交流变频调速技术及应用

微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术， 有了突破性的 进展， 生产出满足变频调速要求的变频器， 从此交流调速进入了一个 崭新时代。为了与以前传统的交流调速相区别， 人们通常把实现变频 调速为特征的交流调速称为近代交流调速。
１．１．１ 采用变频调速技术的目的及其效益 （ ｌ） 节约电能是变频调速技术最典型的例子， 风机和泵类机械在 生 产 中 应 用 的 特 点 可 以 用 面 广 、量 大 、耗 电 多 来 概 括 。以 风 机 和 泵 类 机 械的节电工作作为推广电动机变频调速的突破口， 改变长期以来利用 档板或阀门调节风量流量， 造成浪费大量电能的不合理现象， 目前这 项工作在我国已经取得较好的效果。 （ ２） 提高生产率 利用变频调速技术， 可以实现提高生产率的多种措施。诸如保证 加工工艺中的最佳转速； 选择适应负载不同工况的最佳转速； 利用低 速， 实现高精度准确停车， 缩短生产过程中间歇时间等。 （ ３） 提高产品质量 例如加工机械可选择加工对象的最佳速度； 运输带生产机械可达 到平滑的加、减速 ； 造 纸 、塑 料 生 产 机 械 可 满 足 高 精 度 的 转 矩 控 制 等 。 完全可以达到甚至超过直流电动机系统的性能指标。 （ ４） 适应和改善工作环境 变频调速装置能用在有爆炸性的气体和可燃性溶剂的生产设备： 用在有腐蚀性和户外潮湿的工作环境； 大大减少环境的机械噪声， 在 很多行业， 这方面呼声很高。 １．１．２ 变调速技术的展望 １．变频调速应用领域将不断扩大。随着科学技术的 进 步 、大 功 率 电力电子技术的迅速发展， 大规模集成电路和微机技术的突飞猛进， 交流电动机变频技术已日趋完善， 变频调速器用于交流异步电动机调 速， 其性能胜过以往任何一种交流调速方式， 已成为电动机调速最新 潮 流 。 国 内 外 交 流 变 频 调 速 已 广 泛 在 钢 铁 、冶 金 、石 油 、化 工 、纺 织 、印 染、医药、造纸、卷烟 、高 层 建 筑 供 水 、建 材 及 机 械 行 业 应 用 ， 功 率 大 到 上万千瓦的轧钢机， 小到只有几十瓦的公园喷水头， 从工厂装备到家 用电器， 应用范围相当广阔， 并且还将继续扩大。 ２．变频器自八十年代初以来， 变频技术的发展主要 有 以 下 几 个 趋 势： （ １） 大功率开关器件更新换代速度加快， 电压、电流频率定额不断 提高， 开关损耗不断减少， 开关频率不断提高， 最近几年已经推出比双 极 晶 体 管 （ ＢＪＴ） 更 新 的 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ ＩＧＢＴ） 已 经 在 新 一 代 的 变 频器上大量应用， 而且 ＩＧＢＴ 它本身也在换代， 最新的是第三代。 （ ２） 变 频 器 产 品 系 列 化 、通 用 化 、小 型 化 ， 目 前 在 市 场 已 可 看 到 用 于一般产业用和用于风机和泵类的两个系列， 功率从 ０．４ 千瓦到 ２８０ 千瓦。产品不同功率都统一了功能， 统一了性能， 统一了式样， 统一了 端子符号， 统一功能码内容等； 方便了设计和维修。由于集成电路的高 密度和冷却技术的高效率， 产品实现了小型化， 体积只有过去的 ６０％ （ ３） 性能智能化： 新产品采用了对电动机的最先进的转矩矢量控 制， 能获得与负载自动适应的电机转矩； 低速时提高起动转矩， 大幅度 提高转矩响应速度等。 （ ４） 装置功能多样化： 提供便于安全、便于操作的显示器、监视器、 测试器， 各种完善的保护环节， 便于维护更换的模块和器件等。
科技信息
○机械与电子○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００８ 年 第 ２２ 期
交流变频调速技术及应用
胡春媛 鲍 威 马 涛 周云翔 （ 中冶东北建设有限公司电气安装工程公司调试研究所 辽宁 鞍山 １１４００３）
【摘 要】自从以电力电子器件、微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术有了突破性的进展， 从此交流调速进入了一个崭新 时代。本文着重论述了通用变频器的原理， 并以西门子 ４４０ 变频器为例， 介绍变频器在营口中板厂 １３２ｍ２ 烧结机工程中梭式布料器上的应用
【关 键 词 】交 流 变 频 调 速 技 术
１．通用变频器的原理 １．１ 概述 直流调速系统具有优良的静动态性能指标，长时期内占据调速系 统的主流， 但也有维修工作量大，事故率高； 使用环境受限； 大容量受 换相条件制约等缺点［１］。自从上世纪 ７Ｏ 年 代 以 来 ， 以 电 力 电 子 器 件 、
但 Ｅ１ 难于直接检测和控制， 当 Ｅ１ 和 ｆ１ 的值较高时， 定子的漏阻 抗压降相对比较小， 如忽略不记， 则可近似地保持定子相电压 Ｕ１ 和频 率 ｆ１ 的比值为常数， 即认为 Ｕ１＝Ｅ１， 保持 Ｕ１／ｆ１＝常数即可。这就是恒 压频比控制方式， 是近似恒磁通控制。
（ ２） 基频以上的弱磁变频调速： 这是考虑从基频（ 电动机额定频率 ｆ１Ｎ） 向上调速的情况。频率由额定值 ｆ１Ｎ 向上增大， 但电压 Ｕ１ 受额定 电压 Ｕ１Ｎ 的限制不能再提高， 只能保持 Ｕ１＝Ｕ１Ｎ 不变。必然会使主磁 通随着 ｆ１ 的上升而减小， 相当于直流电动机弱磁调速情况， 属 于 近 似 的恒功率调速方式。
１．３ 变频器的分类（ 主要指间接式变频器） １．３．１ 按直流电源分类 分为电流型变频器和电压型变频器。 １．３．２ 按输出电压调节方式分类 分为 ＰＡＭ（ 脉冲幅值调节方式） 和 ＰＷＭ（ 脉冲宽度调制方式） 。
１．３．３ 按控制方式分类 分为 Ｕ／ｆ（ ＶＶＶＦ 变频变压方式） 控制、转差频率控制和矢量控制。 １．３．４ 按主开关器件分类 分 为 ＩＧＢＴ（ 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 ） 、ＢＪＴ（ 双 极 晶 体 管 ） 和 ＧＴＯ（ 可 关断晶闸管） 。 １．３．５ 按负载类型分类 分 为 风 机 、泵 类 负 载 、恒 转 矩 负 载 和 恒 功 率 负 载 。 ２．变频器在营口中板厂 １３２ｍ２ 烧结机工程中梭式布料器 上的应用 ２．１ 梭式布料器运行特点 梭式布料器是烧结工程中比较重要的传动机构， 具有行程短， 往 返频繁， 需要根据烧结厚度调节运行速度等特点。根据梭式布料器的 特点， 我们选择了西门子 ＭｉｃｒｏＭａｓｔｅｒ４４０ 变频器作为调速装置。 ２．２ＭｉｃｒｏＭａｓｔｅｒ４４０ 变频器的参数设置 １） Ｐ０３０４［０］（电机额定电压）＝依据铭牌 ２） Ｐ０３０５［０］（电机额定电流）＝依据铭牌 ３） Ｐ０３０７［０］（电机额定功率）＝依据铭牌 ４） Ｐ０３１０［０］（电机额定频率）＝依据铭牌 ５） Ｐ０３１１［０］（电机额定速度）＝依据铭牌 ６） Ｐ０７００［０］（选择命令源）＝２（由端子排输入） ７） Ｐ１０００［０］（选择频率设定源）＝２７（模拟设定值 ２＋模拟设定值） ８） Ｐ１１２０［０］（斜坡上升时间）＝１０ ９） Ｐ１１２１［０］（斜坡下降时间）＝２ １０） Ｐ０７０１［０］（数字输入 １ 功能）＝１（接通正转／停车命令 １） １１） Ｐ０７０２［０］（数字输入 ２ 功能）＝２（接通反转／停车命令 １） １２） Ｐ０７３１［０］（数字输出 １ 功能）＝５２．３（变频器故障，０ 闭合） １３） Ｐ０７３３［０］（数字输出 ３ 功能）＝５２．２（变频器运行，０ 闭合） １４） Ｐ０７５６［１］（模拟输入 ２ 类型）＝２（单极性电流输入 ４～２０ｍＡ） １５） Ｐ０７５７［１］（模拟输入 ２ 的 Ｘ１ 值）＝４ １６） Ｐ０７５９［１］（模拟输入 ２ 的 Ｘ２ 值）＝２０ １７） Ｐ０７６１［１］（模拟输入 ２ 的的死区宽度）＝４ ２．３ 运行效果 本变频装置经过精心调试和参数设置优化后， 在 ２００４ 年初营口 烧结工程投产后， 一直运行良好， 工作可靠， 取得了很好的经济效益。 随着电力电 子 器 件 、微 电 子 器 件 技 术 和 控 制 技 术 的 不 断 发 展 ， 交 流 变 频 调 速 技 术 必 将 得 到 更 好 的 发 展 和 推 广 。科
变频器 由 主 电 路 （ 包 括 整 流 器 、中 间 直 流 环 节 、逆 变 器 ） 和 控 制 回 路组成。
（ １） 整流器（ 网侧变流器 Ｉ） ： 它的作用是把三相（ 也可以是单相） 交 流电源整流成直流。
（ ２） 逆变器（ 负载侧变流器 ＩＩ） ： 作用与整流器相反， 是将直流电逆 变为电压和频率可变的交流电， 实现交流电机变频调速。最常见的结 构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路， 有规 律地控制逆变器中主开关器件的通和断， 得到任意频率的三相交流电 输出。
１．２．２ 变频器的基本构成 变频器分为交－ 交和交－ 直－ 交两种形式。交－ 交变频器可将工频 交流直接变换成频率、电压均可控制的交流， 又称为直接式变频器。而 交－ 直－ 交变频器则是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术， 先 将工频交流电源经过整流器变成直流电， 再由电力电子器件逆变为频 率、电压可控制的交流电源， 它又称为间接式变频器［２］。通用变频器主 要研究交－ 直－ 交变频器， 其基本构成如下图所示。
（ ４） 控 制 电 路 ： 常 由 运 算 电 路 、检 测 电 路 、控 制 信 号 的 输 入 输 出 电 路、驱动电路、保 护 电 路 等 组 成 ， 均 采 用 大 规 模 集 成 电 路 ， 其 主 要 任 务 是 完 成 对 逆 变 器 的 开 关 控 制 、对 整 流 器 的 电 压 控 制 及 完 成 各 种 保 护 功 能等。高性能变频器常采用微型计算机进行全数字控制， 尽可能用简 单的硬件电路， 主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性， 数字 控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。
（ ３） 中间直流环节： 由于逆变器的负载为异步电动机， 属于感性负 载。无论电动机处于电动或发电制动状态， 其功率因数总不会为 １。因 此 在 中 间 直 流 环 节 和 电 动 机 之 间 总 会 有 无 功 功 率 的 交 换 。这 种 无 功 能 量要靠中间直流环节的储能元件（ 电容器或电抗器） 来缓冲。所以又常 称为中间直流储能环节。
１．２ 变频器的简单原理 在交流异步电动机的诸多调速方法中， 变频调速的性能最好， 调 速范围大， 静态稳定性好， 运行效率高， 采用通用变频器对笼型异步电 机进行调速控制， 由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著， 所以逐 步得到推广。 １．２．１ 变频调速的基本控制方式 异步电机同 步 转 速 ， 即 旋 转 磁 场 的 速 度 为 ： ｎ１＝６０ｆ１／Ｐ， 式 中 ｎ１ 为 同步转速（ ｒ／ｍｉｎ） ； ｆ１ 为定子频率（ Ｈｚ） ； Ｐ 为磁极对数。 而异步电机的轴转速度为： ｎ＝ｎ１（ １－ Ｓ） ＝６０ｆ１（ １－ Ｓ） ／Ｐ， 式 中 Ｓ 为 异 步 电 动机的转差率， Ｓ＝（ ｎ１－ ｎ） ／ｎ１ 由此可知， 改变异步电动机的供电频率， 就可以改变其同步转速， 实现调速运行。 对异步电动机进行调速控制时， 希望电动机的主磁通保持额定值 不变。磁通太弱， 铁心利用不充分， 同样的转子电流下， 电磁转矩小， 电 机的负载能力下降； 磁通太强， 则处于过励状态， 使励磁电流过大， 这 就限制了定子电流的分量， 使电动机不过热， 负载能力也要下降。异步 电动机的气隙磁 通 （ 主 磁 通 ） 是 定 、转 子 合 成 磁 动 势 产 生 的 ， 下 面 说 明 怎样才能使气隙磁通保持恒定。 由电机理论知道， 三相电异步电动机定子每相电动势的有效值 为： Ｅ１＝４．４４ｆ１Ｎ１Φｍ，式中 Ｅ１ 为 定 子 每 相 由 气 隙 磁 通 感 应 的 电 动 势 的 方 均 根 值（Ｖ）； ｆ１ 为 定 子 频 率 （ Ｈｚ） ； Ｎ１ 为 定 子 相 绕 组 有 效 匝 数 ； Φｍ 为 每极磁通量（ Ｗｂ） 。 由上式可见， Φｍ 的值是由 Ｅ１ 和 ｆ１ 共同决定的， 对 Ｅ１ 和 ｆ１ 进行 适当的控制， 就可以使气隙磁通保持额定值不变。下面分两种情况说 明：
交流电动机变频调速机械特性
（ １） 基频以下的恒磁通变频调速： 这是考虑从基频（ 电动机额定频 率 ｆ１Ｎ） 向下调速的情况。为了保持气隙磁通 Φｍ 不变， 这就要求降低 供 电 频 率 的 同 时 降 低 感 应 电 动 势 ， 保 持 Ｅ１／ｆ１＝常 数 ， 即 保 持 电 动 势 与 频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速， 属于恒 转矩调速方式。
由上可知， 异步电动机的变频控制必须按照一定的规律同时改变
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２００８ 年 第 ２２ 期
其定子电压和频率， 即必须通过变频装置获得电压频率可调节的供电 电源， 实现所谓的 ＶＶＶＦ 调速控制。通用变频器可适应这种异步电动 机变频调速的基本要求。