变频驱动技术

➢ 转差频率控制变频器
转差频率控制方式是对电压频率比控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的 速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的 输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。
➢ 矢量控制变频器
矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的 大小和相位，以便对电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的 目的。无速度传感器的矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然 后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。 这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专 门的处理器来进行计算。
（2）IGBT等逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的 比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f 控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产，其中合资企业占很大比 重。
（3）负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄 水能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国 内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率装置国内配套， 自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。
执行机构
风机、泵等
交、直流调速系统的特点
直流调速系统特点： 控制对象：直流电动机 控制原理简单，一种调速方式 性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化） 电机设计功率受限 电机易损坏，不适应恶劣现场 需定期维护
交流调速系统特点： 控制对象：交流电动机 控制原理复杂，有多种调速方式 性能较差，对硬件要求较高 电机无电刷，无换向火化问题 电机功率设计不受限 电机不易损坏，适应恶劣现场 基本免维护
变 频 驱 动技 术
安徽职业技术学院 刘丽
绪论
以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之 为交流（直流） 调速系统，也称交流（直流）电气拖动系统。变频调 速技术是交流电气传动系统的一种。
目的
根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或 输出转矩。 意义
序号 1 2 3
更高速率和容量
PWM优化 新一代开关技术
大功率传 动使用变 频器，体 积大，价 格高
变频器体 积缩小， 开始在中 小功率电 机上使用
超静音变频器开始流行 解决了GTR噪声问题 变频器性能大幅提升 大批量使用，取代直流
未来发展方向 完美无谐波 如：矩阵式变频器
8.1.3 变频调速技术的发展趋势
❖ 1）实现变频器的人工智能化； ❖ 2）开发清洁电能的变频器； ❖ 3）实现软开关化； ❖ 4）实现变频器硬件的集成化； ❖ 5）实现变频器的通信网络化和技术规格标准
化。
8.1.4 变频器的分类
1.按变换环节分类
按变换环节来分可以分为交-交直接变频器和交-直-交间接变频器。
1）交-交直接变频器
优点：没有中间环节，变换效率高。 缺点：总设备投资大，交-交变频器的最大输出频率为30HZ， 其应用受到限制。
2）交-直-交变频器：
～
整流部分
储能环节
逆变部分
M
交流
直流
电流型变频器
中间环节是电感很大的电抗器 滤波，电源阻抗很大，直流环 节中的电流ID可近似于恒定， 逆变器输出电流随之恒定，相 当于理想的电流源，称为交－ 直－交电流型变频器。
输出交流电流是矩形波或阶梯 波，电压波形接近于正弦波
3)按控制方式分类
➢ 电压频率比控制变频器
电压频率比控制是为了得到理想的转矩—速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时， 又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
➢ 直接转矩控制变频器
直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。它是利用 空间电压矢量PWM（SVPWM）通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现 的。直接转矩控制还可用于普通的PWM控制，实行开环或闭环控制。
4)按功能分类
➢ 恒转矩变频器 恒转矩变频器控制的对象具有恒转矩特性，在转速精度及动态性能等
国内调速技术现状
（1）晶闸管交流器和开关断器件（DJT、IGBT、VDMOS）斩波器供电的直流调速 设备。随着交流调速的发展，该设备在缩减，但由于我国旧设备改造任务多，以 及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多，所以在短期内有一定市 场。国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来 主要采用进口数字控制器配国产功率装置。
意义 节能 提高产品质量 改善工作环境
有代表意义的行业或设备 风机、水泵、注塑机 机床、印刷、包装等生产线 电梯、中央空调
注：并不是所有的设备使用调速装置后都可以节能
调速系统构成
交流电源 输入
直流 调速 装置
直流输出 直流 电机
中间传动机构
终端机械
变频 器
交流 调速 装置
交流输出
交流 电机
皮带轮、齿轮箱等
变的适合交流电机调速的电力电子变换装置。 我们常见的驱动器可以包括：交流驱动器（驱动交流电机：如异步电机、同步电机
、步进电机、伺服电机等，）、直流驱动器（驱动直流电机）两个部分。 变频器是VVVF（变压变频）的简易说法，国外的资料一般都叫交流驱动器（AC
driver（ inverter）），很明显变频器其实是交流驱动器的一种。
直流
交流
控制系统
交-直-交变频器主要有3种结构形式
调压和调频分别在两个环节 上，由控制电路进行协调， 但电网侧的功率因数低，输 出谐波大。
整流环节采用不可控 整流，增设斩波器进行 调压，再用逆变器变频 ，克服了功率因数低的 缺点，输出谐波仍大。
调压和调频都在逆变器上 进行，输出电压是一系列 脉冲，调节脉冲宽度就可 以调节输出电压值，是最 好的一种调压调频方法。
5)按用途分类
❖ 通用变频器 通用变频器是指能与普通的笼型异步电动机配套使用，能适应各种
不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。 ❖ 高性能专用变频器
高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要求较高的系统，与 通用变频器相比，高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式，驱动对 象通常是变频器厂家指定的专用电动机。 ❖ 高频变频器
E1=4.44ƒ1N1KN1Φm=U1+△U
漏阻抗压降
式中:
E1——定子绕组的感应电动势有效值 N1 ——定子每相绕组的匝数
KN1——定子绕组的绕组系数， KN1 <1
ƒ1 ——定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率 Φm ——主磁通
可见：
E1∝ƒ1Φm
将△U忽略，则E1≈U1∝ƒ1Φm
当U1 ≈ E1=const时，由E1≈U1∝ƒ1Φm 知，ƒ1↓→Φm↑→电动机磁路过饱 和，导致过大的励磁电流，电动机因绕组过热而损坏。
方面要求一般不高，当用变频器实现恒转矩调速时，必须加大电动机和 变频器的容量，以提高低速转矩。恒转矩变频器主要应用于挤压机、搅 拌机、传送带、提升机等。 ➢ 平方转矩变频器
平方转矩变频器控制的对象，在过载能力方面要求较低，由于负载转 矩与转速的平方成正比，所以低速运行时负载较轻，并有节能的效果。 平方转矩变频器主要应用于风机、泵类。
在超精密加工和高性能机械中，常常要用到高速电动机，为了满足 这些高速电动机的驱动要求，出现了采用PAM控制方式的高频变频器， 其输出频率可达到3 kHz。
6.按输出电压调制方式分类
按输出电压的调制方式分为脉幅调制（PAM）方式和 脉宽调制（PWM）方式。
（1）脉幅调制
可控整流器调压，逆变器调频， 调压和调频分别在两个不同的 环节上进行，控制复杂，较少 采用。
❖
SPWM（Sinusoidal PWM）正弦波脉宽调制型 ，SPWM控制方式
2．按直流电路的滤波方式分类
交-直-交变频器中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此， 变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。
中间环节是大电容器滤波， 使直流侧电压UD恒定，变 频器的输出电压随之恒定， 相当于理想的电压源，称 为交-直-交电压型变频器。
输出交流电压是矩形波或阶梯 波，电流波形接近于正弦波
8.1.2 变频调速的发展历程
60年代
电机控制 算法
70年代 V/F控制
80年代
90年代
00年代
矢量控制
无速度矢量控制
电流矢量V/F
算法优化
电力电子
SCR
GTR
器件
IGBT
IGBT大容量化 更大容量 更高开关频率
微机控制 技术
PWM技术
单片机 DSP
PWM技术 SPWM技术
高速DSP 专用芯片
空间电压矢量 调制技术
2、变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）
序 优点 号 1 平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全 2 在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度 3 无级调速，调速精度大大提高 4 电机正反向无需通过接触器切换 5 非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制
（2）脉宽调节
脉宽调节（Pulse Width Modulation，PWM）方式指变 频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。 调节过程中，逆变器负责调频调压。
8.1.5 变频调速原理
1）交流异步电动机变频调速原理
由异步电动机的转速公式：
n
n1 (
1
s
)
60 f1 p
(1
s
)
可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：