【正文】 變頻器的原理與應(yīng)用 (一 )概述 : ：轉(zhuǎn)換電能并能改變頻率的電能轉(zhuǎn)換裝置。 ： 直流傳動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)：換向器的存在；單機(jī)容量受限。 交流電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)低，維護(hù)方便，但調(diào)速困難。 交流調(diào)速飛速技術(shù)發(fā)展的原因： 電力電子器件制造技術(shù)；電力電子電路的變換技術(shù)；PWM技術(shù)，矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)；微機(jī)和大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)的數(shù)字控制技術(shù)。 一 .變頻器的原理與組成 (二 )發(fā)展趨勢(shì)與動(dòng)向 : IGBT的應(yīng)用 :載波頻率可達(dá) 16KHz,抑制噪聲和機(jī)械共震 ,電機(jī)電流在低速時(shí)波形接近正弦 ,減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 。電壓驅(qū)動(dòng) ,簡(jiǎn)化了電路 。網(wǎng)側(cè)變流器的 PWM控制 。矢量控制變頻器技術(shù)的通用化 ,無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)代表另一新技術(shù)動(dòng)向 . 無(wú)速度傳感器矢量控制的速度觀測(cè)模型 ,建模方法大體上有 : 動(dòng)態(tài)速度估計(jì)器 。模型參考自適應(yīng)方法 ?；?PI調(diào)節(jié)器法 。自適應(yīng)轉(zhuǎn)速觀測(cè)器法 。轉(zhuǎn)子齒諧波法 。滑模觀測(cè)法 . 感應(yīng)電機(jī)是一多變量 ,強(qiáng)耦合及時(shí)變參數(shù)系統(tǒng) ,圍繞它有若干研究課題 : 電機(jī)參數(shù)模型的離散化 。電機(jī)參數(shù)的自測(cè)定 。電機(jī)定子電流的控制 。電機(jī)參數(shù)的辯識(shí) 。電機(jī)狀態(tài)估計(jì) 。系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 . (二 )發(fā)展趨勢(shì)與動(dòng)向 : l?主控一體化 日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上的 DIPIPM（ 即雙列直插式封裝 ） 的研制已經(jīng)完成并推向市場(chǎng) 。 一種使逆變功率和控制電路達(dá)到一體化 ， 智能化和高性能化的 HVIC（ 高耐壓 IC） SOC（ System on Chip） 的概念已被用戶接受 ， 首先滿足了家電市場(chǎng)低成本 、 小型化 、 高可靠性和易使用等的要求 。 因此展望未來(lái) ， 隨著功率做大 ， 此產(chǎn)品在市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力 。 2?小型化 用日本富士 （ FUJI） 電機(jī)的三添勝先生的話說(shuō) ， 變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn) 。 這就是說(shuō)變頻器的小型化除了出自支撐部件的實(shí)裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化 ，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要原因 。ABB公司將小型變頻器定型為 Comp－ ACTM他向全球發(fā)布的全新概念是 ， 小功率變頻器應(yīng)當(dāng)象接觸器 、 軟起動(dòng)器等電器元件一樣使用簡(jiǎn)單 ， 安裝方便 ， 安全可靠 。 3?低電磁噪音化 今后的變頻器 都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合 EMC國(guó) ， 際標(biāo)準(zhǔn) ,主要做法是在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正 （ Active Power Factor Correction． APFC） 電路 ， 改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過(guò)零的開(kāi)關(guān)技術(shù) 。 而控制電源用的開(kāi)關(guān)電源將推崇半諧振方式 ， 這種開(kāi)關(guān)控制方式在 30－ 50M時(shí)的噪聲可降低 15－ 20dB。 4?專(zhuān)用化 通用變頻器中出現(xiàn)專(zhuān)用型家族是近年來(lái)的事 。 其目的是更好發(fā)揮變頻器的獨(dú)特功能并盡可能地方便用戶 。 如用于起重機(jī)負(fù)載的 ARB ACC系列 ， 用于交流電梯的 Siemens MICO340系列和FUJI FRN5000G11UD系列 ， 其他還有用于恒壓供水 、 機(jī)械主軸傳動(dòng) 、 電源再生 、 紡織 、 機(jī)車(chē)牽引等專(zhuān)用系列 。 5?系統(tǒng)化 作為發(fā)展趨勢(shì) ， 通用變頻器從模擬式 、 數(shù)字式 、 智能化 、 多功能向集中型發(fā)展 。 最近 ， 日本安川由機(jī)提出了以變頻器 ， 伺服裝置 ，控制器及通訊裝置為中心的 ” Damp。Mamp。C”概念 ， 并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) 。 目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng) 。 因此可以預(yù)見(jiàn)在今后 ． 變頻器的高速響應(yīng)器件和高性能控制將是基本條件 。 若希望把轉(zhuǎn)矩誤差控制在 3%以內(nèi) ,需要對(duì)磁通變化作修正(補(bǔ)償勵(lì)磁電抗引起的飽和及定子鐵損的變化 )。若希望把轉(zhuǎn)矩誤差控制在 1%以內(nèi) ,需要對(duì)定子和轉(zhuǎn)子的鐵損進(jìn)行補(bǔ)償 . 矩陣式變頻器 (三 )交流電機(jī)的調(diào)速方法 : 調(diào)壓調(diào)速 ,電磁調(diào)速 ,繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 ,串級(jí)調(diào)速 ,變極調(diào)速 ,變頻調(diào)速等 (四 )變頻器的構(gòu)成 : 9 整流器 逆變器 中間直流環(huán)節(jié) 控制電路 保護(hù)電路 (三 )交流電機(jī)的調(diào)速方法 (四 )變頻器的構(gòu)成 : (五 )變頻器的分類(lèi) : : (1)電流型 Id趨于平穩(wěn) 。四象限運(yùn)行 (2)電壓型 Ed趨于平穩(wěn) 。不選擇負(fù)載的通用性 (3)電流源供電時(shí)交流電機(jī)工作特性 : (五 )變頻器的分類(lèi) : a,電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小 。 ,在大部分的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定區(qū) . 原因 :恒流源供電時(shí) ,定子磁勢(shì)是恒定的 .空載時(shí) ,全部定子磁勢(shì)用于勵(lì)磁 ,氣隙中產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng) ,鐵心高度飽和 .負(fù)載增加時(shí) ,轉(zhuǎn)子減速而轉(zhuǎn)差率增大 ,轉(zhuǎn)子電流增加 .由于轉(zhuǎn)子電流的去磁作用 ,氣隙合成磁場(chǎng)減小 ,磁場(chǎng)變?nèi)?,先退出飽和 ,磁場(chǎng)變化緩慢 ,而未隨轉(zhuǎn)子電流的增加磁場(chǎng)很快變?nèi)?,導(dǎo)致端電壓急劇下降 ,單位轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小 ,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流進(jìn)一步增大 ,形成惡性循環(huán) ,使轉(zhuǎn)矩很快下降到較小數(shù)值 . 實(shí)際上 ,電流源不是真正的恒流源 ,等效為電壓源驅(qū)動(dòng)下的恒流源 . : (1)PAM方式 R1 X1 X2R 2 / SxmII II121m圖 6 異步電機(jī)在恒流源供電時(shí)的等值電路 由戴維南定理，開(kāi)路電勢(shì)和等效內(nèi)阻： m1th XIE ?2mg XXX ??22m22m12)XX()SR(XII???由此求出 I2: 電磁轉(zhuǎn)矩： ])XX()SR[(f2XIn3SRI3npnPT22m2212m21p2221pm1p1m??????????（ 1） nT電壓源供電轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn) 速特性 電流源供電轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn) 速特性 圖 7電流源供電機(jī)轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性 由（ 1）式畫(huà)出其轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性如圖 7。并求出最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率： )xx(f4XInT2m12m21pm a x ?? ?2m2m x a XXRS?? 電壓源供電的情況下，最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在 的地方。 )XX(RS 212m x a ??由于 ，所以在恒流源供電時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在轉(zhuǎn)差率 1m XX ??小得多的地方。電機(jī)轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性成尖峰狀，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，穩(wěn)定運(yùn)行的范圍很窄。 脈幅調(diào)節(jié) ,改變直流電壓幅值的調(diào)壓方式 . 相控整流器 。直流斬波器 . (2)PWM方式 : 整流器為二極管 ,變頻器的輸出電壓由逆變器按 PWM方式完成 . SPWM輸出電壓平均值為正弦波的 PWM方式 . : (1)V/F控制 逆變器的控制脈沖發(fā)生器同時(shí)受控于 f和 v,而 v與 f的關(guān)系由 v/f決定 . 開(kāi)環(huán)控制 ,無(wú) PG控制電路簡(jiǎn)單 ,通用性強(qiáng) ,經(jīng)濟(jì)性好 ,用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合 . (2)轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式 ,可達(dá)到直流雙閉環(huán)的水平 . (3).矢量控制 : 基于電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的控制方式 ,既控制量的大小 ,又控制方向 . 要求動(dòng)態(tài)性能較高的場(chǎng)合使用 . IGBT GTR GTO SCR IGCT MOSFET IPM 高壓變頻器 (2— 10KV) 低壓變頻器 (380V 660V) 二 .PWM技術(shù) ? :利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)通和關(guān)斷 ,把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列 ,以實(shí)現(xiàn)變頻 ,變壓及控制和消除諧波為目標(biāo)的一門(mén)技術(shù) . : f(t) t ??????????????????????????221221221100000000)()()()si nc o s()(ttttttntdtfbtdtfatdtfatnbtnaatfnnnn(1) f(t)為奇函數(shù) ,由付立葉級(jí)數(shù)的性質(zhì) :f(t)=f(t),則 a0=a0=0 ?? ?? ? ? ???? ??? 200 0222 1 s i n)(s i n)( ttdntfttdntfb ttn設(shè) f(t)幅度為 1,則 ???2011{)(?????? tttf(2) 在方波的半波內(nèi)斬為 m個(gè)脈沖 ,斬角分別為 m??? ??21則對(duì)于奇數(shù) n和奇數(shù) m有 : ????????????????mkknkmnnnnnnttdnttdnttdnb11222co s)1(]co sco sco s[]s i ns i ns i n[22124321?????????????????????(3) 對(duì)于奇數(shù) n和偶數(shù) m 有 : ?????????????????mkknkmmnnnnnnttdnttdnttdnb11222c o s)1(]c o sc o sc o s[]si nsi nsi n[22114321?????????????????????(4) 于是 ,由 (3)和 (4)式對(duì)于 奇數(shù) n和任意的 m均有 : 211210:c o s)1(?????????? ???mknmkk nb??式中(5) 對(duì)于奇函數(shù) ,偶次諧波為零 ,僅有奇次諧波 ,即 tntfnn ?? s in)(12???? ???n各次諧波的幅值為 : ?????52322531FFF???則相隔和與設(shè) ,6321 ???? ??tntfnn ??? s i nc o s)( 612????(6) 各次諧波的幅值為 : ????5335031???FFF討論 :(1)利用 PWM技術(shù)可控制逆變器的輸出波形 ,使諧波含量減少 .(2)諧波的減少是以減少基波幅度為代價(jià) . (1)自然采樣法 (2)規(guī)則采樣法 三 .異步電機(jī)變頻調(diào)速控制策略 變頻器控制的對(duì)象是電機(jī) ,首先研究電機(jī)等效圖 (一 )等效圖 : : 轉(zhuǎn)子電勢(shì)的頻率為 f2,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后 ,由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度減小 ,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)的頻率也隨之減小 ,此時(shí) : f2=f1S (1) 轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí) ,一相的電勢(shì)為 : E2= kw2 (2) 式中 : W2轉(zhuǎn)子一相繞組匝數(shù) KW2轉(zhuǎn)子繞組系數(shù) ? 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的電勢(shì)為 : E2 S = = =E2S (3) : 當(dāng)轉(zhuǎn)子無(wú)外加電阻 ,自成短路時(shí) ,其一相等值電路如圖 : = (r2+ X2S) (4) 式中 : R2 轉(zhuǎn)子一相電阻值 X2S轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的的漏抗 X2S= 其中 : X2轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)一相的漏抗 X2=L2 L2轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的漏電感 圖 (一 )轉(zhuǎn)子等值電路圖 SXLf2Lf2