安徽理工大学毕业设计(论文)
图2.6 补偿后的机械特性曲线
2.在基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从额定频率
fN向上增高，但是电压却不能超
出额定电压UN，由式（2-10）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。
变频后的机械特性如图2.7所示。
图2.7 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性
当电动机向高于额定转速n0方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。
造成这种现象的原因是：当频率
f1升高时，电源电压不可能相应升高。这
是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所
17
安徽理工大学毕业设计(论文)
以，磁通量?m将随着频率
f1的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转
矩下降，造成电动机的机械特性变软。
以上调速方式相应的特性曲线如图2.8所示。
恒转矩调速恒功率调速
图2.8整个频率调速的特性曲线 注：图中曲线1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线
Vf比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定
f子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按V比恒定控制就不能保
持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。 2.2.2 其它控制方式
1.转差频率控制变频调速 转差率控制方式是Vf控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上
的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决Vf控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，
但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。
18
安徽理工大学毕业设计(论文)
2.矢量控制变频调速
矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流??1、
??1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流
?m1、?t1（?m1相当于直流电动机的励磁电流；?t1相当于与转矩成比例的电枢电
流），然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。
3.直接转矩控制变频调速
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
日前市场销售的通用变频器的控制多半为V优点是可以进行电机的开环速度控制。
从以上的分析可看出，V动较小的场合。由于Vfff比恒定控制，它的应用比较
f广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，V比恒定控制的突出
控制常用于速度精度要求不十分严格或负载变
控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简
单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。由此，在本设计中采用V控制。
f
19
安徽理工大学毕业设计(论文)
3变频器主电路设计
3.1 主电路的工作原理
变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。
在本设计中采用图3.1的主电路，这也是变频器常用的格式[4]。
图3.1 电压型交直交变频调速主电路
3.1.1 主电路各部分的设计
1.交直电路设计 选用整流管VD1?VD6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流
后的电压为Ud=1.35UL=1.35×380V=513V。
滤波电容CF滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。 当变频器通电时，滤波电容CF的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻RL，从而使电容CF的充电电流限制在允许的范围内。当CF充电到一定程度，使SL闭合，将限流电阻短路。
20
安徽理工大学毕业设计(论文)
在许多下新型的变频器中，SL已有晶闸管替代。
电源指示灯HL除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电压会威胁人员安全。因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。
RB为制动电阻，在变频器的交流调速中，电动机的减速是通过降低变频器
的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，RB和VB的作用就是消耗掉这部分能量。如图3.1所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管VB导通，将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。
2.直交电路设计 选用逆变开关管V1续流二极管VD7?V6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然
电，逆变管在这里选用IGBT。
?VD12电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。
电阻R01?R06，电容C01?C06，二极管VD01?VD06组成缓冲电路，来保护
逆变管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流Ic和集电极与发射极间的电压Vce的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时，Vce迅速上升，Ic迅速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电容（C01Ic?C06）来减小电压增长率。当逆变管开通时，Vce迅速下降，
?R06迅速升高，并联在逆变管两端的电容由于电压降低，将通过逆变管放电，这
，限制电容
将加速电流Ic的增长率，造成IGBT的损坏。所以增加电阻R01个矛盾，在电阻两端并联二极管（VD01?VD的放电电流。可是当逆变管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这
06），使电容充电时避开电阻，通过
二极管充电。放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。
3.1.2 变频器主电路设计的基本工作原理
21