1、1 第第 4040 讲讲 项目项目6 6 三相交流电动机的调速三相交流电动机的调速 任务任务17 17 变频调速变频调速 情景情景1 1 变频调速的基础变频调速的基础 教学目标教学目标 1 1、掌握变频调速方法与类别、掌握变频调速方法与类别 2 2、了解变频调速的先进技术、了解变频调速的先进技术 教学重点教学重点 变频调速的方法与类别变频调速的方法与类别 教学难点教学难点 变频调速的先进技术变频调速的先进技术 教学方法教学方法 探究式、演示、情境交融、启发互动式教学法探究式、演示、情境交融、启发互动式教学法 教学手段教学手段 多媒体教学、动画演示教学多媒体教学、动画演示教学 作业布置作业布置
2、作业题作业题6 6-4 4 2 教学过程：教学过程：任务任务17 17 变频调速变频调速 情景情景1 1 变频调速的基础变频调速的基础 变频调速指交流调速系统中通过半导体功率变换器改变异步电变频调速指交流调速系统中通过半导体功率变换器改变异步电 机供电电源的频率而进行转速的调节。机供电电源的频率而进行转速的调节。变频调速系统变频调速系统主要设备是供变频电源的变频器主要设备是供变频电源的变频器。变频调速能使电动机的速度由高速至低速都可保持有限的转差变频调速能使电动机的速度由高速至低速都可保持有限的转差 率，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。率，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。变频调速已
3、成为交流调速的主要方向。变频调速已成为交流调速的主要方向。1 1、变频调速的工作原理、变频调速的工作原理 依据三相异步电动机的转速公式依据三相异步电动机的转速公式n=(1n=(1-s)60f/ps)60f/p可知：可知：三相异步电动机的同步转速三相异步电动机的同步转速n n与电源频率与电源频率f f成正比，改变电机的成正比，改变电机的 电源频率就可实现电源频率就可实现平滑调速平滑调速。3 （1 1）基频以下的调速）基频以下的调速 根据根据U1E1=4.44fNU1E1=4.44fN（N N为每相绕组的匝数，为每相绕组的匝数，为电动机的为电动机的气气 隙磁通），要保持磁通隙磁通），要保持磁通不变
4、，必须在不变，必须在改变频率改变频率f f的同时改变电源的同时改变电源 电压电压U U，使比值，使比值U/fU/f保持不变保持不变。因此基频以下的调速为因此基频以下的调速为恒磁通调速恒磁通调速。（2 2）基频以上的调速）基频以上的调速 考虑绝缘等级和技术问题，电压按比例升高超过额定值时会考虑绝缘等级和技术问题，电压按比例升高超过额定值时会危危 及电动机绕组的绝缘。因此及电动机绕组的绝缘。因此频率高于额定频率上升时电压应保持频率高于额定频率上升时电压应保持额额 定值不变，故频率上升，磁通量下降定值不变，故频率上升，磁通量下降。因此基频以上的调速为因此基频以上的调速为恒功率调速恒功率调速。4 2
5、2、变频调速的机械特性、变频调速的机械特性 （1 1）U/f=U/f=常数的变频调速机械特性常数的变频调速机械特性 U/f=U/f=常数常数 U=U=常数常数 图图6 611 11 三相异步电机的变频调速机械特性曲线三相异步电机的变频调速机械特性曲线 可知，转速可知，转速n n随着随着f f降低而降低，最大转矩降低而降低，最大转矩T T却不随着频率却不随着频率f f的的变变 化而改变。由于磁通化而改变。由于磁通基本不变，调速过程中电磁转矩不变，因基本不变，调速过程中电磁转矩不变，因此此 属于属于恒转矩调速恒转矩调速方式。方式。5 由于这种变频调速方式变压（由于这种变频调速方式变压（VVVV）变
6、频（）变频（VFVF）同时进行，故）同时进行，故称称 VVVFVVVF变频器变频器。（2 2）U=UU=UN N的变频调速机械特性的变频调速机械特性 最大转矩最大转矩TmTm随频率随频率f f上升而减小，转速上升而减小，转速n n随随f f连续变化。额定频连续变化。额定频 率以上，频率升高，磁通量率以上，频率升高，磁通量减小，但调速过程功率基本不变，减小，但调速过程功率基本不变，因因 此为此为恒功率调速恒功率调速方式。方式。变频调速的特点：变频调速的特点：从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式。从基频向上调速，近似为恒功率调速方
7、式。调速范围大。调速范围大。转速稳定性好。转速稳定性好。运行时，效率高。运行时，效率高。变频调速为无级调速。变频调速为无级调速。6 3 3、变频器的构成、变频器的构成 根据变频器主电路的结构形式根据变频器主电路的结构形式,变频器分为交变频器分为交交和交交和交直直交两种。交两种。（1 1）交）交交变频器交变频器 交交交变频器将交变频器将50Hz50Hz工频交流电变换成频率、电压均可控制工频交流电变换成频率、电压均可控制的的 交流电，如图交流电，如图6 6-1313所示。所示。图图6 6-13 13 交交交变频器基本构成交变频器基本构成 7 常用的交交变频器每相都是由两组晶闸管整流装置反并联常用的
8、交交变频器每相都是由两组晶闸管整流装置反并联的的 可逆线路。正、反向两组晶闸管按一定周期相互切换，负载就获可逆线路。正、反向两组晶闸管按一定周期相互切换，负载就获得得 交变的输出电压交变的输出电压u uo o。输出电压输出电压u uo o的的幅值取决于幅值取决于各组整流装置的各组整流装置的控制控制 角角，输出电压的，输出电压的频率取决于频率取决于两组整流装置的两组整流装置的切换频率切换频率。控制角保持不变输出平均电压为方波；要正弦波输出，则在控制角保持不变输出平均电压为方波；要正弦波输出，则在每每 组整流器导通期间不断改变控制角组整流器导通期间不断改变控制角。对于三相负载，交交变频器三相各用一
9、套反并联的可逆线对于三相负载，交交变频器三相各用一套反并联的可逆线路，路，输出平均电压各相位差输出平均电压各相位差120120o o。交交变频器的最高输出频率只能达到电源频率的交交变频器的最高输出频率只能达到电源频率的1/21/21/31/3，无法实现高速运行无法实现高速运行。但因其无中间环节、不需换流、变频效率高、能四象限运行，但因其无中间环节、不需换流、变频效率高、能四象限运行，故故多用于低速大功率系统多用于低速大功率系统，如回转窑、轧钢机等装置。，如回转窑、轧钢机等装置。8 （2 2）交）交直直交变频器交变频器 交交直直交变频器将交变频器将50Hz50Hz工频交流通过整流变成直流，再将工
10、频交流通过整流变成直流，再将直直 流电通过逆变器变换成频率、电压均可控制的交流电。流电通过逆变器变换成频率、电压均可控制的交流电。如图如图6 6-1414所示。目前主要采用的是交所示。目前主要采用的是交直直交变频器。交变频器。图图6 6-14 14 交交直直交变频器基本构成交变频器基本构成 1 1）电压型和电流型变频器）电压型和电流型变频器 电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采采 用什么样的滤波器。用什么样的滤波器。电压型变频器电压型变频器 主电路如图主电路如图6 6-1515所示。所示。9 电压型变频器的中间直流环节采用电
11、压型变频器的中间直流环节采用大电容滤波大电容滤波，直流电压波，直流电压波形形 比较平直，从而负载电压值类似于电压源基本保持恒定而不受负比较平直，从而负载电压值类似于电压源基本保持恒定而不受负载载 影响，故称电压型变频器。影响，故称电压型变频器。图图6 6-15 15 电压型变频器电压型变频器 电压型变频器逆变输出的电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波交流电压为矩形波或阶梯波，而，而电电流流 波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量。，但有较大的谐波分量。电压型变频器作为电压源向交流电机提供功率，优点是运行电压型变频器作为电压源向交流
12、电机提供功率，优点是运行几几 乎不受负载的功率因素或换流的影响，缺点是负载出现短路或变乎不受负载的功率因素或换流的影响，缺点是负载出现短路或变频频 器在运行状态下投入负载易出现过电流，故须在极短时间内施加器在运行状态下投入负载易出现过电流，故须在极短时间内施加保保 护措施。护措施。10 电流型变频器电流型变频器 如图如图6 6-1616所示，其中间直流环节采用所示，其中间直流环节采用大电感滤波大电感滤波其直流电流其直流电流波波 形比较平直，负载电流值类似于电流源稳定而不受负载的影响，形比较平直，负载电流值类似于电流源稳定而不受负载的影响，故故 称电流型变频器。称电流型变频器。图图6 6-16
13、16 电流型变频器电流型变频器 电流型变频器逆变输出的交流电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形或阶梯波电流为矩形或阶梯波，当负载，当负载为为 异步电机时，异步电机时，电压波形接近于正弦波电压波形接近于正弦波。电流型变频器的整流部分一般采用相控整流或直流斩波，通电流型变频器的整流部分一般采用相控整流或直流斩波，通过过 改变直流电压来控制直流电流，构成可调直流电源，达到控制输改变直流电压来控制直流电流，构成可调直流电源，达到控制输出出 的目的。的目的。11 2 2）PAMPAM和和PWMPWM （a a）可控整流调压三相六拍逆变调频的）可控整流调压三相六拍逆变调频的PAM PAM （b b）不控整
14、流斩波调压三相六拍逆变调频的）不控整流斩波调压三相六拍逆变调频的PAMPAM （c c）PWMPWM 图图6 6-17 PAM17 PAM和和PWMPWM的结构图的结构图 12 PAMPAM （a a）调压采用晶闸管相控整流，调频采用三相六拍逆变器：）调压采用晶闸管相控整流，调频采用三相六拍逆变器：如图如图6 6-1717（a a）所示。）所示。结构简单，控制方便，但输入环节采用晶闸管可控整流器，结构简单，控制方便，但输入环节采用晶闸管可控整流器，当当 电压调得较低时，电网端电压调得较低时，电网端功率因素较低功率因素较低，而输出环节采用晶闸管，而输出环节采用晶闸管组组 成的三相六拍逆变器，每周
15、换相六次，成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大输出的谐波较大。（b b）采用不控整流、斩波调压，调频采用三相六拍逆变器：）采用不控整流、斩波调压，调频采用三相六拍逆变器：如图如图6 6-1717（b b）所示。）所示。整流环节采用二极管不控整流，再单独设置整流环节采用二极管不控整流，再单独设置PWMPWM斩波器的脉宽斩波器的脉宽 调压，调频采用三相六拍逆变器。调压，调频采用三相六拍逆变器。PWMPWM PWMPWM将将VVVV与与VFVF集中于逆变器一起完成，称为脉冲宽度调制集中于逆变器一起完成，称为脉冲宽度调制 （Pulse Width ModulationPulse Width
16、 Modulation）方式，简称）方式，简称PWMPWM方式。方式。PWMPWM调制方式调制方式采采 用不控整流，则输入功率因素不变，用用不控整流，则输入功率因素不变，用PWMPWM逆变同时进行调压和调逆变同时进行调压和调 频，则输出谐波可以减少。如图频，则输出谐波可以减少。如图6 6-1717（c c）所示。）所示。13 VVVFVVVF调速技术发展的早期，当时的半导体器件是开关频率不调速技术发展的早期，当时的半导体器件是开关频率不高高 的普通晶闸管等半控型器件，均采用的普通晶闸管等半控型器件，均采用PAMPAM方式，逆变器输出的交流方式，逆变器输出的交流 电压波形只能是方波。若要使方波电
17、压值随输出频率的变化而改电压波形只能是方波。若要使方波电压值随输出频率的变化而改变，变，须改变方波的幅值。随着全控型快速半导体开关器件（须改变方波的幅值。随着全控型快速半导体开关器件（BJTBJT、IGBTIGBT、GTOGTO等）的发展，已逐渐发展为等）的发展，已逐渐发展为PWMPWM方式。方式。PWMPWM方式具有方式具有输入功率因数高、输出谐波少输入功率因数高、输出谐波少等优点，中小功率等优点，中小功率 的变频器几乎全用的变频器几乎全用PWMPWM方式，但大功率、高电压的全控型开关器件方式，但大功率、高电压的全控型开关器件 的价格较昂贵，有时仍使用晶闸管作为开关器件的的价格较昂贵，有时仍
18、使用晶闸管作为开关器件的PAMPAM方式。方式。3 3）变频调速系统的组成）变频调速系统的组成 整流电路：将三或单相交流电变换为直流电。整流电路：将三或单相交流电变换为直流电。逆变电路：在控制电路的控制下将中间电路输出的直流电逆变电路：在控制电路的控制下将中间电路输出的直流电源源 转换为频率和电压都任意可调的交流电作为变频器的输出。转换为频率和电压都任意可调的交流电作为变频器的输出。控制电路：由信号检测电路、运算电路、驱动电路和控制控制电路：由信号检测电路、运算电路、驱动电路和控制信信 号的输入、输出电路等部分构成。主要作用是对逆变器的开关控号的输入、输出电路等部分构成。主要作用是对逆变器的开
19、关控制、制、对整流器的电压控制以及各种保护等。对整流器的电压控制以及各种保护等。控制方法采用模拟控制和数字控制。控制方法采用模拟控制和数字控制。14 图图6 6-1818变频调速系统的组成方框图变频调速系统的组成方框图 4 4、变频调速的先进技术、变频调速的先进技术 （1 1）矢量调速）矢量调速 矢量控制也叫矢量控制也叫恒转子磁通控制（恒定恒转子磁通控制（恒定Er/fEr/f控制）控制）。若将电压、频率协调控制的电压若将电压、频率协调控制的电压U U再提高一些而把转子漏抗压再提高一些而把转子漏抗压 降也抵消掉，便可得到恒定降也抵消掉，便可得到恒定Er/fEr/f控制，其机械特性是一条直线。控制
20、，其机械特性是一条直线。乃乃 高性能交流变频调速。高性能交流变频调速。转子磁通的感应电动势转子磁通的感应电动势ErEr对应转子磁通对应转子磁通 r r，则，则 Er=4.44fNEr=4.44fN r r。按转子磁通恒值进行控制可获恒定按转子磁通恒值进行控制可获恒定Er/fEr/f控制。控制。15 （2 2）脉宽调速（）脉宽调速（PWMPWM）利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲，利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲，并通过并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期来达到变压和变频控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期来达到变压和变频的目的目的。的。主要应用主要应用PWMPW
21、M斩波（斩波（DCDCDCDC变换）或变换）或PWMPWM逆变（逆变（DCDCACAC变换）。变换）。PWMPWM脉宽调制是利用相当于基波分量的脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三信号波（调制波）对三 角载波进行调制，从而调节输出脉冲宽度角载波进行调制，从而调节输出脉冲宽度。PWMPWM控制技术主要有等脉宽控制技术主要有等脉宽PWMPWM法、法、正弦波正弦波PWMPWM法（法（SPWMSPWM）、磁、磁 链跟踪链跟踪PWMPWM法（法（SVPWMSVPWM）和电流跟踪）和电流跟踪PWMPWM法等四类。法等四类。（3 3）直接转矩控制技术）直接转矩控制技术 采用采用空间矢量分析法空间矢量分析法，直接在定子坐标系下计算与控制电机，直接在定子坐标系下计算与控制电机的的 转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节产生转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节产生PWMPWM波信号，波信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，获得转矩的高动态性能。直接对逆变器的开关状态进行控制，获得转矩的高动态性能。
