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1、 变频器的基本原理及特点 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图2），俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用N表示 N=60f/p(r/min) （1） 式中：f三相交流电源频率，一般为50Hz；p磁极对数。当p=1时，N=3000r/min；p=2时，N=1500r/min。可见磁极对
2、数p越多，转速N越慢。 转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示： s=n1n）/n1100% （2） 当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=N，则s=0，即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（16）%。 综合式（1）和式（2）可以得出 n=60f（1s）/p （3 图1 三相异步电动机结构示意图 图2笼型电动机的转子绕组 由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。
3、但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率（VariableFrequency）的同时还要调整电压（VariableVoltage），故简称VVVF（装置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。 变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步
4、电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为ACDCAC（交直交）变频方式。 图3给出国产（深圳华为）变频器的原理图。图中各组成部分名称已经标出，DSP是微机编程器。 利用变频器可以根据电机负载的变化 实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点， 具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。 我国应用的变频器，国外产品以日本富士、三菱牌号较多，台湾普传产品也不少，国内有西普（西安）、艾伦（上海）、华为（深圳）、艾普斯（天津）等厂家的产品均在推广应用。图3变频器的结构主电路 一、主电路 给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电
5、路。图1 示出了典型的电压逆变器的例子。其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路，以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加制动回路 。图1 变频器主电路示意图1、整流器 最近大量使用的是二极管的变流器，如图1 所示，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 2、平波回路 在整流器整流后的直流电压中，含有电源6 倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，
6、如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 3、逆变器 同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6 个开关器件导通、关断就可以得到3 相交流输出。 4、制动回路 异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积累的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时， 可用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。 5、异步电动机的四象限运行 根据负载种类，所需要的异步电动机旋转方向和转矩方向是不同的，必须根据负载构成适当
7、的主电路图。在、象限异步电动机的转矩方向与旋转方向一致，为电动状态。象限是正转的电动运转， 象限是反转的电动运转。在，象限器转矩方向与旋转方向相反，为再生状态。象限为正转的再3 生运转，象限为反转的再生运转。电动运转时，则只需由电源向异步电动机供给功率，可使用不可逆变流器。对于减速时需要制动力的负载，功率就必须从异步电动机向逆变器流传，可附加制动回路以便能在，象限使用。另外，对于需要急加减速并且加减速频繁的场所（例如电梯），或者对于制动为主要目的的场合，可以采用可逆变流器，实现-的象限运转。此时，能量向电源反馈而节能变频器的结构控制电路 二、控制电路 给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路
8、提供控制信号的回路，称为控制电路。如图1所示，控制电路由以下电路组成 ：频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路 。 在图1点划线内，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。 1、运算电路 将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 2、电压、电流检测电路 与主回路电位隔离检测电压、电流等。 3、驱动电路 为驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关
9、断。 4、I/0输入输出电路 图1 为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入（比如运行、多段速度运行等）信号，还有各种内部参数的输出（比如电流、频率、保护动作驱动等）信号。 5、速度检测电路 以装在异步电动轴机上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 6、保护电路 检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 逆变器控制电路中的保护电路，可分为逆变器保护和异步电动机保护两种图1变频器的一般分类1、 按变换的环节分类： 可分为交-交变频器，即将
10、工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器；交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。 2、按直流电源性质分类： （1）电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。 （2）电压型变频器 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比
11、较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。2、 变频器的控制方式的选用 一、 变频器的控制方式 低压通用变频器输出电压在38O65OV，输出功率在O75400kW，工作频率在O400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历以下四代。 1、第一代以U/fC，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。其特点是：控制电路结构简单、成本较低，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的
12、存在而性能下降，稳定性变差等。 2、第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SVPWM控制方式。它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实践使用后又有所改进：引人频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引人转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 3、第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制。其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子
13、磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。 4、第四代以直接转矩控制，又称DTC控制。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是： （1）控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； （2）自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； （3）算出实际值对定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制； （4）实现BandBand控制一一按磁链和转矩的Band一Band控制产
14、生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制； （5）具有快速的转矩响应（2ms，很高的速度精度（2%，无PG反馈），高转矩精度（土3%）； （6）具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出15O%200%转矩。变频调速系统控制方案的选择 刘亮喜（上海金山石化公司） 徐潮昆（浙江中源电气有限公司） 摘 要：本文讨论了三相异步电动机开环变频调速系统；无传感器矢量变频器异步调速系统；矢量变频器闭环异步变频调速系统；永磁同步电动机开环控制变频调速系统四种控制方案。文中还就这四种方案的优缺点进行分析比较，指出它们各自的适用范围。 关键词：三相异步电动机、三相稀土永磁同步电动机、通用
15、变频器、矢量控制变频器、转速编码器、开环和闭环控制 一、 交流电动机变频调速 交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速N公式为： N0=60F/P （同步电动机） N=N0(1-S)=60F/P(1-S) （异步电动机） 式中：F-频率；P-极对数；S-转差率（03%或06%）。 由转速公式可见，只要设法改变三相交流电动机的供电率F，就十分方便地改变了电动机的转速N。比改变极对数P和转差率S两个参数简单得多，特别是近二十多年来，静态电力变频调速器突飞猛进的发展，使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。 实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如：标准设
16、计的三相异步电动机，380V，50Hz。如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题？380V不变，频率下调(50Hz)，则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置。 二、 交流电动机变频调速四种控制方案的分析 根据生产的要求，变频器的型式和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。这里只讨论交-直-交(Ac-Dc-Ac)变频器。至于交-交循环变频器（Ac-Ac相控变频）以及自同步控制逆变器（不论Ac-Ac方式还是Ac-Dc-Ac方式），即
17、俗称无换向器电动机，均不展开讨论。 1、开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图1所示。 图1 开环异步机变频调速 VVVF-通用变频器 IM-异步电动机 该控制方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步7 电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械。 2、无速度传感器的矢量控
18、制变频器异步电机变频调速系统控制框图如图2所示。 图2 矢量控制变频器的异步电机变频变频调速 VVVF -矢量变频器 对比图1和图2控制框图，两者的差别仅在使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了矢量控制。虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态品质。转速精 图3 异步电机闭环控制变频调速 度约等于0.5%，转速响应也较快。 PG-速度脉冲发生器 如果生产要求不是十分高的情形下，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是非常合适的，可以达到控制结构简单，可
19、靠性高的实效。 3、带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速系统控制框图如图3所示。 矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它有许多优点： （1）可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达100:1或1000:1； （2）可以对转矩实行精确控制； （3）系统的动态响应速度甚快； （4）电动机的加速度特性很好等优点。 二、 然而，带速度传感器矢量控制变频器的异步机闭环变频调速技术性能虽好，但是毕竟它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，严格地讲，已经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安装速度传
20、感器。再则，多了反馈电路和环节，也增加了出故障的机率。 图4 永磁同步电动机开环控频调速 因此，如若非采用不可的情况下，对于调速范围、转速精度和动 SM-同步电动机 （PM. SM）-制变永磁式 态品质要求不是特别高的条件场合，往往采用无速度传感器矢量变频器开环控制异步机变频调速系统。 4、 永磁同步电动机开环控制的变频调速系统控制框图如图4所示。 假如将图1中异步电动机(IM)换成永磁同步电动机(PM.SM)，就是第四种变频调速控制方案。又具有控制电路简单，可靠性高的特点。至于调速性能如何呢？由于是同步电动机，它转速始终等于同步转速N0=60F/P，只取决于电动机供电频率F，而与负载大小无关（除非负载力矩大于或等于失步转矩，同步电动机会失步，转速迅速停止），其机械特性曲线为一根平行横轴直线，绝对硬特性。 如果采用高精度的变频器（数字设定频率精度可达0.01%），在开环控制情形下，同步电动机的转速精度亦为0.01%。因为同步电动机转速精度与变频器频率精度相一致（在开环控制方式时），所以特别适合多电机同步传动，静态转速精度要求甚高(0.50.01%)的化纤纺丝机，是最理想最简单的首选方案。 至于同步电动机变频调速系统的动态品质问题，若采用通用变频器V/F控制，响应速度较慢；若采用夭量控制就频器，响应速度很快。
