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1、第第5 5节节 VVVF VVVF变频器产品与使用变频器产品与使用第第1111章章 交流电动机调速控制交流电动机调速控制第第1 1节节 交流电动机调速概述交流电动机调速概述第第2 2节节 交流电动机定子侧变频调速系统交流电动机定子侧变频调速系统第第3 3节节 交流电动机转子侧串级调速系统交流电动机转子侧串级调速系统第第4 4节节 无刷直流电动机调速系统无刷直流电动机调速系统交流电动机调速控交流电动机调速控制制交、直流调速系统的特点：交、直流调速系统的特点：直流调速系统直流调速系统优点优点具有较好的技术性能指标具有较好的技术性能指标,满足调速使用的要求。满足调速使用的要求。缺点缺点单机容量、电压
2、等级、转速的参数不如交流电动机单机容量、电压等级、转速的参数不如交流电动机;价格高、维修不方便、不能用于有爆炸性气体和有粉尘的场合。价格高、维修不方便、不能用于有爆炸性气体和有粉尘的场合。交流调速系统交流调速系统优点优点针对直流调速的缺点，得到改变。针对直流调速的缺点，得到改变。问题问题技术与器件等，在技术实现上存在困难技术与器件等，在技术实现上存在困难;大功率器件的开发、计算机技术的应用等使交流调速应用得到大功率器件的开发、计算机技术的应用等使交流调速应用得到快速发展和应用。快速发展和应用。1.1.交流电动机结构与工作原理交流电动机结构与工作原理定子转子（1 1）交流电动机结构）交流电动机结
3、构第第1 1节节 交流电动交流电动机调速概述机调速概述（2 2）异步交流电动机调速原理异步交流电动机调速原理由定子传入转子的电磁功率：由定子传入转子的电磁功率：调速因子：调速因子：f、s、p；f因子为频率，因子为频率，p因子为极对数，因子为极对数，s因子为转差率。因子为转差率。转差功率：转差功率：有效功率：有效功率：交流电动机结构与工作原理交流电动机结构与工作原理2.2.调速系统分类调速系统分类类类 型型分分 类类 方方 法法按调速方法分类按调速方法分类按调速效率分类按调速效率分类按调速平滑性分类按调速平滑性分类按调速装置所在位置分类按调速装置所在位置分类按使用的电动机分类按使用的电动机分类改
4、变供电频率改变供电频率f1调速调速高效系统高效系统有级调速有级调速定子侧调速定子侧调速异步电动机异步电动机改变极对数改变极对数p调速调速低效系统低效系统无级调速无级调速转子侧调速转子侧调速同步电动机同步电动机改变转差率改变转差率s调速调速转子轴上调速转子轴上调速交流电动机结构与工作原理交流电动机结构与工作原理异步电动机异步电动机同步电动机同步电动机转差功率消耗型系统转差功率消耗型系统转差功率回馈型系统转差功率回馈型系统转差功率不变型系统转差功率不变型系统他控变频调速系统他控变频调速系统自控变频调速系统自控变频调速系统交流电动机结构与工作原理交流电动机结构与工作原理1.降电压调速降电压调速2.电
5、磁转差离合器调速电磁转差离合器调速3.绕线转子异步电动机转子串电阻调速绕线转子异步电动机转子串电阻调速转差功率消耗型系统转差功率消耗型系统转差功率回馈型系统转差功率回馈型系统4.绕线转子异步电动机转子串级调速绕线转子异步电动机转子串级调速5.变级对数调速变级对数调速6.变频调速变频调速转差功率不变型系统转差功率不变型系统3.3.交流调速系统特点交流调速系统特点交流电动机结构与工作原理交流电动机结构与工作原理（1）调速参数控制调速参数控制保持每极磁通量不变保持每极磁通量不变磁通量太弱，没有充分利用电动机铁芯；磁通量太弱，没有充分利用电动机铁芯；磁通量增大，使铁芯饱和，导致过大励磁磁通量增大，使铁
6、芯饱和，导致过大励磁电流；电流；三相异步电动机定子每相电动势有效值：三相异步电动机定子每相电动势有效值：控制目标：控制目标：调速方法：调速方法：基频以上调速基频以上调速基频以下调速基频以下调速1.1.变频调速的基本原理变频调速的基本原理第第2 2节节 交流电动机定子交流电动机定子侧变频调速系统侧变频调速系统(3)基频以上调速基频以上调速(2)基频以下调速基频以下调速恒压频比控制方式恒压频比控制方式磁通与频率成反比降低磁通与频率成反比降低(4)变变频频调调速速控控制制特特性性变频调速的基本原理变频调速的基本原理恒转矩调速恒转矩调速恒功率调速恒功率调速2.变频器的基本结构与工作原理变频器的基本结构
7、与工作原理变频调速控制特性要求：变频调速控制特性要求：交流供电为恒压恒频电源交流供电为恒压恒频电源变频装置变频装置变压变频电源变压变频电源变频装置：变频装置：旋旋转转变变流流机机组组静静止止变变频频装装置置直接变频装置直接变频装置间接变频装置间接变频装置恒转矩调速恒转矩调速恒功率调速恒功率调速工作原理：工作原理：（1）间接变频装置间接变频装置整流整流装置装置逆变逆变装置装置DCACAC变频变频变压变压恒压恒压恒频恒频50Hz中间直流环节中间直流环节1)1)整流与逆变装置电路整流与逆变装置电路特点：特点：*Uo电压幅值由电压幅值由Ud定定*Uo电压频率由逆变器开关电压频率由逆变器开关频率定频率定
8、*Uo电压频率不受电源频率电压频率不受电源频率限制限制整流整流逆变，按要求导通逆变，按要求导通;2 2）三相交）三相交直直-交变频器交变频器特点：特点：*管子作为开关用，需可管子作为开关用，需可靠通、断；靠通、断；*逆变器管子导通角逆变器管子导通角60，6管顺序导通管顺序导通;变频器结构：变频器结构：整流器整流器中间滤波环节中间滤波环节逆变器逆变器UoaUobUoc*整流回路中的触发角整流回路中的触发角变化变化使使Ud变化，从而使变化，从而使Uo变化；变化；*输出波形为矩形波，与供电输出波形为矩形波，与供电正弦正弦波有差距，产生铜耗、脉波有差距，产生铜耗、脉动转矩、噪声；动转矩、噪声；*要求：
9、尽可能接近正弦波要求：尽可能接近正弦波.变频原理分析：变频原理分析：*逆变回路中的导通频率逆变回路中的导通频率变化，变化，改变改变输出频率输出频率f；（2）变频器分类变频器分类交交直直交变频器交变频器1采用可控整流器变采用可控整流器变压，采用逆变器变频；压，采用逆变器变频；交交直直交变频器交变频器2采用不控整流器整采用不控整流器整流，斩波器变压，逆变流，斩波器变压，逆变器变频；器变频；交交直直交变频器交变频器3采用不控整流器整采用不控整流器整流，流，PWM逆变器同时变逆变器同时变频变压；频变压；M3M31）常规交常规交-直直-交变频器交变频器2）SPWM交交-直直-交变频器交变频器（1）问题提
10、出问题提出整流器必须可控，整流器必须可控，调速时须同时控制整流调速时须同时控制整流器和逆变器；器和逆变器；整流器为不控，逆整流器为不控，逆变器同时控制输出电压变器同时控制输出电压和频率；和频率；3.正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制（SPWM）（2 2）正弦波脉宽调制（）正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）原理）原理等效正弦波等效正弦波SPWM工作目标工作目标输出正弦波形电压、输输出正弦波形电压、输出频率可控；出频率可控；SPWM工作特点工作特点正弦波形由等幅不等宽的正弦波形由等幅不等宽的脉冲系列组成；脉冲系列组成；脉冲幅值由恒定直流电源脉冲幅值由恒定直流电源提供；提供；通过调制方法生成开关器件的通断
11、控制信号：通过调制方法生成开关器件的通断控制信号：由载波（三角波）由载波（三角波）被调制的信号、调制波被调制的信号、调制波输出波形输出波形组合调制组合调制逆变器中开关器件的通断由严格的计算结果控制；逆变器中开关器件的通断由严格的计算结果控制；（3 3）SPWMSPWM变频器电路构成原理变频器电路构成原理载波（三角波）载波（三角波）被调制的信号被调制的信号调制波调制波输出波形输出波形参考信参考信号振荡号振荡器器调制波调制波三角波三角波振荡器振荡器（4 4）SPWMSPWM变频器变频器调制原理调制原理 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）双双极极正正弦弦波波调调制制原原理理3.3.正弦
12、波脉宽调制正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）（5）SPWM变频调速实现方法变频调速实现方法SPWM控制是由三角载波与正控制是由三角载波与正弦调制波的交点，确定逆变器开关弦调制波的交点，确定逆变器开关的开关时刻；的开关时刻；自然采样法（逆变器输出的一个周期内，有自然采样法（逆变器输出的一个周期内，有2N个载波和调制波的交点）个载波和调制波的交点）实现方法：实现方法：硬件方式硬件方式模拟电子电路、数字电子电路、专用集成电路芯片；模拟电子电路、数字电子电路、专用集成电路芯片；软件方式软件方式用计算机通过软件生成用计算机通过软件生成SPWM波形；波形；软件生成方法：软件生成方法：规则采样法规则采样法指
13、定谐波消除法指定谐波消除法载波比：载波比：载波载波调制波调制波产生三相产生三相SPWM控制信号实现逆变器控制信号实现逆变器交流电动机调速控制交流电动机调速控制的大规模集成电路；的大规模集成电路；功能功能1）HEF4752HEF4752电路概述电路概述提供逆变器六个功率开关器件所需的提供逆变器六个功率开关器件所需的SPWM输入信号；输入信号；专用芯片专用芯片HEF4752设有控制用时钟输入，实现对电动机转速、电动机定子电压、设有控制用时钟输入，实现对电动机转速、电动机定子电压、PWM载波频率、功率器件开关频率的控制。载波频率、功率器件开关频率的控制。2）HEF4752电路的内部结构及工作原理电路
14、的内部结构及工作原理8,9,10,11FCT计数器计数器VCT计数器计数器RCT计数器计数器译译码码器器实验实验电路电路输出口输出口输出口输出口输出口输出口19,20,21,221,2,3,2718,13,15,16,236,7,24,2512174526输出到逆变器的驱动信号输出到逆变器的驱动信号输出口端子（输出口端子（A，B，C-M1、M2、C1、C2）时钟脉冲信号时钟脉冲信号计数器端子（计数器端子（FCT、VCT、RCT、OCT、CSP）控制输入信号控制输入信号工作控制端子（工作控制端子（CW、K、A、B、C、L、I）供电电源供电电源直流电源接线端子（直流电源接线端子（Vss、VDD）第
15、第3节节 电动机转子侧串电动机转子侧串级调速系统级调速系统改变消耗于转子外串电阻中的功率来改变转差率，从而达到调改变消耗于转子外串电阻中的功率来改变转差率，从而达到调速的目的，是一种耗能调速的方法（速的目的，是一种耗能调速的方法（转差功率消耗型系统）转差功率消耗型系统）。1.1.串级调速概述串级调速概述在绕线式转子异步电动机的转子电路中外串电阻。在绕线式转子异步电动机的转子电路中外串电阻。转子侧串级调速是一种高效调速系统，只适用于绕线转子异步电动机。转子侧串级调速是一种高效调速系统，只适用于绕线转子异步电动机。（1 1）绕线转子异步电动机传统的调速方法绕线转子异步电动机传统的调速方法（2 2）
16、绕线转子异步电动机传统的调速方法绕线转子异步电动机传统的调速方法通过通过转子电路中串接附加电动势转子电路中串接附加电动势E E f f （相当于转子外串电阻）（相当于转子外串电阻）的的方法，将原消耗在外串电阻上的功率转换为可用功率再利用，从而方法，将原消耗在外串电阻上的功率转换为可用功率再利用，从而实现高效调速的目的。实现高效调速的目的。有效功率：有效功率：转差功率：转差功率：2.串级调速构成与调速原理串级调速构成与调速原理转子电路中串接可控附加电动势转子电路中串接可控附加电动势E E f f3.晶闸管串级调速系统结构与工作原理晶闸管串级调速系统结构与工作原理1.永磁无刷直流电动机结构组成永磁
17、无刷直流电动机结构组成第第4 4节节 无刷直流电动无刷直流电动机调速系统机调速系统（2 2）工作过程工作过程 定子电枢静止，转子磁极转动；定子电枢静止，转子磁极转动；位置传感器检测磁极位置，通过控位置传感器检测磁极位置，通过控制装置控制定子绕组电流方向；制装置控制定子绕组电流方向；（1 1）结构组成结构组成 电动机本体电动机本体 控制驱动电路控制驱动电路 磁极位置传感器磁极位置传感器普通直流电动机普通直流电动机 电动机本体电动机本体 电刷电刷 机械换向器机械换向器无刷直流电动机无刷直流电动机（1）位置传感器）位置传感器2.永磁无刷直流电动机调速控制永磁无刷直流电动机调速控制 电磁式电磁式 光电
18、式光电式 磁敏式磁敏式*磁敏式霍尔位置传感器磁敏式霍尔位置传感器 结构简单、体积小；结构简单、体积小；安装灵活方便；安装灵活方便；易于实现机电一体化；易于实现机电一体化；种类种类特点特点 开关型；开关型；线性型；线性型；类型类型 电压调整器；电压调整器；霍尔元件；霍尔元件；放大器、触发器、输出极；放大器、触发器、输出极；组成结构组成结构 输入磁感应，输出开关量；输入磁感应，输出开关量；工作过程工作过程（2）电动机工作原理）电动机工作原理（3）电动机速度闭环控制系统）电动机速度闭环控制系统1 1）开环调速控制开环调速控制 无刷直流电动机无刷直流电动机 换向控制逻辑电路；换向控制逻辑电路；PWMP
19、WM调速电路；调速电路；保护电路；保护电路；组成组成2 2）闭环调速控制闭环调速控制组成组成 无刷直流电动机无刷直流电动机 位置与转速检测装置位置与转速检测装置 换向控制逻辑电路；换向控制逻辑电路；PWMPWM调制电路；调制电路；反馈环节和保护电路；反馈环节和保护电路；第第5 5节节 变频器变频器产品与使用产品与使用1.一般变频器的基本结构一般变频器的基本结构通用型通用型变频器变频器普普通通开开环环变变频频变变压压控控制制型型高高性性能能闭闭环环矢矢量量控控制制型型（1）VVVF型变频器概述型变频器概述3）特点特点1）控制电路组成控制电路组成*运算电路运算电路*检测电路检测电路*控制信号输入、
20、输出电路控制信号输入、输出电路*各种保护功能电路各种保护功能电路2）实施实施采用微处理器控制、简单硬件电路、采用微处理器控制、简单硬件电路、由软件完成各种功能；由软件完成各种功能；通用型变频器多为：电压型变频器通用型变频器多为：电压型变频器采用正弦波脉宽调制方式（采用正弦波脉宽调制方式（SPWM）控制）控制主电路：使用自关断器件为主；主电路：使用自关断器件为主；(2)VVVF(2)VVVF型变频器的基本结构型变频器的基本结构不带速度反馈的变频器不带速度反馈的变频器-开环型变频开环型变频器器2.变频器的主要控制参数变频器的主要控制参数频率指令信号选择频率指令信号选择频率和电压范围设定频率和电压范
21、围设定V/F的曲线选择的曲线选择电动机停止方式选择电动机停止方式选择防止过电压失速功能设定防止过电压失速功能设定停电后再运行的情况选择停电后再运行的情况选择防止过电流失速功能设定防止过电流失速功能设定3.变频器使用简介变频器使用简介4.变频器使用实验变频器使用实验(1)实验目的实验目的 变频器接线变频器接线 变频器使用变频器使用 变频器特性变频器特性(3)实验内容实验内容 准备准备 变频器基本操作变频器基本操作 数字量控制的基本起动运行数字量控制的基本起动运行 模拟量控制的基本起动运行模拟量控制的基本起动运行 变频器输出频率、输出电压变频器输出频率、输出电压和电动机转速记录和电动机转速记录(2
22、)实验设备实验设备 综合实验台综合实验台 连接线连接线(4)实验报告实验报告 说明参数说明参数P005、P006、P007的功能的功能 绘制绘制U/F协调控制曲线协调控制曲线变频器使用实验变频器使用实验*将电器模块上的将电器模块上的RDY1与与RDY2用连接线连接用连接线连接(1)准备准备(2)变频器基本操变频器基本操作作(3)数字量控制的基本起动运行（数字量控制的基本起动运行（a 使用控制端子、使用控制端子、b 使用前面板）使用前面板）(4)模拟量控制的基本起动运行（模拟量控制的基本起动运行（a 使用控制端子、使用控制端子、b 使用前面板）使用前面板）(5)变频器输出频率、输出电压和电动机转
23、速记录变频器输出频率、输出电压和电动机转速记录*合上电源总开关合上电源总开关*将机床上的钥匙打到将机床上的钥匙打到ON*将机床的红色电源开关顺时针转动将机床的红色电源开关顺时针转动90，打在，打在ON上上*变频器的变频器的LED交替显示频率实际值和频率设定值交替显示频率实际值和频率设定值*熟悉变频器前面板操作键的基本作用熟悉变频器前面板操作键的基本作用*练习基本操作练习基本操作变频器使用实验变频器使用实验*选择以上任意一种运行方式选择以上任意一种运行方式5.变频器输出频率、输出电压和电动机转速记录变频器输出频率、输出电压和电动机转速记录*按表按表1要求，改变设定频率要求，改变设定频率*记录设定频率、电机转速、输出电压于表记录设定频率、电机转速、输出电压于表1中中*改变设定频率，记录设定频率、电动机转速、输出电压于表改变设定频率，记录设定频率、电动机转速、输出电压于表2中中12345678910设定频率设定频率 Hz电机转速电机转速 rpm输出电压输出电压 V12345678910设定频率设定频率 Hz电机转速电机转速 rpm输出电压输出电压 V表表1表表2