变频器结构和工作原理

变频器的结构和工作原理
——郭春荣
一、三相异步感应交流电动机的工作原理
1.旋转磁场 在一个可旋转的马蹄型 磁铁中间，放置一只可 转动的笼型短路线圈。 当转动马蹄形磁铁时， 笼型转子就会跟着一起 旋转。这是因为当磁铁转动时，其磁感线(磁通)切割笼型转子的导体， 在导体中因电磁感应而产生感应电动势，由于笼型转子本身是短路 的，在电动势作用下导体中就有电流流过 。该电流又和旋转磁场相 互作用，产生转动力矩，驱动笼型转子随着磁场的转向而旋转起来， 这就是异步电动机的简单旋转原理。
二、变频的控制方式
转差频率控制变频器内设比较电路和PID控制电路，处理目标信 号和反馈信号。 控制系统工作时为闭环控制。变频器给定一个目标量，从变频器的控制 量中取回反馈量，反馈量和目标量进行比较：当反馈量小于目 标量，变频器给出频率上升信号使频率上升， Δn上升，转矩随之上 升，电动机的转速随之上升；反之，变频器给出频率下降信号， Δn 下降，转矩随之下降，电动机的转速随之下降。使电动机的实际转速 按给定目标要求转动。
二、变频的控制方式
2、转差频率控制（U/f闭环控制） 电动机由于存在转速差Δn ，且转速差和转矩T成正比，当 改变变频器的输出频率，使变频器的转差Δn改变时，变频 器的输出转矩T改变，变频器的输出转速改变。就是通过控 制转差Δn，来控制电动机的转矩，达到控制电动机转速的 目的。这就是转差频率控制原理。 由此可见，变频器要想达到以上控制目的，必须采取闭环控 制， 即变频器要设闭环反馈输入端子。
保持E1 /f 1=常数控制方式的机械特性
二、变频的控制方式
1、 u/f控制模式 ★ 控制特点：通过压频变换器使变频器的输出电压与输出频率 成比例的改变，即U/?=常数。 ★ 性能特点：性价比高，输出转矩恒定即恒磁通控制，但速度 控制的精度不高。适用于以节能为目的和对速度精度要求较 低的场合。 ★低频稳定性较差：在低速运行时，会造成转矩不足，需要进 行转矩补偿。 该变频器为开环控制，安装调试方便。
二、变频的控制方式
变频器的四种运行控制方式比较 控制特点：通过压频变换器使变频器的输出电压与输出频率成比例
1. u/f控制方式变频器的改变，即u/f=常数
性能特点：性价比高，输出转矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精 度不高。适用于以节能为目的和对速度精度要求较低的场合。低速运 行时，会造成转矩不足，需要进行转矩补偿。
u/f控制方式适用于可变转矩和恒定转矩负载，如风机、水泵、 带式输送机等
二、变频的控制方式
3. 矢量控制方式变频器 矢量控制是在变频器内部通过电子运算电路用模拟直流电动机的控制方法来 控制交流电动机的。 控制特点：同时控制电流的幅值和相位，还可通过软件来设定这种控制方式。 性能特点：可从零转速进行控制，低频转矩大，调速范围宽；可对转矩进行 精确控制；系统响应速度快，速度控制精度高。 应用范围 分为无速度传感器（通过内闭环）和有速度传感器（通过外闭环） 两种控制方法，这两种控制方法都是直接控制（稳定）电动机的转速（或转 矩），不能作为其他量的控制（如压力、流量、温度等）。 4. 直接转矩控制方式变频器 直接转矩控制技术，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在 一定的转差范围内，转差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制 信号，直接对逆变器的开关状态进行控制。 性能特点：可从零转速进行控制，调速范围宽；可对转矩进行精确控制；系 统响应速度快，速度控制精度高。 矢量适用于有较高的转矩特性，OHZ仍保持输出转矩的场合，如造纸、轧钢、 机床、起重等。转矩控制可对转矩进行精确控制，适用于造纸、印染机械等 转矩控制场合。
三、变频器的结构原理
按用途分类：专用，通用
专用变频器 ：针对某一种（类）特定的控制对象 而设计的，如风机、水泵用变频器、电梯及起重 机械用变频器、中频变频器等。 通用变频器： 是数量最多，应用最广泛的一种， 也是我们讲解的主要品种。而大容量变频器主要 用于冶金工业的一些低速场合。
三、变频器的结构原理
二、变频的控制方式
4、转矩控制 直接转矩控制技术，英语称为DSC或DTC控制， 是继矢量控制技术之后又一种具有高控制性能的 交流调速技术。直接转矩控制是利用空间矢量、 定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下 分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电 动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器 （Band-Band控制），把转矩检测值与转矩给定 值作比较，使转矩波动限制在一定的转差范围内， 转差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉 宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制， 以获得高动态性能的转矩输出。直接转矩控制完 成了交流调速的又一次飞跃。 直接转矩控制也是一对一控制，不能一台变频器 控制多台电动机，且不能用于过程控制。
2. 转差频率控制方式变频器
该控制是一种闭环控制。控制方式有两类：一是用速度传感器将电动机 的转速作为反馈信号，以提高电动机的速度控制精度；另一类是将间 接物理量如压力、流量、温度等通过传感器转换为电信号，反馈回变 频器，以提高这些间接控制量的控制精度。 该控制方式在变频器内部装有PID调节器，可设置变频器的控制速度 和快速响应性。
2、变频器的组成（交～直～交型）
如下图：
三、变频器的结构原理
a、主电路结构 该电路是现在通用的低压变频器主电路图。不管什么品牌的 变频器，其主电路结构基本如此。因为：整流电路和逆变电 路是两个标准模块，没有变化的空间。
三、变频器的结构原理
b、变频器控制电路 任何品牌的变频器，其 内部功能框图是一样的， 因为变频器要保证正常 工作，必须要有相应的 功能。变频器主要包括： 主电路、电流保护电路、 电压保护电路、过热保 护电路、驱动电路、稳 压电源、控制端子、接 口电路、操作面板、 CPU等。
二、变频的控制方式
转差频率控制和U/f控制功能上的区别： U/f制变频器内部不用设置PID控制功能，不用设置反 馈端子。而转差频率控制在变频器的内部要设比较电 路和PID控制电路。如果用U/F控制变频器实现闭环控 制，要在变频器之外配置PID控制板。
二、变频的控制方式
3、矢量控制 矢量控制是交流电动机用模拟直 流电动机的控制方法来进行控 制。 1）将控制信号按直流电动机的 控制方法分为励磁信号和电枢 信号 2）将控制信号按三相交流电动 机的控制要求变换为三相交流 电控制信号，驱动变频器的输 出逆变电路。 变频器控制方式：分为无传感器 （开环）和有传感器（闭环） 两种控制方式。无传感器控制 方式是通过变频器内部的反馈 形成闭环。
一、三相异步感应交流电动机的工作原理
由于Φ∝E1 /电压的U1的大小可以近似实现Φ为常数。 以星形接法的电机 为例， 变频调速时， 如供电50 Hz对应220 V相电压（一般为额定点）， 则25 Hz需提供110 V相电压， 10 Hz需提供44 V相电压。
一、三相异步感应交流电动机的工作原理
表面看来，只要改变定子电压的频率f1就可以调节转速的大小，但是 事实上，只改变f1并不能正常调速。参考异步电动机的电压方程 U 1≈E1 =4.44f1 K1 N1 Φ 假设现在只改变f1进行调速， 设供电频率f1上下调节， 而供电电压U 1 不变， 因 为K1 N1常数， 则异步电动机的主磁通Φ必将改变： 如f1向上调， 则Φ会下降， 这使得拖动转矩T下降，因为T=C TΦI2 cosφ2 ， 电动机的拖动能力会降低， 对恒转矩负载会因拖不动而堵 转； 如f1 向下调， 则Φ会增强， 这会带来更大的危险， 因为电机 铁磁材料的磁化曲线不是直线而具有饱和特性， 设计电机时为了建 立更强的磁场， 其工频下的工作点已经接近磁饱和， 如再增强磁场 势必引起励磁电流（体现在定子电流上）急剧升高， 最终烧坏电 机。 由上可知， 只改变频率f 实际上并不能正常调速。 在许多场 合， 要求在调节定子供电频率f 的同时， 调节定子供电电压U 的大 小， 通过U 和f 的不同配合实现安全的调频调速。
二、变频的控制方式
在各种薄膜或线材的收卷或放卷过程 中，要求被卷物的张力F必须保持恒 定即F＝C，为此: 1)被卷物的线速度v也必须保持恒定即 v ＝C，所以卷绕功率是恒定的； 2)负载的阻转矩随被卷物卷径的增大而 增大:但为了保持线速度恒定，负载 的转速必须随卷径的增大而减小: (b) 用转矩控制模式实现 恒张力运行 令 变频器在转矩 控制模式下运行，将 给 定信号设定在某一值下不变。则 电动机的电磁转矩TM也将不变，如 图 (b)中之曲线①所示: TM＝C 而动态转矩TJ则随着卷径D 的增大而变为负值，如图(b)中之曲 线③所示。拖动系统将处于减速状态， 满足图(c)所示的转速变化规律。 改 变给定转矩的大小，可以改变卷绕的 松紧程度
一、三相异步感应交流电动机的工作原理
在定子三相对称的定子绕组中通入对称三相电流 即在气隙中产生旋转磁场
电动机的旋转磁场
一、三相异步感应交流电动机的工作原理
2.旋转磁场的转速 在以上的分析中，旋转磁场只有一对磁极，即p=1，当电流变化一 个周期，旋转磁场正好在空间转过一周。对50Hz工频交流电而言，旋 转磁场每秒在空间旋转50周，n1=60f1=60×50r/min=3000r/min。若磁 场有两对磁极，p=2，则电流变化一周，旋转磁场只转过0.5周，比磁 极对数p=1情况下的转速慢了一半，即n1=60f1/2=1500r/min。同理， 在3对磁极p=3情况下，电流变化一周，旋转磁场仅旋转了1/3周，即 n1=60f1/3=1000r/min。以此类推，当旋转磁场有p对磁极，旋转磁场 的转速为： n1=60f1/p 因此， 只要平滑地调节异步电动机的定子供电频率f1， 就可以 平滑调节异步电动机的同步转速n1。 由于转子是跟随旋转磁场同步旋 转的， 转子转速为n=n1(1-s)， 所以变频能通过同步转速的改变实现 异步电动机的无级调速。
变频器结构框图
二、变频的控制方式
★ 控制特点：矢量控制是对电动机的转速（转矩） 进行控制，不能对电动机的间接控制量进行控制。 1）使用前要进行自扫描，将电动机的参数扫入 变频器。 2）一台变频器只能控制一台电动机。 3）矢量控制既能控制电动机的电流幅值，同时 又能控制电流的相位（矢量控制名称的由来）。 ★性能特点：可从零转速进行控制，调速范围宽； 可对转矩进行精确控制，系统响应速度快，速度 控制精度高。