變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、變頻調(diào)速系統(tǒng)第1頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二1) 變頻調(diào)速技術概述 圖1 實訓用異步電動機第2頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二2)變頻器的功能 變頻器的功能是將頻率固定（通常工頻為50HZ）的交流電（三相或單相）變換成為頻率連續(xù)可調(diào)節(jié)的三相交流電. 圖2,實訓用VF-7F小巧型變頻器第3頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二3)變頻調(diào)速的工作原理異步電動機同步旋轉(zhuǎn)磁場速度的公式為n0=60f/p其中f為定子供電電流頻率，P為電機定子極對數(shù)，當定子供電電流頻率f連續(xù)可調(diào)時，電動機的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)，因為異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同

2、步轉(zhuǎn)速略低，所以轉(zhuǎn)子速度也就連續(xù)可調(diào)，從而改變定子電流的頻率即可實現(xiàn)電動機的變頻調(diào)速。圖 3變頻調(diào)速原理說明第4頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二異步電動機的工作原理： 定子對稱三相繞組通入三相交流電后，在定子繞組內(nèi)部產(chǎn)生對稱三相電流，并在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速沿定子內(nèi)圓周方向旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)也感應出三相電流。根據(jù)安培電磁力定律，轉(zhuǎn)子感應電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，帶動電動機的轉(zhuǎn)子跟隨同步旋轉(zhuǎn)磁場一同旋轉(zhuǎn)。但轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度（即電動機的轉(zhuǎn)速）要比旋轉(zhuǎn)磁場速度（同步轉(zhuǎn)速）要小。因為如果轉(zhuǎn)子的速度與旋轉(zhuǎn)磁場速度相同，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場便沒相對運動，轉(zhuǎn)子導體便

3、不能切割磁通，從而就不能感應出轉(zhuǎn)子電勢和轉(zhuǎn)子電流，沒有轉(zhuǎn)子電流也就不會有電磁轉(zhuǎn)矩，這樣，轉(zhuǎn)子就會慢下來，轉(zhuǎn)子一慢，由于同步轉(zhuǎn)速是固定的，轉(zhuǎn)子與同步轉(zhuǎn)速又有了差別，轉(zhuǎn)子又會感應出電流，就又會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子又會快起來，因此轉(zhuǎn)子速度總是略小與同步轉(zhuǎn)速，與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速之差是保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的主要條件。由于轉(zhuǎn)子的速度不等于同步轉(zhuǎn)速，所以這種電動機我們稱為異步電動機。第5頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二3)變頻調(diào)速的工作原理異步電動機同步旋轉(zhuǎn)磁場速度的公式為n0=60f/p其中f為定子供電電流頻率，P為電機定子極對數(shù)，當定子供電電流頻率f連續(xù)可調(diào)時，電動機的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)，因

4、為異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速略低，所以轉(zhuǎn)子速度也就連續(xù)可調(diào)，從而改變定子電流的頻率即可實現(xiàn)電動機的變頻調(diào)速。圖 3變頻調(diào)速原理說明第6頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二4)變頻器的控制方式基頻的概念: 基頻也叫基本頻率，在一般情況下，以電動機的額定頻率作為基頻的給定值。變頻器控制方式介紹: 變頻器運行時，變頻器的控制方式是一般分為兩種，即當電動機頻率小于基頻時，一般采用V/F控制方式，當頻率高于時，則采用恒壓弱磁通控制方式.第7頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二基頻以下V/F控制方式 原因:我們在對異步電動機進行調(diào)速控制時，總是希望異步電動機的主

5、磁通保持額定值不變，因為主磁通太弱，電動機的鐵芯利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流情況下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動機帶負載能力下降。因為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子電流與主磁場相互作用的結果。；當主磁通太強，則電動機處于過勵狀態(tài)，勵磁電流將過大，電動機將發(fā)熱，燒壞，所以異步電動機的主磁通應在調(diào)速時保持一個恰當?shù)闹怠?第8頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二由電機學的原理我們知道，異步電動機定子繞組的電動勢是定子繞組切割磁力線的結果，本質(zhì)上是感應電勢，定子每相電勢為：其中為E1定子每相感應電勢, f1為定子頻率, N1為定子匝數(shù), K為繞組系數(shù), 為每極磁通.為了保持異步電動機磁通恒定，根據(jù)公式即

6、需保持E1/f1=常數(shù).由于定子每相感應電勢不便于測量與控制，從圖3可知：三相異步電動機定子每相電壓如果我們保持U1/f1=常數(shù)，即可保持磁通近似常數(shù)。圖4異步電動機原理圖第9頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二V/F控制V/F控制: 電動機的定子電壓與頻率之比為常數(shù),目的是保持電動機內(nèi)主磁通不變. 可以證明, 變頻器在運行時，保持V/F=常數(shù)，這時電動機的轉(zhuǎn)矩近似為常數(shù).所以V/F控制近似為恒轉(zhuǎn)矩控制。第10頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二基頻以上，恒壓弱磁當頻率向上調(diào)，超過基頻時,如果還保持V/f1=常數(shù)控制方式,則電壓會隨著頻率的增高而超過電機所允

7、許的額定值.這是不允許的。因此，當頻率向上調(diào)超過基頻時此時,我們只能保持定子電壓不變,要使不變, 由公式可知, 頻率f1增加, 必須 減小。這就是變頻器頻率超過基頻時，變頻器要恒壓弱磁的原因。第11頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二可以證明此過程,電動機的輸出功率保持不變,因此,變頻器恒壓弱磁調(diào)速，近似對電動機進行恒功率控制。第12頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二變頻器輸出頻率與電動機定子電壓關系曲線圖 采用以上兩種控制方式,則變頻器輸出頻率與電動機定子電壓關系曲線為:圖5輸出頻率與定子電壓關系曲線圖第13頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分

8、，星期二5)變頻調(diào)速特點三相異步電動機變頻調(diào)速有以下特點:從基頻向下調(diào)速,采用V/F控制方式，近似為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；從基頻向上調(diào)速,為弱磁控制方式，近似為恒功率調(diào)速方式調(diào)速范圍大變頻調(diào)速時,電機的機械特性斜率（即硬度不變）, 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好頻率可連續(xù)調(diào)節(jié),可實現(xiàn)無極調(diào)速.可以實現(xiàn)節(jié)能運行。第14頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二變頻調(diào)速過程示意圖第15頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二6)變頻器與異步電動機的連接圖6 變頻器與異步電動機的連接原理圖第16頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二6)變頻器與異步電動機的連接圖7 變頻器與異步電動

9、機的連接實物圖第17頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二7)變頻器的基本結構 我們這里主要介紹目前主流產(chǎn)品交-直-交變頻器的基本結構。交-直-交變頻器的電路框圖如圖7所示。主要包括主電路和控制電路兩部分，其中主電路包括：整流電路與逆變電路兩部分，整流電路的作用是將三相交流電整成直流電，而逆變電路的目的是將整流后的直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。圖8變頻器的基本結構第18頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二7.1)變頻器主電路圖9.變頻器主電路原理圖主電路:包括整流電路、逆變電路、能耗電路等。下面一一介紹。第19頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星

10、期二1）整流電路其作用是將電源的三相交流電整流成直流電。（1）輸出電壓如三相交流電的線電壓為，則全波整流后的平均直流電壓為：UD=1.35UL。線電壓為380V，則UD=1.35*380=513V。(2）濾波電容C其功能為：濾平全波整流后的電壓紋波。負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。因受到容量和耐壓限制，通常采用電容串聯(lián)。由于電解電容容量有較大的離散性，CF1和CF2電容量不容易相等，為了使兩者的電壓相同，在它們兩旁并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻。第20頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二3）限流電阻RL與開關SL當變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容CF 的充電電流是很大的，過大的充

11、電電流可能會使三相整流橋的二極管損壞，同時使電源電壓瞬間下降而受到污染。R的作用是將充電電流限制在允許范圍內(nèi)。開關SL的作用是當CF充電到一定程度時，SL接通，將RL短路。4）電源指示HLHL除了表示電源是否接通外，還有一個十分重要的功能，既在變頻器切斷電源后，表示濾波電容CF的電荷是否放完。由于CF容量較大，切斷電源又必須在逆變電路停止下進行，所以CF沒有快速放電電路，其放電時間長，達數(shù)分鐘，如不放完，會對人身構成威脅，故維修時，必須等HL熄滅后，才可以接觸變頻器內(nèi)部導電的部分。 第21頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二5）能耗電路電動機在工作頻率下降的過程中，將處于再生

12、制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能，要反饋到直流電路中，使直流電壓Ud不斷上升，甚至達到危險的地步，因此必須將再生到直流電路的能量消耗掉，使Ud保持在允許的范圍內(nèi)，能耗電阻Rb就是用來消耗這部分能量的。第22頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二當頻率降低時，再生制動的原因：變頻調(diào)速時，由于頻率的降低，機械特性曲線由1變?yōu)?。但由由于慣性的作用，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速來不及變化，因而工作點由A點變?yōu)锽點，于是得到了反方向的電磁轉(zhuǎn)矩，因而產(chǎn)生了再生制動現(xiàn)象。圖10,頻率降低,再生制動發(fā)生原因第23頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二6)逆變電路 其作用是將整流所得到的直流電，逆變成交

13、流電，是變頻器的核心部分。按照一定的規(guī)律來控制主電路6個開關管的導通與截止，就可以把直流電逆變成交流電。下面我們以單相逆變電路為例，對逆變電路進行簡單介紹。逆變過程是，我們對成對的兩個橋臂同時導通，在一個周期，兩對橋臂交替各導通180度。1)在前半周期，控制信號使V1，V4導通，而V2，V4截止，輸出電壓Um=Ud2)在后半周期，控制信號令V1、V4截止，而V2、V4導通，輸出電壓Um=-Ud這樣，我們就可把直流電Ud逆變成交流電了，如圖9。圖11,單相逆變電路原理圖第24頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二8)變頻器的分類按變換環(huán)節(jié)分交-交變頻器即把頻率固定的交流電源直接變

14、成頻率連續(xù)可調(diào)節(jié)的交流電源。優(yōu)點：沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高缺點：連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的1/2以下主要應用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。交-直-交變頻器先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電。優(yōu)點：直流電逆變?yōu)榻涣麟姷沫h(huán)節(jié)易控制，因此在頻率調(diào)節(jié)范圍上、改善變頻后電機的特性等方面都有明顯優(yōu)勢，是目前變頻器主流產(chǎn)品。 第25頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二按電壓調(diào)制方式分PAM調(diào)制（調(diào)幅調(diào)制）定義：變頻器輸出電壓的大小通過改變直流電壓的大小來進行調(diào)制。在中小容量的變頻器中，目前應用很少。PWM（脈寬調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過改變

15、輸出脈沖的占空比來進行調(diào)制。目前常用的是通過采用使占空比按正弦規(guī)律調(diào)節(jié)的正弦波脈寬調(diào)制。（SPWM）第26頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二 按直流環(huán)節(jié)儲能方式分電流型變頻器直流環(huán)節(jié)是儲能元件是電感線圈，優(yōu)點是電動機發(fā)生再生發(fā)電時，回饋到直流側(cè)的電能可方便地回到交流電網(wǎng)，不需要在主電路內(nèi)附加任何設備.圖12電流型變頻器原理圖第27頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二電壓型變頻器 它的直流環(huán)節(jié)儲能元件是電容器優(yōu)點：對負載而言，變頻器相當于一個交流電源，在不超過容量限度的前提下，可驅(qū)動多臺電動機并聯(lián)運行。缺點：是電動機發(fā)生再生發(fā)電時，回饋到直流側(cè)的電難于方便地

16、回到交流電網(wǎng)圖13 電壓型變頻器原理圖 第28頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二按用途分 a)專用變頻器專用變頻器是專門針對某一種特定的控制對象而設計出來的，如軋鋼機用變頻器、空調(diào)用變頻器、電梯用變頻器等。這類變頻器特點是在某一方面的性能比較優(yōu)良。b)通用變頻器通用變頻器通用性強，價格便宜，使用范圍最廣。可應用在標準異步電動機的傳動、工業(yè)生產(chǎn)與民用各個領域。通用變頻器也在向低成本的簡易型和高性能多功能方面發(fā)展.注：我們下面準備實訓所用的變頻器如根據(jù)上面分類的話，應是通用型、電壓型、交-直-交、SPWM變頻器。第29頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期二9)變頻器的額定值 輸入側(cè)的額定值主要是指的是變頻器輸入線電壓和相數(shù)。絕大部分為3相，380V進口也有220V，3相家用小容量 220，單相第30頁，共32頁，2022年，5月20日，6點0分，星期