認為不變。最大轉矩最大轉矩：Tm （ )不變不變Tm頻率不同時，最大轉矩點對應的頻率不同時，最大轉矩點對應的轉差轉差 n=C，所以穩定工作區的，所以穩定工作區的機械特性基本是平行的。機械特性基本是平行的。 n n當當f 較低時，較低時， U 不能忽略，不能忽略，使使I1 mTm交流電動機調速系統交流電動機調速系統基頻以下調速基頻以下調速 )222(11 CfU 這是恒壓頻比的控這是恒壓頻比的控制方式

33、。在恒壓頻比條制方式。在恒壓頻比條件下改變頻率時，能夠件下改變頻率時，能夠證明：機械特性基本上證明：機械特性基本上是平行下移的，如圖所是平行下移的，如圖所示。示。交流電動機調速系統交流電動機調速系統 解解 決決 方方 法法可用提高可用提高U1 1來補償來補償 U的影響，使的影響，使E1 1/ /1 1不變，即不變，即m m不變，這種控制不變，這種控制方法稱為方法稱為電壓補償電壓補償，也稱為，也稱為轉矩轉矩提升。提升。 通常提高通常提高U1 1, ,來保持來保持Tm m不變。定子電源不變。定子電源頻率頻率f1 1越低，定子繞組電壓補償得越大。越低，定子繞組電壓補償得越大。 結論：結論： 從基頻以

34、下調速時，電磁轉矩從基頻以下調速時，電磁轉矩T恒定，電動機帶負載的能力不變，恒定，電動機帶負載的能力不變，屬于恒轉矩調速。屬于恒轉矩調速。 交流電動機調速系統交流電動機調速系統3 3基頻以上恒功率（恒電壓）變頻調速基頻以上恒功率（恒電壓）變頻調速 當當f1f1N時，時，U1 =const，f m（屬于弱磁調速）（屬于弱磁調速） 電磁轉矩電磁轉矩T P不變不變，屬于恒功率調速。，屬于恒功率調速。額定頻率以上調頻時，理想額定頻率以上調頻時，理想空載轉速增大，最大轉矩大幅空載轉速增大，最大轉矩大幅減小。減小。 最大轉矩點對應的轉差最大轉矩點對應的轉差 n幾乎不變，但由于最大轉矩幾乎不變，但由于最大轉

35、矩減小很多，所以機械特性斜減小很多，所以機械特性斜度加大，特性變軟。度加大，特性變軟。 交流電動機調速系統交流電動機調速系統基頻以上調速基頻以上調速 在基頻在基頻f1N以上變頻調速時，由以上變頻調速時，由于電壓于電壓U1=U1N 不變，不難證明當頻不變，不難證明當頻率提高時，同步轉速隨之提高，最大率提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，機械特性上移，如右圖所轉矩減小，機械特性上移，如右圖所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導致轉矩減小。由磁動勢必然減弱，導致轉矩減小。由于轉速升高了，可以認為輸出功率基于轉速升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以，

36、基頻以上變頻調速屬本不變。所以，基頻以上變頻調速屬于弱磁恒功率調速。于弱磁恒功率調速。交流電動機調速系統交流電動機調速系統4 4變頻調速特性的特點變頻調速特性的特點f1f1N U11= constm不變，屬于恒轉矩調速不變，屬于恒轉矩調速 f1f1N U1 =constm變小，電動機的功率變小，電動機的功率不變，屬于恒功率調速不變，屬于恒功率調速當當f 較低時，較低時， U不能忽略不能忽略mT通常通常 U1 以保持以保持Tm不變（不變（電壓補償電壓補償）P=T（）（）=const交流電動機調速系統交流電動機調速系統6.3.1 6.3.1 基基 本本 結結 構構主電路主電路控制電路控制電路6.3

37、通用變頻器的基本結構與控制方式通用變頻器的基本結構與控制方式交流電動機調速系統交流電動機調速系統1 1主電路主電路 由整流電路、能耗電路和逆變電路組成。由整流電路、能耗電路和逆變電路組成。 將交流變將交流變成直流成直流D=1.35 380 513(V)U為泵生電壓提為泵生電壓提供放電回路供放電回路將直流電逆變成頻率將直流電逆變成頻率可調的交流電可調的交流電限制啟動限制啟動電流電流續流二極管續流二極管IGBT導通，并聯二極管為再生電流導通，并聯二極管為再生電流及能量返回直流電路提供通路及能量返回直流電路提供通路交流電動機調速系統交流電動機調速系統（1）整流電路）整流電路VD1VD6組成三相不可控

38、整流橋，將交流電組成三相不可控整流橋，將交流電變成變成513V的直流電，整流橋集成電路模塊如圖。的直流電，整流橋集成電路模塊如圖。交流電動機調速系統交流電動機調速系統濾波電路：濾波電路：濾波電容器濾波電容器CF有兩個功能：一是濾平全波整流后的有兩個功能：一是濾平全波整流后的電壓紋波；二是當負載變化時，使直流電壓保持平穩。電壓紋波；二是當負載變化時，使直流電壓保持平穩。電源指示電源指示HL：HL除了表示電源是否接通以外，還有一個除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在變頻器切斷電源后，表示濾波電容器十分重要的功能，即在變頻器切斷電源后，表示濾波電容器CF上的電荷是否已經釋放完畢。上

39、的電荷是否已經釋放完畢。交流電動機調速系統交流電動機調速系統（2 2）能耗電路）能耗電路 電機在工作頻率下降中，異步電機的轉子轉速將可能超電機在工作頻率下降中，異步電機的轉子轉速將可能超過此時的同步轉速（過此時的同步轉速（n=60f/P）而處于再生制動（發電）狀態，）而處于再生制動（發電）狀態，拖動系統的動能將反饋到直流電路中使直流母線（濾波電容拖動系統的動能將反饋到直流電路中使直流母線（濾波電容兩端）電壓兩端）電壓UD不斷上升（即所說的不斷上升（即所說的泵升電壓泵升電壓），這樣變頻器），這樣變頻器將會產生過壓保護，甚至可能損壞變頻器，因而需將反饋能將會產生過壓保護，甚至可能損壞變頻器，因而需

40、將反饋能量消耗掉，制動電阻就是用來消耗這部分能量的。制動單元量消耗掉，制動電阻就是用來消耗這部分能量的。制動單元由開關管由開關管VTB與驅動電路構成，其功能是用來控制流經與驅動電路構成，其功能是用來控制流經RB的的放電電流放電電流IB 交流電動機調速系統交流電動機調速系統電動和制動運行電動和制動運行交流電動機調速系統交流電動機調速系統單管單管IGBT IGBT單管：單管：IGBT，封裝較模塊小，電流通常在，封裝較模塊小，電流通常在100A以下以下（3 3）逆變電路）逆變電路 逆變管逆變管VT1VT6組成逆變橋將直流電逆變成頻率、電壓組成逆變橋將直流電逆變成頻率、電壓都可調的交流電，是都可調的交

41、流電，是變頻器的核心部分變頻器的核心部分。常用逆變模塊有：。常用逆變模塊有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模塊化結等，一般都采用模塊化結構有構有2單元、單元、4單元、單元、6單元。單元。交流電動機調速系統交流電動機調速系統IGBT模塊：就是將多個模塊：就是將多個IGBT集成封裝在一起。集成封裝在一起。目前市場上目前市場上15kW以上變頻器使用的是以上變頻器使用的是150A/200A/300A/400A/450A的兩單元的兩單元IGBT模塊或模塊或100A/150A的三相逆變的三相逆變IGBT模塊。模塊。全橋全橋IGBTIGBT單橋單橋IGBTIGBT交流電動機調速系統

42、交流電動機調速系統IGBT整流橋與整流橋與IGBT整流橋與封裝好的整流橋與封裝好的IGBT交流電動機調速系統交流電動機調速系統 集成整流橋集成整流橋+ +制動單元（制動單元（PFCPFC）+ +三相逆變（三相逆變（IGBTIGBT橋）橋） 15kW以下小功率變頻器多采用以下小功率變頻器多采用25A/50A/75A的的PIM模塊。模塊。PIM結構包括三相全波整流和結構包括三相全波整流和67個個IGBT單元，即變頻器的主回路單元，即變頻器的主回路全部封裝在一個模塊內，在中小功率變頻器上（全部封裝在一個模塊內，在中小功率變頻器上（15kW以下）均使以下）均使用用PIM模塊以降低成本。模塊以降低成本。

43、PIM（功率集成模塊）（功率集成模塊） 知識拓展知識拓展功率集成模塊功率集成模塊PIM交流電動機調速系統交流電動機調速系統 智能智能IPM模塊問世已有十年之久。它將模塊問世已有十年之久。它將IGBT、驅動電路、保護電路、驅動電路、保護電路集成集成化成功率器件，用電流傳感功能芯片，對過流和短路進行保護。化成功率器件，用電流傳感功能芯片，對過流和短路進行保護。IPM有四種電有四種電路形式：單管封裝（路形式：單管封裝（H），雙管封裝（），雙管封裝（D），六合一封裝（），六合一封裝（C），七合一封裝），七合一封裝（R）。由于）。由于IPM通態損耗和開關損耗都比較低，可使散熱器減小，因而整機通態損耗和開

44、關損耗都比較低，可使散熱器減小，因而整機尺寸亦可減小，又有自保護能力，國內外尺寸亦可減小，又有自保護能力，國內外55KW以下的變頻器多數采用以下的變頻器多數采用IPM模模塊。塊。IPM有：短路保護（有：短路保護（SC），過流保護（），過流保護（OC），欠壓保護（），欠壓保護（UV），過熱保），過熱保護（護（OT），過壓保護（），過壓保護（OV）等。）等。 智能功率模塊智能功率模塊IPMIGBT驅動電路過流保護過熱保護欠壓保護 IPM （智能功率模塊）（智能功率模塊） 知識拓展知識拓展交流電動機調速系統交流電動機調速系統2.2.控制電路控制電路變頻器控制部分一般有：變頻器控制部分一般有：CPU單

45、元、顯示單單元、顯示單元、電流檢測、電壓檢測單元、輸入輸出控元、電流檢測、電壓檢測單元、輸入輸出控制端子、驅動放大電路、開關電源制端子、驅動放大電路、開關電源等。等。CPU單元： 采用16位、32位單片機或DSP，變頻器專用單片機如：INTEL 87C196MH，速度為幾十ns級。矢量控制型采用雙CPU。主控制電路板主控制電路板DSP 電機控制專用電機控制專用CPU 軟件燒制在軟件燒制在DSP板上的板上的DSP中，其核心是中，其核心是根據電壓及負載電流，來控制根據電壓及負載電流，來控制6個逆變個逆變IGBT的的導通與關斷，從而控制電機的運轉。導通與關斷，從而控制電機的運轉。交流電動機調速系統交

46、流電動機調速系統電流檢測單元：對于電流檢測單元：對于變頻器加速、減速、運行中過流、變頻過載及電機過載的檢測。 顯示單元：顯示單元：其功能為人機界面、參數設定、狀態/故障顯示、遠距離操作等。 驅動電路驅動電路：CPU產生的PWM波經專用驅動芯片、驅動放大電路后給IGBT。驅動電路板驅動電路板交流電動機調速系統交流電動機調速系統類別類別作用作用主要構成器件主要構成器件主電路整流部分將工頻交流變成直流，輸入無相序要求整流橋逆變部分將直流轉換為頻率、電壓均可變的交流電，輸出無相序要求IGBT制動部分消耗過多的回饋能量，保持直流母線電壓不超過最大值單管IGBT 和制動電阻,大功率制動單元外置上電緩沖降低

47、上電沖擊電流，上電結束后開關自動閉合，而后變頻器允許運行限流電阻和開關儲能部分保持直流母線電壓恒定，降低電壓脈動電解電容和均壓電阻控制回路鍵盤對變頻器參數進行調試和修改，并實時監控變頻器狀態MCU(單片機）控制電路交流電機控制算法生成，外部信號接收處理及保護DSP(或兩個MCU）變頻器的構成變頻器的構成交流電動機調速系統交流電動機調速系統類別作用結構件散熱器將整流橋、逆變器產生的熱量散發出去溫度傳感器檢測散熱器溫度，確保模塊工作在允許溫度環境下風扇配合散熱器，將變頻器內部的熱量帶走，有直流風扇（24V)和交流風扇兩種變頻器的構成變頻器的構成交流電動機調速系統交流電動機調速系統3.3.外部端子外

48、部端子主回路接口主回路接口 工頻電網輸入380V 3PH/220V 3PH220V 1PHM3制動電阻直流電抗器三相交流電機 R S T P 1 (+ ) P B (-) U V W P E P O W E R S U P P LY M O T O R P/+ PR交流電動機調速系統交流電動機調速系統主電路接口主電路接口3.3.外部端子外部端子控制電路端子控制電路端子控制電路輸入端子控制電路輸入端子開關量輸入開關量輸入模擬量輸入模擬量輸入編碼器接口編碼器接口控制電路輸出端子控制電路輸出端子開關量輸出開關量輸出模擬量輸出模擬量輸出通信接口通信接口外接控制端子外接控制端子主要主要用于遠距離、多功用

49、于遠距離、多功能控制能控制通信接口通信接口主要用于主要用于多電動機、系統控制多電動機、系統控制交流電動機調速系統交流電動機調速系統通信接口通信接口 變頻器通常采用標準裝備變頻器通常采用標準裝備RS485接口，配上選擇通信接口，配上選擇通信卡可以對應世界各地的變頻器進行通信。卡可以對應世界各地的變頻器進行通信。現現 場場 總總 線線OBUS（標準裝備標準裝備）DeviceNetProfibus-DPCC-LinkCANopenLonWorks 通信選用卡通信選用卡InterBus-SRS485板板交流電動機調速系統交流電動機調速系統通信接口通信接口通信接口通信接口人機界面人機界面通信接口通信接口

50、使用場合：使用場合： 各類中大型生產線或系統各類中大型生產線或系統特特 點：點：l 所有控制均通過通信電纜所有控制均通過通信電纜l 線路相對簡單，自動化水線路相對簡單，自動化水平高，信息交換量大平高，信息交換量大l 實時性好，抗擾能力強實時性好，抗擾能力強, ,為為防止網絡故障，特設獨立急防止網絡故障，特設獨立急停功能停功能l 投入大，調試維護困難投入大，調試維護困難交流電動機調速系統交流電動機調速系統通信擴展通信擴展卡插槽卡插槽變頻器變頻器控制板控制板通信接口通信接口交流電動機調速系統交流電動機調速系統6.3.2 6.3.2 分類分類1.1.按變換環節分類按變換環節分類 按變換環節來分可以分

51、為按變換環節來分可以分為交交-交直接變頻器交直接變頻器和和交交-直直-交交間間接變頻器。接變頻器。優點：沒有中間環節，變換效率高。優點：沒有中間環節，變換效率高。缺點：總設備投資大，交缺點：總設備投資大，交-交變頻器的最大輸出頻率為交變頻器的最大輸出頻率為30HZ，其應用受到限制。其應用受到限制。改變正反組切換頻率改變正反組切換頻率可以調節輸出交流電可以調節輸出交流電的頻率，而改變的頻率，而改變的的大小即可調節矩形波大小即可調節矩形波的幅值的幅值交流電動機調速系統交流電動機調速系統整流整流逆變逆變直流電壓直流電壓電源電壓電源電壓輸出電壓輸出電壓 變頻器的電壓波形變化變頻器的電壓波形變化輸出電壓

52、的平均值是正弦波正弦波（正弦波（脈寬調制脈寬調制） ）控制控制方式方式整流部分儲能環節逆變部分M控制系統交流直流直流交流交交- -直直- -交變頻器：交變頻器： 目前三菱變頻器目前三菱變頻器大都為交大都為交-直直-交交變頻器。變頻器。交流電動機調速系統交流電動機調速系統交交- -直直- -交變頻器主要有交變頻器主要有3 3種結構形式種結構形式 調壓和調頻分別在兩個環節調壓和調頻分別在兩個環節上，由控制電路進行協調，上，由控制電路進行協調，但電網側的功率因數低，輸但電網側的功率因數低，輸出諧波大。出諧波大。整流環節采用不可控整流環節采用不可控整流，增設斬波器進行整流，增設斬波器進行調壓，再用逆變

53、器變頻調壓，再用逆變器變頻，克服了功率因數低的，克服了功率因數低的缺點，輸出諧波仍大。缺點，輸出諧波仍大。調壓和調頻都在逆變器上調壓和調頻都在逆變器上進行，輸出電壓是一系列進行，輸出電壓是一系列脈沖，調節脈沖寬度就可脈沖，調節脈沖寬度就可以調節輸出電壓值，是最以調節輸出電壓值，是最好的一種調壓調頻方法。好的一種調壓調頻方法。交流電動機調速系統交流電動機調速系統2 2按直流電路的濾波方式分類按直流電路的濾波方式分類 交交- -直直- -交變頻器中間直流環節的交變頻器中間直流環節的儲能元件可以是電容或是電感儲能元件可以是電容或是電感，據此，據此，變頻器分成變頻器分成電壓型變頻器電壓型變頻器和和電流

54、型變頻器電流型變頻器兩大類。兩大類。 輸出交流電壓是輸出交流電壓是矩形波或階梯矩形波或階梯波波，電流波形接近于正弦波，電流波形接近于正弦波 中間環節是大電容器濾波，中間環節是大電容器濾波，使直流側電壓使直流側電壓UD D恒定，變恒定，變頻器的輸出電壓隨之恒定，頻器的輸出電壓隨之恒定，相當于理想的電壓源，稱相當于理想的電壓源，稱為交為交- -直直- -交電壓型變頻器。交電壓型變頻器。電壓型變頻器電壓型變頻器現在變頻器大多都屬現在變頻器大多都屬于電壓型于電壓型交流電動機調速系統交流電動機調速系統電流型變頻器電流型變頻器 輸出交流電流是輸出交流電流是矩形波或階梯矩形波或階梯波波，電壓波形接近于正弦波

55、，電壓波形接近于正弦波 中間環節是電感很大的電抗器中間環節是電感很大的電抗器濾波，電源阻抗很大，直流環濾波，電源阻抗很大，直流環節中的電流節中的電流ID可近似于恒定，可近似于恒定，逆變器輸出電流隨之恒定，相逆變器輸出電流隨之恒定，相當于理想的電流源，稱為交當于理想的電流源，稱為交直交直交電流型電流型變頻器。變頻器。 交流電動機調速系統交流電動機調速系統3 3按輸出電壓的調制方式分類按輸出電壓的調制方式分類 按輸出電壓的調制方式分為脈幅調制（脈幅調制（PAM）方式和脈寬調制（脈寬調制（PWM）方式。 （1 1）脈幅調制）脈幅調制可控整流器調壓，逆變器調頻，可控整流器調壓，逆變器調頻，調壓和調頻分

56、別在兩個不同的調壓和調頻分別在兩個不同的環節上進行，控制復雜，較少環節上進行，控制復雜，較少采用。采用。交流電動機調速系統交流電動機調速系統（2 2）脈寬調節）脈寬調節 脈寬調節脈寬調節（Pulse Width Modulation，PWM）方式指變）方式指變頻器輸出電壓的大小是通過改變輸出脈沖的頻器輸出電壓的大小是通過改變輸出脈沖的占空比占空比來實現的。來實現的。調節過程中，逆變器負責調頻調壓。調節過程中，逆變器負責調頻調壓。 交流電動機調速系統交流電動機調速系統SPWM調制載波PWM（Pulse Width Moduration）調制）調制lPWM調制是：利用半導體開關器件的導通和關斷利用

57、半導體開關器件的導通和關斷把直流電壓調制成電壓可變、電壓可變、頻率可變的頻率可變的電壓脈沖列。lSPWM調制是：采用三角波和正弦波相交獲得的PWM波形直接控制各個開關可以得到脈沖寬度和各脈沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓電壓，能獲得理想的控制效果：輸出電流近似正弦l載波頻率必須高，才能保證調制后得到的波形與調制前效果相同lGTR變頻器由于開關頻率太低，電機噪聲較大，IGBT有效的解決了這個問題（2 2）脈寬調節）脈寬調節 交流電動機調速系統交流電動機調速系統4 4按變頻控制方式分類按變頻控制方式分類 根據變頻控制方式的不同，變頻器大致可以分根據變頻控制方式的不同，變頻器大致可以分4類

58、：類：U/f控制變頻器控制變頻器、轉差頻率控制變頻器、矢量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。和直接轉矩控制變頻器。 5 5按用途分類按用途分類 分為通用變頻器和專用變頻器。分為通用變頻器和專用變頻器。此外，變頻器按電壓等級可分此外，變頻器按電壓等級可分低壓變頻器和高壓變頻器低壓變頻器和高壓變頻器，低壓變頻器分為單相低壓變頻器分為單相220V、三相、三相380V、三相、三相660V、三相、三相1 140V。高壓（國際上稱作中壓）變頻器分為。高壓（國際上稱作中壓）變頻器分為3kV、6kV和和l0kV 3種。如果采用公共直流母線逆變器，則要選擇直種。如果采用公共直流母

59、線逆變器，則要選擇直流電壓，其等級有流電壓，其等級有24V、48V、110V、200V、500V、1 000V等。等。 交流電動機調速系統交流電動機調速系統6.3.3 控控 制制 方方 式式 1 1. .U/f控制方式控制方式 U/f控制方式是指在變頻調速過程中為了保持主磁通的恒控制方式是指在變頻調速過程中為了保持主磁通的恒定，而使定，而使U/f= =常數常數的控制方式，這是變頻器的基本控制方式。的控制方式，這是變頻器的基本控制方式。 特點：結構簡單，成本低，特點：結構簡單，成本低，機械特性硬度好機械特性硬度好，可滿足一，可滿足一般傳動平滑調速的需要；缺點是低頻運行時，電動機容易出般傳動平滑調

60、速的需要；缺點是低頻運行時，電動機容易出現現輸出轉矩不足，必須進行轉矩補償輸出轉矩不足，必須進行轉矩補償；開環運行時，控制性；開環運行時，控制性能相對差些。能相對差些。 應用場合：多用于通用變頻器，進行風機、泵類、生產線應用場合：多用于通用變頻器，進行風機、泵類、生產線的工作臺傳動、空調等的控制。的工作臺傳動、空調等的控制。交流電動機調速系統交流電動機調速系統2、轉差頻率控制方式、轉差頻率控制方式 （1）U/f控制方式控制方式可滿足普通系統的控制要求，其轉速控制精可滿足普通系統的控制要求，其轉速控制精度及系統的響應性較差。度及系統的響應性較差。（2） 轉差頻率控制變頻器是利用轉差頻率控制變頻器