變頻器應(yīng)用技術(shù)（高職）全套教學(xué)課件

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變頻器是利用電力半導(dǎo)體的通斷作用，將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的交流電，以供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電能控制裝置。變頻器的問世，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)技術(shù)革命，最終使交流調(diào)速取代直流調(diào)速，成為了電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的主流調(diào)速方式。變頻器主要應(yīng)用在節(jié)能、工業(yè)自動(dòng)化及工藝控制等領(lǐng)域，是公認(rèn)的最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速裝置之一。近年來，變頻空調(diào)、變頻冰箱已逐漸走入成千上萬普通百姓的生活中，人們對(duì)“變頻”的直接印象是節(jié)能。那么，為什么采用變頻技術(shù)的空調(diào)和冰箱會(huì)更節(jié)能呢？項(xiàng)目目標(biāo)了解變頻器的分類方法及類型了解變頻器的應(yīng)用了解三菱變頻器的型號(hào)及命名規(guī)則掌握三菱變頻器FR－PA02的操作方法掌握變頻調(diào)速的基本原理掌握變頻器的主電路及其工作原理了解變頻器常用的開關(guān)器件5

任務(wù)一認(rèn)識(shí)變頻器任務(wù)導(dǎo)入20世紀(jì)70年代以前，電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行方式還是轉(zhuǎn)速不變的定速拖動(dòng)。之后隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，對(duì)傳動(dòng)方式也提出了可調(diào)速拖動(dòng)的更高要求。人們通過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)逐漸認(rèn)識(shí)到，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，不僅能使電力拖動(dòng)系統(tǒng)具備非常優(yōu)秀的控制性能，而且在許多生產(chǎn)場(chǎng)合中還具有非常顯著的節(jié)能效果。得益于此，交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。因此，我們對(duì)變頻器的認(rèn)識(shí)也顯得尤為必要。相關(guān)知識(shí)

直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)先后誕生于19世紀(jì)，至今均有100多年的歷史，并已成為動(dòng)力機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)方式。但是，由于技術(shù)上的原因，在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，占整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)80%左右的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)主要采用交流電動(dòng)機(jī)（包括異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)，而需要進(jìn)行調(diào)速控制的拖動(dòng)系統(tǒng)則主要采用直流電動(dòng)機(jī)。一變頻器的發(fā)展可由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動(dòng)機(jī)存在以下缺點(diǎn)。①需要定期更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，壽命較短。②由于直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花，難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境。③結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動(dòng)機(jī)。與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)成功克服了以上缺點(diǎn)。因此，人們希望在許多場(chǎng)合下能夠用可調(diào)速的交流電動(dòng)機(jī)來代替直流電動(dòng)機(jī)，并在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方面做了大量的研發(fā)工作。課堂討論異步電動(dòng)機(jī)誕生于19世紀(jì)80年代，由異步電動(dòng)機(jī)的基本原理可知，改變定子側(cè)的電流頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但將這一夢(mèng)想從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)卻經(jīng)歷了整整一個(gè)世紀(jì)，你知道是什么原因嗎？如何得到可單獨(dú)向異步電動(dòng)機(jī)供電的經(jīng)濟(jì)可靠的變頻裝置，一直是交流變頻調(diào)速研究的主要課題。從目前已普及的“交－直－交”變頻器的結(jié)構(gòu)分析，由交流變直流的整流技術(shù)早已實(shí)現(xiàn)，而由直流逆變?yōu)榻涣鞯哪孀冞^程則需要不同組合的開關(guān)長(zhǎng)時(shí)間頻繁地交替接通和關(guān)斷，這就要求控制接通和關(guān)斷的方法必須十分方便，而這些開關(guān)還要能夠承受足夠大的電壓和電流?；緷M足這些條件的電力晶體管（GTR）直至20世紀(jì)70年代才開發(fā)成功。20世紀(jì)80年代，人們又進(jìn)一步開發(fā)成功了絕緣柵雙極晶體管（IGBT），使變頻技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。此后，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件和微處理器性能不斷提高，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了顯著發(fā)展。隨著各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻器上的應(yīng)用，使變頻器的性能不斷提高，而且應(yīng)用范圍也越來越廣。如今，變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品中也得到了廣泛應(yīng)用。變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，并隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。目前，中國(guó)市場(chǎng)上的變頻器主要有如下品牌。歐美品牌西門子、科比、倫茨、施耐德、ABB、丹佛斯、羅克韋爾（ROCKWELL）、偉肯（VACON）、AB、西威等。日本品牌富士、三菱、安川、三墾、日立、歐姆龍等。國(guó)產(chǎn)品牌安邦信、佳靈、森蘭、英威騰、匯川、風(fēng)光、科姆龍、惠豐等。港臺(tái)品牌臺(tái)達(dá)、普傳、臺(tái)安、東元、美高等。韓國(guó)品牌LG、現(xiàn)代、三星、收獲等。二變頻器的分類1按變頻原理分類變頻器根據(jù)變頻原理的不同，可分為交－交變頻器和交－直－交變頻器兩種。1）交－交變頻器交－交變頻器可將頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高，故又被稱為直接變頻器。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，所采用的器件多，體積龐大，使其應(yīng)用受到很大限制，通常用于電力牽引等容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)，如軋鋼機(jī)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等。交－交變頻器原理如圖1-1所示。（a）電路原理

（b）方波型平均輸出電壓波形圖1-1交－交變頻器原理2）交－直－交變頻器交－直－交變頻器先將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此交－直－交變頻器在頻率的調(diào)節(jié)范圍及變頻后電動(dòng)機(jī)特性改善等方面，都具有明顯優(yōu)勢(shì)，是目前使用最多的變頻器類型。交－直－交變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，如圖1-3所示為交－直－交波形變換示意圖。圖1-2交－直－交變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1-3交－直－交波形變換示意圖2按直流濾波方式分類交－直－交變頻器根據(jù)其中間直流環(huán)節(jié)濾波方式的不同，又可分為電壓型變頻器和電流型變頻器兩種。1）電壓型變頻器電壓型變頻器在將交流電整流后，采用電容來濾波，可使加在負(fù)載兩端的電壓不受負(fù)載變動(dòng)的影響而基本保持恒定，其特性相當(dāng)于電壓源，因此被稱為電壓型變頻器?，F(xiàn)在使用的變頻器大部分為此類，其原理框圖如圖1-4所示。圖1-4電壓型變頻器原理框圖

2）電流型變頻器電流型變頻器在將交流電整流后，采用電感來濾波，使其直流回路中的電流波形趨于平穩(wěn)，濾波后加在逆變器上的電流值不受負(fù)載變化的影響而基本保持不變，其特性相當(dāng)于電流源，因此本稱為電流型變頻器。此類變頻器較為少見，其原理框圖如圖1-5所示。圖1-5電流型變頻器原理框圖3按輸出電壓調(diào)制方式分類交－直－交變頻器根據(jù)其輸出電壓調(diào)制方式的不同，可分為脈幅調(diào)制（PAM）變頻器和脈寬調(diào)制（PWM）變頻器兩種。1）脈幅調(diào)制（PAM）變頻器脈幅調(diào)制變頻器是在整流電路部分對(duì)輸出電壓的幅值進(jìn)行控制，而在逆變電路部分對(duì)輸出電壓的頻率進(jìn)行控制。由于脈幅調(diào)制方式必須同時(shí)對(duì)整流電路和逆變電路進(jìn)行控制，其控制電路比較復(fù)雜，且還有當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)波動(dòng)較大等缺陷，故此類調(diào)制方法現(xiàn)已很少采用。2）脈寬調(diào)制（PWM）變頻器

脈寬調(diào)制變頻器是在逆變電路部分同時(shí)對(duì)輸出電壓的幅值和頻率進(jìn)行控制，輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)。目前使用最多的是占空比按正弦規(guī)律變化的正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM方式。資料卡

占空比是指在一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)，通電時(shí)間相對(duì)于總時(shí)間所占的比例。4按變頻器的控制方式分類變頻器作為控制裝置，需要對(duì)其輸出的交流電壓和頻率進(jìn)行優(yōu)化控制，才能保證電動(dòng)機(jī)良好的運(yùn)行特性。變頻器根據(jù)控制方式的不同，可分為U/f

控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器、矢量控制變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器等類型。1）U/f控制變頻器

U/f控制變頻器可對(duì)變頻器輸出的電壓和頻率同時(shí)進(jìn)行控制，通過使U/f的值保持恒定而得到電動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩特性。U/f控制變頻器的控制電路比較簡(jiǎn)單，成本較低，通用性強(qiáng)，因此性價(jià)比相對(duì)較高，多用于對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。2）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器轉(zhuǎn)差頻率控制是對(duì)

控制的一種改進(jìn)，需要由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，而變頻器的輸出頻率則由電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。由于轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流，其加減速特性和限制過電流的能力得到了提高。3）矢量控制變頻器矢量控制變頻器的基本原理是通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等手段，將電動(dòng)機(jī)的定子電流分為產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流分量和與其垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并分別對(duì)其加以控制。由于此類控制方式必須同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值和相位，即定子電流的矢量，因此被稱為矢量控制。矢量控制方式使交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及動(dòng)態(tài)性能可以和直流電動(dòng)機(jī)相媲美，具有很好的應(yīng)用前景。4）直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl，簡(jiǎn)稱DTC）變頻器是把轉(zhuǎn)矩直接作為控制量來控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：無需通過控制定子磁鏈來控制轉(zhuǎn)矩，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；在控制上，對(duì)除定子以外的所有電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化，都有良好的魯棒性；所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器化變頻控制。知識(shí)加油站魯棒（Robust，音譯）就是健壯和強(qiáng)壯的意思，它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)的魯棒性是指控制系統(tǒng)在某種類型的擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)某個(gè)性能指標(biāo)保持不變的能力，即抗干擾能力。5按變頻器的用途分類根據(jù)用途的不同，變頻器可分為通用變頻器和專用變頻器。1）通用變頻器一般將應(yīng)用范圍較廣、大多數(shù)場(chǎng)合都可以使用的變頻器稱為通用變頻器。在過去，通用變頻器基本上采用簡(jiǎn)單的U/f控制方式。隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，大部分變頻器廠家已在原來變頻器U/f

控制方式的基礎(chǔ)上增加了矢量控制方式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要來自行選擇采用U/f

控制方式還是矢量控制方式。通用變頻器通常都可以和標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)結(jié)合使用，目前市場(chǎng)上大多數(shù)變頻器都屬于通用變頻器。2）專用變頻器專用變頻器是在通用變頻器的基礎(chǔ)上，根據(jù)拖動(dòng)負(fù)載的特性而增加了一些特殊功能，以及針對(duì)控制方式進(jìn)行了一系列專門的優(yōu)化，以此形成了專門適用于特殊場(chǎng)合的變頻器。例如，針對(duì)電廠大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的高壓變頻器，其最高功率可達(dá)5000kW；針對(duì)超精密機(jī)械加工中常用的高速電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的高頻變頻器，其輸出主頻率通?？蛇_(dá)3kHz。專用變頻器的驅(qū)動(dòng)對(duì)象通常是變頻器廠家指定的、特殊場(chǎng)合下的專用電動(dòng)機(jī)。三變頻器的應(yīng)用利用變頻器進(jìn)行交流變頻調(diào)速具有優(yōu)異的調(diào)速和啟、制動(dòng)性能，以及高效率、高功率因數(shù)和明顯的節(jié)能特性，已在社會(huì)生產(chǎn)的各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1節(jié)能方面如圖1-6所示為變頻器在鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造上的應(yīng)用示意圖。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、泵類電動(dòng)機(jī)采用擋板和閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，耗電功率變化不大；而采用變頻調(diào)速后，其節(jié)電率可達(dá)20%～60%。這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)、泵類電動(dòng)機(jī)的實(shí)際耗電功率基本與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，當(dāng)用戶需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)、泵類采用變頻調(diào)速使其轉(zhuǎn)速降低，節(jié)能效果非常可觀。圖1-6變頻器在鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造上的應(yīng)用據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)、泵類電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)用電量的31%，占工業(yè)用電量的50%。在此類負(fù)載上使用變頻調(diào)速裝置具有非常重要的意義。以節(jié)能為目的的變頻器的應(yīng)用，在近幾十年來發(fā)展非常迅速。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行變頻改造的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的容量占總?cè)萘康?%以上，年節(jié)電約4×1010kW·h。由于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載在采用變頻調(diào)速后可以節(jié)省大量的電能，所需的投資在較短的時(shí)間內(nèi)就可以收回，因此變頻器在這一領(lǐng)域的應(yīng)用最廣泛。目前，應(yīng)用較成功的有恒壓供水（見圖1-7）、各類風(fēng)機(jī)（見圖1-8）、中央空調(diào)和液壓泵的變頻調(diào)速等領(lǐng)域。圖1-7變頻器在恒壓、恒液位供水系統(tǒng)的應(yīng)用圖1-8風(fēng)機(jī)變頻柜2工業(yè)自動(dòng)化方面隨著控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器除了具有基本的調(diào)速控制之外，還具備了多種算術(shù)運(yùn)算和智能控制功能，可使輸出頻率的控制精度高達(dá)0.1%～0.01%；變頻器還具有完善的檢測(cè)、保護(hù)功能，因此在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計(jì)量、導(dǎo)絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機(jī)；電弧爐自動(dòng)加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制系統(tǒng)等。3工藝控制方面變頻器還廣泛地應(yīng)用于傳送、起重、擠壓和機(jī)床等各種機(jī)械設(shè)備的控制領(lǐng)域，可用來提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減少設(shè)備沖擊和噪聲，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。采用變頻器控制后，可以使機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變?cè)泄に囈?guī)范，從而提高整個(gè)設(shè)備的性能。變頻器在干法造紙生產(chǎn)系統(tǒng)、涂裝輸送系統(tǒng)、保溫棉生產(chǎn)線上的應(yīng)用分別如圖1-9、圖1-10和圖1-11所示。圖1-9變頻器在干法造紙生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用圖1-10變頻器在涂裝輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用圖1-11變頻器在保溫棉生產(chǎn)線上的應(yīng)用任務(wù)實(shí)施一、列舉變頻器應(yīng)用實(shí)例列舉你所了解到的或生活中碰到的變頻器應(yīng)用實(shí)例，完成表1-1。表1-1變頻器應(yīng)用實(shí)例變頻器類型應(yīng)用場(chǎng)合特點(diǎn)二、認(rèn)識(shí)變頻器實(shí)物教師給出若干不同類型的變頻器實(shí)物（或圖片）；由學(xué)生觀察其外觀結(jié)構(gòu)，了解變頻器的品牌、主要功能及應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)變頻器進(jìn)行分類后將相關(guān)信息填入表1-2。表1-2變頻器實(shí)物分類表品牌功能變頻器類型應(yīng)用場(chǎng)合任務(wù)總結(jié)變頻技術(shù)主要用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它終結(jié)了電動(dòng)機(jī)機(jī)械調(diào)速時(shí)代，通過改變?nèi)嘟涣麟妱?dòng)機(jī)輸入電源電壓的頻率直接對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施無級(jí)調(diào)速。它的應(yīng)用有助于現(xiàn)有工藝的改進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量的改觀、新技術(shù)的研發(fā)以及控制能源消耗等。目前我國(guó)應(yīng)用變頻器的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，除了輕工業(yè)領(lǐng)域，化工、紡織塑料等領(lǐng)域也有應(yīng)用。變頻技術(shù)的根本任務(wù)是提高機(jī)械自動(dòng)化水平，即致力于產(chǎn)品質(zhì)量的改善和產(chǎn)量的增加。除此之外，家電工業(yè)領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)了變頻技術(shù)的應(yīng)用，變頻冰箱、變頻空調(diào)等家電項(xiàng)目紛紛推出，初步實(shí)現(xiàn)了家電產(chǎn)品的智能化控制。35

任務(wù)二掌握變頻器的面板操作及運(yùn)行方法任務(wù)導(dǎo)入控制面板是執(zhí)行變頻器調(diào)試、運(yùn)行操作的重要部件。不同型號(hào)、不同功能的變頻器，其操作面板也有所不同，本任務(wù)以三菱FR－PA02操作面板為例，來介紹變頻器各功能鍵的操作方法。在實(shí)際應(yīng)用中，要使變頻器工作、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要連接變頻器主電路，輸入給定頻率，給出變頻器的運(yùn)行信號(hào)。相關(guān)知識(shí)

三菱變頻器常見型號(hào)有矢量重負(fù)載型、風(fēng)機(jī)水泵型、經(jīng)濟(jì)通用型和簡(jiǎn)易型4種類型，各型的基本特性如下。一三菱變頻器的型號(hào)及命名規(guī)則1三菱變頻器的型號(hào)1）矢量重負(fù)載型（FR－A740系列）功率范圍：0.4～500kW。閉環(huán)時(shí)可進(jìn)行高精度的轉(zhuǎn)矩/速度/位置控制。無傳感器矢量控制，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩/速度控制。內(nèi)置PLC功能（特殊型號(hào)）。使用長(zhǎng)壽命元器件，內(nèi)置EMC濾波器。強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，支持DeviceNet、Profibus－DP、Modbus等協(xié)議。2）風(fēng)機(jī)水泵型（FR－F740系列）功率范圍：0.75～630kW。簡(jiǎn)易磁通矢量控制方式，輸出頻率為3Hz時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩為120%。采用最佳勵(lì)磁控制方式，實(shí)現(xiàn)更高節(jié)能運(yùn)行。內(nèi)置PID功能，可以實(shí)現(xiàn)變頻/工頻運(yùn)行切換和多泵循環(huán)運(yùn)行功能。內(nèi)置獨(dú)立的RS485通信口。使用長(zhǎng)壽命元器件。內(nèi)置噪聲濾波器（75kW以上）。帶有節(jié)能監(jiān)控功能，節(jié)能效果一目了然。3）經(jīng)濟(jì)通用型（FR－E740系列）功率范圍：0.1～15kW。先進(jìn)磁通矢量控制，輸出頻率為0.5Hz時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩為200%。擴(kuò)充PID（比例－積分－微分控制），柔性PWM。內(nèi)置Modbus－RTU協(xié)議。停止精度提高。加選件卡FR－A7NC，可以支持CC－Link通訊。加選件卡FR－A7NL，可以支持LonWorks通訊。加選件卡FR－A7ND，可以支持DeveiceNet通訊。加選件卡FR－A7NP，可以支持Profibus－DP通訊。4）簡(jiǎn)易型（FR－D740系列）功率范圍：0.4～7.5kW。通用磁通矢量控制，輸出頻率為1Hz時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩為150%。采用長(zhǎng)壽命元器件。內(nèi)置Modbus－RTU協(xié)議。內(nèi)置制動(dòng)晶體管。擴(kuò)充PID、三角波功能。帶安全停止功能。三菱變頻器的型號(hào)命名規(guī)則如圖1-12所示。2三菱變頻器的型號(hào)命名規(guī)則圖1-12三菱變頻器的型號(hào)命名規(guī)則知識(shí)加油站

變頻器按額定電壓的電壓等級(jí)可分為高壓變頻器、中壓變頻器和低壓變頻器，其中3kV、6kV、10kV的變頻器屬于高壓變頻器；660V、1140V的變頻器屬于中壓變頻器；220V、380V的變頻器屬于低壓變頻器。目前市場(chǎng)是主流的變頻器電壓等級(jí)有單相220V（200V級(jí)），或三相380V（400V級(jí)）、450～500V、660～690V、6kV、10kV。變頻器的容量即視在功率，是變頻器有功功率和無功功率的總和，單位kVA。此外，變頻器的技術(shù)指標(biāo)還包括輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流、頻率調(diào)節(jié)范圍等。二三菱變頻器的操作面板三菱變頻器主要有540系列和740系列兩個(gè)系列的產(chǎn)品，其中740系列是從540系列升級(jí)而來的，故740系列與540系列變頻器的接線端子、功能及參數(shù)大多數(shù)是相同的，掌握540系列變頻器的使用后，參照740系列變頻器的不同點(diǎn)，就可快速學(xué)會(huì)使用740系列變頻器。1操作面板結(jié)構(gòu)三菱變頻器的操作面板有FR－DU04、FR－DU07、FR－PA02－02以及FR－PA07等型號(hào)，各型操作面板分別適用于不同型號(hào)的變頻器，本任務(wù)以FR－E540型變頻器為例，介紹變頻器操作面板的操作。FR－E540型變頻器采用FR－PA02－02型面板，其結(jié)構(gòu)如圖1-13所示。通過操作面板FR－PA02－02可對(duì)變頻器進(jìn)行運(yùn)行頻率的設(shè)定、運(yùn)行指令的監(jiān)視、運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定以及錯(cuò)誤信息的顯示等操作。圖1-13FR－PA02－02操作面板操作面板FR－PA02－02的按鍵說明和單位及運(yùn)行狀態(tài)的表示分別如表1-3、表1-4所示。2按鍵和顯示功能表1-3操作面板FR－PA02的按鍵說明按鍵說明鍵

正轉(zhuǎn)運(yùn)行指令鍵鍵

用于選擇操作模式或設(shè)定模式鍵

用于確定頻率和參數(shù)的設(shè)定鍵

①用于連續(xù)增加或除低運(yùn)行頻率，按下這個(gè)鍵可改變頻率

②在“設(shè)定”模式中按下此鍵，則可連續(xù)設(shè)定參數(shù)鍵

用于給出正轉(zhuǎn)指令鍵

用于給出反轉(zhuǎn)指令鍵

①用于停止運(yùn)行

②用于保護(hù)功能動(dòng)作輸出停止時(shí)復(fù)位變頻器表1-4操作面板FR－PA02的單位單位及運(yùn)行狀態(tài)的表示表示說明Hz①表示頻率時(shí)燈亮②參數(shù)Pr.52“操作面板/PU主顯示數(shù)據(jù)選擇”設(shè)置為“100”時(shí)，有閃爍/亮燈的動(dòng)作A

表示電流時(shí)燈亮RUN

變頻器運(yùn)行時(shí)燈亮（正轉(zhuǎn)時(shí)燈亮、反轉(zhuǎn)時(shí)閃爍）MON

“監(jiān)視/顯示”模式時(shí)燈亮PU

“PU操作”模式時(shí)燈亮EXT

“外部操作”模式時(shí)燈亮任務(wù)實(shí)施一、觀察變頻器銘牌認(rèn)真觀察并記錄變頻器銘牌上的有關(guān)信息，如圖1-14所示。包括品牌型號(hào)、出廠編號(hào)、變頻器容量、輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流、頻率調(diào)節(jié)范圍等。圖1-14變頻器銘牌二、拆、裝變頻器操作面板和蓋板以變頻器FR－E540為例，練習(xí)變頻器操作面板和蓋板的拆、裝操作，具體步驟如下。①按照?qǐng)D1-15所示的方法拆開變頻器前蓋板，認(rèn)識(shí)FR－E540變頻器的所有接線端子的含義，具體如圖1-16～圖1-18所示。然后按照?qǐng)D1-15和圖1-19所示的方法反復(fù)練習(xí)前蓋板和接線蓋板的拆、裝。圖1-15前蓋拆卸圖1-16變頻器接線端子的含義圖1-17主回路接線端子排列圖圖1-18控制回路接線端子排列圖圖1-19接線蓋板的拆卸與安裝

②按照?qǐng)D1-20～圖1-24所示反復(fù)練習(xí)操作面板的拆卸與安裝，如圖1-25所示為變頻器FR－E540的部件展開圖。圖1-20輔助蓋板的拆卸圖1-21輔助蓋板的安裝圖1-22操作面板的拆卸圖1-23操作面板的安裝圖1-24操作面板表面蓋板的拆卸圖1-25變頻器FR－E540的部件展開圖圖1-26變頻器的主接線圖三、變頻器的試運(yùn)行以FR－PA02－02操作面板為例，認(rèn)識(shí)操作面板上各按鍵的功能和指示燈所代表的狀態(tài)，完成以下操作。1．連接變頻器按照如圖1-26所示的方法，連接好變頻器。注意電源線必須接L1、L2、L3，絕對(duì)不能接U、V、W，否則會(huì)燒壞變頻器。圖1-27合上電源后變頻器操作面板顯示圖接通電源，練習(xí)操作面板不同模式下功能鍵的使用，具體方法如下。2．設(shè)置操作面板的模式1）“監(jiān)視”模式接通電源后，操作面板的LED顯示屏顯示“0.00”，同時(shí)“MON”“PUEXT”“Hz”三個(gè)指示燈點(diǎn)亮，如圖1-27所示。圖1-28“監(jiān)視”模式內(nèi)部功能切換示意圖“監(jiān)視”模式用于監(jiān)視變頻器運(yùn)行過程中輸出電壓、輸出電流、輸出頻率等參數(shù)。如監(jiān)視頻率時(shí)，LED顯示屏顯示頻率的值，“Hz”指示燈亮。在該模式下，連續(xù)按動(dòng)【SET】鍵，LED顯示屏內(nèi)容可在頻率、電流、電壓之間切換，相應(yīng)的指示燈也會(huì)發(fā)亮，如圖1-28所示。圖1-29五種工作模式的切換方法三菱變頻器的運(yùn)行模式除了“監(jiān)視”模式外，還有“頻率設(shè)定”模式、“參數(shù)設(shè)定”模式、“運(yùn)行”模式和“幫助”模式。連續(xù)按動(dòng)【MODE】鍵，可在5種模式之間進(jìn)行切換，如圖1-29所示。2）

“參數(shù)設(shè)定”模式按【MODE】鍵，使變頻器處于“參數(shù)設(shè)定”模式，此時(shí)LED數(shù)碼顯示屏顯示“P0000”。要設(shè)置其他參數(shù)，必須使變頻器處于“PU操作”模式，“Pr.79”應(yīng)先設(shè)定為“1”，這樣才能對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行正確的設(shè)定。其余參數(shù)可以使用默認(rèn)值，也可另行設(shè)定。參數(shù)設(shè)定后，再根據(jù)運(yùn)行模式，設(shè)置變頻裝置的操作模式。貼心服務(wù)窗圖1-30參數(shù)模式的設(shè)定方法將參數(shù)號(hào)Pr.79（運(yùn)行模式選擇）設(shè)定值從“2”（“外部操作”模式）變更到“1”（“PU操作”模式），設(shè)定操作步驟如圖1-30所示。3）

“運(yùn)行”模式“運(yùn)行”模式（也叫“操作”模式）用來確定給定頻率和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)是由外部給定還是由操作面板的鍵盤給定。變頻器的“運(yùn)行”模式包括外部運(yùn)行（外部操作）、PU運(yùn)行（PU操作）、PU點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行（PU點(diǎn)動(dòng)操作）3種運(yùn)行方式，各運(yùn)行方式之間的切換操作示意圖如圖1-31所示。圖1-31“運(yùn)行模式”在3種運(yùn)行方式之間的切換操作示意圖4）

“頻率設(shè)定”模式“頻率設(shè)定”模式是在“PU操作”模式的前提下，通過操作面板鍵盤進(jìn)行變頻器運(yùn)行頻率的設(shè)定，運(yùn)行頻率的設(shè)定必須要在“頻率設(shè)定”模式下進(jìn)行，將運(yùn)行頻率從60Hz改為50Hz的操作步驟如圖1-32所示。圖1-32運(yùn)行頻率設(shè)定操作示意圖5）

“幫助”模式在“幫助”模式下用【▲/▼】鍵可以在“顯示報(bào)警記錄”“清除報(bào)警記錄”“清除參數(shù)”“全部清除”“讀軟件版本號(hào)”5個(gè)功能之間進(jìn)行切換，如圖1-33所示。圖1-33“幫助”模式下的操作示意圖①報(bào)警記錄顯示操作。用【▲/▼】鍵能顯示最近的4次報(bào)警（帶有“.”的表示最近的報(bào)警）。當(dāng)沒有報(bào)警存在時(shí)，顯示“E.__0”，具體操作如圖1-34所示。圖1-34報(bào)警記錄顯示操作示意圖②報(bào)警記錄清除操作，方法如圖1-35所示。圖1-35報(bào)警記錄清除操作示意圖③參數(shù)清除操作。參數(shù)清除操作用于將所有參數(shù)初始化到出廠值。變頻器在出廠時(shí)，所有的參數(shù)均有一個(gè)出廠設(shè)定值，用戶在使用時(shí)，根據(jù)需要可以在參數(shù)設(shè)定的允許范圍內(nèi)改變出廠值，在進(jìn)行參數(shù)清除操作后，其參數(shù)又初始化到出廠值。參數(shù)清除操作方法如圖1-36所示。圖1-34報(bào)警記錄顯示操作示意圖④全部清除操作。全部清除操作用于將所有參數(shù)和校準(zhǔn)值全部初始化到出廠值。注意這里的“全部清除”就是將參數(shù)值和校準(zhǔn)值全部初始化到出廠設(shè)定值，而并非全部清為“0”。此外，以上所有的清除操作均應(yīng)在“PU操作”模式下才可進(jìn)行。四、運(yùn)行控制實(shí)施1．全部清除為了調(diào)試能夠順利進(jìn)行，在開始設(shè)置參數(shù)前要進(jìn)行一次“全部清除”操作，具體步驟如下。①

按【MODE】鍵至“運(yùn)行”模式，按【▲/▼】鍵選擇“PU操作”模式。②

按【MODE】鍵至“幫助”模式。③

按【▲/▼】鍵至“ALLC”。④

按【SET】鍵，按【▲】鍵至LED顯示屏顯示“1”。⑤長(zhǎng)按【SET】鍵至LED顯示屏顯示在“1”和“ALLC”之間閃爍。2．點(diǎn)動(dòng)①

按【MODE】鍵，在“參數(shù)設(shè)定”模式下，設(shè)Pr.791。②

預(yù)置Pr.1510Hz。③

按【MODE】鍵，在顯示屏顯示為“PU”時(shí)，按【▲】鍵切換到“點(diǎn)動(dòng)”模式，此時(shí)LED顯示屏顯示“JOG”。④

按【FWD】鍵正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，按【REV】鍵反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。3．設(shè)定頻率運(yùn)行①

按【MODE】鍵，在“參數(shù)設(shè)定”模式下，設(shè)Pr.791，這時(shí)，“PU”燈亮。②

按【MODE】鍵，在“頻率設(shè)定”模式下，設(shè)F40Hz，按【SET】鍵寫入設(shè)定頻率。③

按【MODE】鍵，選擇“監(jiān)視”模式。④

按【FWD】或【REV】鍵，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，監(jiān)視各輸出量，按【STOP】鍵，電動(dòng)機(jī)停止。⑤

按【MODE】鍵，在“參數(shù)設(shè)定”模式下，設(shè)定變頻器的有關(guān)參數(shù)，具體為Pr.1=50Hz Pr.2=0Hz Pr.3=50Hz Pr.7=5s Pr.8=5s。⑥

分別設(shè)變頻器的運(yùn)行頻率為35Hz、45Hz和50Hz，運(yùn)行變頻器，觀察電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。任務(wù)總結(jié)變頻器運(yùn)行的PU操作，可使變頻器不需要控制端子的接線，完全通過操作面板上的按鍵來控制各類生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)行，如加工中心機(jī)床上的前進(jìn)后退、上升下降、進(jìn)刀回刀等。PU操作是變頻器使用最多的操作方式，因此，掌握好這種操作方法是學(xué)習(xí)變頻器使用的關(guān)鍵所在。變頻器在正式投入運(yùn)行前應(yīng)試運(yùn)行。試運(yùn)行可選擇以較低頻率點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)應(yīng)旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無不正常的振動(dòng)和噪聲，能夠平穩(wěn)地增速和減速。72

任務(wù)三認(rèn)識(shí)變頻器的主電路及開關(guān)器件任務(wù)導(dǎo)入隨著工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)調(diào)速性能要求的不斷提高和電力電子、微電子及計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步。變頻調(diào)速是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的，它是如何實(shí)現(xiàn)的呢？相關(guān)知識(shí)一變頻調(diào)速的基本原理1交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

（1-1）式中，n

——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）；

n1

——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速；f1

——交流電頻率（Hz）；

s

——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；

p

——磁極對(duì)數(shù)?？芍惒诫妱?dòng)機(jī)有下列3種基本調(diào)速方法。①通過改變定子極對(duì)數(shù)

p來調(diào)速。②通過改變電源頻率

f1來調(diào)速。③通過改變轉(zhuǎn)差率s

來調(diào)速。其中，改變電源頻率調(diào)速即為變頻調(diào)速，由于其具有調(diào)速范圍寬、平滑性好、機(jī)械特性較硬等優(yōu)點(diǎn)，已成為近代交流調(diào)速發(fā)展的主要方向之一。2變頻調(diào)速的結(jié)構(gòu)框圖交流變頻調(diào)速技術(shù)的原理是把工頻50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電，通過同時(shí)改變交流異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的供電頻率和電源電壓，以達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的基本原理框圖如圖1-37所示，它與外界的聯(lián)系基本上由主電路和控制電路兩部分來實(shí)現(xiàn)。圖1-37變頻器的基本原理框圖變頻器實(shí)際應(yīng)用中使用最多的是交－直－交結(jié)構(gòu)的變頻器，該類變頻器的主電路主要由整流電路、制動(dòng)電路和逆變電路3部分組成，如圖1-38所示。圖1-38交－直－交變頻器的主電路二變頻器的主電路1整流電路圖1-38所示的整流電路中，由VD1~VD6

組成三相整流橋，它們將三相380V工頻交流電整流成直流。此外，整流電路中還包含了濾波電路和限流電路。1）濾波電路整流電路輸出的整流電壓是脈動(dòng)的直流電壓，必須加以濾波。圖1-38中的濾波電容CF1

和CF2

的主要作用就是對(duì)整流電壓進(jìn)行濾波，另外，它在整流器與逆變器之間還起到了去耦作用，以消除兩者之間的相互干擾。知識(shí)加油站濾波電容是大容量電容器，可使加于負(fù)載上的電壓值不受負(fù)載變動(dòng)的影響而基本保持恒定，通常稱這樣的變頻器為電壓型變頻器。電壓型變頻器逆變電壓波形為方波，而電流的波形經(jīng)電動(dòng)機(jī)繞組感性負(fù)載濾波后接近于正弦波。如果將濾波電路的元件改為電感，就可使加于逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流基本不受負(fù)載影響，通常稱這樣的變頻器為電流型變頻器。電流型變頻器逆變電流波形為方波，而電壓的波形經(jīng)電動(dòng)機(jī)繞組感性負(fù)載的濾波后接近于正弦波。2）限流電路在電壓型變頻器的二極管整流電路中，由于在接通電源時(shí)，濾波電容的充電電流很大，該電流過大時(shí)能使三相整流橋損壞，還可能形成對(duì)電網(wǎng)的干擾，影響同一電源系統(tǒng)的其他裝置正常工作。為了限制濾波電容的充電電流，在變頻器開始接通電源的一段時(shí)間內(nèi)，開關(guān)SL斷開，電路串入限流電阻RL

，當(dāng)濾波電容充電到一定程度時(shí)將SL

閉合，使RL

短接。制動(dòng)電路又稱能耗電路，包括制動(dòng)電阻RB

和制動(dòng)控制管VTB

。2制動(dòng)電路1）制動(dòng)電阻RB

電動(dòng)機(jī)在降速時(shí)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，回饋到直流電路中的能量將使電壓UD不斷上升，可能導(dǎo)致危險(xiǎn)。因此需要將這部分能量消耗掉，使UD保持在允許的范圍內(nèi)，制動(dòng)電阻RB就是用來消耗這部分能量的。2）制動(dòng)控制管VTB

制動(dòng)控制管一般由功率晶體管GTR（或IGBT）及采樣、比較和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其作用是控制流經(jīng)RB的放電電流。逆變器的基本作用是將直流變成交流，是變頻器的核心部分。它一般由逆變橋和續(xù)流電路組成。3逆變電路1）逆變橋在圖1-40中，由

組成三相逆變橋，

工作在開關(guān)狀態(tài)。

導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于開關(guān)接通，

截止時(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開。

交替通斷，將整流后的直流電壓變成交流電壓。2）續(xù)流電路續(xù)流電路由反向并聯(lián)在6個(gè)逆變管上的6個(gè)續(xù)流二極管

組成。續(xù)流二極管主要有以下功能。①由于電動(dòng)機(jī)是一種感性負(fù)載，在導(dǎo)通的橋臂開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電流不可能降為零，此時(shí)由與其并聯(lián)的二極管進(jìn)行續(xù)流，將其能量返回直流電源。②當(dāng)電機(jī)降速時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，

為再生電流返回直流電源提供通道。續(xù)流二極管的作用原理如圖1-39所示。圖1-39續(xù)流二極管的作用原理視野拓展1．單相逆變模型的工作原理單相逆變是逆變電路最基本的工作原理，是通過改變兩組開關(guān)切換的頻率來改變輸出交流電頻率的。單相逆變模型的工作原理如圖1-40所示，S1～S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。當(dāng)S1、S3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，U1電壓為正；當(dāng)S2、S4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，U1電壓為負(fù)。由于開關(guān)S1、S3和S2、S4依次交替通斷，從而將直流電壓Ed逆變成了交流電壓U1。圖1-40單相逆變模型的工作原理

逆變器的主要功能如下。①通過改變開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間來改變輸出電壓的頻率。②通過改變開關(guān)管導(dǎo)通的順序來改變輸出電壓的相序。2．三相逆變模型的工作原理三相逆變模型的工作原理如圖1-41所示。電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式是180°導(dǎo)通方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一組上下兩個(gè)橋臂的2個(gè)逆變管交替導(dǎo)電，6個(gè)逆變管每隔60°觸發(fā)導(dǎo)通一次，相鄰兩相的逆變管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間互差120°，一個(gè)周期共換相6次，對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的工作狀態(tài)。在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)逆變管觸發(fā)導(dǎo)通的次序?yàn)镾1→S2→S3→S4→S5→S6，依次相隔60°，以保證在任意時(shí)刻均有3個(gè)逆變管同時(shí)導(dǎo)通，其組合順序?yàn)镾1S2S3，S2S3S4，S3S4S5，S4S5S6，S5S6S1，S6S1S2，每種組合工作60°。當(dāng)S1S2S3導(dǎo)通時(shí)，UUV=0

，UVW=Ed

，UVU=?Ed

。同理，可以分析出其他5個(gè)工作狀態(tài)。圖1-41三相逆變模型的工作原理從上述分析可以看出，通過6個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，交流電的幅值可通過調(diào)節(jié)Ed的大小來實(shí)現(xiàn)。

電力半導(dǎo)體器件是變頻器的核心元件。目前，變頻器中常用的逆變管有可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和智能功率模塊（IPM）等形式。三變頻器常用的開關(guān)器件可關(guān)斷晶閘管的電氣符號(hào)、原理及常見形狀如圖1-42所示。可關(guān)斷晶閘管的優(yōu)點(diǎn)是電壓、電流容量較大，目前其工作電壓可達(dá)到6000V，電流可達(dá)到6000A，多應(yīng)用于大功率高壓變頻器；其缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，關(guān)斷控制易失敗，工作頻率不夠高，一般在10kHz以下。1可關(guān)斷晶閘管圖1-42可關(guān)斷晶閘管的電氣符號(hào)、原理及常見形狀電力場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理如圖1-43所示。電力場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；開關(guān)速度快，開關(guān)頻率可達(dá)500kHz以上。電力場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)是電流容量小，耐壓低。2電力場(chǎng)效應(yīng)管圖1-43電力場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理絕緣柵雙極晶體管常見的形狀及原理如圖1-44所示。絕緣柵雙極晶體管的輸出特性好，開關(guān)速度快，工作頻率高，一般可達(dá)20kHz以上；其通態(tài)壓降比電力場(chǎng)效應(yīng)管低，輸入阻抗高，耐壓、耐流能力比電力場(chǎng)效應(yīng)管高，最大電流可達(dá)1800A，最高電壓可達(dá)4500V。目前在中小容量變頻器電路中，IGBT的應(yīng)用處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。3絕緣柵雙極晶體管圖1-44絕緣柵雙極晶體管常見的形狀及原理智能功率模塊（IPM）的結(jié)構(gòu)包括三相全波整流和6～7個(gè)IGBT單元，即將變頻器的主回路全部封裝在一個(gè)模塊內(nèi)，在中小功率變頻器上（15kW以下）均使用IPM模塊。智能功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-45所示，智能功率模塊是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路集成在同一個(gè)模塊內(nèi)。這種功率集成模塊特別適應(yīng)逆變器高頻化發(fā)展方向的需要，而且由于高度集成化，結(jié)構(gòu)緊湊，避免了由于分布參數(shù)、保護(hù)延遲所帶來的一系列技術(shù)難題。智能功率模塊的主要特點(diǎn)如下。4智能功率模塊圖1-45智能功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖①IPM內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路，可以按最佳的IGBT驅(qū)動(dòng)條件進(jìn)行設(shè)定。②IPM內(nèi)含過流（OC）和短路（SC）保護(hù)電路，使檢測(cè)功耗小、靈敏、準(zhǔn)確。③IPM內(nèi)含欠電壓（UV）保護(hù)電路，當(dāng)控制電源電壓小于規(guī)定值時(shí)進(jìn)行保護(hù)。④IPM內(nèi)含過熱（OH）保護(hù)電路，可以防止IGBT和續(xù)流二極管過熱，在IGBT內(nèi)部的絕緣基板上設(shè)有溫度檢測(cè)元件，結(jié)溫過高時(shí)即輸出報(bào)警（ALM）信號(hào)，該信號(hào)送給變頻器的單片機(jī)，使系統(tǒng)顯示故障信息并停止工作。⑤IPM內(nèi)含制動(dòng)電路，用戶如有制動(dòng)要求可另購(gòu)選件，在外電路規(guī)定端子上接制動(dòng)電阻，即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。資料卡結(jié)溫是指電子設(shè)備中實(shí)際半導(dǎo)體芯片PN結(jié)的工作溫度。目前，IPM一般采用IGBT作為功率開關(guān)器件構(gòu)成單相或三相逆變器的專用功能模塊，在中小容量變頻器中廣泛應(yīng)用。15kW以下小功率變頻器多采用25A/50A/75A的IPM模塊以降低成本。任務(wù)實(shí)施一、判斷極性①將萬用表撥在“R×1k”擋，然后開始測(cè)量。②測(cè)量時(shí)，若某一極與其他兩極間的阻值為無窮大，調(diào)換表筆后該極與其他兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為柵極（G）。③用萬用表測(cè)量其余兩極，若測(cè)得阻值為無窮大，調(diào)換表筆后測(cè)量阻值較小，則判定在測(cè)量阻值較小的一次中，紅表筆接的為集電極（C），黑表筆接的為發(fā)射極（E）。變頻器的主要組成部分就是逆變電路，逆變電路通常是指IGBT逆變模塊，IGBT模塊損壞也是變頻器常見故障。請(qǐng)嘗試用簡(jiǎn)便方法檢測(cè)IGBT模塊的好壞，具體方法如下。二、判斷好壞①將萬用表撥在“R×10k”擋，用黑表筆接IGBT的集電極（C），紅表筆接IGBT的發(fā)射極（E），此時(shí)萬用表的指針在零位。②用手指同時(shí)觸及一下柵極（G）和集電極（C），這時(shí)IGBT被觸發(fā)導(dǎo)通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并能指示在某一位置。③再用手指同時(shí)觸及一下柵極（G）和發(fā)射極（E），這時(shí)IGBT被阻斷，萬用表的指針應(yīng)回零，此時(shí)即可判定IGBT良好。三、注意事項(xiàng)①任何指針式萬用表均可用于檢測(cè)IGBT。②注意判斷IGBT好壞時(shí)，一定要將萬用表撥在“

”擋，因“

”擋及以下各擋萬用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測(cè)好壞時(shí)不能使IGBT導(dǎo)通，而無法判斷IGBT的好壞。③此方法同樣也可以用于檢測(cè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P－MOSFET）的好壞。任務(wù)總結(jié)變頻器作為交流調(diào)速的一種電能控制裝置，它的主電路組成相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由整流電路、制動(dòng)電路和逆變電路3部分構(gòu)成，關(guān)鍵是控制技術(shù)要求很高。隨著電力電子、微電子及計(jì)算機(jī)控制等各項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已日趨成熟。項(xiàng)目總結(jié)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率可達(dá)到20%～60%，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的實(shí)際消耗功率基本與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。當(dāng)用戶需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)、泵類采用變頻調(diào)速使其轉(zhuǎn)速降低，節(jié)能效果非?？捎^。生活用空調(diào)、冰箱都屬于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，故變頻的空調(diào)、冰箱節(jié)能就成為變頻器應(yīng)用的一大亮點(diǎn)。項(xiàng)目引入某廠的飲料傳輸帶進(jìn)行設(shè)備更新，裝上了新的變頻器。為了充分利用資源，該廠把舊的變頻器改用到容量相同的鼓風(fēng)機(jī)上，結(jié)果在啟動(dòng)時(shí)，變頻器在運(yùn)行頻率上升到5Hz時(shí)就因“過電流”而跳閘，這是什么原因呢？項(xiàng)目目標(biāo)了解變頻器實(shí)現(xiàn)變頻與變壓的方法了解異步電機(jī)及常見負(fù)載的機(jī)械特性掌握

控制的基本原理掌握選擇

控制曲線時(shí)常用的操作方法了解矢量控制的基本原理了解直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想、特點(diǎn)及應(yīng)用105

任務(wù)一認(rèn)識(shí)變頻與變壓任務(wù)導(dǎo)入前已述及，改變逆變管的通斷速度就可以改變變頻器輸出交流電的頻率，而輸出交流電的幅值等于整流后的直流電壓。但事實(shí)上，只改變變頻器的輸出頻率，并不能正常調(diào)速，還有可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能變差，這是什么原因呢？相關(guān)知識(shí)一變頻變壓調(diào)速原理1變頻對(duì)異步電動(dòng)機(jī)定子繞組反電動(dòng)勢(shì)的影響由電機(jī)學(xué)原理可知，在調(diào)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)每相定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的有效值為

（2-1）式中，E——定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）；f——定子繞組供電頻率（Hz）；N——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

kN——基波繞組系數(shù)；

Φm——?dú)庀洞磐浚╓b）。由式（2-1）可知，如果定子每相電動(dòng)勢(shì)E的有效值不變，改變定子供電頻率f時(shí)會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況。①若f

>

fN

，則

Φm

<

ΦmN

，結(jié)果電動(dòng)機(jī)的鐵芯沒有得到充分利用，造成浪費(fèi)。②若f

<

fN

，則

Φm

>

ΦmN

，結(jié)果電動(dòng)機(jī)的鐵芯產(chǎn)生過飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流過大，從而使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)驗(yàn)槔@組過熱而燒壞電動(dòng)機(jī)。由此可見，在變頻調(diào)速時(shí)，單純調(diào)節(jié)頻率是行不通的。因此，要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，且在不損壞電動(dòng)機(jī)的情況下充分利用電機(jī)鐵芯，應(yīng)保持氣隙磁通Φm不變。2額定頻率以下的調(diào)速由式（2-1）可知，要保持氣隙磁通Φm不變，當(dāng)頻率f從額定頻率

fN向下調(diào)時(shí)，必須同步降低旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，使E/f=常數(shù)，即采用電動(dòng)勢(shì)與頻率之比恒定的控制方式。但繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不易直接控制，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的輸入電壓U=E

，即可通過控制U達(dá)到控制E的目的，即保持

（2-2）

通過以上分析可知，在額定頻率以下（f

<

fN

）調(diào)速時(shí)，在調(diào)頻的同時(shí)也需要調(diào)壓。提示在額定頻率以上調(diào)速時(shí)，雖然電動(dòng)機(jī)的工作頻率超過額定頻率

fN，但由于輸入電壓U受其額定電壓UN的限制而不能再升高，只能保持U=UN不變。此時(shí)可采用恒功率調(diào)速，此處不再詳細(xì)介紹。二變頻變壓實(shí)現(xiàn)的方法1SPWM的概念要使變頻器在頻率變化的同時(shí)，電壓也同步變化，并且保持U/f=常數(shù)，通常采用正弦脈寬調(diào)制（SinusoidalPulseWidthModulation，簡(jiǎn)稱SPWM）的方法。脈寬調(diào)制（PWM）的指導(dǎo)思想是將輸出電壓分解成很多脈沖，調(diào)頻時(shí)控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時(shí)間就可控制輸出電壓的幅值，脈寬調(diào)制的輸出電壓波形如圖2-1所示。（a）調(diào)制前的波形（b）調(diào)制后的波形圖2-1脈寬調(diào)制的輸出電壓波形從圖中可以看出，脈沖的寬度t1

越大，脈沖的間隔t2越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明t1

、

t2

和電壓平均值之間的關(guān)系，我們引入了占空比的概念。占空比是指脈沖寬度與一個(gè)脈沖周期的比值，用D表示，即

（2-3）

由于輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)脈沖的寬度即可調(diào)節(jié)輸出電壓，所以稱為脈寬調(diào)制。如圖2-1（a）所示為調(diào)制前輸出電壓的波形，電壓周期為TN

；如圖2-1（b）所示為調(diào)制后輸出電壓的波形，電壓周期為TX

。與圖2-1（a）相比，圖2-1（b）中的電壓周期變大，通過調(diào)制使輸出電壓的頻率降低，電壓脈沖的幅值保持不變，減小占空比，從而降低了輸出電壓的平均值。變頻器輸出的是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化。因此，在一個(gè)周期內(nèi)的占空比也必須是變化的。具體來說，就是在靠近正弦波幅值的部分，D取大一些；而在正弦波即將到達(dá)零處，D取小一些，如圖2-2所示。圖2-2SPWM的輸出電壓由于這種脈寬調(diào)制的占空比是按正弦規(guī)律變化的，因此這種調(diào)制方法被稱作正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM。在SPWM的脈沖系列中，各脈沖的寬度

t1和脈沖間隔

t2都是周期性變化的。雖然SPWM電壓波形與正弦波相差甚遠(yuǎn)，但由于變頻器的負(fù)載（即電動(dòng)機(jī)）是電感性負(fù)載，而流過電感的電流是不能突變的。當(dāng)把調(diào)制頻率為幾千赫茲的SPWM電壓波形加到電動(dòng)機(jī)時(shí)，其電流波形就是比較好的正弦波。從脈寬調(diào)制的極性來看，有單極性SPWM和雙極性SPWM兩種調(diào)制方式。2單極性SPWM單極性SPWM調(diào)制波形如圖2-3所示，其調(diào)制原理就是把希望得到的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。脈寬調(diào)制通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。在圖2-3中，調(diào)制波為正弦波ura

，載波為等腰三角波ut

。在單極性的調(diào)制方式中，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同。圖2-3單極性SPWM調(diào)制單極性SPWM調(diào)制原理如圖2-4所示，主要具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。圖2-4單極性SPWM調(diào)制原理①在調(diào)制波正半周期內(nèi)，逆變橋中的逆變管VT1、VT4按規(guī)律導(dǎo)通，而VT2、VT3一直處于截止?fàn)顟B(tài)；在調(diào)制波負(fù)半周期內(nèi)，逆變橋中的逆變管VT2、VT3按規(guī)律導(dǎo)通，而VT1、VT4一直處于截止?fàn)顟B(tài)。②當(dāng)ura>ut

時(shí)，相應(yīng)的逆變管導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間決定了SPWM系列脈沖的寬度t1

；當(dāng)ura<ut

時(shí)，所有的逆變管截止，截止時(shí)間決定了SPWM系列脈沖間的間隔寬度t2

。若降低調(diào)制波的幅值，各段脈沖的寬度將變窄，從而使輸出電壓的等效幅值也相應(yīng)減少。3雙極性SPWM雙極性SPWM的調(diào)制波與載波均為雙極性信號(hào)，其中調(diào)制波為可變頻變幅的三相對(duì)稱普通正弦波

urU、urV

、

urW，載波為雙極性三角波

，如圖2-5所示。圖2-5三相橋式逆變器主電路原理圖如圖2-6所示為三相SPWM波形，其中

urU、urV

、urW

為U、V、W三相的正弦調(diào)制波，

為雙極性三角載波；uUN

、uVN

、uWN

為U、V、W三相輸出與電源中性點(diǎn)N之間的相電壓矩形波形；uUV

為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為

+ud和?ud

；

uUN為三相輸出與電機(jī)中點(diǎn)N之間的相電壓。雙極性SPWM主要具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。①調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的。②逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩只管子不停地交替導(dǎo)通、關(guān)斷。而流過負(fù)載的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。圖2-6雙極性SPWM調(diào)制波形4正弦脈寬調(diào)制SPWM的開關(guān)點(diǎn)

SPWM脈沖序列的產(chǎn)生是由基準(zhǔn)正弦波和三角載波信號(hào)的交點(diǎn)所決定的，且每個(gè)交點(diǎn)都是逆變器同一橋臂上兩只逆變管的開、關(guān)交替點(diǎn)，因此，將這個(gè)交替點(diǎn)稱之為SPWM的開關(guān)點(diǎn)。CPU必須將所有開關(guān)點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)計(jì)算出來，才能有序地向逆變器發(fā)出通斷指令。任務(wù)實(shí)施一、在SPWM變頻模式下觀測(cè)磁通軌跡通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)旋轉(zhuǎn)磁通的軌跡、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等，從而加深對(duì)電機(jī)恒磁通運(yùn)行的認(rèn)識(shí)，具體步驟如下。①接通實(shí)驗(yàn)室DJK13三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)掛件電源，關(guān)閉電機(jī)開關(guān)，并設(shè)定在SPWM方式下（將S、V、P三端子懸空），②打開電源開關(guān)，將示波器的X、Y輸入端分別接磁通軌跡觀測(cè)的X、Y測(cè)試孔，并將示波器置于“X－Y”方式。③點(diǎn)動(dòng)“增速”鍵將頻率設(shè)定在0.5Hz，觀察示波器中顯示的磁通形狀。④點(diǎn)動(dòng)“轉(zhuǎn)向”按鍵，改變轉(zhuǎn)向，觀察磁通軌跡的變化。⑤逐漸升高頻率，觀察磁通軌跡的變化。二、不同頻率下變頻器輸出電壓測(cè)量在實(shí)驗(yàn)室用三菱E500變頻器進(jìn)行“PU”運(yùn)行操作，測(cè)量不同頻率下變頻器的輸出電壓及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，具體步驟如下。①預(yù)置基頻“Pr.3”為50Hz。②預(yù)置基頻電壓“Pr.19”為380V。③預(yù)置給定頻率為60Hz。④按下【RUN】鍵，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。待電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及變頻器的輸出電壓，并將數(shù)值填入表2-1。⑤按表中的頻率值改變給定頻率，測(cè)出各相應(yīng)轉(zhuǎn)速及電壓值并將結(jié)果填入表2-1中。表2-1頻率（Hz）60504030205轉(zhuǎn)速（r/min）輸出電壓（V）任務(wù)總結(jié)在變頻調(diào)速過程中，為了保持氣隙磁通量的恒定而使

常數(shù)的控制方式就叫

控制方式。這是變頻器的基本控制方式，多用于通用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類、生產(chǎn)線的工作臺(tái)傳動(dòng)、空調(diào)等的控制。124

任務(wù)二掌握變頻器調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性任務(wù)導(dǎo)入生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)常用轉(zhuǎn)矩表示其負(fù)載的大小。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，存在兩個(gè)主要的轉(zhuǎn)矩，一是生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

，二是電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

，兩個(gè)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系分別稱為負(fù)載的機(jī)械特性和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性；兩者的交點(diǎn)就是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的工作點(diǎn)。交流變頻調(diào)速目前在電力拖動(dòng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在其調(diào)速后電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是怎樣的呢？相關(guān)知識(shí)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，為了便于分析，通常將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系特性（即n=f(T)的函數(shù)特性）稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。異步電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓、額定頻率下，由電動(dòng)機(jī)本身固有的參數(shù)決定的n=f(T)函數(shù)特性叫做電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性，其曲線如圖2-7所示。一異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖2-7三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線只要確定以下3個(gè)特殊點(diǎn)，就能畫出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。13個(gè)特殊點(diǎn)

①理想空載點(diǎn)，即圖中A點(diǎn)。在這點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速n0運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩

T=0。②啟動(dòng)點(diǎn)，即圖中C點(diǎn)。在啟動(dòng)點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)接通電源，但尚未啟動(dòng)，其轉(zhuǎn)速n=0

，電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)帶負(fù)載的能力一般用啟動(dòng)倍數(shù)來表示，即Kst=Tst/TN

，其中

TN為額定轉(zhuǎn)矩。

③臨界點(diǎn)，即圖中B點(diǎn)，是機(jī)械特性穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的分界點(diǎn)。此處電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩Tm

，表示電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，需要有一定的過載能力，一般用βm

表示，βm=Tm/TN

，普通電動(dòng)機(jī)的

βm值約為2.0～2.2，特殊用途的電動(dòng)機(jī)其過載能力可以更高一些。2電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行1）電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行電動(dòng)機(jī)在接通三相電源時(shí)的啟動(dòng)瞬間，即n=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。這時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Tst<TL

），電動(dòng)機(jī)將無法啟動(dòng)，稱為堵轉(zhuǎn)；如果Tst>TL

，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n將不斷上升，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T也將從Tst開始沿著圖2-7所示的機(jī)械曲線CB段上升，經(jīng)過最大轉(zhuǎn)矩Tm

后，又沿著曲線BA段逐漸減小，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩

時(shí)，電動(dòng)機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速T=TL運(yùn)行。2）電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整如圖2-8所示，對(duì)于在穩(wěn)定運(yùn)行在Q1點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)，當(dāng)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL增大（如車床切削量加大）時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1減速。在曲線AB段，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，電磁轉(zhuǎn)矩T逐漸增加，當(dāng)增加到T=TL

時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到新的平衡，此時(shí)電動(dòng)機(jī)以比原來n稍低的速度穩(wěn)定運(yùn)行。圖2-8工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)一直加速到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程，叫做啟動(dòng)過程。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流很大，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不是很大，為了減小啟動(dòng)電流，常用降低電壓的方法來啟動(dòng)。3異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)在工作過程中，如電磁轉(zhuǎn)矩方向和轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向相反，就稱作制動(dòng)狀態(tài)。異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)有多種，如再生制動(dòng)、直流制動(dòng)等。4異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1）再生制動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)機(jī)械特性曲線如圖2-9所示，再生制動(dòng)特點(diǎn)如下。圖2-9異步電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)機(jī)械特性曲線發(fā)生再生制動(dòng)的實(shí)例有：起重機(jī)械在重物下降時(shí)，重物的重力加速度可能使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速；變頻調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)通過降低頻率來減速時(shí)，在頻率剛降低的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速小于實(shí)際轉(zhuǎn)速。①轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0

。④在頻率下降的調(diào)速過程中，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，直至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。②電磁轉(zhuǎn)矩

T

與

n

方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩T

變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。③電動(dòng)機(jī)此時(shí)不再消耗能量，而是將拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能再生給了電網(wǎng)。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的再生制動(dòng)特性曲線如圖2-10所示，圖中，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于曲線①的Q點(diǎn)時(shí)，頻率突然下降，則特性曲線變?yōu)棰?，因?yàn)檗D(zhuǎn)速不能突變，所以，工作點(diǎn)跳變至B點(diǎn)，產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T。此時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)開始沿曲線②減速，直到穩(wěn)定運(yùn)行于Qˊ點(diǎn)。圖2-10異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的再生制動(dòng)特性曲線2）直流制動(dòng)直流制動(dòng)是在定子繞組中通入直流電流，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。直流制動(dòng)常用來使電動(dòng)機(jī)迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)。二變頻后電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1調(diào)頻比與調(diào)壓比調(diào)頻時(shí)，通常都是相對(duì)于其額定頻率fN來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，調(diào)頻頻率fx可以用下式表示。

（2-4）式中，

kf——頻率調(diào)節(jié)比（簡(jiǎn)稱調(diào)頻比）。根據(jù)變頻也要變壓的原則，在變壓時(shí)也存在著調(diào)壓比，調(diào)頻后電壓Ux

可用下式表示。

（2-5）式中，

ku——調(diào)壓比；

UN——電動(dòng)機(jī)的額定電壓。2變頻后的機(jī)械特性調(diào)頻的過程中，若頻率調(diào)至

fx，則

fx=kffN

，此時(shí)的電壓為Ux=kuUN

。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的機(jī)械特性曲線如圖2-11所示。各機(jī)械特性曲線的特點(diǎn)如下。圖2-11三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性1）

fx<fN時(shí)的機(jī)械特性（kf=ku<1時(shí)）

①?gòu)膄N向下調(diào)頻時(shí)，n0x

由

n0下移，TKx

逐漸減小。②fx在

fN附近下調(diào)時(shí)（kf=ku

→1），

TKx減小很少，可近似認(rèn)為TKx≈TKN。③fx不同時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差?nKx變化不是很大，所以穩(wěn)定工作區(qū)的機(jī)械特性基本是平行的，且機(jī)械特性較硬。2）

fx>fN時(shí)的機(jī)械特性（ku=1,kf>1時(shí)）

①?gòu)膄N

向上調(diào)頻時(shí)，

n0x上移，

TKx大幅度減小。②TKx的減小是有規(guī)律的。③機(jī)械特性斜度加大，特性變軟。3）對(duì)額定頻率fN

以下變頻調(diào)速特性的修正在低頻時(shí)，

大幅度減小，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力，為解決此問題，必須了解

大幅度減小的原因。（1）

TKx

減小的原因分析。前已述及，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不易直接控制，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可以認(rèn)為U=E。這種近似代替是以忽略電動(dòng)機(jī)定子繞組阻抗壓降為代價(jià)的。當(dāng)?shù)皖l時(shí)，定子電壓小，再忽略此壓降，就會(huì)引起很大的誤差，從而引起

TKx大幅度減小，推導(dǎo)過程如下。（2）

解決方法。適當(dāng)提高調(diào)壓比ku

，使

ku>kf，即提高Ux的值，使得Ex的值增加。從而保證Ex/fx=常數(shù)。這樣就能保證主磁通Φm基本不變，最終使電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償，這種方法被稱作電壓補(bǔ)償法。U/f

采用電壓補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線如圖2-12所示。圖2-12U/f采用電壓補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線

4）變頻調(diào)速特性①恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性。當(dāng)fx<fN

時(shí)，經(jīng)過補(bǔ)償后，各條機(jī)械特性曲線的TKx

基本為一定值，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)域，適合帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。②恒功率調(diào)速特性。當(dāng)fx>fN時(shí)，各條機(jī)械特性曲線的最大電磁功率基本為常數(shù)。電動(dòng)機(jī)近似具有恒功率的調(diào)速特性，適合帶恒功率負(fù)載。三3種常見負(fù)載的機(jī)械特性1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)矩大小僅取決于負(fù)載的輕重，和轉(zhuǎn)速大小無關(guān)。負(fù)載的功率與轉(zhuǎn)速成正比。此類負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性如圖2-13所示。典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載如起重機(jī)、提升機(jī)、吊車、傳送帶、攪拌機(jī)等。圖2-13恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性2恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載在不同轉(zhuǎn)速下的功率基本恒定；負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。此類負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性如圖2-14所示。典型的恒功率負(fù)載有卷紙機(jī)、塑料薄膜生產(chǎn)線的卷取機(jī)等。圖2-14恒功率負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性3二次方律負(fù)載二次方律負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；負(fù)載所需的功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。此類負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性如圖2-15所示。典型負(fù)載有風(fēng)機(jī)、泵類。圖2-15二次方律負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性任務(wù)實(shí)施試列舉生產(chǎn)生活中屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載或二次方律負(fù)載的電力拖動(dòng)設(shè)備，完成表2-2。表2-2電力拖動(dòng)負(fù)載分類負(fù)載類型設(shè)備名稱特點(diǎn)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率負(fù)載二次方律負(fù)載任務(wù)總結(jié)電動(dòng)機(jī)變頻后的機(jī)械特性如下。①在

fN以下調(diào)頻時(shí)，

n0x下移、TKx

不斷減小。②在fN

以上調(diào)頻時(shí)，

n0x上移、TKx