【正文】 部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。 控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 圖 1 變頻器 的基本構(gòu)成 表 1 將實(shí)用化的 變頻器 按主電路方式、控制方式等分類。 變頻器的分類與控制 一、 電壓型與電流型 作為主電路方式有電壓型 變頻器 和電流型 變頻器 。 圖 2 考慮了諧波的異步電動(dòng)機(jī)等效電路 (一 )電壓型 電壓型逆變器的原理圖及其動(dòng)作如圖 3 所示。在時(shí)刻 t1使這兩個(gè)開關(guān)關(guān)斷，同時(shí)使開關(guān) S S4導(dǎo)通，于是負(fù)載的無功功率就沿②路線反饋給直流電壓源 Ed。 時(shí)刻 t1～ t2的滯后角 相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的滯后功率因數(shù)角， 時(shí)有功功率為正（電動(dòng)狀態(tài)）， 時(shí)為負(fù)（再生狀態(tài)）。 (二 ) 電流型 電流型 變頻器 的原理及其動(dòng)作如圖 5所示。 圖 5 電流型逆變器原理圖 a)電路構(gòu)成 b)輸出電壓電流波形 c)直流電壓波形（瞬時(shí)功率） d)S S2動(dòng)作、 S S4動(dòng)作 現(xiàn)在，使開關(guān) S1， S2導(dǎo)通，負(fù)載電流 i 從電流源經(jīng)圖示的路線①流出。此后，在 S1， S2再次導(dǎo)通時(shí)刻 t3之間的期間，為功率從 電源 流向負(fù)載的電動(dòng)狀態(tài)。 異步電動(dòng)機(jī)的滯后功率因數(shù)角 與瞬時(shí)功率 P 和有功功率 Pa的關(guān)系，同圖 4中的電壓型逆變器波形一樣。這兩種方式，不管主電路方式是電壓型還是電流型都可以適用。表 1 中項(xiàng) 1IGBT 變頻器 和GTO 晶閘管 變頻器 ，是在逆變器側(cè)控制輸出的電壓和頻率。 表 1 中項(xiàng) 5 的電流型晶閘管 變頻器 ，在逆變器側(cè)控制頻率，在整流器側(cè)控制電流。 (一 )PAM(Pulse Amplitude Modulation) PAM 是一種改變電壓源的電壓 Ed（見圖 3）或電流源的電流 Id（見圖 5）的幅值，進(jìn)行輸出控制的方式。s，所以，難以做到用晶閘管來開關(guān)實(shí)現(xiàn) PWM控制，要采用在逆變器只控制頻率的 PAM方式。 PWM 型 變頻器 靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率，所以脈沖調(diào)制方法對(duì) PWM 型 變頻器 的性能具有根本性的影響。圖中畫出的是經(jīng)過三相對(duì)稱倒相后的 a、 b點(diǎn)電位、 U’ oo和相電壓 Uao的脈沖列波形。 從波形圖可以看出：當(dāng)三角波幅值一定，改變參考直流信號(hào) Ur的大小時(shí)，輸出脈沖的寬度即將隨之改變，從而改變輸出基波電壓的大?。桓淖?載頻三角波的頻率并保持每周的輸出脈沖數(shù)不變，就可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓頻率的調(diào)節(jié)。同步調(diào)制方式雖然由于輸出波形正負(fù)半周完全對(duì)稱，只有奇次諧波，沒有偶次諧波，但是每周的輸出脈沖數(shù)不變，低頻輸出時(shí)諧波影響大。經(jīng)倒相后正半周輸出正脈沖列，負(fù)半周輸出負(fù)脈沖列。但要注意正弦波的幅值 Urm必須小于等腰三角形的幅值 Ucm，否則就得不到脈寬與其對(duì)應(yīng)正弦波下的積分成正比這一關(guān)系。的三相調(diào)制波。非同步雖然正、負(fù)半周輸出波形不能完全對(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)偶次諧波，但是每周的輸出的調(diào)制脈波數(shù)將隨輸出頻率的降低而增多，有利于改善低頻輸出特性。與上述單極性 SPWM 的情況相同，輸出電壓的大小和頻率也是由改變正弦參考信號(hào) Ur的幅值大小和頻率調(diào)制的。 3.“Δ”調(diào)制（ DM）方式 “Δ”脈寬調(diào)制方式（ Delta Modulation Technique）的調(diào)制電路及波形如圖 11所示。 Us電壓再經(jīng)運(yùn)算放大器 A2反向積分，使其輸出 UF負(fù)值線性減小，從而使 A3的輸出電壓 UK也隨之減小，當(dāng) UK SPANr時(shí)， U1又轉(zhuǎn)換為 +Us， UF負(fù)值又增大， UK再次上升，如此循環(huán)不已，便得到圖 11 所示的 “Δ” 脈寬調(diào)制波形。 圖 12 為多重化 變頻器 的原理。的兩臺(tái)單相 變頻器 的 輸出 U U2圖 12a 與圖 b 合成，則合成輸出的導(dǎo)通寬度為 120186。這種多臺(tái) 變頻器 的多重化可以抵消諧波，改善波形；輸出為兩臺(tái) 變頻器 之和，容易實(shí)現(xiàn)大容量化。 變頻器 可以用電子回路改變相序?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)。 當(dāng) 變頻器 的頻率低于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，續(xù)流二極管是作為以電動(dòng)機(jī)為 電源 的整流器而工作，由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生功率流入直流 電源回路的平波電容中。 負(fù)載的分類 1. 變頻器不是在任何情況下都能正常使用，因此用戶有必要對(duì)負(fù)載、環(huán)境要求和變頻器有更多了解電動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的負(fù)載不一樣，對(duì)變頻器的要求也不一樣。 C: 不均行負(fù)載：有的負(fù)載有時(shí)輕，有時(shí)重，此時(shí)應(yīng)按照重負(fù)載的情況 來選擇變頻器容量，例如軋鋼機(jī)機(jī)械、粉碎機(jī)械、攪拌機(jī)等。 2. 長期低速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于電機(jī)發(fā)熱量較高，風(fēng)扇冷卻能力降低，因此必須采用加大減速比的方式或改用 6級(jí)電機(jī)，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在較高頻率附近。表 1為不同控制方式變頻器的主要性能、應(yīng)用場合，表 2 為常見幾類設(shè)各的負(fù)載特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，可供變頻器選型時(shí)參考。選擇變頻器容量時(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)關(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。 K：電流波形的修正系數(shù) (PWM 方式取 ～ ) PCN：變頻器的額定容量 (KVA) ICN：變頻器的額定電流 (A) 式中 IM 如按電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流來選擇變頻器時(shí)，變頻器的容量可以適當(dāng)縮小。 頻繁加減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變頻器容量的選定 根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下的電流值，按下式確定： I1CN＝ [(I1t1+I2t2+? +I5t5)/(t1+t2+? t5)]K0 式中： I1CN：變頻器額定輸出電流 (A) I I? I5：各運(yùn)行狀態(tài)平均電流 (A) t t? t5：各運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間 K0：安全系數(shù) (運(yùn)行頻繁時(shí)取 ，其它條件下為 ) 一臺(tái)變頻器傳動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，即成組傳動(dòng) 用一臺(tái)變頻器使多臺(tái)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于一小部分電機(jī)開始起動(dòng)后，再追加投入其他電機(jī)起動(dòng)的場合，此時(shí)變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電機(jī)將產(chǎn)生大的起動(dòng)電流，因此，變頻器容量與同時(shí)起動(dòng)時(shí)相比需要大些。 大慣性負(fù)載起動(dòng)時(shí)變頻器容量的計(jì)算 通過變頻器過載容量通常多為 125％、 60s 或 150％、 60s。 m) η， cosφ， nM 分別為電機(jī)的效率 (取 )，功率因數(shù) (取 )，額定轉(zhuǎn)速 (r/min)。 4) 電機(jī)用通用變頻器起動(dòng)時(shí)，其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩同用工頻電源起動(dòng)相比多數(shù)變小，根據(jù)負(fù)載的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，有時(shí)不能起動(dòng)。 變頻調(diào)速技術(shù) 由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： n=no(1一 s)=60fo(1一 s)／ p。通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 : n = n1 (1s)=60f(1s)/p (1) 式中 : n — 電機(jī)的轉(zhuǎn)速， r/min n1 — 同步轉(zhuǎn)速， r/min p — 磁極對(duì)數(shù) s — 轉(zhuǎn)差率， % f — 頻率， Hz 由轉(zhuǎn)速公式（ 1）可知 , 我們可以通過改變極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速。 實(shí)際上僅僅改變電動(dòng)機(jī)的頻率并不能獲得良好的變頻特性。 從結(jié)構(gòu)上看，靜止變頻調(diào)速裝置可分為交 直 交變頻、交 交變頻兩種方式。 變頻 調(diào)速 系統(tǒng)有以下及幾種：電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)頻率控制方式的不同，分為： 與異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速一樣，用獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)稱作他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流 過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，根據(jù)電機(jī)的磁通： 216。 轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對(duì) U/f 控制（恒壓頻比控制交流調(diào)速系統(tǒng)）的改進(jìn)。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度、磁場兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。 U/f控制方式有三點(diǎn)不足之處： 一、這種控制方式很難根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。因?yàn)樽冾l器的頻率設(shè)定值均為定子頻率，即電動(dòng)機(jī)的同步頻率，但是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率隨著負(fù)載的變化波動(dòng)，所以電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速也隨之變化，故這種方式的速度靜態(tài)穩(wěn)定性不高，不適于對(duì)速度要求較高的拖動(dòng)系統(tǒng)。 基頻向上調(diào)速時(shí)候，因?yàn)殡妷翰荒茉偕?，所以可以看成弱磁調(diào)速。③直接轉(zhuǎn)矩控制，要依賴于精確的電機(jī)數(shù) 學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別 (Identification 向你 ID),通過 ID運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動(dòng)機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 Band－ Band控制產(chǎn)生 PWM 信號(hào)對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。直到目前為止 , 其主電路拓?fù)洹⒉捎玫钠骷?PWM控制方式等 , 均已取得了長足的進(jìn)步。 按變頻器的主電路結(jié)構(gòu)可以將其分為交一交變頻電 路和交一直一交變頻電路兩 類。與其他方案相比它有許多本質(zhì)的優(yōu)越性，例如：省去中間環(huán)節(jié)， 直接變壓變頻 , 裝置體積減小 , 重量減輕 : 由于只有一次功率變換 , 因而控制效率高等。電壓型變頻器在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。因此 , 這類變頻電路有采用雙 PWM變流電路的趨勢(shì)。隨著電力電子器件的價(jià)格進(jìn)一步下降 , 這種結(jié)構(gòu)會(huì)得到越來越多的認(rèn)可。同時(shí)還需增設(shè)充放電回路 , 使設(shè)備可靠性降低 , 壽命縮短。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究均表明 ,PWM整流電路的應(yīng)用有助于減小濾波器容量 , 與不采用 PWM整流相比 , 濾波器容量可縮小至不到原來的 40%, 變頻器的穩(wěn)定性與傳統(tǒng)的電壓型變頻器相同。提高電力電子器件的開關(guān)頻率 , 有利于改善波形 , 減小濾波電抗、電容及變壓器的體積 , 節(jié)省原材料。 PWM控制的變頻器在兆瓦級(jí)大功率范圍的應(yīng)用可以大幅度節(jié)能 ,具有重大意義。以此思想為基礎(chǔ) , 提出了三電平中點(diǎn)籍位式 (NPC)變流電路。這種裝置在目前的電力機(jī)車 (其整流部分為單項(xiàng)橋式整流 )、軋機(jī)主傳動(dòng)上具有良好的應(yīng)用前景 ,可以取代功率因數(shù)低、諧波污 染嚴(yán)重的周波變頻器。 (1)PWM控制方法 ① 正弦波與三角波比較 PWM方法它是一種傳統(tǒng)的 PWM方法 , 以其簡單性而 頗為流行。在正弦波與三角波比較產(chǎn)生 SPWM信號(hào)的調(diào)制方法中 , 一旦正弦波幅值超過了三角波的幅值 ,低次諧波就開始增加 , 因此這種 SPWM方式一般允許工作的最大調(diào)制度 為 1, 此時(shí)直流電壓利用率 (輸出線電壓與直流電壓的比值 ) 較低 , 為 。 ③ 空間矢量調(diào)制 (SVM)SVM方法是 1988年提出來的。更重要的是 , 采用 SVM方法可減小電機(jī)的諧波損耗 , 且其直流電壓利用率也可得到提高。其通常的做法是按 1:3的比例周期性地改變載波頻率 , 但是如此大的頻率變化必定大大增加開關(guān)頻率 , 故這種方法似乎僅限于在很小的功率范圍內(nèi)應(yīng)用 , 如開關(guān)電源等 ,而不適用于大功率的 PWM逆變器。 控制上缺乏整體性 , 每相之間失去應(yīng)有的聯(lián)系等。這種方式與上一種方式均屬電流跟蹤型 PWM控制。新的技術(shù)可以大大減小這種波形畸變。為得到寬調(diào)速范圍 , 需進(jìn)行分段同步調(diào)制 , 這又勢(shì)必導(dǎo)致跳躍點(diǎn)處頻譜突變 , 引起較大的動(dòng)態(tài)電流尖峰 , 并伴隨嚴(yán)重的噪音。在設(shè)置的延時(shí)時(shí)間 (亦稱死區(qū)時(shí)間 )內(nèi) , 輸人電平完全取決于負(fù)載特性 ,即取決于負(fù)載電流的方向。變頻調(diào)速的主要應(yīng)用領(lǐng)域可以列舉 如下 ： 提升機(jī)、電梯 紡織、造紙、印刷、化工、機(jī)械的中小電機(jī)調(diào)速 。如采用變頻調(diào)速技術(shù) , 則可能節(jié)能 30% , 有的場合甚至可節(jié)能 50%以上 , 這是十分可觀的。此外 , 由于變頻調(diào)速系統(tǒng)有很好的控制性能 , 所以 , 對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善工作和生活環(huán)境也都有很大的意義。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從早期提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制等各種變頻器。 本系統(tǒng)采用 PLC和變頻器調(diào)節(jié)交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。 本章小結(jié) 本章主要介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，以及文中所需變頻器的選擇，還包括變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，為下一步的設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 1. 可編程序控制器的發(fā)展歷程 可編程序控制器問世于 20 世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時(shí)的可編程序控制器功能都很簡單，只有邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能；硬件方面用于可編程序控制器的集成電路還沒有投入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)， CPU 以分立元件組成；存儲(chǔ)器為磁心存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量有限；用戶指令一般只有二三十條，還沒有成型的編程語言；機(jī)型單一，沒有形成系列。 70 年代后期和 80 年代初期，微處理器技術(shù)日趨成熟，單片微處理器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，大規(guī)模集成電路開始普遍應(yīng)用