通用变频器基础及其应用.doc

电工技术教案
第12章 通用变频器基础及其应用
本章基本要求：
了解通用变频器的基本工作原理，学习使用工业变频器完成电动机的变频控制。
本章讲授重点知识：
² 了解通用变频器的基本组成结构
² 理解变频调速基本原理及控制方式
² 掌握松下VFO超小型变频器的基本应用方法
本章讲授难点知识：
² 理解变频调速基本原理及控制方式
本章作业：无
§12.1 变频调速基本原理及控制方式
12.1.1变频调速基本原理
异步电动机旋转磁场的转速n0与供电电源频率f1、电机极对数p之间的关系为

当改变电源供电频率f1时，旋转磁场转速n0也相应变化，从而带动转子转速n的变化。因为电源频率f1是连续可调的，所以旋转磁场转速n0以及转子转速n也将是连续变化的，因此说变频调速属于无级调速，有调速范围宽、调速平滑等特点。

异步电动机的频率—速度特性曲线。
　　从图中可以看出，当连续改变电机定子绕组供电频率时，电机转速也将连续改变，且机械特性硬度不变。
12.1.2负载的转矩特性
负载的转矩—转速特性，典型的主要有以下三种：
恒转矩负载，平方降转矩负载，恒功率负载。

（a）恒转矩负载，（b）平方降转矩负载，（c）恒功率负载
1. 恒转矩负载：在调速过程中，要求电机输出的电磁转矩基本保持恒定的一类负载。
² 异步电动机输出机械功率P2与输出转矩T、转子转速n的关系式:

² 恒转矩负载在调速过程中要求电机输出功率与转子转速成正比例变化。
² 属于恒转矩负载的有升降机、传送带、搅拌机、挤压成形机等摩擦负载。
2. 平方降转矩负载：在调速过程中要求电机输出的转矩与转子转速的平方成比例增减，这样的负载称之为平方降转矩负载。
² 如:风扇、风机、泵 。
² 由式，电机输出功率与转速的立方成正比。针对这一类负载，通过变频装置控制流体的流速，可以得到显著的节能效果。
3. 恒功率负载：在调速过程中，要求电机输出的机械功率恒定不变的一类负载。
² 如:卷绕机在卷绕板材或线材时，卷筒直径小，用较小的力矩就可以，但转速较高；卷筒直径大，转矩要求增加，转速同时下降。即要求电机输出转矩与转速之积基本恒定。
² 根据式可知，就是要求输出机械功率P2恒定。
12.1.3变频控制方式
(1)恒压频比控制方式
² 简称为恒V/f控制。

² 特点：在变频调速过程中，使电机供电电源电压U1与频率f1的比值保持恒定。采用恒V/f控制方式的变频电路成本较低，但控制精度较差。

² 变频f1的同时应适当改变U1。在改变频率f1的同时保持压频比恒定也就是保持主磁通量Φ基本恒定，通常这种调速又称恒磁通调速。
1、增加f1而U1不变，主磁通Φ减小，电机欠励磁，电磁转矩T将减小，磁路利用不充分，效率低；
2、减小f1而U1不变，主磁通Φ将增大，电机过励磁，励磁电流增加且有可能畸变，
² 恒V/f控制存在问题。
1、在增加电源频率时，V/f控制要求电压U1也增加，可是因为电机绕组绝缘条件所限，定子电压U1不得高于额定电压U1N，所以，变频调速中当频率高于基频(即额定供电频率f1N，又称基本频率或基底频率)时，不允许恒磁通调速，也就是说不允许使用恒V/f方式。
2、当电源频率f1调至较小时，电机低速运行，感生电势E1也较小，电机定子绕组压降(R1+jX1)相对E1较大，不可以忽略，于是再保持U1/f1恒定，已不能使主磁通Φ恒定。

² 保持磁通恒定在实际中的意义
从电动机电磁转矩的表达式T=KTΦI2cosφ2 (KT为电机结构系数；Φ为主磁通；I2为转子电流；cosφ2为转子回路功率因数)可知，调速过程中如果转子回路参数保持不变，恒磁通调速实际就是恒转矩调速，也就是说恒V/f控制方式是针对恒转矩负载提出的。
(2)恒电压平方与频率比控制
ü 特点：在变频输出的同时保持电压的平方U21与频率f1之比恒定，又简称恒U21/f1控制。采用这种控制方式可以实现恒功率调速。
ü 原理如下:
电机转矩：

转子回路电抗及感生电动势：
；；
由，得

(3)平方转矩控制方式
l 平方降转矩负载要求电机输出的转矩T要与电机转速n的平方成正比，即T/n2恒定。

l 由于电机转速n与旋转磁场转速n0相差不多，也可以看成T/n20恒定。
l 而n0∝f1,于是又可以等价为要求T/f21恒为常数的控制方式。

(4)转差频率控制

由上式，在进行E1/f1控制的基础上，对电动机转子回路的频率f2进行控制，达到控制电机输出转矩的目的，而f2又与转差成正比，因此又叫转差频率，这就是转差频率控制的含义及出发点。

(5)矢量控制方式
ü 矢量控制方式的基本思想是认为异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理，即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流矢量的乘积。
ü 异步电动机空载时，定子励磁电流很小，如果给异步电动机施加负载，则其定子励磁电流将会增加，而且负载所需转矩越大，励磁电流就越大。这是因为电机空载时励磁电流主要用于产生磁通，有载时励磁电流既要维持主磁通基本恒定，同时又要提供产生转矩所需的能量。
ü 将定子电流分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量之和。通过控制电动机定子电流的大小和相位，也就是定子电流相量，就可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。
ü 矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度检测器矢量控制方式。
§12.2 通用变频器的基本结构和主要功能
ü 变频器分为交—交型和交—直—交型两种形式。
ü 交—交型变频器可以将工频交流电直接变换成频率、电压均可调节的交流电，又称直接式变频方式。
ü 交—直—交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再经过逆变电路把直流电变换成频率、电压均可调节的交流电，又称为间接式变频方式。

(1)整流电路
l 整流电路的作用是对电网提供的交流电进行整流，使其变为单一方向的直流电。
(2)直流中间环节
l 这一环节的作用是对整流输出的脉动直流电进行平滑(即滤波)，以减小电压、电流的波动。
(3)逆变电路
l 逆变电路是变频器的重要环节，作用是在控制电路的控制下将直流电转换为所需频率f1和幅度U1的交流电，以此来对异步电动机进行调速控制。
(4)控制电路
l 控制电路是变频器的核心。其主要作用是根据事先确定的变频控制方式与由外部获得的各种检测信息进行比较和运算，从而产生逆变电路所需要的各种驱动信号。
§12.3 松下VF0超小型变频器介绍
VF0超小型变频器面板示意图

主回路端子接线方式

控制回路端子(远程控制端子)的接线方式

§12.4 VF0变频器变频控制示例
l 示例1　初次使用的变频器，其功能设置均为初始出厂设置，使用操作板控制实现：正转运行，25Hz输出频率；一段时间后，再变为反转运行，输出频率为50Hz。
l 示例2　变频器“选择运行指令”功能代码P08的参数设置为“1”，其他功能代码保持出厂设置，频率设定旋钮已处于“MAX”位置。由操作板控制：反转运行，25Hz输出频率；一段时间后变为正转运行，输出频率25Hz。
l 示例3　采用数字式设定方式设定输出频率，代码P09=1，用操作板进行运行/停止控制，旋转方向设定模式代码P08=0时，控制变频系统先按50Hz正转起动运行，一段时间之后不停机直接变为50Hz反转运行。
l 示例4　利用操作板在“功能设定模式”下改变功能代码的参数，将变频器最大输出频率设定为60Hz。
l 示例5　将VF0变频器与可编程序控制器结合，用来模拟一个平面运动小车变频调速的基本控制过程。
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