變頻器調速工作原理實訓裝置QY-SP12

變頻器是利用交流電動機的同步轉速隨電機定子電壓頻率變化而變化的特性而實現電動機調速運行的裝置。變頻器最早的形式是用旋轉變頻發電機組作爲可變頻率電源，供給交流電動機，主要是異步電動機進行調速。隨着電力電子半導體器件的發展，靜止式變頻電源成爲變頻器的主要形式。
變頻器的基本結構
爲交流電機變頻調速提供變頻電源的一般都是變頻器。按主迴路電路結構，變頻器有交-交變頻器和交-直-交變頻器兩種結構形式。
1．交-交變頻器
交-交變頻器無中間直流環節，直接將工頻交流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電，又稱直接式變頻器。整個系統由兩組整流器組成，一組爲正組整流器，一組爲反組整流器，控制系統按照負載電流的極性，交替控制兩組反向並聯的整流器，使之輪流處於整流和逆變狀態，從而獲得變頻變流電壓，交-交變頻器的電壓由整流器的控制角來決定。
交-交變頻器由於其控制方式決定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的1/3-1/2，不能高速運行。但由於沒有中間直流環節，不需換流，提高了變頻效率，並能實現四象限運行。交-交變頻器主要用於大容量、低轉速、高性能的同步電動機傳動。
2．交-直-交變頻器
交-直-交變頻器，先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然後再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電，它又稱爲間接式變頻器。因本課題中所用變頻器爲交-直-交變頻器，故下面的闡述主要就交-直-交變頻器進行。
交-直-交變頻器其基本構成如圖4-2所示，由主電路（包括整流器、中間直流環節、逆變器）和控制電路組成，各部分作用如下所述：

圖3.1交-直-交變頻器的基本構成
（1）整流器 電網側的變流器 是整流器，它的作用是把三相（或單相）交流電整流成直流電。
（2）逆變器 負載側的變流器 爲逆變器。最常見的結構形式是利用六個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。有規律的控制逆變器中主開關器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。
（3）中間直流環節 由於逆變器逆變器的負載屬於感性負載，在中間直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環節的儲能元件（電容器或電抗器）來緩衝。所以中間直流環節又稱爲中間直流儲能環節。
（4）控制電路 控制電路由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。控制方法可以採用模擬控制或數字控制。高性能的變頻器目前已經採用微型計算機進行全數字控制，採用儘可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。
變頻器的分類
按緩衝無功功率的中間直流環節的儲能元件是電容還是電感，變頻器可分爲電壓型變頻器和電流型變頻器兩大類。
1．電壓型變頻器
對於交-直-交變頻器，當中間直流環節主要採用大電容作爲儲能元件時，主迴路直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種內阻抗爲零的恆壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，稱爲電壓型變頻器，如圖3.2所示：

圖3.2電壓變頻型器
2．電流型變頻器
當交-直-交變頻器的中間直流環節採用大電感作爲儲能元件時，直流回路中電流波形比較平直，對負載來說基本上是一個恆流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，稱爲電流型變頻器。
3交流電動機變頻調速原理
異步電動機是用來把交流電能轉化爲機械能的交流電動機的一個品種，通過定子的旋轉磁場和轉子感應電流的相互作用使轉子轉動。
3.1異步交流電動機的機械特性
圖3.3所示爲固定電壓下異步電動機的機械特性曲線。因爲該特性對變頻器的使用關係極大。下面把特性曲線中標出的一些術語作簡要說明：
啓動轉矩：處於停止狀態的異步電動機加上電壓後，電動機產生的轉矩。通常啓動轉矩爲額定轉矩的1.25倍。
最大轉矩：在理想情況下，電動機在最大轉差爲Sm時產生的最大值轉矩Tm。
啓動電流：通常啓動電流爲額定電流的5~6倍。

圖3.3 異步電動機機械特性曲線
空載電流：電動機在空載時產生的電流，此時電動機的轉速接近同步轉速。
電動狀態：電動機產生轉矩，使負載轉動。
再生制動狀態：由於負載的原因，使電動機實際轉速超過同步轉速，此時，負載的機械能量轉換爲電能並反饋給電源，異步電動機作爲發電機運行。
反接制動狀態：將三相電源中的兩相互換後，旋轉磁場的方向發生改變，對電動機產生制動作用，負載的機械能將轉換爲電能，並消耗於轉子電阻上。
3.2異步交流電動機變頻調速
現代交流調速傳動，主要指採用電子式電力變換器對交流電動機的變頻調速傳動。對於交流異步電動機，調速方法很多，其中以變頻調速性能最好。由電機學知識知道，異步電動機同步轉速，即旋轉磁場轉速爲
(4-1)
式中，f1爲供電電源頻率，p爲電機極對數。
異步電動機軸轉速爲
(4-2)
式中，s爲異步電動機的轉差率， 。
改變電動機的供電電源頻率f1，可以改變其同步轉速，從而實現調速運行。
3.3 U/f 控制
交流電機通過改變供電電源頻率，可實現電機調速運行。對電機進行調速速控制時，希望電動機的主磁通保持額定值不變。
由電機理論知道，三相交流電機定子每相電動勢的有效值爲
(3-1)
式中 E1——定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的有效值；
f1——定子頻率；
N1——定子每相有效匝數；
KN1——基波繞組係數；
φm——每極磁通量。
由上式知道，電機選定，則N1爲常數，φm 由E1、 f1共同決定，對E1、 f1適當控制，可保持φm爲額定值不變，對此，需考慮基頻以下和基頻以上兩種情況。
（1）基頻以下調速
由式（3-1），保持E1/f1=常數，可保持φm不變，但實際中E1難於直接檢測和控制。當值較高時定子漏阻抗可忽不計，認爲定子相電壓U1E1，保持U1/f1=常數即可。當頻率較低時，定子漏阻抗壓降不能忽略，這時，可人爲的適當提高定子電壓補償定子電阻壓降，以保持氣隙磁通基本不變。
（2）基頻以上調速
基頻以上調速時，頻率可以從f1N往上增高，但電壓U1不能超過額定電壓U1N，由式（3-1）可知，這將迫使磁通與頻率成反比下降，相當於直流電機弱磁升速的情況。
把基頻以下和基頻以上兩種情況結合起來，可得到圖3.4所示的電機U/f控制特性

圖3.4 U/f控制特性
由上面的討論可知，異步電動機的變頻調速必須按照一定的規律同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻裝置獲得電壓頻率均可調節的供電電源，實現所謂的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）調速控制。
3.4矢量控制
U/f控制方式建立於電機的靜態數學模型，因此，動態性能指標不高。對於對動態性能要求較高的應用，可以採用矢量控制方式。
矢量控制的基本思想是將異步電動機的定子電流分解爲產生磁場的電流分量(勵磁電流)和與其相垂直的產生轉矩的電流分量(轉矩電流)，並分別加以控制。由於在這種控制方式中必須同時控制異步電動機定子電流的幅值和相位，即控制定子電流矢量，這種控制方式被稱爲矢量控制（Vectory Control）。
矢量控制方式使異步電動機的高性能控制成爲可能。矢量控制變頻器不僅在調速範圍上可以與直流電動機相匹敵，而且可以直接控制異步電動機轉矩的變化，所以已經在許多需精密或快速控制的領域中得到應用。

裝置選用應用廣泛的三菱FR-A540-0.75K變頻器（用戶也可選用其它品牌的變頻器，價格另議），帶有RS485通信接口。實訓臺可完成“變頻調速技術”課程的相關教學實訓。特別是系統提供開放式實訓教學，可充分培養學生的實際動手能力。
實訓項目
繼電接觸控制實訓
1.三相異步電動機點動控制和自鎖控制
2.三相異步電動機Y/△換接啓動控制
3.三相異步電動機聯鎖正反轉控制
4.三相異步電動機延時正反轉控制
變頻控制實訓
5.變頻器功能參數設置與操作
6.變頻器報警與保護功能
7.多段速度選擇變頻調速
8.外部端子點動控制
9.外部端子遙控控制
10.控制電機運行時間操作
11.控制電機正反轉運動控制
12.電壓/電流監視器信號輸出及顯示 　
13.瞬間停電變頻器參數設定
14.外部模擬量（電壓/電流）變頻調速
15.基於變頻調速的RS485通信
16.基於三角波的變頻調速控制
17.三相異步電機的變頻調速
18.變頻恆壓供水模擬控制
19.刨牀模擬控制（多段速選擇）
MCGS組態監控
20.直線加減速控制及顯示
21.基於三角波的變頻調速控制實時曲線
22.三相異步電機的變頻調速實時曲線
23.三相異步電機變頻調速時電壓、電流、功率、轉速實時採集顯示基於RS485的MCGS工控組態網絡通訊實訓