桥式起重机变频调速控制系统设计论文(含中英文翻译)
前言
桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，传统桥式起重机的控制系统所采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电—接触器控制，在工作环境差，工作任务重时，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；继电—接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高；转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串连电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。
近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。
本次设计采用PLC和变频器技术，以PLC控制变频器，即以程序控制取代继电—接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出PLC控制的桥式起重机的变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。此系统特别适用于桥式起重机在恶劣条件下的工作情况，对改善桥式起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。
1 绪论
1.1 桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况
电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机—电机系统。从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。
从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速，PLC 可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能：
l) DC-300直流驱动调速系统：GE公司DC-300，DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到4000HP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。
该驱动系统实施主回路SCR整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。
2) 交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于1972年就正式定为VS系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。
3) 变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国SIEMENS，美国GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技
术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。
直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。
适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用，该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机—矢量控制装置实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。
φ，即在下降过程各机械减速变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦1
cos-
=
制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展己完成了产品系列化上市，对“变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着PLC系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。
1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题
桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。
传统的起重机驱动方案一般采用：（1）直接起动电动机；（2）改变电动机极对数调速；（3）转子串电阻调速；（4）涡流制动器调速；（5）可控硅串级调速；（6）直流调速。前
四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速：起动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载时低于0.2~0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。
由于传统桥式起重机的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速，尽管起动性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速，依然存在以下问题：
1）．控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高；
2）．在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出；
3）．低速定位时由于采用“倒拉反接制动”运行方式，转子中串入了较大电阻导致机械特性变得很软，低速定位困难；
4）．能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重。
1.3起重机调速技术的发展现状
电动机的调速经过了很长时间的演变过程，一直以来人们在电动机的调速和转矩控制上做过了大量的研究，尝试过使用各种不同形式的调速方法，随着大功率和高开关频率的半导体器件的开发研制成功，以及计算机技术的普及应用，交流电动机的调速方式在近20年内取得了飞速发展，调速技术已经日趋成熟。
根据异步电机的知识，电动机的转速可以用公式表示为：
)1(60s p
f n -= 其中：n —异步电动机的转速，单位为r/min ；
f —定子的电源频率，单位为Hz ；
s —电机的转速滑差率；
p —电机的极对数。
由上面的公式，我们不难看出，要改变电机的速度，我们可以通过如下的方法：（1）改变极对数的调速；（2）改变转差率调速；（3）变频调速。
旋转磁场的速度与定子的极对数有关，定子绕组进行切换就可以改变极对数，从而改变转速。但是从低极对数（高速）变换到高极对数，电机的实际速度会大幅度下降，如果切换速度很快，电机将会经历一个发电阶段，从而在电机及机械装置上产生较大的反向转矩。改变磁极对数方式属于有极调速，调速范围小。目前，在起重机上已经很少应用这种方式。
改变转差率调速是目前起重机上应用较多的调速方式，转子串电阻、定子调压调速等均为这种调速方式，尤其是转子串电阻调速方式更为普遍。该方式依赖绕线电机转子部分串不同阻值的金属电阻来消耗部分能量以达到调速效果，但在低速区具有稳定性差、出力不足的缺点，在重载下降时要有第三方制动即拖拽才能保证重载不溜钩，这种制动方式常有能耗制动、涡流制动、单相制动等。由于采用了第三方的拖拽对电机的冲击较大，在能耗和单相制动要对电机注入直流电流和不平衡电流，在频繁使用过程中会使电机的温度过高，影响电机的绝缘寿命，加速了电机的老化过程。在机械平稳方面也由于制动的冲击力使振动加剧，加速了机械疲劳过程。
随着电气设备自动化控制要求及可靠性的不断提高，变频器在各行各业中的应用越来越广泛。国内起重机采用变频器进行调速控制大概是从20世纪90年代初期，由于其较于传统起重机控制方式具有显而易见的优势，因此很快被起重机广大用户所接受。早期在起重机上应用的变频器多用于行走机构（即大、小车运行机构），随着变频技术的不断发展，以及各变频器生产厂家对高性能变频器从软、硬件的不断开发，在起升机构的应用也逐渐增多。
众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能，并且易于实现、便于控制，在很长一段历史时期内，一直处于调速领域的绝对优势地。然而，直流电机结构复杂，制造费时，对运行环境要求较高，电刷易于磨损，维护麻烦，这些问题极大限制了直流调速系统的应用，而交流电机在这方面存在显著的优势。交流电动机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低、易维护、可适合于大容量调速和恶劣环境工作等优点，在工业领域得到广泛的应用。随着变频器的发展，逐渐取代直流调速而成为调速领域的领跑者。
随着自动化技术的不断发展，电子元件制造工艺的不断进步，变频调速控制在起重机械中必将会得到更为广泛的应用。
1.4 本课题的研究意义和主要内容
本课题中以桥式起重机作为研究实体，由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采
用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电—接触器控制，这种控制系统的主要缺点有：
1) 桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；
2) 继电—接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高；
3) 转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想，所串连电阻长期发热，电能浪费大，效率低。
要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。
由于起重机行业的特殊性，变频调速系统的应用相对滞后。采用变频调速取代传统的桥式起重机控制系统是近才开始应用的新技术。无论是在起重机老产品还是新产品设计，变频调速都是优选方案。变频调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣工况，对改善起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。相比较发达国家而言，我国的相关技术水平差距较大。主要技术难度体现在：对起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高，起重机的起重量及运行速度等技术参数越来越大，起重机的自动化程度越来越高，起重机对管理和通讯的性能要求越来越严格。为此，有必要对桥式起重机电控系统的应用研究。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重重量的起重机；提高工作速度、扩大调速范围；提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命；改善司机操作的条件，保证作业安全，提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围尤其是把它们应用到作业频繁的仓库堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上。也符合起重机向大型化、高效率化、无保养化和节能化发展，向自动化、智能化、集成化和信息化发展的方向。
2 三相异步电动机的变频调速
调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品的质量。
2.1 电动机的调速指标
1) 调速范围
电动机在额定负载(电流为额定值)情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D 表示，即
min max min
max :n n n n D ==
2) 调速方向 调速方向指调速后的转速比原来的额定转速(基本转速)高还是低。若比基本转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调。
3) 调速的平滑性
调速的平滑性由一定范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从3000r/min 一下调节到1500r/min ，在又调节到1000 r/min 等，两者之间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速的平滑性当然就比有级调速好。
平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数，即
1-=i i
n n σ
σ越接近于1，平滑性越好。无级调速时σ=1，平滑性最好。
4) 调速的稳定性
调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化的程度，通常用静差率来表示。其定义为：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降0n -n 与理想空载转速0n 之比，即
%100s 00?-=
n n n
s 越小，稳定性越好。
静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为
n
T dn dT ??≈=α α越大，转矩变化时，n 变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，稳定性就越好。静差率还与理想空载转速0n 的大小有关。例如两条平行的机械特性硬度相同，在静差率公式中的0n -n 相同，由于0n 不同，他们的s 就不同，0n 大的，s 小，0n 小的，s 就大。
生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的s 太大，则该转速性太差，便难以满足生产机械的要求。
5) 调速的经济性
这要由调速时的初期投资，调速后的电能消耗以及各种运行费用的多少来说明。
6) 调速时的允许负载
电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速的方法称为恒转矩调速。
不同的生产机械对此的要求往往不同。例如切削机床，要求精加工小切削量时，工件转速高，粗加工大切削时，工件转速低。因此，它希望电动机能具有恒功率调速的性能。另一类生产机械，例如起重机、卷扬机等则要求电动机在各种转速下都能输出同样的转矩，因此，它希望电动机具有恒转矩调速的性能[1]。
2.2 变频调速的基本原理
根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为：
)1(60s p
f n -= 其中：n —异步电动机的转速，单位为r/min ；
f —定子的电源频率，单位为Hz ；
s —电机的转速滑差率；
p —电机的极对数。
三相异步电动机的调速方法可分为两大类：一类是通过改变同步转速0n 来改变转速n ，
具体方法有变极调速(改变p )和变频调速(改变f )；另一类是通过改变转差率s 来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法有变压调速(改变1U )，转子电路串电阻调速(改变2R )，等等。由上式可知，如果改变输入电机的电源频率f ，则可相应改变电机的输出转速。
在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量m Φ为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持m Φ 不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。
三相异步电动机每相电动势的有效值是：
m k N f E Φ=111144.4
式中：
1E —气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V ；
1f — 定子频率，单位为Hz ；
1N —定子每相绕组串联匝数；
1k —定子基波绕组系数；
m Φ—每极气隙磁通量，单位为Wb ；
由公式可知，只要控制好1E 和1f ，便可以控制磁通中m Φ不变，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况；
1) 基频以下调速
当电源频率1f 在基频以下调速时，电动机转速下降，但在调节电源频率的同时，必须同时调节电动机的定子电压1U ，且始终保持=11/f U 常数，否则电动机无法正常工作。这是因为三相异步电动机定子绕组相电压m N f E U Φ=≈111144.4，当1f 下降时，若1U 不变，则必使电动机每极磁通m Φ增加，在电动机设计时，m Φ处于磁路磁化曲线的膝部，m Φ的增加将进入磁化曲线饱和段，使磁路饱和，电动机空载电流剧增，使电动机负载能力变小，
而无法正常工作。为此，电动机在基频以下调速时，应使m Φ恒定不变。所以，在频率下调的同时应使电动机定子相电压随之下调，并使==N N f U f U 11'
1'1//常数。可见，电动机额基频以下的调速为恒磁通调速，由于m Φ不变，调速过程中电磁转矩22cos ?N m T I C T Φ=不变，属于恒转矩调速。
2) 基频以上调速
当电源频率1f 在基频以上调节时，电动机的定子相电压是不允许在额定相电压以上调节的，否则会危及电动机的绝缘。所以，电源频率上调时，只能维持电动机定子相电压n U 1不变。于是，随着1f 升高m Φ将下降，但n 上升，故属于恒功率调速。
把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图2-1所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”[2]。 恒转距调速
恒功率调速
1U m
Φn U 1mn
Φ1
U m
Φo n
f 11f
图2-1 异步电动机变频调速控制特性 Fig. 2-1 Variable frequency speed-governing control characteristics of asynchronous motor
2.3 三相异步电动机变频调速的机械特性
2.3.1 11/f U =常数时的变频调速机械特性
下面来分析机械特性中的三个特殊点，并由此来决定机械特性。
同步点：由111/60p f n =，则11f n ∝，1f 下调，1n 随之下降。
最大转矩点：由c=常数，m T ∝2
121/f U =常数，而临界转差率121222/12//f L f R x R S m ∝==π，临界转速降=?==?112121/602/p f L f R n S n m m π常数。因此，在不同频率下，最大转矩保持不变，且对应于最大转矩的转速降也不变。所以其机械特性基本上是平行的。但当1f 下调过低时，因1U 也很低，此时定子电阻1R 上的压降11R I 已不能再忽略，而使1E 、m Φ下降更严重，电动机的m T 将变小。
起动转矩点：
电动机起动转矩12
2122122221221/1/)(/f x f R CU x R f R CU T st ∝≈+=。所以起动转矩随频率下降而增加。
由此可画出11/f U =常数时，三相异步电动机变频调速特性如图2-2所示： 1
n 2
n 3n N n n
321f f f f N >>>T N
f 1f 2f 3
f o
图2-2 三相异步电动机11/f U =常数变频调速机械特性
Fig. 2-2 Mechanical characteristics of three-phase asynchronous motor 11/f U =constant variable Frequency
speed-governing
2.3.2 N U U 11=的变频调速机械特性
同步点：由111/60p f n =，则11f n ∝，当1f 调高时，1n 随之上升。
最大转矩点：由2
122212121/14/2/f L f CU x f CU T N N st ∝==π，当1f 调高时，m T 减小。
起动转矩点：3
1/1f T st ∝ ，当1f 调高时，起动转矩大大减小。
此时电动机机械特性如图2-3所示： n
1
n 2n 3n N n N
f 1f 2f 3f T o N f f f f >>>123
图2-3 N U U 11=时三相异步电动机变频调速机械特性
Fig.2-3 N U U 11=Mechanical characteristics of three-phase asynchronous motor variable frequency
speed-governing
2.4 变频器
三相异步电动机变频调速所用的变频电源有两种，一种是变频机组，另一种是静止的变频装置变频器。前者由直流电动机和交流发电动机组成，调节直流电动机转速就能改变交流发电动机的频率，由于变频机组设备庞大，可靠性差。随着现代电力电子技术的飞速发展，静止式变频器已完全取代了早期的旋转变频机组。
2.4.1 变频器的分类
按变频的原理有交—交变频器和交—直—交变频器。前者是将频率固定的交流电源变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换频率高，但其连续可调的频率范围较窄，一般在2/011N f f << ，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。后者是将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相电流。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围、变频后电动机特性的改善等方面都具有明显的优势，目前使用最多的变频器均为交—直—交变频器。 根据直流环节的储能方式不同，交—直—交变频器又分为电压型和电流型两种。
电压型变频器是指变频器整流后是由电容来滤波，现在使用的交—直—交变频器大部分为电压型变频器。
电流型变频器是指变频器整流后是由电感元件来滤波，目前少见。
根据调压方式不同，交—直—交变频器又分成脉幅调制型和脉宽调制型两种。
脉幅调制是指变频器输出电压大小是通过改变直流电压大小来实现的，常用PAM表示。这种调压方式很少使用。
脉宽调制是指变频器输出电压大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦规律变化的正弦脉宽调制，即SPWM方式。2.4.2变频器的主电路
变频器的主电路包括整流电路、滤波及限流电路、直流中间电路、逆变电路和能耗制动电路等部分组成，其中整流电路和逆变电路是很重要的两部分，下面简单介绍一下整流电路和逆变电路。
1)．整流电路
一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。
2)．逆变电路
逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属感性负载，无论电动机处于拖动状态还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
2.4.3变频器的控制电路
变频器控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。
控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。
2.4.4 交—直—交变频器
这种变频器主要由整流调压、滤波及逆变三部分组成，如图2-4所示。在此，仅对逆变器的工作原理作一介绍。 U'd Ud
整流调压
逆变滤
波~50Hz
图2-4 交—直—交变频器
Fig.2-4 AC-DC-AC transducer 1) 单相逆变电路
图2-5为单相逆变电路原理图。当开关S 1、S 4 同时闭合时，ab U 电压为正；开关S 2、S 3同时闭合时，ab U 电压为负。由于开关S 1~S 4的轮流通断，从而将直流电压d U 逆变成了交流电压ab u 。
可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂上的两个开关S 1、S 2交替导通，每个开关导通派的电角度。因此，交流电的频率可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值d U 。
S 1S 2
S 3
S 4
a b
S 1 ON S 4 ON
S 2 ON S 3 ON
S 1、S 2
S 3、S 4ab
u ππ2t
d U a ) b )c)
a) 主电路 b) 开关通断规律 c) 波形图
图2-5 单相逆变电路原理图
a) main circuit b) switch make and break law c) oscillogram
Fig.2-5 Single-phase invert schematic circuit
2) 三相逆变电路
图2-6为三相逆变电路原理图。图中开关S 1~S 6组成逆变电路。这6个开关交替的接通、关断，就可以在输出端获得一个相位互差3/2π的三相交流电压。
当S 1、S 4闭合时，UV u 为正；当S 2、S 3闭合时，WU u 为负；当S 3、S 6闭合时，VW u 为正；当S 5、S 4闭合时，UV u 、WU u 、VW u 在相位上依次相差3/2π，各开关的接通、断开应符合一定的规律。
由上可看出：各桥臂上的开关始终处于交替闭合、断开的状态；各相的开关顺序以各相的首端为准，互差3/2π电角度，如S 3比S 1滞后3/2π，S 5比S 3滞后3/2π。
由以上分析可知，通过6个开关的交替工作可以得到三相交流电，只要调节开关的通断速度就可以调节电频率。
S 1
S 3S 2
S 4S 5S 6U V W d U U
V W
S 1 ON
S 2 ON S 1 ON S 5 ON S 6 ON
S 4 ON S 3 ON
S 4 ON S 3、S 4 S 1、S 2 S 5、S 6 UV
u d U VW
u WU
u 000
3π
32πππ2t
ωt
ωt
ωa )
b )
c )
S 5 ON
a) 主电路 b) 开关通断规律 c) 波形图
图2-6 三相逆变电路原理图
a) main circuit b) switch make and break law c) oscillogram
Fig.2-6 Priciple diagram of three-phase inverting circuit
3) 电压型交—直—交变频器的滤波器采用大容量的电容器。对逆变器来说，其直流电源的阻抗(包括滤波器)远小于逆变器的阻抗，故可将逆变器前面部分看作恒压源，其直流输出电压d U 稳定不变。因此，经过逆变器切换后输出的交流电压波形接近于矩形波。
图2-7为简单三相电压逆变器的主电路(不包括换流)图。假设每一个晶闸管的导通角为π，且晶闸管按VT 1、VT 2、…、VT 6的顺序触发导通，各触发信号彼此相位差为3/π，换流瞬时完成，则在任何瞬间，每个臂上只有一个VT 导通，而三个臂上各有一个VF 导
通。该电路波形如图2-8所示。可见它是一个方段矩形组成的三相交流波形。 VT 3VD 2
Z W VT 4VD 4VD 1
VD 3VD 5VD 6VT 1
VT 2
VT 6VT 5Z v
Z U P +N O U C
U V W
图2-7 三相桥式逆变电路主电路
Fig.2-7 Three- phase bridge type main circuit 000UO
u VO
u WO
u π3/1π3/2ππ3/4π3/5π2π3/7π3/8π3π3/10π3/11π4rad
wt /rad
wt /rad
wt /
图2-8 三相逆变器输出电压波形图
Fig.2-8 Three-phase inverter output voltage oscillogram
图2-7中与晶闸管VT 反并联的二极管VD 的作用是：在该晶闸管由截至转为导通时，给负载电流提供一条通路，通过二极管将无功能量反馈给滤波电容。该电路结构简单，应
用比较广泛，其缺点是：电源侧功率因数低，因存在较大的滤波环节，故动态响应较慢。
2.4.5脉宽调制型(PWM)变频器
1) 在一般的交直交变频器供电的变压、变频调速中，为获得变频调速所要求的变频与变压的协调控制，整流器必须是可控整流，这样在变频调速时要同时控制整流器和逆变器，这就带来一系列的问题。首先是主电路中有两个可控功率环节，这样使系统比较复杂；第二由于中间环节存在动态元件，使系统的动态响应缓慢；第三由于整流器是可控的，使控电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电源；第四逆变器输出为六拍阶梯波交变电压，在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电动机的稳定工作，低速时尤为严重。
为解决上述问题，采用脉冲宽度调制(PWM)控制方式。图2-9为PWM 逆变器示意图，在该逆变器电路中，同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。这样，首先使主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；第二使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近1；第三逆变器在调节的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；第四可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，大大扩展了拖动系统的调速范围，提高了系统性能。 M
3~整流器逆变器
PWM C f
U /调调U
f
U
图2-9 PWM 逆变器组成
Fig.2-9 PWM inverter structure diagram
2) 脉宽调制器的基本工作原理
脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可控制输出电压的幅值，如图2-10所示。从图中可以看到，脉冲的宽度1t 越大，脉冲的间隔2t 越小，输出电压的平均值就越大。为了说明1t 、2t 和电压平均值之间的关系，我
们引入了占空比的概念。所谓占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期比值，用γ表示，即)/(211t t t +=λ。
因此，可以说输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以演化为调节脉冲的宽度，所以称为脉宽调制。图2-10a 为调制前的波形，电压周期为N T ，图2-10b 为调制后的波形，电压周期为X T 。与a 图相比，b 图的电压周期增大(也就是说频率降低)，电压脉冲的幅值不变，仍为DN U ，而占空比则减小，故平均电压降低。
u
u 1
t 2t DN
U 0N
T t t 0
'
1t '
2t DN
U X
T a )
b )
a) 调制前的波形 b) 调制后的波形
图2-10 脉宽调制的输出电压
a) modulate late waveform b) modulate rear waveform
Fig.2-10 The output voltage of the PWM
由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化，因此在一个周期内的占空比也必须是变化的，也就是说在正弦波的幅值部分，γ取大一些，在正弦波到达零处，γ取小一些，如图2-11所示。可以看到这种脉宽调制，其占空比是按正弦
规律变化的，故这种调制方法叫正弦波脉宽调制，即SPWM 。
u
t
0T
图2-11 正弦波脉宽调制的输出电压
Fig. 2-11 The output voltage of the SPWM
SPWM 的脉冲系统中，各脉冲的宽度t 1和脉冲的间隔t 2都是变化的。为了说明其调制原理，见图2-12 PWM 逆变器简单原理图，图中V 1~V 6为绝缘栅双极晶体管，由他们的交替切换来获得交流信号的输出。当V 1导通时，在A 相负载上得到的电压与V 2导通时在A 相负载上得到的电压方向相反。因此，V 1、V 2的轮流导通就可得到A 相交流电压的正、负半周。同时，其他管子的导通亦可得到三相交流电的B 相和C 相。在变频器中，V 1、V 2的导通、截止是由调制波和载波的交点来决定的。在这里，把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到期望的PWM 波形。 2/d U V 1
V 6
V 2V 3V 4V 5
A B
C
'
0调制电
路
ra u rb u rc u 2/d U d U
图2-12 PWM 逆变器简单原理图
Fig.2-12 Priciple diagram of PWM inverter