电气控制技术 第二版 电气控制技术 第10章.ppt

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1、第10章变频器及变频调速本章导言从20世纪50年代末开始，变频器的产生使电气传动领域发生了一场重要的技术变革，使原来只能用于恒速传动的交流电动机实现了变速控制。本章将介绍通用变频器的结构、工作原理、功能设定以及在实际工程中如何使用等。10.1通用变频器基础知识随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的不断深入，特别是近几年来，大规模集成电路32位数据处理器和矢量控制理论的应用，使通用变频器的性能得到了很大提高。目前，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，几乎都可以采用交

2、流调速传动。因此可以说在电气调速传动领域内，以变频器应用技术为代表的交流调速传动已经成为电气调速传动的主流。在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0～400Hz）的三相交流电。如图10-1所示，变频器的输入端（R、S、T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U、V、W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，并将其接至电动机。图10-1变频器的使用10.1.1变频器的变频与变压1.在基频（额定频率fN）以下调速在基频以下调速时，需要调节电源电压，否则电动机将不能正常运行

3、，其原理如下:三相异步电动机正常运行时，定子阻抗压降很小，可以认为U1≈E1，则每相电动势的有效值是U1≈E1=4.44f1ω1KW1Φm式中U1———定子相电压，单位为V;E1———气隙磁通在定子每相中感生电动势有效值，单位为V;f1———定子频率，单位为Hz;ω1———定子每相绕组串联匝数，单位为K;KW1———基波绕组系数;Φm———每极气隙磁通量，单位为Wb。当降低f1时，如果U1不变，将使磁通量Φm增大，电动机磁路饱和，励磁电流急剧增加，因此电动机将无法正常运行。为了防止磁路饱和，就应使Φm保持不变，即U1/f1=常数上式表明，在基频以下变频

4、调速时，要实现恒磁通调速，应使电压和频率按比例配合调节，这相当于直流电动机的调压调速，也称恒压频比控制方式。2.在基频（额定频率fN）以上调速在基频以上调速时，也按比例升高电压是很困难的。因此只好保持电压不变（不超过电动机绝缘要求的额定电压），即U1=常数，这时f1越高，Φm越弱，这相当于直流电动机的弱磁调速。图10-2异步电动机变频调速控制特性把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得如图10-2所示的异步电动机变频调速控制特性。由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压和频率均可调节的

5、供电电源，实现所谓的VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）调速控制。通用变频器可满足异步电动机变频调速的基本要求。10.1.2变频器的矢量控制原理矢量控制是一种新的传动控制技术，是交流传动控制理论上一个质的飞跃。它的基本思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题，直流电动机之所以具有优良的调速性能其根本原因就在于它的转矩容易控制。直流电动机的转矩表达式为M=CMΦIa可以分别控制电枢电流Ia和磁通Φ两个参数，它们之间为互成90°的直角坐标正交关系，且为两个独立变量，可分别

6、进行调节，在电路上互不影响。而异步电动机的转矩表达式为M=CΦmI2cosψ2式中转子阻抗角ψ2=arctansx2/r2。异步电动机的转子电流I2和气隙有效磁通Φm有关，且与转速（转差率s）有关，I2和Φm两个参数既不成直角又不是两个独立的变量，转矩的这种复杂关系成为异步电动机难于控制的根本原因。为使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能，必须通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流I1分解成磁场定向坐标的磁场电流分量I1M和与之相垂直的坐标转矩电流分量I1T，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直

7、流电动机。即如果在电机调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量I1M不变，控制转矩电流分量I1T就相当于在直流电动机中维持磁场电流不变，通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，使系统具有较好的动态特性。10.1.3变频器的基本构成通用变频器的基本构成如图10-3所示，主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。图10-3变频器的基本构成图10-3变频器的基本构成整流器———电网侧的变流器Ⅰ是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流电整流成直流电。逆变器———负载侧的变流器Ⅱ为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成三

8、相桥式逆变电路。只要有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，就可以得到任意频率的三相交流电。中