变频器转差频率的控制原理
变频器结构和工作原理
三、变频器的结构原理
1、变频器的分类：
交～交型:将频率固定的交流电源直接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，变换率高。但其连续可调的频率 范围较窄。主要用于容量较大的低速拖动系统中。又称直接式变频 器。 交～直～交型:先将频率固定的交流电整流后变成直流，在经过逆变 电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。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上就有明显优势。 又称为间接性变频器。
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
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。
变频器的工作原理和控制方式
变频器的工作原理和控制方式近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。
如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。
下面结合作者的实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式：1 变频器的工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n＝60 f(1－s)/p (1)式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2变频器控制方式低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。
其控制方式经历了以下四代。
2.1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
转差频率控制原理
转差频率控制原理：当稳态气隙磁通恒定时．异步电机的机械特性参数表达式为：()()()220222102222221211)(3⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆Φ=+=σσωωωx n n r r n n C sx r r s E P T n (2-1)当实际转差额定空载转速相比很小时（0n n <<∆） ，220r x n n <<∆σ ,可以从式中约去，这样式(2-1)可以简化为：()()2022222102n r C r r n n C T smn m n 'Φ=∆Φ≈ωω 其中1602ωπωn np s ∆=∆=(2-2) 从式(2-2)中可得，当转差频率s ω较小且磁通m Φ恒定时，电机的电磁转矩T 与s ω成正比。
这时只要控制转差频率s ω就能控制转矩T ，从而实现对转速的控制。
若要使转差频率s ω较小，只要有提供异步电动机的实际转速反馈即可实现。
若要保持m Φ为恒值，即保持励磁电流m I 恒定，而励磁电流m I 与定子电流1I 有如下关系，()()[]()222221221σσωωωL r L L r f s m ms '+''++'I ==I （2-3） 因此若，1I 按照上述规律变化，则m I 恒定，即m Φ恒定。
转差频率控制策略是：利用测速环节得到转速ωU 与转速给定*ωU 、比较，限制输出频率，使转差率S U ω (即S ω)不太大；控制定子电流1I ，使得励磁电流m I 保持恒定；这时控制s ω实现调速。
系统原理图如图2-l 所示。
图2-l 转差频率控制变频调速系统原理图从图2-1可知．系统由速度调节器、电流调节器、函数发生器、加法器，整流与逆变电路，PWM 控制电路，异步电动机及测量电路等组成，其中异步电动机由SPWM 控制逆变器供电。
转速调节器ASR 的输出是转差频率给定值ωU ,表转矩给定。
函数发生器输入转差频率产生*1i U 。
变频器的原理
由戴维南定理，开路电势和
等效内阻：
E th I1X m
R1 I1 I
X1
X2 I2
ห้องสมุดไป่ตู้
Xg Xm X2
Im
1
xm
R2/S
由此求出I2:
I2 I1X m R2 2 ( ) (X m X 2 ) 2 S
图(七) 异步电机在恒流源供电时 的等值电路
变频器原理
希望森兰科技股份有限公司
一.变频器的原理与组成
(一)概述:
1.定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置。 2.交流调速技术发展的概况与趋势： 交流电机：结构简单，价低，动态响应好、维护方便，但调速困难。 直流电机：结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大；机械换向 器的换向能力限制了电动机的容量（单机容量12000kW~14000kW）、电压和
由v/f决定。
开环控制，无PG控制电路简单，通用性强，经济性好，用于速度精度 要求不十分严格或负载变动较小的场合。
(2)转差频率控制 转差补偿的闭环控制方式，可达到直流双闭环的水
平。
(3)矢量控制:
基于电机动态模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方 向. 要求动态性能较高的场合使用。 4、按主电路使用的器件 IGBT GTR GTO SCR IGCT MOSFET IPM 5、按使用的电压
DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功 率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC （System on Chip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小 型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品 在市场上极具竞争力。
电力电子变频器及PWM控制原理
（2）换流时不能插入死区，以防止感性负载与线路分 布电感由于开路而感应瞬时高电压，威胁功率器件安全， 因此三组开关也不能同时断开。也就是说，既不允许两组 开关同时导通，也不允许有切换死区，所以必须有严格的 逻辑控制。
2.1.2 矩阵式交-交变频器
u1 ~
VT1p is1 VT1n iL R
2.1.2 矩阵式交-交变频器
1. 电路结构
K1
三相输入
L
a
C
TA1
b
c
TA2
A
K2 控制电源
n 输入电压 检测变压器
B
~ ua ~ ub ~ uc a SAa SAb b SAc c A uCA uAB B uBC C
TA3
C
图2-4 矩阵式交-交变频器的主电路
SBa
2. PWM控制方式
它是把变压（VV）与变频（VF）集中于逆变器完成，即前面为 不可控整流器，中间直流电压恒定，而后由逆变器同时完成变压与
变频，逆变器采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的方式，
简称PWM控制方式。
2.2 交-直-交变频器
交-直-交变频器根据不同的标准进行分类，如下所示：
wt
uo
O
wt
io
O 1 2 图4-20 3 4 5 6
wt
u I = U dm cos I
设期望的A相输出电压为
u A = U Am sinwt
则该电压应由整流组I与整流组IV切换提供， I组供电电压为
u I = U dm cos I
称作周波变换器(Cycloconveter）。
CVCF VVVF
变频器的原理与操作
三、基本功能参数一览表
参数 编号
名称
单位
初始值
0
转矩提升
0.1%
1
上限频率
0.01HZ
2
下限频率
0.01HZ
3
基底频率
0.01HZ
4 3速设定(高速)RH 0.01HZ
5 3速设定(中速)RM 0.01HZ
6 3速设定(低速)RL 0.01HZ
·将启动指令设定为ON后电机便开始运转，
·同时根据频率指令（设定频率）的大小决
定电机的转速，
·将启动指令设定为OFF后电机便停止运转。
启停指令的来源有三种：
1.控制面板（PU）
·变频器控制面板上有FWD、REV和STOP
按键，可以设定它们为启停指令。
·这种启停变频器的方法是最基本的控制方
法，常用于单台变频器的控制或者变频器 的测试。
启停指令的来源有三种：
2.接线端子（EXT）
变频器外部接线端子条上有STF、STR、 STOP等端子,可以设定它们与公共端子 SD之间的通断(通过外部开关、扳钮、按 钮或者PLC上的开关量输出)为启停指令。
这种启停变频器的方法用得最普遍，常用 于多台变频器的联合控制或者安装在柜内 的变频器控制。
启停指令的来源有三种：
变频是交流电机调速的主要方法
异步电动机的速度表达式：
n 60 f1 (1 s) 转/分 np
如果
频率f1=50Hz, 极对数np=2,
则转速=1440转/分
转差率s=0.04，
交流电动机的转速与频率成正比
如果
频率f1=10Hz, 极对数np=2, 则转速=240转/分 转差率s=0.04，
变频调速原理
异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。
作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。
近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。
1 变频调速原理n＝60 f(1－s)/p (1)式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。
变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
2 谐波抑制变频器使用的突出问题就是谐波干扰，当变频器工作时，输出电流的谐波电流会对电源造成干扰。
虽然各变频器厂家对变频器谐波的治理均采取了措施且基本达到国家标准要求，但谐波仍然是变频器选型和使用中最需要关注的问题。
变频器的输出电压中含有除基波以外的其他谐波。
较低次谐波通常对电机负载影响较大，引起转矩脉动，而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加，使电机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制。
由于变频器的整流部分采用二极管不可控桥式整流电路，中间滤波部分采用大电容作为滤波器，所以整流器的输入电流实际上是电容器的充电电流，呈较陡的脉冲波，其谐波分量较大。
为了消除谐波，主要采用以下对策：a.增加变频器供电电源内阻抗通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。
《变频技术应用》第7章 习题7解答
《变频技术应用》第7章 习题7解答1. 什么是U ／f 控制？变频器在变频时为什么还要变压？答：U ／f 控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使U ／f 为常数，变频器在变频时还要变压是为了使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。
2.说明恒U ／f 控制的原理。
答：E 1为每相定子绕组的反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的，其有效值计算如下：M N N k f E Φ=111144.4由于4.44k N1N 1均为常数，所以定子绕组的反电势E 1可用下式表示：M f E Φ∝11在额定频率时即f 1=f N 时，可以忽略△U ，可得到：U 1 ≈ E 1因此进而得到： U 1 ≈ E 1∝f 1ΦM此时若U 1没有变化，则E 1也可认为基本不变。
如果这时从额定频率f N 向下调节频率，必将使ΦM 增加，即f 1↓→ΦM ↑。
由于额定工作时电动机的磁通已接近饱和，ΦM 增加将会使电动机的铁心出现深度饱和，这将使励磁电流急剧升高，导致定子电流和定子铁心损耗急剧增加，使电动机工作不正常。
可见，在变频调速时单纯调节频率是行不通的。
为了达到下调频率时，磁通ΦM 不变，可以让=11f E 常数 有U 1 ≈ E 1，即可写为：=11f U 常数 因此，在额定频率以下，即f 1＜f N 调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒U ／f 控制。
3.什么是转矩补偿？答：转矩提升是指通过提高U ／f 比来补偿f x 下调时引起的T Kx 下降。
即通过提高U x (k u ＞k f )使得转矩T Kx 提升4.转矩补偿过分会出现什么情况？答：如果变频时的U ／f 比选择不当，使得电压补偿过多，即U x 提升过多，E x 在U x 中占的比例会相对减小(E x ／U x 减小)，其结果是使磁通ΦM 增大，从而达到新的平衡。
即： ↑→↑→Φ↑→↑→↓→↑↑→xx x M x x x U E E I I U E U 01 由于ΦM 的增大会引起电动机铁心饱和，而铁心饱和会导致励磁电流的波形畸变，产生很大的峰值电流。
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如果保持电动机的气隙磁通一定，则电动机的转矩及电流由转差角频率决定，因此，若添加控制电动机转差角频率的功能，那么异步电动机产生的转矩就可以控制。
转差频率是施加于电动机的交流电压频率与电动机速度（电气角频率）的差频率，在电动机转子上安装测速发电机（PG）等速度检出器可以检测电动机的速度，检测出的转子速度加上转差频率（与产生所要求的转矩相对应）就是逆变器的输出频率。
在电动机允许的过载转矩（额定转矩的150%~200%）以下，大体可以认为产生的转矩与转差频率成比例。
另外，电流随转差频率的增加而单调增加。
所以，如果给出的转差频率不超过允许过载时的转差频率，那么就可以具有限制电流的功能。
为了控制转差频率，需要增加检测电动机速度的装置，虽然设备成本提高了，但系统的加减速特性和稳定性比开环的U/f控制获得了提高，过电流的限制效果也变好。
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