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1、变频控制技术第1章 电气传动基础知识工业生产发展过程，经历了三次工业革命：工业生产发展过程，经历了三次工业革命：第一次工业革命：第一次工业革命：1818世纪世纪6060年代开始，标志是瓦特改良年代开始，标志是瓦特改良蒸汽机。蒸汽机的广泛使用，使生产从手工蒸汽机。蒸汽机的广泛使用，使生产从手工业过渡到大机器生产业过渡到大机器生产 “蒸汽时代蒸汽时代”。第二次工业革命：第二次工业革命：1919世纪世纪7070年代开始，以电力的广泛应用为显年代开始，以电力的广泛应用为显著特点著特点 “电气时代电气时代”。电力的应用是以发动。电力的应用是以发动机和电动机为重要组成设备。机和电动机为重要组成设备。l发电
2、机原理的基础：发电机原理的基础：18191819年丹麦的奥斯特年丹麦的奥斯特电流磁效应电流磁效应18311831年英国的法拉第年英国的法拉第电磁感应现象电磁感应现象l18661866年德国的西门子年德国的西门子自激式直流发电机自激式直流发电机l1919世纪世纪7070年代年代改进的直流发电机实际生产改进的直流发电机实际生产 直流电能直流电能l18821882年法国的德普勒年法国的德普勒远距离送电远距离送电l18821882年美国的爱迪生年美国的爱迪生纽约第一个火力发电纽约第一个火力发电 站，并联结成输电网络站，并联结成输电网络第二次工业革命：第二次工业革命：l18851885年意大利的法拉里年
3、意大利的法拉里旋转磁场原理，对旋转磁场原理，对交流电机的发展重大意义交流电机的发展重大意义l1919世纪世纪8080年代末年代末9090年代初年代初制造出三相异步制造出三相异步 电动机电动机l18911891年以后年以后三相制交流电推广，电力工业三相制交流电推广，电力工业新时代新时代第三次工业革命：第三次工业革命：2020世纪世纪4040年代年代计算机技术应用计算机技术应用“信信息时代息时代”1.1电气传动系统概述电气气传动初期是直流初期是直流电气气传动，后来出，后来出现了交流了交流电气气传动。早期交流。早期交流传动主要主要应用在恒速拖用在恒速拖动场合，需要高性能合，需要高性能调速的使速的使用
4、直流用直流电气气传动。直到高性能。直到高性能变频器出器出现后，后，这种格局才被打破。目前，交流种格局才被打破。目前，交流电气气传动在在电气气传动中占主中占主导地位。地位。1.1.1电气传动概念和类型电气气传动（电机拖机拖动）的）的概念：概念：以以电动机作机作为原原动机，机，驱动各种生各种生产机械的系机械的系统总称。称。电气气传动的的特点：特点：功率范功率范围大，大，单个个设备的功率可从几毫瓦的功率可从几毫瓦几百几百兆瓦；兆瓦；调速范速范围宽，转速可从每分速可从每分钟几几转几十万几十万转，可达可达10000:1。电气气传动（电机拖机拖动）的）的种种类：以以电动机作机作为原原动机，机，驱动各种各种
5、生生产机械的，所以根据机械的，所以根据电动机的机的类型分型分为直流直流电气气传动、交流、交流电气气传动和步和步进电气气传动。直流直流电气气传动：19世世纪70年代年代诞生。生。优点：点：良好的起良好的起动制制动性能，大范性能，大范围平滑平滑调速。速。缺点缺点：主要是从：主要是从电机自身机自身结构来构来讲来看来看需要定期更需要定期更换电刷和刷和换向器，向器，维护保养困保养困难，寿命短；，寿命短；存在存在换向火花，向火花，难以以应用于易燃易爆气体用于易燃易爆气体的的恶劣劣场合；合；结构复构复杂，难以制作高以制作高转速、高速、高电压和大和大容量的直流容量的直流电动机。最高机。最高电压1kV，极限容，
6、极限容量量 n是是106kW r/min。交流交流电气气传动： 19世世纪90年代年代诞生，生，应用在恒速或用在恒速或简单变速的速的场合，直到合，直到20世世纪80年代，年代，高性能的高性能的变频器器诞生，才生，才应用在高性能用在高性能的的调速速场合。合。 优点：点：主要是从主要是从电机自身机自身结构来构来讲来来看看结构构简单、坚固、工作可靠、易于固、工作可靠、易于维护和保养；和保养；无无换向火花，可用于易燃易爆气体的向火花，可用于易燃易爆气体的恶劣劣场合；合；容易制造高容易制造高转速、高速、高电压和大容量的交和大容量的交流流电动机。机。电压易达到易达到6kV、10kV，因，因此相同此相同电流
7、下，容量可以大大提高。极流下，容量可以大大提高。极限容量限容量 n是是400 106kW r/min600 106kW r/min。 步步进电气气传动： 20世世纪20年代年代诞生，在生，在许多需要多需要精确位置控制中精确位置控制中应用。用。优点：点：是将是将电脉冲激励信号脉冲激励信号转变为角角位移或位移或线位移，控制精度高。位移，控制精度高。1.1.2电气传动的组成结构和作用传动系系统核心：核心：调速装置、速装置、电动机机调速装置构成：速装置构成：电源装置、控制装置源装置、控制装置主要作用：改主要作用：改变电动机机转速或速或输出出转矩从而改矩从而改变生生产机械的机械的转速或速或输出出转矩，从
8、而矩，从而实现工工艺要求、要求、节能、提高能、提高产品品质量和改善工作量和改善工作环境。境。电源装置源装置类型：型：母母线供供电装置、机装置、机组变流装置和流装置和电力力电子子变流装置流装置 母母线供供电装置：装置：包括交流母包括交流母线供供电和直流母和直流母线供供电 机机组变流装置：流装置：包括直流包括直流发电机机组和和变频机机组 电力力电子装置：子装置：整流装置、交流整流装置、交流调压装置和装置和变频器器控制装置的控制装置的类型：型：控制装置控制装置按所用器件分按所用器件分类：电器控制、器控制、电机机扩大机和磁放大器、大机和磁放大器、电子子控制控制 电器控制（器控制（继电器器接触器控制）：
9、接触器控制）：与母与母线供供电装置配合使用。装置配合使用。 电机机扩大机和磁放大器：大机和磁放大器：与机与机组供供电装置配合使用，装置配合使用，20世世纪3060年代装年代装置。置。 电子控制：子控制：分分为分立元件、中小分立元件、中小规模集成模集成电路及微机和路及微机和专用用大大规模集成模集成电路。路。控制装置控制装置按工作原理分按工作原理分类：逻辑控制和控制和连续速度速度调节控制控制 逻辑控制：控制：通通过电气控制装置控制气控制装置控制电动机启机启动、停止、正反、停止、正反转或有或有级变速，控制信号来自主令速，控制信号来自主令电器或可器或可编程程控制器。控制器。 连续速度速度调节控制：控制
10、：与机与机组或或电力力电子子变流装置配合使用，流装置配合使用，连续改改变电动机速度。有开机速度。有开环控制、控制、闭环控制和控制和负荷控制荷控制三三类。控制装置控制装置按控制信号的按控制信号的处理方法分理方法分类：模模拟控制、数字控制和模控制、数字控制和模拟/数字混合控制数字混合控制1.2电气传动系统的工作原理遵循运遵循运动方程方程：工作原理工作原理：工作模式工作模式：速度工作模式：速度工作模式：保持保持电动机机轴上上输出出转速恒定速恒定为目的目的，自，自动调整整电动机的机的输出出转矩以适矩以适应负载的的变化。如：化。如：电梯、各梯、各类生生产线。转矩工作模式：矩工作模式：保持保持电动机机轴上
11、上输出的出的转矩恒定矩恒定为目的目的，等于等于负载转矩和空矩和空载转矩之和。但矩之和。但电动机机转速不是确定的。如开卷速不是确定的。如开卷/收卷收卷设备。1.3电气传动系统的负载特性目的：目的：正确地把握机械正确地把握机械负载对象的象的负载特性，特性，是是选择电动机及机及驱动电源容量、决定其控制源容量、决定其控制方式的基方式的基础。负载特性：特性：包括包括负载机械特性和机械特性和负载功率特性功率特性负载机械特性：机械特性：是指是指负载阻阻转矩与矩与负载轴上上转速之速之间的关系（的关系（转速速转矩特性）；矩特性）；负载功率特性：功率特性：是指是指负载所消耗的功率与所消耗的功率与负载轴上上转速之速
12、之间的关系（的关系（转速速功率）。功率）。负载特性种特性种类：恒恒转矩矩负载，平方降，平方降转矩矩负载，恒功率恒功率负载。1.3.1 恒恒转矩矩负载特性特性当运行当运行时，无，无论其速度其速度变化与否，化与否，负载阻阻转矩大小矩大小总保持恒定或基本恒定。保持恒定或基本恒定。图1-31-3 恒恒转矩矩负载及其特性及其特性a a）带式式输送机送机b b）机械特性机械特性c）功率特性）功率特性恒恒转矩矩负载基本特点：基本特点：负载转矩矩 : 负载的阻的阻转矩基本恒定，即矩基本恒定，即负载转矩的大小与矩的大小与转速无关。速无关。负载功率功率: 负载功率与速度成正比。功率与速度成正比。恒恒转矩矩负载种种
13、类：包括反抗性恒包括反抗性恒转矩矩负载和位和位势能能负载。反抗性恒反抗性恒转矩矩负载：传送送带、搅拌机、拌机、挤压成形机等成形机等摩擦摩擦负载，摩擦摩擦类负载的阻的阻转矩的作用方向与运矩的作用方向与运动方向（或方向（或旋旋转方向）相反，方向）相反，运运动方向改方向改变后，后，负载转矩的矩的方向也将随之改方向也将随之改变。位位势能恒能恒转矩矩负载：吊吊车或升降机等重力或升降机等重力负载，负载转矩的方向矩的方向不随着运不随着运动方向的改方向的改变而改而改变。1.3.2 恒功率恒功率负载：恒功率恒功率负载是指在改是指在改变速度是速度是时，负载转矩与矩与转速大致成反比，速大致成反比，负载功率不功率不变
14、，与，与转速的高低无速的高低无关。关。图1-4 4 恒功率恒功率负载及其特性及其特性a）卷径最小卷径最小时 b）卷径卷径较大大 c）卷径最大卷径最大恒功率恒功率负载基本特点：基本特点：负载功率功率: 负载功率基本恒定，即功率基本恒定，即负载功率的大小与功率的大小与转速速无关。无关。负载转矩矩 : 负载转矩与速度成反比。矩与速度成反比。恒功率恒功率负载设备： 轧钢机、造机、造纸机和塑料薄膜生机和塑料薄膜生产线中的开卷中的开卷机、卷曲机等。在巷取初期由于生机、卷曲机等。在巷取初期由于生产的物料卷的的物料卷的半径半径较小，小，为保持恒定保持恒定线速度，物料卷必速度，物料卷必须以以较高速旋高速旋转，而
15、，而负载却却转矩矩较小；但随着物料卷半小；但随着物料卷半径的逐径的逐渐变大，物料的大，物料的转速也速也应随之降低，而随之降低，而负载转矩却必矩却必须相相应增大。增大。各种机床也属于恒功率各种机床也属于恒功率负载，当粗加工，当粗加工时通通常常进给量大，量大，负载转矩也就大，矩也就大，转速低；精加工速低；精加工时，进给量小，量小，负载转矩就小，矩就小，转速高，速高，负载转矩与矩与转速成反比。速成反比。1.3.3 二次方率二次方率负载特性特性各种离心各种离心风机、离心机、离心泵等流体机械，在低速等流体机械，在低速时由于流体的流速低，由于流体的流速低，负载只需很小的只需很小的转矩即可旋矩即可旋转。随着
16、。随着电动机机转速的上升，气体或液体的流速加速的上升，气体或液体的流速加快，流速增快，快，流速增快，负载转矩和功率也越来越大。矩和功率也越来越大。图1-3 3 二次平方二次平方负载及其特性及其特性a a）风机示机示图b b）机械特性机械特性c c）功率特性功率特性二次方率负载基本特点：二次方率负载基本特点：负载转矩负载转矩 : : 负载的阻转矩与转速的平方成正比。负载的阻转矩与转速的平方成正比。负载功率负载功率: : 负载功率与速度的负载功率与速度的3 3次方成正比。次方成正比。1.4变频器概念及其发展1.4.1变频器的概念器的概念交流交流电动机的机的驱动控制器。改控制器。改变输入入电动机机电
17、源的源的频率达到率达到调节电动机机转速的目的。速的目的。现代通用交流代通用交流调速装置通常由全控式速装置通常由全控式电力力电子器件构成的静止交流子器件构成的静止交流变换器，即器，即电力力电子子变频器，器，简称称为变频器。器。变频器的器的输入是入是电网来的恒网来的恒压恒恒频交流交流电，输出是出是电压和和频率都可率都可变的交流的交流电。所以，。所以，变频器就是一种将工器就是一种将工频交流交流电（三相或（三相或单相）相）变换成成电压和和频率都可率都可连续变换的静止式交流的静止式交流电源源变换装置装置，供，供给交流交流电动机机实现软起起动、变频调速。速。变频器的器的控制控制对象象：三相交流异步三相交流
18、异步电动机和同步机和同步电动机，机，标准的适配准的适配电机是机是2/4极极电机。机。采用采用变频电气气传动的的优势：平滑平滑软启启动，降低启，降低启动冲冲击电流；流；提高提高变频器的器的输出出频率提高率提高电动机的速机的速度；度；无无级调速，提高速，提高调速精度；速精度；正反正反转控制容易；控制容易；便于网便于网络控制。控制。1.4.2 变频器器发展展 随着微机技随着微机技术、电力力电子技子技术和和调速控制理速控制理论的的发展不断展不断发展，展，发展的几展的几个个阶段：段：20世世纪80年代初，年代初，诞生，模生，模拟式；式；20世世纪80年代中期，数字式；年代中期，数字式；20世世纪90年代
19、后，智能式、多功能通年代后，智能式、多功能通用用变频器。器。变频器器发展中的特点展中的特点： 1. 功率器件不断更新功率器件不断更新换代代变频器的器的发展受其展受其电力半力半导体器件的限制，体器件的限制，常用功率半常用功率半导体主要有体主要有:双极晶体管双极晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管双极晶体管IGBT、集成、集成门极极换流晶流晶闸管管IGCT、门极可关断晶极可关断晶闸管管GTO。20世世纪80年代初，年代初，GTO，开关，开关频率低，率低，变频器器调速性能速性能较差。差。20世世纪80年代后期，年代后期，GTR，开关，开关频率率2kHz以下，以下，载波波频率和最小脉率和最小脉宽都受到限制，
20、都受到限制，难以得到以得到较为理想的正弦脉理想的正弦脉宽调制波形，并制波形，并使异步使异步电机在机在变频调速速时产生噪声。生噪声。随着随着IGBT（绝缘栅双极晶体管）的出双极晶体管）的出现，其工作其工作频率可在率可在20KHz以上，与以上，与GTR相比不相比不仅工作工作频率提高一个数量率提高一个数量级，且在，且在电流、流、电压指指标（电流浪涌耐量、流浪涌耐量、电压阻断峰阻断峰值、门极极驱动功耗等各功耗等各项指指标）均已超）均已超过GTR，因而在新一，因而在新一代的中小功率代的中小功率变频器中器中IGBT已基本上代替了已基本上代替了GTR。采用采用IGBT的低的低压变频器的最大容量在器的最大容量
21、在380V级可达可达540KVA，而，而600V级的可达的可达700KVA，可可驱动485KW电动机机进行行调速，最高速，最高频率可达率可达400600Hz，能，能对中中频电机机进行行调频控制。控制。 20世世纪90年代末又出年代末又出现适合中适合中压（1KV-10KV）开关）开关电路的路的IGCT（集成（集成门极极换流晶流晶闸管）、以及管）、以及现在使用的功率智能模在使用的功率智能模块IPM：是以：是以IGBT为开关器件，同开关器件，同时含有含有驱动电路路和保和保护电路，路，IPM的保的保护功能有功能有过流、短路、流、短路、过压、和、和过热等，等，还可以可以实现再生制再生制动，由，由于于IP
22、M组成的成的变频器只需器只需对桥臂上各个臂上各个IGBT提供隔离的提供隔离的PWM信号即可，使信号即可，使变频器的体器的体积逐逐渐趋向小型化，随着向小型化，随着电力力电子功率器件的子功率器件的发展，展，变频调速技速技术不断成熟。不断成熟。 。名称代号符号控制方式最大电压电流及频率双双 极极 型型 晶晶体管体管BJTGTRBCE电流控制电流控制Um：450-1400VIm：300-800AFm：10K-50k门门 极极 关关 断断晶闸管晶闸管绝绝 缘缘 栅栅 双双极晶体管极晶体管GTO电流控制电流控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1K-10kIGBT电压控制电压控制Um：
23、1800-3300VIm：800-1200AFm：20K-50kIGCTG GC CE E集成门换集成门换流晶体管流晶体管 电压控制电压控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1K-10kGKA常用电力半导体器件常用电力半导体器件2. 应用范用范围不断不断扩大大在在纺织、印染、塑胶、石油、化工、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造冶金、造纸、食品、装卸搬运等行、食品、装卸搬运等行业都都有着广泛有着广泛应用，随着各种用，随着各种专用用变频器的器的出出现，使，使变频器的器的应用用领域域进一步一步扩大，大，可以可以说有有电机的地方就会有机的地方就会有变频器。器。3. 控制理控制理论不断
24、成熟不断成熟早期，早期，V/F1964年，提出年，提出SPWM控制方式控制方式1971年，矢量控制年，矢量控制1985年，直接年，直接转矩控制矩控制 矢量控制技矢量控制技术、直接、直接转矩控制技矩控制技术的出的出现使得使得电动机机变频后的机械特后的机械特性可以和直流性可以和直流电机相媲美。机相媲美。 变频调速控制技速控制技术不断成熟、功率不断成熟、功率电子器件不断子器件不断发展，展，变频器器应用日益广泛，用日益广泛，在在电气气传动、节能能领域起着重要的作用。域起着重要的作用。通用通用变频器器发展展趋势：通用通用变频器？器？ 是指可以和通用的是指可以和通用的笼型异步型异步电机配机配套使用，并具有
25、多种可供套使用，并具有多种可供选择的功能，的功能，可适用于各种不同性可适用于各种不同性质负载的的变频装置。装置。1.1.低低电磁噪音、静音化磁噪音、静音化采用高采用高频载波方式的正弦波波方式的正弦波SPWMSPWM调制制实现静音化静音化; ; 在通用在通用变频器器输入入侧加交流加交流电抗器或抗器或有源功率因数校正有源功率因数校正电路路APFC;APFC;在逆在逆变电路中采取路中采取Soft-PWMSoft-PWM控制技控制技术等，等，以改善以改善输入入电流波形、降低流波形、降低电网网谐波，波，在抗干在抗干扰和抑制高次和抑制高次谐波方面符合波方面符合EMCEMC国国际标准，准，实现所所谓的清的清
26、洁电能的能的变换。如三菱公司的柔性如三菱公司的柔性PWMPWM控制技控制技术，实现了更低噪音运行。了更低噪音运行。2. 2. 专用化用化 新型通用新型通用变频器器为更好地更好地发挥变频调速控制技速控制技术的独特功能，并尽可能的独特功能，并尽可能满足足现场控制的需要，派生了控制的需要，派生了许多多专用机用机型。型。 如如风机水机水泵空空调专用型、起重机用型、起重机专用型、恒用型、恒压供水供水专用型、用型、 交流交流电梯梯专用用型、型、纺织机械机械专用型、机械主用型、机械主轴传动专用型、用型、电源再生源再生专用型、中用型、中频驱动专用用型、机型、机车牵引引专用型、用型、单相相变频器等。器等。3.
27、3. 系系统化化 除了除了发展展单机的数字化、智能化、机的数字化、智能化、多功能化外，多功能化外，还向集成化、系向集成化、系统化方向化方向发展。如西展。如西门子公司提出的集子公司提出的集通通讯、设计和和数据管理数据管理三者于一体的三者于一体的“全集成自全集成自动化化”（TIA）平台概念，可以使）平台概念，可以使变频器、伺器、伺服装置、控制器及通服装置、控制器及通讯装置等集成配置装置等集成配置，甚至自甚至自动化和化和驱动系系统、通、通讯和数据管理和数据管理系系统都可以像都可以像驱动装置那装置那样嵌入嵌入“全集成全集成自自动化化”系系统那那样进行，目的是行，目的是为用用户提提供最佳的系供最佳的系统
28、功能。功能。4. 网网络化化 可提供多种兼容的通信接口，支持多可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信种不同的通信协议，内装，内装RS485接口，可接口，可由个人由个人计算机向通用算机向通用变频器器输入运行命令入运行命令和和设定功能定功能码数据等，通数据等，通过选件可与件可与现场总线通通讯。如西。如西门子、子、VACON、富士、富士、日立、三菱、台安等品牌的通用日立、三菱、台安等品牌的通用变频器，器，均可通均可通过各自可提供的各自可提供的选件支持上述几种件支持上述几种或全部或全部类型的型的现场总线。5.5.操作傻瓜化操作傻瓜化 新型通用新型通用变频器机内固化的器机内固化的“调试指南指南”会
29、引会引导你一步一步地填入你一步一步地填入调试表格，无需表格，无需记住任何参数，充分体住任何参数，充分体现了易操作性。了易操作性。 如西如西门子公司的新一代子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一种称因采用了一种称为“易于使用易于使用”的成功概念，使得在的成功概念，使得在连接技接技术、安装和、安装和调试方面的操作方面的操作变得非常得非常简单。6.6.内置式内置式应用用软件件 新型通用新型通用变频器可以内置多种器可以内置多种应用用软件，有的品牌可提供多达件，有的品牌可提供多达130130余种的余种的应用用软件，以件，以满足足现场过程控制的需要，如程控制的需要，如PIDPID控制
30、控制软件、件、张力控制力控制软件、速度件、速度级链、速度跟随、速度跟随、电流平衡、流平衡、变频器功能器功能设置置软件、通件、通讯软件等。件等。变频器功能器功能设置置软件可以在件可以在WINDOWS95/98WINDOWS95/98环境下境下设置置变频器的功能及数据通器的功能及数据通讯。7.7.参数自参数自调整整 用用户只要只要设定数据定数据组编码，而不必逐，而不必逐项设置，通用置，通用变频器会将运行参数自器会将运行参数自动调整整到最佳状到最佳状态（矢量型（矢量型变频器可器可对电机参数机参数进行自整定）。行自整定）。8.8.参数参数趋势图形形 新型通用新型通用变频器的参数器的参数趋势图可可显示各
31、示各信号的信号的现时运行状运行状态，用，用户在在调试过程中，程中，可随可随时监控和控和记录运行参数。运行参数。 1.5变频器的分类变频器的分器的分类方法有多种，常用的分方法有多种，常用的分类方法有：方法有：按其供按其供电电压分分类：低低压变频器器 ( 110V/220V/380V )中中压变频器器 (500V/660V/1140V ) 高高压变频器器 ( 3KV/ 3.3KV/6KV/6.6KV/10KV)按控制算法分按控制算法分类：普通型普通型变频器：内置只有器：内置只有V/F控制方式控制方式高性能高性能变频器：内置有器：内置有V/F和矢量控制方式和矢量控制方式按用途分按用途分类：通用通用变频器器专用用变频器器按按变流流环节的不同分的不同分类：交交-直直-交交变频器器交交-交交变频器器按直流按直流电路的路的滤波波环节的不同分的不同分类：电压型型变频器器电流型流型变频器器按按输入入电源的相数分源的相数分类：三三进三出三出变频器器单进三出三出变频器器1.6通用变频器的结构和工作原理思考题：1.目前，在中小型变频器中普遍采用的电力电子器件是什么？2.GTR和IGBT属于什么控制型元件。3.什么是IPM？IPM中有哪些保护。参考教材：电力拖动自动控制系统陈伯时机械工业出版社通用变频器基础应用教程王玉中人民邮电出版社变频器网中国工控网
