通用变频器的原理及应用

摘 要

使异步电动机实现性能好的调速一直是人们的理想,过去如变极调速、绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速均属于有级调速；而调压调速虽能平滑调速,但调速范围不大,耗能多,仅限于小功率,无法和直流调速系统相比。

随着新技术、新理论的不断发展,变频调速技术应运而生,其控制方式完全可以和直流调速系统相媲美。因此变频器的应用日益广泛，变频器性能的优劣直接影响着电机的运行特性，所以如何提高变频器的优化控制成为变频技术的关键。在变频调速中关键的一项就是控制端SPWM波的产生,它不仅要求电压和频率变化呈线性关系,而且要求输出波形尽可能接近于正弦波。

通用变频器的原理与应用知识广泛应用与各种机械传动及变频调速系统中，学习通用变频器的原理知识显得尤为重要。本文主要详细介绍通用变频器的原理和应用，具有很强的现实意义和学习探讨价值。

关键词：变频器、SPWM波

目 录

摘 要 ................................................ 1 第1章 绪论 .......................................... 3 1.1 交流电动机调速发展现状 ......................... 3 1.2 SPWM控制技术介绍 ............................... 6 2 变频器应用电路 ...................................... 7 2.1 变频器的发展动向及技术指标 ...................... 7 2.1.1 变频器的发展情况 .......................... 7 2.1.2 变频器技术的发展趋势 ....................... 8 2.1.3 变频器的技术指标 .......................... 9 2.2 变频器结构与功能 ............... 错误！未定义书签。 2.2.1 变频器主电路结构及功能 .................... 11 2.2.2 变频器控制电路结构及功能 .................. 16 2.3 SPWM脉冲生成原理 .............................. 18 3 变频器V/F控制技术 .................. 错误！未定义书签。 3.1 V/F控制的原理 ................. 错误！未定义书签。 3.2 V/F曲线的选择 ................. 错误！未定义书签。 3.3 转速开环的V/F控制方式 ......... 错误！未定义书签。 3.4 转速闭环的V/F控制方式 ......... 错误！未定义书签。 总 结 ................................ 错误！未定义书签。 致 谢 ................................ 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................ 26

第1章 绪论

1.1 交流电动机调速发展现状

电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。电动机和控制装置一起合成电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统;以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。根据交流电机的类型，相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。

由于直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流电动机的机械式换向器和电刷存在以下弱点，这给直流调速系统带来了不足。

① 机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有极限容许值，这就限制了电机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则会极大的增加电机制造难度和成本，并使得调速系统趋于复杂。

② 机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换，使得直流调速系统维修工作量大，维修费用高，也直接影响设备正常的生产。

③ 在易燃 、易爆、多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合更不宜使用直流电动机。

由此可见，这将使得直流调速系统的应用受到限制。然而，采用无换向器的交流电动机组成的交流调速系统代替直流调速系统可以突破这些限制，满足生产发展对调速传动的各种不同的要求。

交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机所存在的问题未能得到较好的解决，只有一些调速性能差、低效耗能的调速方法，如:

① 绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级调速方法。 ② 鼠笼式异步电动机定子调压调速方法(自祸变压器、饱和电抗器)及后来的电磁(滑差离合器)调速方法。

20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是20世纪70年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此，交流调速理论及应用技术得到了较快的发展，大致体现在以下几个方面。

1. 电力电子器件的蓬勃发展促进了交流技术的迅速发展和交流调速装置的现代化

电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速的发展。20世纪80年代以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。80年代中期以后用第二代电力电子器件GTR,GTO,VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着电力电子器件向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向的继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置(I-1000KW)主要是采用IGBT，中、大功率的变频调速装置(1000-IOO OOKW)采用GTO器件。20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代。如:高压IGBT、IGCT、IEGT、SGCT等。

2. 脉宽调制(PWM)技术

脉宽调制(PWM)技术的发展和应用优化了变频装置的性能，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。

脉宽调制技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本可分四类，即等宽PWM法、正弦PWM法、磁链追踪型PWM法及电流跟踪型PWM法。近年来，新型全数字化专用PWM生成芯片HEF4752,SLE4520,MA818等达到实用化，并己经实际应用。

3. 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统提供了重要的技术手段和保证

早期的交流调速系统的控制器〔或系统的控制回路)多为由模拟电子电路组成。近十几年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器DSP为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用以及大规模集成电路的应用，促使交流调速系统的控制回路由模拟控制转向数字控制。当今模拟控制器己被淘汰，全数字化的交流调速系统已经得到普遍应用。

微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的数字控制已经成为现代交流调速系统的主要特征之一。用于交流调速系统的微处理器发展情况如下: (1)单片机

就组成而言，一片单片机芯片就是一台计算机，大大缩小了控制器的体积，降低了成本，增强了功能。随着单片机性能的不断提高，单片机具有了丰富的硬件资源和软件资源。然而，单片机对大量数据处理或浮点运算能力有限，因此有待于进一步提高运算速度。 (2)数字信号处理器(DSP)

为了提高运算速度，在20世纪80年代初期出现了数字信号处理器，其中采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器、提高时钟频率、支持浮点运算等，以提高运算速度。近几年来，将DSP作成磁芯，把PWM生成、A/D变换器等集成于一个芯片上，使其功能更加强大，应用更为广泛。

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