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1、变频技术教案变频技术教案 直流电动机调速系统具有良好的启动、制动性能及在直流电动机调速系统具有良好的启动、制动性能及在大范围内大范围内平滑调速的优点。因此过去很长一段时间内，在平滑调速的优点。因此过去很长一段时间内，在需要进行调速控制的拖动系统中一直占主导地位。但直流需要进行调速控制的拖动系统中一直占主导地位。但直流电动机采用机械换向器换向，电动机采用机械换向器换向，它在单机容量、最高电压、它在单机容量、最高电压、最大转速等方面受到限制，而且维护、维修复杂最大转速等方面受到限制，而且维护、维修复杂。2020世纪世纪7070年代以来。随着年代以来。随着交流电动机调速控制理论交流电动机调速控制理论
2、、电力电子技电力电子技术术、以、以微处理器为核心的全数字化控制微处理器为核心的全数字化控制等关键技术的发展，等关键技术的发展，交流电动机变频调速技术逐步成熟。目前，变频调速技术交流电动机变频调速技术逐步成熟。目前，变频调速技术的应用几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空的应用几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用。调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用。 变频调速系统的核心是变频器，变频器的构成及工作变频调速系统的核心是变频器，变频器的构成及工作原理较复杂，本课程仅对变频器的构成、原理、实际操作原理较复杂，本课程仅对变频器的
3、构成、原理、实际操作等作一简单介绍。等作一简单介绍。 我们知道，三相交流异步电动机的转速公式为：我们知道，三相交流异步电动机的转速公式为：n=（1s）60f1/p式中式中 f1电动机电源的频率（电动机电源的频率（Hz） p电动机定子绕组的磁极对数电动机定子绕组的磁极对数 s转差率转差率 可见，在转差率可见，在转差率s变化不大的情况下，可以认为，调变化不大的情况下，可以认为，调节电动机定子电源频率节电动机定子电源频率f1，电动机的转速，电动机的转速n随之成正比变随之成正比变化。若均匀改变电动机电源的频率化。若均匀改变电动机电源的频率f1，则可以平滑地改变，则可以平滑地改变电动机的转速。电动机的转
4、速。 一、变频调速的基本原理一、变频调速的基本原理二、电源的分类二、电源的分类 直流电：电压恒定且极性不变化直流电：电压恒定且极性不变化电源电源 单相交流电单相交流电 交流电：电压的极性周期性地变化交流电：电压的极性周期性地变化 三相交流电三相交流电频率：交流电每秒钟极性改变的次数频率：交流电每秒钟极性改变的次数 三、整流和逆变三、整流和逆变 1 1 、整流：交流电变为直流电的过程。回忆单、整流：交流电变为直流电的过程。回忆单 相桥式整流电路的工作原理。相桥式整流电路的工作原理。2 、逆变：直流电变为交流电的过程。逆变：直流电变为交流电的过程。 逆变器是变频器的核心部件逆变器是变频器的核心部件
5、 3 、逆变的原理性电路逆变的原理性电路 控制控制S1和和S2的动作，负荷上的电压的动作，负荷上的电压eL为矩形为矩形波的交流电压。该交流电压的频率取决于开关波的交流电压。该交流电压的频率取决于开关的切换速度。的切换速度。 用一种控制可关断的晶闸管（用一种控制可关断的晶闸管（GTO）代替上图中的开）代替上图中的开关构成逆变器电路。关构成逆变器电路。可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO)是指得用正的门极脉冲触发导通，是指得用正的门极脉冲触发导通，用负的门极触发脉冲关断阳极电流，恢复其阻断状态的用负的门极触发脉冲关断阳极电流，恢复其阻断状态的元件。元件。 工作原理：工作原理：1）VS1、VS2控制极
6、控制极G加正的脉冲，加正的脉冲，VS1、 VS2导通。导通。 2）VS3、VS4控制极控制极G加正的脉冲，加正的脉冲，VS3、 VS4导通。导通。 由于由于GTO的电流只能从的电流只能从AK单方向流过，增加反并联单方向流过，增加反并联 二极管实现开关功能。二极管实现开关功能。 四、变频器的组成四、变频器的组成 构成图（图构成图（图16a）；电路组成（图）；电路组成（图16b） 整流器整流器 主回路主回路 滤波器滤波器变频器变频器 逆变器逆变器 控制回路控制回路 单片机单片机 驱动电路驱动电路 光电隔离电路光电隔离电路五、变频器的发展五、变频器的发展1 1、新型电力电子器件的应用，使变频器的容量
7、和电压、新型电力电子器件的应用，使变频器的容量和电压 等级不断扩大和提高；等级不断扩大和提高；2 2、微处理器位数的的增加使变频器的功能从单一的变、微处理器位数的的增加使变频器的功能从单一的变 频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的变频器；频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的变频器；3 3、应用矢量控制和转矩直接控制使变频器不仅能实现、应用矢量控制和转矩直接控制使变频器不仅能实现 宽调速，还可以进行伺服控制（宽调速，还可以进行伺服控制（具有内置的可编程、具有内置的可编程、 参数辨识及通信等功能参数辨识及通信等功能）。）。课堂作业：课堂作业：1、某一交流电极性改变、某一交流电极性改变100次耗时次
8、耗时2秒钟，则该交流电秒钟，则该交流电的频率为（的频率为（ D ）。）。（A）100HZ （B）2HZ （C）200HZ （D）50HZ2、由（直流）变为（交流、由（直流）变为（交流 ）的过程称为逆变）的过程称为逆变 。3、变频器的核心部件是（逆变器、变频器的核心部件是（逆变器 ）。）。4、变频器的主回路由（、变频器的主回路由（ 整流电路整流电路）、（）、（ 控制电路控制电路）和）和 （逆变电路（逆变电路 ）组成。）组成。 一、按变换频率的方法分一、按变换频率的方法分二、按主电路工作方式分二、按主电路工作方式分三、按变频器调压方式不同分三、按变频器调压方式不同分四、按工作原理分类四、按工作原理
9、分类五、按照用途分类五、按照用途分类一、按变换频率的方法分一、按变换频率的方法分 1、交直交变频器、交直交变频器 又称间接变频器（中间直流环节的变频装置）。又称间接变频器（中间直流环节的变频装置）。工作原理：先将工频交流电通过整流器变成直工作原理：先将工频交流电通过整流器变成直 流电，再经过逆变器将直流电变成流电，再经过逆变器将直流电变成 可控频率的交流电。可控频率的交流电。构成环节：构成环节： 整流 逆变ACDCAC 50HZ恒压恒频 CVCF中间直流环节变压变频VVVF2 2、交交变频器、交交变频器 又称直接变频器。又称直接变频器。工作原理：只用一个变换环节就可以把恒压恒工作原理：只用一个
10、变换环节就可以把恒压恒 频的交流电源变换成频的交流电源变换成VVVF电源。常电源。常 用的交交变频器输出的每一相都是用的交交变频器输出的每一相都是 一个两组晶闸管整流装置反并联的可一个两组晶闸管整流装置反并联的可 逆线路，逆线路，正反向的两组按一定周期相互正反向的两组按一定周期相互 切换切换，在负载上就获得交变的输出电，在负载上就获得交变的输出电 压，压，输出电压的幅值取决于两组整流输出电压的幅值取决于两组整流 装置的控制角，输出电压的频率取决于装置的控制角，输出电压的频率取决于 两组整流装置的切换频率。两组整流装置的切换频率。 电路原理图：电路原理图： 二、按主电路工作方式分二、按主电路工作
11、方式分 1 1 、电压型变频器、电压型变频器 经整流电路产生的直流电压通过电容进行滤经整流电路产生的直流电压通过电容进行滤波后再送入逆变器的方式。输出电压是矩形波或波后再送入逆变器的方式。输出电压是矩形波或阶梯波。阶梯波。适用于不要求正反转或快速加减速的通适用于不要求正反转或快速加减速的通用变频器中。用变频器中。 结构图：结构图： 因电容器两端的电压不能突变，输出电压波因电容器两端的电压不能突变，输出电压波形较平直。形较平直。逆变器+-UdCd2 2、电流型变频器、电流型变频器 经整流电路产生的直流电压通过大电感滤波经整流电路产生的直流电压通过大电感滤波后再送入逆变器的方式。输出交流电流是矩形
12、波。后再送入逆变器的方式。输出交流电流是矩形波。适用于频繁可逆运转的变频器和大容量变频器。适用于频繁可逆运转的变频器和大容量变频器。结构图：结构图： 因流过电感器的电流不能突变故输出电流波因流过电感器的电流不能突变故输出电流波形较平直。形较平直。逆变器+-UdLdid三、按变频器调压方式不同分三、按变频器调压方式不同分1 1、PAMPAM（脉冲幅度调制）（脉冲幅度调制）变频器变频器 是一种改变电压源的电压是一种改变电压源的电压U Ud d或电流源的电流或电流源的电流I Id d的幅值进行输出控制的方式。的幅值进行输出控制的方式。 在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的幅度，在改变输出频率的同
13、时，通过改变输出脉冲的幅度，达到改变输出电压有效值的目的达到改变输出电压有效值的目的。 2 2、PWM PWM （脉冲宽度调制）（脉冲宽度调制）变频器变频器 是在变频器输出波形的一个周期内产生多个是在变频器输出波形的一个周期内产生多个等幅不等宽的脉冲。等幅不等宽的脉冲。 在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度，在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度，达到改变等效输出的一种方法。保持脉冲个数不变而改变达到改变等效输出的一种方法。保持脉冲个数不变而改变脉冲宽度，均可改变半周内输出电压的平均值，从而达到脉冲宽度，均可改变半周内输出电压的平均值，从而达到改变输出电压有效值的目的改变输出电压
14、有效值的目的。 四、按工作原理分类四、按工作原理分类1 1、U/fU/f控制变频器控制变频器 对变频器输出电压和频率同时进行控制，通过保持对变频器输出电压和频率同时进行控制，通过保持U/fU/f恒定使电动机获得所需的转矩特性。成本低，多用恒定使电动机获得所需的转矩特性。成本低，多用于精度要求不太高的通用变频器。于精度要求不太高的通用变频器。2 2、SFSF控制变频器（控制变频器（转差频率控制变频器转差频率控制变频器 ） 转差频率控制方式是对转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进，这种控控制的一种改进，这种控制方式需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动制方式需要由安装在电动机上的速度传感器
15、检测出电动机机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩和电频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与流，与U/f控制相比其加减速特性和限制过流的能力得到控制相比其加减速特性和限制过流的能力得到提高。提高。 3 3、VCVC控制变频器（矢量控制变频器控制变频器（矢量控制变频器 ） 矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的基本思路是：将异步电
16、动机的定子电流分为产生磁场电基本思路是：将异步电动机的定子电流分为产生磁场电流的分量（砺磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分流的分量（砺磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。方式。 转差频率控制和矢量控制的原理较复杂，本书不作转差频率控制和矢量控制的原理较复杂，本书不作 进一步的讨论。进一步的讨论。 五、按用途分类五、按用途分类1、通用变频器通用变频器 所谓通用变频器，是指能与普通的笼型异步电动机所谓通用变频器，是指能与普通的笼型异步电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供选择功能的变频器。选择功能的变频器。 2 2、高性能专用变频器、高性能专用变频器 高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要求高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要
