变频器调速工作原理

变频器调速工作原理

宋,伟

新疆天山钢铁巴州有限公司 

摘要： 目前，以交流变频电机驱动作为电力系统的主流，电力系统中，以直流电机为主导的电力系统正面临着严峻的考验。

交流变频电机驱动是指采用一种新型的功率转换装置来实现对直流电机的调速，其中有一些简单的调速方法，如变极调速、定压调速、差离合调速，但由于其性能低下，将被变频调速所取代。

【关键词】电力电子装置 电力电子电路功率转换技术

交流变频控制技术的迅速发展离不开以下技术的发展，一是电力电子装置（包括半控制和全控）制造技术的创新，二是电力电子电路功率转换技术的突破，三是交流电动机向量变换控制技术的更新，四是直接转矩控制技术、 PWM技术、基于微机和 LSI的全数字化控制技术的革新。

目录

引 言

1.变频器的发展

2.变频器的基本结构和分类

2.1变频器的基本结构

2.1.1交-交变频器

2.1.2交-直-交变频器

2.2 变频器的分类

2.2.1电压型变频器

2.2.2电流型变频器

3.交流电动机变频调速原理

3.1异步交流电动机的机械特性

3.2异步交流电动机变频调速

3.3 U/f 控制

3.4矢量控制

结 论

致  谢

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引言

二十余年来，以功率晶体管 GTR为主要器件，8位单片机为控制中心，压频 U/F控制为基本原则，以变频控制为基本原则的变频器，在技术上有了长足的发展。第一，使用的电力电子设备 GTR被基本上替换成了绝缘栅双极型三极管 IGBT，并且还将性能更为完善的 IPM进一步应用，由此进一步扩大和提高了频率转换装置的容量和电压等级。第二，8位微处理器被16位微处理器取代，再加上32位微处理器或两个 CPU，功能更强，它的性能从单一的变频调速转换到一个包含了逻辑和智能控制的集成。第三，改进了变频调速器的工作特性，提出了一种既可以进行矢量和转矩直接控制的变频调速器，又可以进行变频调速器的设计。

1.变频器的发展

它的发展大致可以从下列几个角度加以解释。

（1）扩大化的容量 ：二十世纪八十年代，普遍采用的是BJT的PWM变频器。而到了二十世纪九十年代， BJT普通变频设备的容量已发展至600 KVA，低于400 KVA的产品也被系列产品所取代。IGBT早在数年之前就已发展到主要的开关设备，仅用了三四年，其单台功率就达到了1800 KVA，而且，在 IGBT技术的发展下，其功率将会更大。

(2) 结构上的小型化：变频器的主要电路模块化，采用 LSI控制电路，采用数字控制技术，采用“平板组装技术”结构设计。

（3）功能很多，性能更好：由于功率电子器件和控制技术的不断发展，变频调速技术有了多样化、高性能的发展趋势。尤其是采用微型计算机，它具有简洁的硬件架构和强大的软件能力，确保了变频调速系统的多功能性、高效能。随着采用了全数字化技术，运行速率的不断加快，通用变频调速器的性能得到了进一步的改善，有了更强大的功能。

(4)应用范围的扩展：通用变换器从模拟控制、数模混合控制直至全数字化控制，逐渐向多功能性、高效能发展，并逐渐适应各种生产机械和生产工艺。现在它的使用范围大大扩大。例如输送设备，从抗负荷传送车、皮带运输车、扩展适能载荷的吊车、升降机、立体仓储、立体车库等都采用了通用变频调速装置；农业机械、食品机械、各种空调、各类家电产品等方面也在应用，可以说它的用途是非常广泛的，并且还会继续扩大

2.变频器的基本结构和分类

变频器是一种通过调节电机的速度，根据电机的调速而变化的调速器。最早期的变频器是以旋转变频型发电机为变频源，向 AC电机供电，以异步电动机调速为主。在电力电子半导体器件的发展中，静态变频器已逐渐发展到了主流。

2.1变频器的基本结构

一般情况下，变频器为交流电动机提供变频电源，实现变频调速。按主回路的构成，变频器装置分为两种结构形式：一是交-交变频器，二是交-直-交变频器。

2.1.1交-交变频器

交-交变频器，即无中间的 DC电路，它能够将工频 AC转换为可以调整的频率和电压。该系统包括两套整流器，分别是正、反两套整流器，根据负荷的极性，分别对两套反向并联的整流机进行换档，以实现对两套整流机的整流和换相，以得到根据整流机的控制角度确定交-交变频器的电压。

由于交-交变频调速系统的最大功率输出仅为功率的1/3~1/2，因而不能快速运行。由于无中间的交流电连接，无需进行逆变，提高了频率转换的效果，能实现四个象限工作。交流变频调速电机是一种高性能、大容量、低转速的同步电机。

2.1.2交-直-交变频器

交-直-交变频器，将工频 AC转换成 DC电流，并将 DC转换成频率和电压均可调节的 AC电流，也被称作间接式变频器。因为本工程采用的是这种间接式变频器，所以以下将重点介绍交-直-交变频器。

交-直-交变频器的主要结构见图1，它包括一个主要的电路，一个整流器，一个中间直流链，一个逆变器，以及一个控制回路，每个部件的功能如下：

图1交-直-交变频器的基本构成

（1）整流网一侧的换流机是一种整流子，它把三相交流电（或单相）转换成直流。

（2）在逆变器的负荷一侧，它是一种换流机。三相桥式逆变器是目前应用最广泛的六大主转换元件。在逆变器中，只要调整主、副开关的时间，就能得到任意频率的交流电。

（3）在中间直流环节时，由于逆变器负载为感性负载，因此，直流链路和电动机之间始终有无功的交换。无功的衰减是由存储在中间的 DC能量存储链上的一个储能器（电容器或者反应堆）来实现的。所以，在本例中，将中间的 DC连接称为中间的 DC蓄电连接。

（4）制电路由运算、检测、输入控制信号、输出及驱动五种电路组成。它的工作是对逆变器进行开关控制，对整流机进行电压控制，并实现多种保护。这种控制方式既有模拟的，也有数字的。现在，高性能变频器全部由微电脑实现，并尽量使用最简洁的硬件，以实现多种功能。

2.2 变频器的分类

根据缓冲式直流线路的能量存储单元采用的是电感式或电容式，变频器可以分成两种类型：电压式、电流式。

2.2.1电压型变频器

在间接式变频器中，如果以大容量为主的中间直流环节，则主回路的 DC电压波形较为平坦，其理论上是一个内阻为0的恒功率供电，其所提供的交流电压是一个长方形或台阶波，称为高压式变频调速装置，见图2：

图2 电压变频型器

2.2.2电流型变频器

在间接式变频器中，如果以大电容为主的中间直流环节，其 DC电路的电流波形较为平坦，对于负载来说，它是一种稳定的供电方式，它所提供的交流电压呈长方形或阶梯式，因此被称为“电流型变频器”。

3.交流电动机变频调速原理

异步电机是一种将直流电能转化为机械能的交流电机，它是由电动机的定子自转和转子间的感应电流共同驱动的。

3.1异步交流电动机的机械特性

图3是一种在一定的压力下的电动机的力学性能的变化。这是由于它与变频器的性能息息相关。以下将对特征图表中的某些词进行简短的描述：

启动转矩：当电动机在静止时与一个电压相加时所发生的扭矩。典型的起动扭矩是1.25的标称扭矩。

最大转矩：在最大转差为 Sm时，电动机的最大转矩Tm，这是最理想的情况。

启动电流：通常启动电流为额定电流的5~6倍。

图3 异步电动机机械特性曲线

无负载：当马达的速度与同步速度相近时，马达在无负载状态下所形成的电流。

电动状态：电动机产生转矩，使负载转动。

再生制动：当电机负载时，电机的真实转速比电机的转速要高，此时把它的机械能转换为电力，反馈给电机。

反向制动：三相电源的两个相位反转后，电机的旋转磁场就会改变，使得电机产生制动器，将负载的机械能转换为电能，再由转子的电位来完成。

3.2异步交流电动机变频调速

目前的交流调速器是利用电力转换设备来对电机进行变频器的控制。交流电机的转速调整方法有很多，但调速效率最高。由马达的工作原理可知，马达的同步率，即旋转的磁场，其转速为

                                        (4-1)

式中，f1为供电电源频率，p为电机极对数。

异步电动机轴转速为

                         (4-2)

式中，s为异步电动机的转差率， 。

通过变更电动机的供给功率f1，可以使电动机的同步速度发生变化，达到了可调节的目的。

3.3 U/f 控制 

通过调节电源的频率，可以使电动机的转速得到调节。电动机转速调节时，应保证电动机的主磁场不改变。

由电机理论知道，三相交流电机定子每相电动势的有效值为

                   (3-1)

式中  E1——定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值；

f1——定子频率；

N1——定子每相有效匝数；

KN1——基波绕组系数；

φm——每极磁通量。

由上述公式可知：选择电动机时，N1是常量，E1和f1共同确定φm，适当地对E1和f1进行控制，可以使φm在标称范围内不改变，对此，需考虑基频以下和基频以上两种情况。

（1）基频以下调速

由式（3-1），如果E1/f1为恒定值，则可使其不改变，但在实践中，E1难以直接探测与控制。在高数值的情况下，可以忽略定子相位的电压U1E1，使U1/f1=恒量。在低频条件下，定子漏阻的压力下降不可忽视，此时可以通过人工增加一定的定子稳压来弥补静子的阻值，从而使空隙的磁通量不发生变化。

（2）基频以上调速

在频率高于基础频率时，频率可以从f1N向上提高，但是不能高于标准电压的U1N，如公式3-1所示，这会导致磁通与频率呈反比例降低，与 DC电动机的低磁场提升速度对应。

将低于或高于基础频率的情形综合考虑，得出了如图4所述电动机的 U/f控制性能。

图4 U/f控制特性

可见，在异步电机的变频器中，变频器需要根据某种规则来调整其定子的电压和频率，也就是说，要用变频器来达到可以调整的电压和频率，从而达到 VVVF的速度控制。

3.4矢量控制

U/F型的控制方式基于电机的静力学模型，因此其动态性能并不十分令人满意。对于动态性能要求较高的情况，可以采用矢量法。

矢量控制的基本原则是将电机的定子电流划分为一个能引起电场的电流分量（激励电流）和一个与之相对应的电流分量（扭矩电流），并分别加以控制。本发明的目的在于调整电机的定子电压，即定子的电流向量。

利用矢量方法对电机进行高效的调速。矢量控制变频器不但具有与 DC电动机相同的调速范围，还能直接对其进行转矩的改变，因而被广泛地用于需要精确或迅速控制的领域。

结论

21世纪电气技术已经得到了极大的发展，伴随而来的各种问题也逐渐引起了人们的关注，而变频器的新技术也势必走向更规范、更统一的发展趋势。解决好变频器调速工作问题，能够进一步提高电气设备的可靠性，并且减少许多有变频器引起的电气设备故障，提高电气设备服务质量，能够使得电气设备得到更好的发展。

致  谢

本次高级技师培训也即将结束。在此，我要感谢公司提供了我们宝贵的培训机会，感谢所有老师和关心、支持过我的领导与合作过的工作人员，他们在我工作、进修培训过程中给予了很大的帮助。对此我谨致以最诚挚的谢意！

向我的家人、朋友及同事致以深深的谢意，在学习的时间里，家人、朋友及同事的关怀和支持是我努力学习的动力，也使我顺利地完成此论文。我将在以后的学习和工作中，不断努力，积极向上，奋发进取，不辜负各位老师的希望和培养。

姓 名：宋 伟

职 业：电气维护工

单 位：新疆天山钢铁巴州有限公司

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