變頻器第二章

1、變頻器第二章第1頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二學(xué)習(xí)目標(biāo) 1、了解“變頻調(diào)速器”的控制方式及基本控制原理。2、掌握變頻調(diào)速器的安裝方法。3、掌握變頻調(diào)速器的應(yīng)用 1第2頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的高速發(fā)展，高性能、高可靠性的變頻調(diào)速器已在世界各國(guó)工業(yè)、生活等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的調(diào)速技術(shù)相比，變頻調(diào)速技術(shù)有著極大的優(yōu)越性。 目前，我國(guó)的工廠、住宅的生活用水系統(tǒng)、電梯拖動(dòng)控制系統(tǒng)、工廠各類水泵與風(fēng)機(jī)、空調(diào)器與中央空調(diào)系統(tǒng)、各類機(jī)床電機(jī)控制，都已大量使用了變頻

2、調(diào)速器作節(jié)能和改善控制特性。相信，隨著變頻調(diào)速器的控制數(shù)字化、體積小型化、功能多樣化、工作可靠性的進(jìn)一步提高，其應(yīng)用將會(huì)更深入和廣泛。 變頻調(diào)速器簡(jiǎn)介2.1第3頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 節(jié)能效果顯著、采用變頻調(diào)速技術(shù)后，將使泵類與機(jī)械類在工作運(yùn)行中產(chǎn)生約3040%的節(jié)能效果。 控制精度高、調(diào)速范圍寬、操作方便、工作可靠。變頻器優(yōu)點(diǎn)第4頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 從異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理可知：異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速是由磁極對(duì)數(shù)（P）和電源頻率（f）決定的，當(dāng)用n0表示異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，則有： n0 = 60f / P 若以n表示

3、異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，則異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率（s）為： s =（n0 - n）/ n0 100%因此，異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可以下式來(lái)表示： n=(1-s) n0=(1-s)60 f1 /p1、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法 變頻調(diào)速器的控制方式2.2第5頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二1、變極（P）調(diào)速：如通過(guò)改變定子繞組的聯(lián)接方式來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)變極的雙速、三速電動(dòng)機(jī)。 2、變轉(zhuǎn)差率（s）調(diào)速：如晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、線繞轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。 3、變頻（f）調(diào)速：利用變頻器向異步電動(dòng)機(jī)提供頻率可變的電源來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 交流電動(dòng)機(jī)三種調(diào)速方式1）三種變頻調(diào)速的特點(diǎn)

4、a、變極調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)二種或三種速度的跳變，而且要通過(guò)控制線路進(jìn)行定子繞組接法的變換；第6頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二b、變極調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)二種或三種速度的跳變，而且要通過(guò)控制線路進(jìn)行定子繞組接法的變換；c、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)只適用于中小型電動(dòng)機(jī)，而轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速僅能用于線繞轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)，它們的應(yīng)用都有一定的缺點(diǎn)和受到一定的限制。d、變頻調(diào)速可以通過(guò)連續(xù)地改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。大功率的電力電子元件的發(fā)展與應(yīng)用變頻器拖動(dòng)大容量電動(dòng)機(jī)已完全不成問(wèn)題， 數(shù)字技術(shù)變頻器的控制精度之高與控制功能之多更是其它交流調(diào)速方式遠(yuǎn)不能及的。 變頻調(diào)速的

5、性能已不亞于傳統(tǒng)的直流調(diào)速，而直流調(diào)速由于直流電動(dòng)機(jī)需要定期更換碳刷，故更顯出變頻器的運(yùn)行的高可靠性。 第7頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二2.3通用變頻器工作的基本原理 我國(guó)生產(chǎn)的異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率是50Hz，我們把這一頻率稱為基頻。 基頻以下采用V/f比值恒定控制調(diào)速。 基頻以上即使頻率升高，電壓也要保持不變。變壓變頻（VVVF）裝置 隨著頻率升高，轉(zhuǎn)速增加，但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)減少，這一過(guò)程稱為恒功率調(diào)速過(guò)程(P=FV,力F減少,但轉(zhuǎn)速V增加,使P值保持恒定)。 這樣的裝置通稱變壓變頻（VVVF）裝置。第8頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二v/f

6、恒定控制的必要 保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定 通過(guò)改變頻率可以改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但僅改變電動(dòng)機(jī)的頻率而電動(dòng)機(jī)的電壓保持不變，電動(dòng)機(jī)的磁通就會(huì)隨著頻率的變大、變小而出現(xiàn)飽和或欠勵(lì)磁情況。當(dāng)磁通飽和時(shí)，勵(lì)磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過(guò)分發(fā)熱，功率因數(shù)降低；而欠勵(lì)磁時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降，若此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變，勢(shì)必導(dǎo)致定子、轉(zhuǎn)子線圈過(guò)電流，也會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱。 因此，要保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，就必須要在改變電動(dòng)機(jī)的頻率的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。 由于電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E不好測(cè)定，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子阻抗與定子電壓V相比很小時(shí)，可忽略定子阻抗的電壓降，即有VE。所以在電動(dòng)機(jī)作變頻控制時(shí)，用保持V/f比值恒定的方式

7、來(lái)維持磁通的恒定。 第9頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二V/f恒定控制調(diào)速存在的主要問(wèn)題 低速性能較差 原因：在低速時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)定子阻抗的電壓降與定子電壓V相比已不能忽略，仍按V/f比值恒定控制已不能保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，而電動(dòng)機(jī)的磁通在低速區(qū)的減少，就必然造成電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩減少，因此，需要在低速區(qū)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩提升。 各種通用變頻器都有低速時(shí)轉(zhuǎn)矩提升功能，一般是在低速區(qū)提升電壓V，使V/f比值增加，以達(dá)到提升轉(zhuǎn)矩的目的。 第10頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二變頻調(diào)速的基本構(gòu)成與工作原理 2.31、變頻調(diào)速器基本結(jié)構(gòu) 通用變頻

8、器把工頻電流（50Hz）變成各種頻率的交流電流，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)轉(zhuǎn)。整流電路逆變電路控 制 電 路交流電工頻電源電機(jī)主電路第11頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二主電路 整流電路把工頻電源的交流電變換 成直流電，并對(duì)直流電進(jìn)行平滑濾波。 逆變電路直流電變成頻率可調(diào)的交 流電供電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行?？刂齐娐?處理外部接口電路送來(lái)的各種檢測(cè)信號(hào) 和參數(shù)設(shè)定值、并將其變?yōu)榭刂菩盘?hào)和顯 示信息，進(jìn)行V/f控制、加減速速率調(diào)節(jié)控 制及提供各種變頻器與電機(jī)的保護(hù)功能 第12頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二2、整流電路的基本工作原理 由6個(gè)整流元件組成三相橋式全波

9、整流 有一個(gè)浪涌電流的吸收裝置 整流后的直流電經(jīng)電容平滑后供給逆變器 電源接通時(shí)電容將流過(guò)較大的充電電流（浪涌電流），容易引起對(duì)二極管和其它控制裝置的損壞， 整流元件可采用二極管或晶閘管 第13頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 當(dāng)開關(guān)S1、S4與S2、S3交替接通，就產(chǎn)生了交變電流。其變化快慢可通過(guò)兩個(gè)開關(guān)組接通時(shí)間的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就可達(dá)到改變交流電頻率的目的 。 逆變電路的主要作用將平滑后的直流電轉(zhuǎn)換為具有可調(diào)頻率的交流電。直流電變交流電的基本原理：第14頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 順次通斷開關(guān)S1S6，在UV、VW、WU端產(chǎn)生等效于單

10、相逆變器的脈沖波形，從而形成三相交流電壓給電機(jī)供電，通過(guò)改變開關(guān)的通斷周期，可以得到要求的頻率，亦可通過(guò)改變DC電壓來(lái)改變交流電壓。 三相逆變器電路原理：逆變電路逆變電路產(chǎn)生的三相交變電壓第15頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 變頻器是用半導(dǎo)體開關(guān)元件作逆變控制開關(guān)，通過(guò)半導(dǎo)體開關(guān)元件的交替導(dǎo)通產(chǎn)生交流電。 用晶體三極管作逆變器開關(guān)，用基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)使用晶閘管作逆變器開關(guān)，用門極驅(qū)動(dòng)信號(hào) 作開關(guān)用的半導(dǎo)體元件是交流調(diào)速的關(guān)鍵器件，它們都是大功率的半導(dǎo)體元件，一般稱電力半導(dǎo)體元件 晶閘管（SCA） 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 雙極型功率晶體管（GTR） 功率場(chǎng)效應(yīng)管（功率M

11、OSFET） 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 智能功率模塊（IPM） 第16頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二3、變頻器的調(diào)制方式 PWM方法是通過(guò)控制逆變器功率開關(guān)的通、斷來(lái)獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度即可改變輸出電壓幅值。這樣，變頻器的調(diào)壓、調(diào)頻同在逆變器中完成，二者始終配合一致，不受其它環(huán)節(jié)的影響，因此能較好地解決了PAM存在的問(wèn)題。 。T2T1第17頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二檢測(cè)電路保護(hù)電路：變頻器保護(hù)、電機(jī)保護(hù)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)操作顯示電路運(yùn)行操作、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示、故障顯示驅(qū)動(dòng)電路主控電路輸入信號(hào)處理、頻率（速度

12、指令）運(yùn)行（ON/OFF）指令加減速調(diào)節(jié)控制運(yùn)算V/f設(shè)定轉(zhuǎn)矩電流、勵(lì)磁電流PWM波形運(yùn)行、頻率指令運(yùn)行操作變頻器控制電路基本結(jié)構(gòu)第18頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 利用變頻器去拖動(dòng)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，方便地進(jìn)行加減速控制，從而使鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)獲得高運(yùn)行性能卻基本上不需對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)多的維護(hù)。利用這些優(yōu)點(diǎn)，變頻器廣泛應(yīng)用于大幅度節(jié)能、控制傳動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化與高性能化，提高生產(chǎn)效率等等方面。 變頻調(diào)速的應(yīng)用2.3第19頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二風(fēng)機(jī)與水泵屬于流體機(jī)械，在低速時(shí)由于流體流速低

13、，負(fù)載只需要很小轉(zhuǎn)矩，而隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，所需轉(zhuǎn)矩會(huì)越來(lái)越大，其轉(zhuǎn)矩大小與轉(zhuǎn)速的平方成比例增減。因此，通常稱此類機(jī)械為“負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方比例”（平方轉(zhuǎn)矩）特性的負(fù)載。即：M=Kn2 （1）（式中：M轉(zhuǎn)矩； K比例系數(shù)； n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）1、風(fēng)機(jī)與水泵的節(jié)能應(yīng)用可得出風(fēng)機(jī)和水泵的電動(dòng)機(jī)的軸動(dòng)力（功率輸出）與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。即：P=Dn3 （2）（式中：P軸功率、 D比例系數(shù)、 n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ）第20頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 用變頻器對(duì)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，由于風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)實(shí)際需求風(fēng)量減少時(shí)，可調(diào)低轉(zhuǎn)速，從而使運(yùn)行電耗大大減少。而變頻器

14、具有的優(yōu)越性能，使之能高效率地實(shí)現(xiàn)需用功率與實(shí)際供給功率的最佳匹配。達(dá)到大幅度節(jié) 能的目的。 對(duì)水泵，由于在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受揚(yáng)程與流量?jī)蓚€(gè)因素的影響，對(duì)于高揚(yáng)程的水泵，采用變頻調(diào)速節(jié)能效果會(huì)不顯著。但由于低揚(yáng)程水泵軸功率與轉(zhuǎn)速仍符合12式的關(guān)系，因此，在功率較大、流量大、對(duì)揚(yáng)程要求不高的場(chǎng)合，采用變頻調(diào)速控制節(jié)能效果特別好。對(duì)多臺(tái)水泵構(gòu)成的機(jī)組，使用變頻調(diào)速控制，效果也很好。第21頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 用變頻器改造后的軋鋼加熱爐鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。軋鋼加熱爐是對(duì)需要軋制的鋼材進(jìn)行加熱用的，工藝要求加熱爐內(nèi)保持一定的溫度。通過(guò)燃燒重油來(lái)維持爐內(nèi)溫度，用控制鼓風(fēng)機(jī)吹入風(fēng)量的

15、大小來(lái)調(diào)節(jié)重油的有效燃燒。針對(duì)原系統(tǒng)的缺點(diǎn)，用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)行調(diào)速控制，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓的調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。圖中通過(guò)檢測(cè)變送器，將檢測(cè)到的實(shí)際風(fēng)壓與風(fēng)量變換為一直流信號(hào)，反饋到傳感調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器通過(guò)比較環(huán)節(jié)，將風(fēng)量或風(fēng)壓的設(shè)定值與此反饋值相比較及對(duì)其差值進(jìn)行PID運(yùn)算（P為比例運(yùn)算、I為積分運(yùn)算、D為微分運(yùn)算；是自動(dòng)控制的一種調(diào)控手段），產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，并將此信號(hào)作為變頻調(diào)速裝置的指令信號(hào)輸入，去調(diào)節(jié)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣，無(wú)論風(fēng)機(jī)實(shí)際負(fù)荷需求怎樣變化，風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量總能圍繞設(shè)定值變化并自動(dòng)進(jìn)行過(guò)程調(diào)節(jié)，產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。 軋鋼加熱爐鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)第22頁(yè)，共26頁(yè)，2

16、022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)是變頻調(diào)速技術(shù)最典型的應(yīng)用。由于使用了變頻調(diào)速，減少了供水水泵的頻繁起動(dòng)，使水泵工作在高效率狀態(tài)，從而節(jié)約了能源、減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。該系統(tǒng)根據(jù)供水系統(tǒng)中瞬時(shí)變化的流量和相應(yīng)的壓力兩個(gè)參數(shù)，通過(guò)PLC和變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)的臺(tái)數(shù)，改變水泵出口壓力與流量，從而達(dá)到提高供水質(zhì)量與高效節(jié)能的目的。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)變頻自動(dòng)、工頻自動(dòng)、手動(dòng)等三種控制方式。 對(duì)水泵（風(fēng)機(jī)）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，從節(jié)能目的出發(fā)，在電機(jī)被變頻器軟起動(dòng)后，若需持續(xù)滿載運(yùn)行，一般會(huì)將系統(tǒng)轉(zhuǎn)由工頻電源直接供電，到需要低速運(yùn)行時(shí)，再將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到變頻控制。恒壓供水系統(tǒng)第23

17、頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 電弧爐自動(dòng)配料系統(tǒng)。自動(dòng)配料系統(tǒng)由稱量和加料兩部份組成，稱量部分由幾組料倉(cāng)及量斗、測(cè)壓頭、微機(jī)配料控制器、若干臺(tái)變頻器及多速振動(dòng)給料器組成。加料系統(tǒng)由2臺(tái)可逆皮帶機(jī)、溜槽組成。冶煉不同鋼種時(shí)，稱量系統(tǒng)需將入爐的各種原料稱量好。加料及配料分粗加料及細(xì)加料兩個(gè)階段。粗加料時(shí)，變頻輸出高頻率給出多速振動(dòng)給料機(jī)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行快速下料，下料重量經(jīng)壓力傳感器測(cè)出、經(jīng)重量變送器比較后送至微機(jī)控制，當(dāng)接近標(biāo)定重量時(shí)，控制器輸出信號(hào)給變頻器，降低輸出頻率，使多速振動(dòng)給料器頻率降低，變?yōu)槁偌恿霞醇?xì)加料。至各種配料達(dá)到要求值，即關(guān)閉加料系統(tǒng)。 第24頁(yè)，共2

18、6頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)55分，星期二 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是： 利用變頻器的轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的變化，自動(dòng)進(jìn)行頻率補(bǔ)償，避免了超速、欠速運(yùn)行，保證了輕、重車的運(yùn)行平穩(wěn)。 利用變頻器在電梯啟動(dòng)、變速、制動(dòng)時(shí)設(shè)置“S”字曲線運(yùn)行，使電梯在加、減速過(guò)程中無(wú)沖擊感。當(dāng)需要電梯遠(yuǎn)程運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)選擇快速，當(dāng)電梯需要近今鄰層運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)選擇中速，行駛到換速點(diǎn)時(shí)自動(dòng)減速至平層，到平層立即停車，然后執(zhí)行開門曲線特性。 利用變頻器靈敏的故障檢測(cè)、診斷、顯示和記憶功能，實(shí)現(xiàn)維護(hù)與維修的簡(jiǎn)便化。系統(tǒng)中使用PLC處理電梯選層信號(hào)、上、下樓呼號(hào)、樓層信號(hào)、拖動(dòng)信號(hào)、開關(guān)門信號(hào)等，并用數(shù)字顯示方式作業(yè)正常的數(shù)層顯示和門聯(lián)鎖及安全保護(hù)信號(hào)的故障自診斷優(yōu)先顯示。整個(gè)系統(tǒng)具有高速轉(zhuǎn)矩計(jì)算、多段速控制、高性能的自動(dòng)補(bǔ)償功 變頻器與PLC控制電