變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、變頻調(diào)速系統(tǒng)第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二1) 變頻調(diào)速技術(shù)概述 圖1 實(shí)訓(xùn)用異步電動(dòng)機(jī)第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(shí)訓(xùn)用VF-7F小巧型變頻器第3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二3)變頻調(diào)速的工作原理異步電動(dòng)機(jī)同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)定子極對(duì)數(shù)，當(dāng)定子供電電流頻率f連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)，因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。圖 3變頻調(diào)速原理說(shuō)明第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二異步電動(dòng)機(jī)的工作原理： 定子對(duì)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(duì)稱三相電流，并在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(yīng)出三相電流。根據(jù)安培電磁力定律，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子跟隨同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一同旋轉(zhuǎn)。但轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度（即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速）要比旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度（同步轉(zhuǎn)速）要小。因?yàn)槿绻D(zhuǎn)子的速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度相同，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)便沒(méi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體便

3、不能切割磁通，從而就不能感應(yīng)出轉(zhuǎn)子電勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流，沒(méi)有轉(zhuǎn)子電流也就不會(huì)有電磁轉(zhuǎn)矩，這樣，轉(zhuǎn)子就會(huì)慢下來(lái)，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(huì)感應(yīng)出電流，就又會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子又會(huì)快起來(lái)，因此轉(zhuǎn)子速度總是略小與同步轉(zhuǎn)速，與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)我們稱為異步電動(dòng)機(jī)。第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二3)變頻調(diào)速的工作原理異步電動(dòng)機(jī)同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)定子極對(duì)數(shù)，當(dāng)定子供電電流頻率f連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)，因

4、為異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。圖 3變頻調(diào)速原理說(shuō)明第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(yùn)行時(shí)，變頻器的控制方式是一般分為兩種，即當(dāng)電動(dòng)機(jī)頻率小于基頻時(shí)，一般采用V/F控制方式，當(dāng)頻率高于時(shí)，則采用恒壓弱磁通控制方式.第7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二基頻以下V/F控制方式 原因:我們?cè)趯?duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，總是希望異步電動(dòng)機(jī)的主

5、磁通保持額定值不變，因?yàn)橹鞔磐ㄌ酰妱?dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力下降。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子電流與主磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。；當(dāng)主磁通太強(qiáng)，則電動(dòng)機(jī)處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)，勵(lì)磁電流將過(guò)大，電動(dòng)機(jī)將發(fā)熱，燒壞，所以異步電動(dòng)機(jī)的主磁通應(yīng)在調(diào)速時(shí)保持一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹怠?第8頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二由電機(jī)學(xué)的原理我們知道，異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的電動(dòng)勢(shì)是定子繞組切割磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是感應(yīng)電勢(shì)，定子每相電勢(shì)為：其中為E1定子每相感應(yīng)電勢(shì), 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(dòng)機(jī)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(yīng)電勢(shì)不便于測(cè)量與控制，從圖3可知：三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)原理圖第9頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二V/F控制V/F控制: 電動(dòng)機(jī)的定子電壓與頻率之比為常數(shù),目的是保持電動(dòng)機(jī)內(nèi)主磁通不變. 可以證明, 變頻器在運(yùn)行時(shí)，保持V/F=常數(shù)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)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(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二基頻以上，恒壓弱磁當(dāng)頻率向上調(diào)，超過(guò)基頻時(shí),如果還保持V/f1=常數(shù)控制方式,則電壓會(huì)隨著頻率的增高而超過(guò)電機(jī)所允

7、許的額定值.這是不允許的。因此，當(dāng)頻率向上調(diào)超過(guò)基頻時(shí)此時(shí),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(guò)基頻時(shí)，變頻器要恒壓弱磁的原因。第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二可以證明此過(guò)程,電動(dòng)機(jī)的輸出功率保持不變,因此,變頻器恒壓弱磁調(diào)速，近似對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒功率控制。第12頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二變頻器輸出頻率與電動(dòng)機(jī)定子電壓關(guān)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(dòng)機(jī)定子電壓關(guān)系曲線為:圖5輸出頻率與定子電壓關(guān)系曲線圖第13頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分

8、，星期二5)變頻調(diào)速特點(diǎn)三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速有以下特點(diǎn):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(shí),電機(jī)的機(jī)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(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速.可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二變頻調(diào)速過(guò)程示意圖第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二6)變頻器與異步電動(dòng)機(jī)的連接圖6 變頻器與異步電動(dòng)機(jī)的連接原理圖第16頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二6)變頻器與異步電動(dòng)機(jī)的連接圖7 變頻器與異步電動(dòng)

9、機(jī)的連接實(shí)物圖第17頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二7)變頻器的基本結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(fù)載變化時(shí)，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(gè)阻值相等的均壓電阻。第20頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二3）限流電阻RL與開(kāi)關(guān)SL當(dāng)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(guò)大的充

11、電電流可能會(huì)使三相整流橋的二極管損壞，同時(shí)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(kāi)關(guān)SL的作用是當(dāng)CF充電到一定程度時(shí)，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(gè)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(jìn)行，所以CF沒(méi)有快速放電電路，其放電時(shí)間長(zhǎng)，達(dá)數(shù)分鐘，如不放完，會(huì)對(duì)人身構(gòu)成威脅，故維修時(shí)，必須等HL熄滅后，才可以接觸變頻器內(nèi)部導(dǎo)電的部分。 第21頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二5）能耗電路電動(dòng)機(jī)在工作頻率下降的過(guò)程中，將處于再生

12、制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能，要反饋到直流電路中，使直流電壓Ud不斷上升，甚至達(dá)到危險(xiǎn)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(lái)消耗這部分能量的。第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二當(dāng)頻率降低時(shí)，再生制動(dòng)的原因：變頻調(diào)速時(shí)，由于頻率的降低，機(jī)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(lái)不及變化，因而工作點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)，于是得到了反方向的電磁轉(zhuǎn)矩，因而產(chǎn)生了再生制動(dòng)現(xiàn)象。圖10,頻率降低,再生制動(dòng)發(fā)生原因第23頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(lái)控制主電路6個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)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(duì)逆變電路進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。逆變過(guò)程是，我們對(duì)成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，在一個(gè)周期，兩對(duì)橋臂交替各導(dǎo)通180度。1)在前半周期，控制信號(hào)使V1，V4導(dǎo)通，而V2，V4截止，輸出電壓Um=Ud2)在后半周期，控制信號(hào)令V1、V4截止，而V2、V4導(dǎo)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(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(diǎn)：沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，變換效率高缺點(diǎn)：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(yīng)用于容量較大的低速拖動(dòng)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(diǎn)：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(jī)的特性等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，是目前變頻器主流產(chǎn)品。 第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(guò)改變直流電壓的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)制。在中小容量的變頻器中，目前應(yīng)用很少。PWM（脈寬調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過(guò)改變

15、輸出脈沖的占空比來(lái)進(jìn)行調(diào)制。目前常用的是通過(guò)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(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二 按直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能方式分電流型變頻器直流環(huán)節(jié)是儲(chǔ)能元件是電感線圈，優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)發(fā)生再生發(fā)電時(shí)，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(shè)備.圖12電流型變頻器原理圖第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期二電壓型變頻器 它的直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能元件是電容器優(yōu)點(diǎn)：對(duì)負(fù)載而言，變頻器相當(dāng)于一個(gè)交流電源，在不超過(guò)容量限度的前提下，可驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。缺點(diǎn)：是電動(dòng)機(jī)發(fā)生再生發(fā)電時(shí)，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(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(duì)某一種特定的控制對(duì)象而設(shè)計(jì)出來(lái)的，如軋鋼機(jī)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(diǎn)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(qiáng)，價(jià)格便宜，使用范圍最廣。可應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)與民用各個(gè)領(lǐng)域。通用變頻器也在向低成本的簡(jiǎn)易型和高性能多功能方面發(fā)展.注：我們下面準(zhǔn)備實(shí)訓(xùn)所用的變頻器如根據(jù)上面分類的話，應(yīng)是通用型、電壓型、交-直-交、SPWM變頻器。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)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(jìn)口也有220V，3相家用小容量 220，單相第30頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)0分，星期