MAXAUTO变频调速知识
第一节 交流变频器的基本概念
掌握交流变频调速各种基本控制方式的含义和特点
掌握变频调速系统的控制规律· n=60f/p
一、交流变频调速的控制方式
三相异步电动机变频调速的控制方式有恒磁通控制方式、恒电流控制方式和恒功率
控制方式三种。
1．恒磁通控制方式
在电动机调速时，都希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。磁通太弱，
电动机的铁心没有得到充分利用，是一种浪费；若增大磁通，又会使铁心饱和，从而导
致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电动机。直流电动机进行调速时，由
于励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持磁通的不变是很容易做到的。
但在交流异步电动机中，磁通是由定子和转子的磁动势合成产生的，比直流电动机的情
况要复杂很多。计算三相异步电动机定子绕组每相的感应电动势有效值的为：
E=4.44 ?l Nl K Φm
式中 ?1--定子频率；
N1——定子每相绕组串联匝数；
K-基波绕组系数；
Φm-每极气隙磁通。
根据上式可知，若要保持瓯不变，则当频率f从额定频率?1。向下调节时，必须同时降低Eg，使Eg/?1=常数。在电动势较高时，可以忽略定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压，U1≈E。
因此，如果定子供电电压u不变，只改变?进行变频调速，将引起气隙磁通瓯的变化，出现励磁不足或励磁过剩的现象。当频率?1从额定值(通常为50 Hz)往下降低，磁通会增加，造成磁路过饱和，使励磁电流增加。这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁损增加，电动机过热，这种情况是电动机实际运行所不允许的。反之，如果频率?从额定值往上升高，磁通将减少，同样的转子电流下将使电动机输出
转矩Te下降，电动机的负载能力下降，使电动机的利用率降低，在一定的负载下有过电流的危险。为此，通常要求磁通保持恒定，即Φm一常数。
为了保持磁通恒定，必须使定子电压和频率的比值保持不变，即：
U1 / ?1 = C
称为恒磁通控制方式
在频率变化过程中Φm始终保持恒定，所以称为恒磁通控制方式，又由于电压与频率的比值也保持恒定不变，也称为恒压频比控制方式，相当于直流电动机调压调速的情.属于恒转矩调速。在保持瓯恒定的条件下，异步电动机的机械特性曲线如图2-1所示.由图2-1可知，交流电动机的最大转矩随?l的降低而减小。当供电电源频率轲 时，电动机最大转矩与额定频率时的最大转矩相似，机械特性曲线斜率也变化不大。
频率较低时，最大转矩和机械特性曲线的斜率就会出现较大的变化，这是由于定子缚
的内阻引起的电压降在低速时相对影响较大和气隙磁通变化引起的。在低频运行时，
矩较小，带负载的能力差，所以只适用于调速范围不大或转矩随转速下降匝越少负
载，如风机、水垂箜卫如希望得到具有较大调速范围，可以采用专门电路，在低速时人为地适当提高电压Ul，以补偿定子阻抗压降的影响，使磁通基本保持不变，实现恒磁通恒转矩频调速。
2．恒电流控制方式
恒流变频调速控制方式就是要求在电动机变频调速过程中定子电流I保持恒定；因此，要求变频电源是一种恒流源，电动机在变频调速过程中始终保持定子电流为绛值。由于变频器的电流被控制在给定的数值上，所以在换流时没有瞬时的冲击电流，调速系统的工作比较安全可靠，特性良好。恒流变频系统与恒磁通变频系统是相似的，均属于恒转矩调速。但恒流变频系统的最大转矩Tm要比恒磁通变频系统的最大转赶得多，故恒流变频系统的过载能力比较小，只适用于负载变化不大的场合。
3．恒功率控制方式
电动机工作在额定状态下，?l= ?ln。且Ul =U1N，为了使电动机转速超过额定转速，定子供电电源频率由额定值?l。向上增大。但定子电压Ul受额定电压UlN的限制不能再升高，只能保持Ul =UlN不变。这样一来，气隙磁通就会小于额定磁通，导致转矩的减小。而电动机的允许输出功率保持近似不变，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似恒功率调速，其机械特性如图2-3所示。
(1) PAM控制方式。PAM控制方式是由相控晶闸管整流器或直流斩波器改变直流电压的幅值进行调压的方式，从而实现对变频器输出电压调节，而变频器中的逆变电路只负责调节输出频率，因此，属于同步调速方式。平滑直流电源是由滤波电路使用直流电抗器或大容量电解电容器来实现的。当滤波电路使用大电容时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，采用恒压源的变频器称为电压源变频器；而当滤波电路使用直流电抗器时，直流电压波形也比较平直，对负载来说基本上是一个恒流源，采用恒流源的变频器称为恒流源变频器。
PAM控制方式由于控制回路简单，易于大容量化，长期以来占主流地位。但其缺
点是由于有大容量电容，电压控制响应慢，不适于要求加、减速快的系统。另外，由于
采用变流器的相位控制来调节电压，交流输入侧的功率因数变坏，特别是在电压低的范
围内尤为严重。为了改善功率因数，可采取将交流电源以二极管整流桥进行全波整流，
在直流侧采用斩波器调节电压的方法，这时输入功率因数将变得相当好。
(2) PWM控制方式。PWM控制方式是在保证输出电压的幅值不变的情况下，通
过改变其时间宽度来调节平均电压的大小。变频器中整流器使用不可控二极管整流电
路，变频器的输出电压和输出频率的调节均由逆变器按PWM方式完成为脉宽调制。变
频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率，因此，它属于异步调速方式。
PWM控制方式的控制电路中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于1，可控的功率开关元件少，简化了结构。由于逆变器本身同时完成调频和调压任务，因此，与中间滤波环节无关，变频器的动态响应速度快。输出电压的谐波分量极大地减小，能抑制或消除偶次谐波，实现近似正弦波的输出电压波形。
2．转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制系统
采用U/?比例控制时，异步电动机在不同频率下都能获得较硬的机械特性线性段。在生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高，如风机、水泵等的节能调速，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制系统，该控制系统结构最简单，成本也比较低。
给定积分器将阶跃信号Uw转换成按设定斜率逐渐变化的正、反向控制信号Ug，以
防止产生很大的冲击电流，使电压和转速都能平缓的升高和降低。由于正、反向控制信
号Ug有正负两种情况，而改变电动机转向只需改变变频器输出电压的相序，不需要在
电压和频率的控制信号上反映极性，所以设置了绝对值变换器GAB，将Ug信号转换成
只输出绝对值的控制信号UK。
电压控制环节是用来控制可控整流器UR直流输出电压的。电压控制环节一般采用
电压、电流双闭环结构，电流调节器ACR为内环，电压调节器AVR为外环。电流调
节器ACR可以限制动态电流并兼起保护作用。电压调节器AVR是用来控制变频器的
输出电压的。控制电压信号UK经过函数发生器GF，相对提高为Uv用以补偿定子阻抗
的压降，改善低速时的机械特性，提高带负载的能力。
电压型逆变器VSI的输出频率由频率控制环节来进行控制。频率控制环节一般由
压频变换器GVF、环形分配器DRC和脉冲放大器AP等组成。压频变换器GVF是一
个由电压控制的振荡器，其作用是将控制信号UK变换为所需频率的脉冲列，再通过环
形分配器DRC和脉冲放大器AP，为逆变器工作提供脉冲信号。
在可逆系统中采用可逆计数器，由Ug经极性鉴别器DPI获得正、反向信号来控制加、减法。每次做“加1”或“减1”运算来改变相序，从而改变电动机的转向。
在交流一直流一交流电压型变频器的调速系统中，由于中间直流回路存在大滤波电
容Cd，电压的实际变化很缓慢，而频率控制环节的响应是很快的，所以在压频变换器
前面加设一个频率给定动态校正器GFC，让频率的变化也慢些，希望与电压在动态过
程中一致起来。GFC的具体参数可在调试中确定。
3．转差频率控制系统
直流电动机的转矩与电流成正比，控制电流就能控制转矩，问题比较简单。因此，
在直流双闭环调速系统中，转速调节器的输出信号实际上就代表了转矩给定信号。
异步电动机的转矩为：
式中Cm -电动机转矩常数；Φm——气隙磁通，Wb； I2-转子电流，A; cosφ2-转子功率因数。
可以看出，在交流异步电动机中，影响转矩的因素很多。而这些量又都和转速有
关，所以控制交流异步电动机转矩的问题就比较复杂了。
当电动机稳定运行时，转差率s很小，因而转差角频率叫。Ws=swl也很小，可得到转矩的近似公式为： Te≈KmΦmWs/R2 式中 Km——转矩系数；
R2-转子电阻，Ω
上式表明，在s很小的范围内，只要能够维持Φm不变，异步电动机的转矩就近似
与转差角频率Ws。成正比。这就是说在异步电动机中，控制Ws就和直流电动机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念．。
(1)转差频率控制规律。在恒磁通条件下的机械特性曲线如图2-5所示。图中
wsm～Tem为限幅值。由图可知，当Ws。较小时，转矩Te基本上与Ws。成正比。当Ws - Wsmax时，Te—Temax所以在转差频率控制系统中，只要给Ws 限幅，就可以基本保持Te与Ws成正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这就是转差频率控制的基本规律之一。
上述的规律是在保持Φm恒定的前提条件下成立的，如何才能保持Φm恒定可以从分析磁通与电流的关系来着手解决。
当忽略饱和与铁损时，气隙磁通Φm与励磁电流Io成正比，而励磁电流相量Io是
定、转子电流的相量I1`I2之差，即：
I1=I2+I0
Io是定子电流Il的一部分。在笼形异步电动机中，折合到定子的转子电流I2是难以直接
测量的，于是只能根据负载变化调节Il来维持I0不变。根据异步电动机的稳态等效电
路可知，当Φm或I0不变时，I0随转差频率WS。变化的规律如图2-6所示。
2)转差频率控制系统的特点
1)采用电流型变频器，使控制对象具有较好的动态响应，而且便于回馈制动，实
现四象限运行。这是提高系统动态性能的基础。
2)和直流电动机双闭环调速系统一样，转速环是外环，电流环是内环。转速调节
器ASR的输出是转差频率给定值Uws，代表转矩给定。
3)转差频率ws分两路分别作用在可控整流器UR和逆变器CSI上。前者通过Il=
f(ws)函数发生器GF，按Uws的大小产生相应的Ui1信号，再通过电流调节器ACR控
制定子电流，以保持Φm为恒值。另一路按ws+w=w1，的规律产生，对应于定子频率w1，的控制电压Uw1决定逆变器的输出频率。这样就形成了在转速外环内的电流一频率协调控制。
4)转速给定信号Uw反向时，Uws、Uw、Uwl都反向。用极性鉴别器DPI判断Uwl
的极性，以决定环形分配器DRC的输出相序，而Uwl信号本身则经过绝对值变换器
GAB决定输出频率的高低，这样就很方便地实现了可逆运行。
3)转差频率控制系统的优点与不足
1)转差频率控制系统的优点。转差频率控制系统的优点就在于频率控制环节的输
入是转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的，即Uw1=Uw+
Uws。这样在转速变化过程中，实际频率w1，随着实际转速n同步地上升或下降。与转速开环系统中按电压成正比地直接产生频率给定信号相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。同时，由于在动态过程中转速调节器饱和，系统能够以限幅转矩进行控制，也保证了在允许条件下的快速性。因此，转速闭环转差率控制的交流变频调速系统基本上具备了直流电动机双闭环控制系统的优点，是一个比较好的控制方式，结构也不算复杂，有广泛的应用价值。
2)转差频率控制系统的不足。如果仔细分析转差频率控制系统的静、动态性能，
就会发现该系统还不能完全达到直流双闭环系统的水平。存在差距的原因有以下几个
方面： ①在分析转差频率控制规律时，是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，因此，所得到的“保持磁通Φm恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中Φm如何变化还没有去研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。
②电流调节器ACR只控制了定子电流的幅值，并没有控制到电流的相位，而在动
态中电流相位如果不能及时赶上去，将会使动态转矩的调节时间延长。
③Il=f(ws)函数是非线性的，采用模拟的运算放大器时，只能按分段线性化方
式来实现，而且分段还不能很细，否则会造成调试的困难。因此，在函数发生器这个环
节上还存在一定的误差。
④在频率控制环节中，取w1=ws+w使频率w1得以和转速同步升降，这就是转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰成分，如测速发电机的纹波等，也会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。鉴于基本型转差频率控制系统存在的上述问题，许多学者提出了各种改进方案，最突出、最具有革命性的方案当属矢量控制系统，它从本质上解决了上述的多数问题，为高性能的交流变频调速系统打开了突破性的道路。
4．矢量控制系统
由于转差频率控制方式引入了速度反馈，因此其性能优于开环的U/f比例控制方式，可以适用于对速度和精度有较高要求的调速系统。但由于转差频率控制的基本关系是根据稳态机械特性推导出来的，没有考虑到电动机电磁惯性的影响，所以其动态性能仍不够理想。
矢量控制的基本思想是模仿直流电动机的控制方式，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标变换，就能够控制异步电动机了。进行坐标变换的是电流（代表磁动势IN） 的空间矢量，所以这种通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统，或称矢量控制系统。针对异步电动机，从矢量分析的角度分析，可以把定子电流分解为产生磁场的电流分量（磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），这两个分量是互相垂‘直的。所以，通过控制电动机定子电流的大小和相位（即对定子电流的电流矢量进行控制），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。
当前，在变频器中得到实际应用的矢量控制方式包括转差型矢量控制系统和无速度检测器的矢量控制系统两种。
(1)转差型矢量控制系统。矢量控制的基本原理是：通过控制电动机定子电流的幅值和相位（即电流矢量），来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特性的目的。
(2)无速度检测器的矢量控制系统。转差型矢量控制变频器在使用时，需要在异步电动机上安装速度传感器。所以，这种变频器不能充分发挥异步电动机本身结构简单、坚固耐用等特点。并且，在由于电动机本身或所在环境的原因无法在电动机上安装速度传感器和对控制性能要求不是特别高的情况下，往往采用无速度传感器的矢量控制方式的变频器。
无速度传感器的矢量控制方式，是以磁场定位矢量控制理论为基础的。为了实现这种控制方式，需要在异步电动机内安装磁通检测装置，虽然该理论早就已得到验证，但在实践中一直未能得到推广和应用，早期的矢量控制变频器基本上多是采用转差型矢量控制方式。
现在，随着传感器技术的发展和现代控制理论在变频调速技术中的应用，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在变频器内部通过对某些变量的计算得到与磁通相应的量（即现代控制理论中所谓的“观测器”），并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。
无速度传感器矢量控制方式的基本控制思想是：分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令及检测值达到一致，从而实现矢量控制。
第二节 直流斩波器
掌握直流斩波器的分类及工作原理
一、直流斩波器及其工作方式
直流斩波器是接在直流电源与负载之间，将恒定直流电压变换为可调直流电压的装置，也可称为直流一直流变换器。
在图2-10所示的晶闸管直流斩波器中，将晶闸管 图2-10晶闸管直流斩波器交流变频调速作为开关，通过控制其通断时间的
比值，在负载上获得大小可调的直流平均电压Ud。
斩波器输出电压平均值Ud为：
Ud=uτ/TU 式中U-直流电源电压，V；
T-斩波器的通断周期，Hz；
τ——斩波器的导通时间，s。
由上式可知，只要改变r/T的大小，就可以改变斩波器的直流输出电压。因此，
降压型直流斩波器常用的方法有定频调宽法、定宽调频法和调频调宽法三种。
1．定频调宽法
定频调宽法又称脉冲宽度调制( PWM)
方式，这种方法是在保持晶闸管触发频率不
变（即周期T不变）的同时，通过改变晶
闸管的导通时间r，来改变斩波器的输出平
均电压值Ud，。
2．定宽调频法
定宽调频法又称脉冲频率调制(PFM)方式，
这种方式是在保持晶闸管导通时间r不变的同时，
通过改变晶闸管的触发频率(即改变周期T)来改
变斩波器的输出平均电压值Ud，
3．调频调宽法
调频调宽法又称混合调制，这种方法是同时
改变晶闸管触发频率和导通时间，来改变斩波器
的输出电压平均值Ud。
二、晶闸管直流斩波器的工作原理
晶闸管直流斩波器的换流方式有电压换流和电流换流两种。
1．采用电压换流的晶闸管直流斩波器工作原理
采用电压换流的晶闸管直流斩波器简化主电路,电路中VT1为主晶闸管，以斩波器频率被定时触发；VT2为辅助晶闸管；VT1、VD1、L组成振荡器电路；VT2、C等组成为关断VT1而设置的换流关断电路。
电压换流电路可分为以下几个工作过程：
(1)接通电源后，电源经VT2和负载
对电容C充电，Uc逐渐上升。当UC上升到接近电源电
压U，而充电电流小于VT2的维持电流时，VT2自然关断。
(2)为触发主晶闸管VT1使其导通，电
源通过VT1给负载供电。同时电容C经过导通的VT1、L、
VD1构成放电振荡电路，使电容上的电压先减少，然后
反向充电，当Uc接近负的电源电压时，振荡停止，在此
期间VT1维持导通。
能够掌握变频器的分类
能够正确地使用变频器
一、变频器的分类
通过对变频调速控制方式的分析可知，要实现异步电动机的变频调速，需要具有一个电压、频率均可调的变频装置。变频器就是将直流电或工频交流电变换成频率可调的交流电，供给需要变频的负载。
1．按供电电压分类
低压变频器(110 V、220 V、380 V)、中压变频器(500 V、660 V、1140 V)和
高压变频器(3 kV、3.3 kV、6 kV、6.6 kV、10 kV)。
2．按供电电源的相数分类
单相输入变频器和三相输入变频器。
3．按变频过程分类
交一交变频器和交一直一交变频器。交一交变频器，即将工频交流直接变换成频率、电压可调的交流，又称直接式变频器。由于直接变频器输出的最高频率较低，所以 使用于频率低、容量大的交流供电系统；交一直一交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率和电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器
4．通用变频器分类
(1)按变频器直流电源的性质分为电流型变频器和电压型变频器。
电流型变频器的特点是：中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波。由于该直流内阻较大，故称电流源型（电流型）变频器。电流型变频器能够扼制负载电流频繁而急剧的变化，常选用于负载电流变化较大的场合。
电压型变频器的特点是：中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常适用于负载电压变化较大的场合。
(2)按变频器输出电压调节方式分为PAM输出电压调节方式变频器和PWM输出电压调节方式变频器。
(3)按变频器中逆变器的换流方式分为负载谐振换流和强迫换流。
(4)按变频器控制方式分为U/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式。
(5)按变频器中使用的电力电子器件分为普通晶闸管和自关断功率器件。
(6)按变频器的性能分为普通型、多功能型和高性能型。
1．变频器的选择
通用变频器的选择包括变频器的形式选择和容量选择两个方面，总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。
根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的多功能型U/f控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行，对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器；对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械，采用具有转矩控制功能的多功能型变频器则是比较理想的，因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。也有采普通功能型变频器的例子。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量办法；对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），采用矢量控制高性能型通用变频器。
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大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可驱动电动机功率和额定容量，中后两项由变频器生产厂家按国家或企业标准生产的电动机给出，或随变频器输出电而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一反映半导体变频装置负载能力的关键物理量。负载电流不超过变频器额定电流是选择频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼型异步电机的额定电流。冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动，应保证在无故障状态下负载总电均不超过变频器的额定电流。
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2．通用变频器的应用实例
目前，绝大多数燃烧控制系统中的风量调节都是通过调节风门挡板实现的，这种风
调节方式不但使风机的效率降低，也使很多能量白白消耗在挡板上。如果在锅炉的送
机和引风机上采用变频器进行无级调速，可以节约能量，提高锅炉燃烧控制水平，增
经济效益。
这里以三菱FR F540型通用变频器在锅炉风机节能控制上的应用为例进行介绍900 kW40型RS-485 PID菱公司生产的风机、水泵类专用变频器’功率从o．75千瓦到900 kW，内置RS-485、PID功能，可通过选件实现制动等其他功能。
(1)特点。FR F540变频器是一种交一直一交型变频器。其主电路使用二极管整流电
路，将输入的三相交流电变换为直流电，使用电容进行滤波，所以它是一种电压型变频器。逆变器采用脉宽调制方式进行变频，并在变频的同时可进行变压。该变频器具有
下优点：
2．通用变频器的应用实例
目前，绝大多数燃烧控制系统中的风量调节都是通过调节风门挡板实现的，这种风
调节方式不但使风机的效率降低，也使很多能量白白消耗在挡板上。如果在锅炉的送
机和引风机上采用变频器进行无级调速，可以节约能量，提高锅炉燃烧控制水平，增经济效益。
1)采用最适磁通控制方式，可实现更高节能运行，使电动机效率得到最大幅度的提高.
2)输出频率调节范围从0～120 Hz。
3)输出电压调节范围可以从O V一直调到主电源电压。
4)内置PID、变频器／工频切换和多泵循环运行功能。
5)柔性PWM，实现更低噪声运行。
6)内置RS-485通信口。
7) 75 kW以上随机带直流电抗器。
(2) FR F540型变频器的接线。FR F540型变频器接线图。
1)主回路端子说明。主回路各端子名称和作用。
2)控制回路端子说明。控制回路各端子名称和作用。
(3) FR F540型变频器的操作面板。FR F540型变频器的操作面板
，FR F540型变频器的操作面板上各按键的名称和作用见，各显示信号的说明。
