變頻器控制模式和容量的選擇應(yīng)用基礎(chǔ)培訓(xùn)講義

王老師課內(nèi)容前言《變頻器發(fā)展簡(jiǎn)介》第1章《變頻器控制模式和容量的選擇》第2章《變頻器基本功能》第3章《工程應(yīng)用》第4章《變頻器安裝及接線》第5章《變頻器故障診斷》第6章《變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)》第7章《變頻器測(cè)量與維修》2前言-變頻器發(fā)展簡(jiǎn)介1.變頻器的發(fā)展歷程19世紀(jì)末發(fā)明了三相交流電和三相異步電動(dòng)機(jī)，60—70%的電能被各種電動(dòng)機(jī)所利用，其中80%的電能被交流電動(dòng)機(jī)所利用，20%的電能被直流電動(dòng)機(jī)所利用。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用電刷導(dǎo)電，但調(diào)速性能良好，在近百年間直流電動(dòng)機(jī)在調(diào)速領(lǐng)域一統(tǒng)天下。三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但調(diào)速困難。3前言-變頻器發(fā)展簡(jiǎn)介人們?cè)缇椭澜涣麟妱?dòng)機(jī)改變頻率可以調(diào)速，但因技術(shù)問(wèn)題難以實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，電力電子和微電子技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為變頻器的誕生奠定了基礎(chǔ)。就在此時(shí)，中東戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，一場(chǎng)石油危機(jī)席卷全球，節(jié)約能源成了當(dāng)務(wù)之急。人們首先發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和泵類是用異步電動(dòng)機(jī)恒速拖動(dòng)，用閥門(mén)和擋板控制流量，浪費(fèi)極大。如果采用調(diào)速控制，可以大大節(jié)約電能。由于有了物質(zhì)基礎(chǔ)和社會(huì)需要，第一代模擬控制變頻器誕生了。用在風(fēng)機(jī)和水泵上，節(jié)能高達(dá)20%—40%。前言-變頻器發(fā)展簡(jiǎn)介2.現(xiàn)代變頻器的特點(diǎn)現(xiàn)在的變頻器早已經(jīng)由模擬控制發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制，而計(jì)算機(jī)控制可以進(jìn)行功能預(yù)置、聯(lián)網(wǎng)控制，使它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。已經(jīng)由最初的單機(jī)調(diào)速，發(fā)展為現(xiàn)在的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；聯(lián)網(wǎng)控制；組成柔性控制系統(tǒng)等。它是目前最好的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，目前還沒(méi)有任何一種交流調(diào)速系統(tǒng)能取代變頻器。它在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取代了直流電動(dòng)機(jī)，使控制系統(tǒng)的可靠性大大提高。5前言-變頻器發(fā)展簡(jiǎn)介3.變頻器應(yīng)用節(jié)能應(yīng)用：仍然是變頻器應(yīng)用的目的之一，主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載。在其他應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)輸出電壓比額定電壓低時(shí)，也具有節(jié)能效果。工藝控制應(yīng)用：為了滿足負(fù)載的調(diào)速要求而采用變頻調(diào)速。他可提升產(chǎn)品質(zhì)量、減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率和成品率。柔性控制應(yīng)用：在復(fù)雜的傳動(dòng)流水線上，多臺(tái)電動(dòng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，而變頻器由上位機(jī)控制，組成無(wú)人操作的自動(dòng)化流水線。6前言-變頻器發(fā)展簡(jiǎn)介4.變頻器的發(fā)展趨勢(shì)1）向?qū)Ｓ眯头较虬l(fā)展專用變頻器是變頻器的發(fā)展方向，是根據(jù)某種具體應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)。具有安裝調(diào)試方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。2）向多用途方向發(fā)展優(yōu)化控制技術(shù)：變頻器已由最初的U/f模擬控制，發(fā)展為轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等多種控制方式，應(yīng)用更加方便。向高壓、大容量方向發(fā)展大容量、高耐壓開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)發(fā)，為高壓變頻器奠定了基礎(chǔ)。發(fā)電廠、煉鋼，供排水公司等，所用的10kV高壓變頻器，容量有的已超過(guò)幾千KVA。7前言-變頻器發(fā)展簡(jiǎn)介3）向智能化、個(gè)性化方向發(fā)展智能IC卡參數(shù)的存取方式；PDA（個(gè)人數(shù)字助理）界面，采用PDA界面的變頻器，省去了變頻器與計(jì)算機(jī)之間的布線，可直接在PDA上進(jìn)行參數(shù)編程、故障診斷和數(shù)據(jù)監(jiān)視。如施耐德的ATV71變頻器。高功率變頻器模塊的立體封裝形式，立體封裝形式已能將IGBT、電流電壓溫度傳感器、保護(hù)回路、直流回路、散熱裝置和強(qiáng)制風(fēng)冷的電路組合在一起。冷卻效果好，功率密度高。前言-變頻器發(fā)展簡(jiǎn)介5.本課程的任務(wù)我們工作在現(xiàn)場(chǎng)的變頻器技術(shù)人員主要任務(wù)是：1）根據(jù)本企業(yè)的要求能正確的設(shè)計(jì)、選用、安裝、調(diào)試變頻器；2）能正確使用變頻器，能進(jìn)行日常的變頻器維護(hù)維修工作。3）能根據(jù)故障現(xiàn)象分析確診變頻器控制系統(tǒng)的故障范圍，并能排除變頻器的非硬件故障和外圍電路故障。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.1電動(dòng)機(jī)與變頻器1.1.1變頻器與電動(dòng)機(jī)的關(guān)系變頻器從輸入端看：輸入的是工頻三相交流電；從輸出端看：輸出的是頻率和電壓可調(diào)的交流電，控制電動(dòng)機(jī)工作。變頻器是電動(dòng)機(jī)和電源之間的一個(gè)中間控制環(huán)節(jié)，變頻器和電動(dòng)機(jī)要匹配，變頻器的輸出特性和功能參數(shù)必須與電動(dòng)機(jī)的工作特性相吻合。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.1.2三相異步感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)的工作原理1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)現(xiàn)象：用手轉(zhuǎn)動(dòng)馬蹄形磁鐵籠型轉(zhuǎn)子就會(huì)跟著一起旋轉(zhuǎn)。

原理：在轉(zhuǎn)動(dòng)馬蹄形磁鐵時(shí)，磁鐵和籠型轉(zhuǎn)子有了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流；該電流又和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生感應(yīng)電磁力，該電磁力使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，隨著磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向而轉(zhuǎn)動(dòng)。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇2.轉(zhuǎn)速差Δn轉(zhuǎn)子要想隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)必須維持一定的轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)子導(dǎo)線中才能產(chǎn)生感應(yīng)電流，由感應(yīng)電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子才能轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)速差是電動(dòng)機(jī)正常工作的保證。實(shí)驗(yàn)證明，在額定轉(zhuǎn)矩情況下，轉(zhuǎn)速差Δn

和轉(zhuǎn)矩T成正比。即

Δn

∝T轉(zhuǎn)速差為：式中，Δn——轉(zhuǎn)速差，單位r/nim

n1——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，單位r/nim

n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位r/nim第一章：變頻器控制模式和容量的選擇電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)3.電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)速1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)第一章：變頻器控制模式和容量的選擇2）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速即p=1：電流變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正好在空間轉(zhuǎn)過(guò)一周。對(duì)50Hz工頻交流電而言，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每秒在空間旋轉(zhuǎn)50周，n1=60f1=60×50r/min=3000r/min。

p=2

：電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)只轉(zhuǎn)過(guò)0.5周，比磁極對(duì)數(shù)p=1情況下的轉(zhuǎn)速慢了一半，即n1=60f1/2=1500r/min。

p=3：電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)僅旋轉(zhuǎn)了1/3周，即n1=60f1/3=1000r/min。以此類推，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)有p對(duì)磁極，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為式中，f1——電源頻率，單位Hz,

P——磁極對(duì)數(shù)，P=1,2,3….第一章：變頻器控制模式和容量的選擇4.轉(zhuǎn)差率s

轉(zhuǎn)速差是一個(gè)絕對(duì)差值（在額定狀態(tài)），對(duì)于一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)，有一個(gè)確定的Δn。為了表示轉(zhuǎn)速差和同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系，我們?nèi)”戎?/p>

S—轉(zhuǎn)差率，是分析電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的一個(gè)重要公式。5.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差頻率f2

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差為Δn時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差頻率為f2，f2也是轉(zhuǎn)子導(dǎo)線感應(yīng)電流的頻率，其值為第一章：變頻器控制模式和容量的選擇例一：有一4極和6極電動(dòng)機(jī)，功率均為7kW，轉(zhuǎn)速分別為1460r/min和970r/min，請(qǐng)計(jì)算兩電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)差頻率和額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，頻率上升到多少Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。解：1)4極電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差為（1500—1460）r/min=40r/min，轉(zhuǎn)差頻率為

f=P△n/60=2×40/60=1.33Hz

2）4極電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為根據(jù)功率公式有：TM=9550P/n=9550×7/1460=46N.m即變頻器的頻率從0上升到1.33Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩46N.m。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇3)6極電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差為

△n=（1000—970）r/min=30r/min

轉(zhuǎn)差頻率為

f2=P△n/60=3×30/60=1.5Hz

4）6極電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為

TM=9550P/n=9550×7/970=69N.m當(dāng)變頻器的頻率從0上升到1.5Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩69N.m。當(dāng)變頻器的頻率上升到1.5Hz時(shí)，如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于69N.m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于69N.m，此時(shí)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇6.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩（電流）特性曲線1）由特性曲線可見(jiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速下降，但△n不變，當(dāng)n1=△n，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n=0，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩TN。2）當(dāng)轉(zhuǎn)矩在額定值左右變化時(shí)，△n也在額定值左右變化。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇案例1：有一高爐上料小車，電動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)矩狀態(tài)。為了防止停止時(shí)小車下滑，采用機(jī)械抱閘機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)采用4極電動(dòng)機(jī)，n=1460r/min；設(shè)置變頻器抱閘頻率為3Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)過(guò)流跳閘，設(shè)置為0.5Hz時(shí)，制動(dòng)時(shí)有溜鉤現(xiàn)象。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇案例分析：電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速差：額定轉(zhuǎn)差頻率f2：因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)Δn

∝T

，而T

∝I，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率正比于定子額定電流，即f2∝I，當(dāng)上升f2

，I上升；當(dāng)f2下降，I下降。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇變頻器的輸出頻率為1.33Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該松閘，當(dāng)變頻器輸出頻率為3Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大大高于了額定轉(zhuǎn)矩，故引起過(guò)流跳閘。當(dāng)頻率低于1.33Hz，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩已小于額定轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生溜鉤。電動(dòng)機(jī)如果有抱閘系統(tǒng)，抱閘(松閘)頻率理論上應(yīng)等于轉(zhuǎn)差頻率，抱閘頻率設(shè)置高，起動(dòng)過(guò)流，松閘頻率設(shè)置低，停機(jī)有溜鉤現(xiàn)象。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不足，抱閘(松閘)頻率要比理論值稍高一些，但不能高出很多。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.1.3三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁特性與基本U/f控制給三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組加上電源電壓U1后，繞組中便產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1，根據(jù)電動(dòng)機(jī)理論，E1的表達(dá)式為：

E1=4.44K1N1f1Φm

式中,E1——定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值。

K1——定子繞組的繞組系數(shù)，K1<1，為常數(shù)。

N1——定子每相繞組的匝數(shù)。為常數(shù)。

f1——定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，即電源的頻率。

Φm——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的主磁通,大小和定子電流成正比，為了保證電動(dòng)機(jī)工作在額定電流狀態(tài)，Φm也為常數(shù)。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇由于ΔU很小，當(dāng)U1較高時(shí)，ΔU可忽略，有

U1

≈E1=4.44K1N1f1Φm式中，K1、N1、Φm均為常數(shù)，上式可改寫(xiě)為：

為了保持等式右邊為常數(shù)，如果改變f1

，U1也必須同時(shí)改變。

U1上升，f1上升，U1下降，f1下降，即U1/f1=常數(shù)，這就是變頻器的基本U/f控制模式。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.1.4三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速1.基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速電網(wǎng)50Hz交流電稱為基頻，在50Hz以下調(diào)速時(shí)，稱為基頻以下調(diào)速?；l以下調(diào)速具有恒磁通特性。由于Φm恒定，電磁轉(zhuǎn)矩Tm恒定，電動(dòng)機(jī)屬于“恒轉(zhuǎn)矩”調(diào)速。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇當(dāng)?1較低時(shí)，U1亦較低，電阻R1上的電壓已不可忽略，它使定子電流下降，從而使Φm減小，這將引起低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩減?。ㄒ?jiàn)圖）。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償：為補(bǔ)償?shù)退贂r(shí)轉(zhuǎn)矩不足，在低頻時(shí)提升定子電壓U1，補(bǔ)償曲線如下圖中曲線“2”。所有變頻器都有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇2．基頻以上的變頻調(diào)速當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在基頻（額定頻率）以上時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)不能超過(guò)額定電壓運(yùn)行，所以頻率在額定值以上升高時(shí)，定子電壓不變，保持在額定值。Φm隨著?1的升高而下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦隨著頻率的升高而下降。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)輸出功率為

p=nT轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩下降，乘積不變，即基頻以上的變頻調(diào)速屬于“恒功率”調(diào)速。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇3.應(yīng)用選擇1）基頻以下調(diào)速絕大部分傳動(dòng)系統(tǒng)采用基頻以下調(diào)速方式。由于該傳動(dòng)方式電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率下降。為了充分利用電動(dòng)機(jī)的容量，當(dāng)負(fù)載的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，要考慮通過(guò)減速器提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以提高電動(dòng)機(jī)的輸出功率，降低電動(dòng)機(jī)和變頻器的功率裕量。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇2）基頻以上調(diào)速當(dāng)負(fù)載為高速設(shè)備或恒功率調(diào)速負(fù)載，可考慮變頻器超頻工作。如內(nèi)圓磨床的磨頭電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速在每分鐘上萬(wàn)轉(zhuǎn)，可采用變頻高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化傳動(dòng)環(huán)節(jié)。還有一類負(fù)載，即需要電動(dòng)機(jī)調(diào)速，又需要電動(dòng)機(jī)功率恒定。如變速車床，在調(diào)速的過(guò)程中要保持電動(dòng)機(jī)輸出功率不變，這種場(chǎng)合也可采用超頻工作。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇案例2：有一車床調(diào)速系統(tǒng)，主軸轉(zhuǎn)速400—600r/min，消耗功率4.5kW(恒功率負(fù)載)，請(qǐng)選擇調(diào)速方案。案例分析：選擇6極5kW電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速960r/min。當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)速時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為400r/min，傳動(dòng)比=960/400=2.4(為降速傳動(dòng)機(jī)構(gòu))。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：600r/min×2.4=1440r/min。即電動(dòng)機(jī)超頻工作。因電動(dòng)機(jī)超頻工作時(shí)輸出為恒功率，所以車床主軸在400—600r/min變化時(shí)可得到恒功率。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.1.5三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性就是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩在額定值附近變化時(shí)，基本上成正比關(guān)系，即

Δn

∝T1.電動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)的機(jī)械硬度當(dāng)轉(zhuǎn)矩大范圍變化時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化范圍較小，速度穩(wěn)定性好。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇2.有較強(qiáng)的過(guò)載能力TN為額定轉(zhuǎn)矩，TM為最大轉(zhuǎn)矩，過(guò)載能力定義為：

λ=TM/TNλ—過(guò)載能力，一般為1.8—2.2倍。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于λ

，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)。3.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變頻器因?yàn)榈皖l起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TST可達(dá)最大轉(zhuǎn)矩TM

。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇3.電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性應(yīng)用1）機(jī)械特性較硬因?yàn)闄C(jī)械特性較硬，可廣泛應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的開(kāi)環(huán)控制(變頻器基本U/f開(kāi)環(huán)控制)。2）電動(dòng)機(jī)和變頻器容量的選擇在波動(dòng)或沖擊性負(fù)載，電動(dòng)機(jī)的容量可以按負(fù)載的平均功率選取(最大沖擊負(fù)載不能使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn))；但變頻器的容量按負(fù)載的瞬時(shí)沖擊功率選取，且容量不能大于電動(dòng)機(jī)容量的2倍(因λ=

1.8—2.2倍)。3）因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)速差Δn，轉(zhuǎn)速n

隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩T的變化而變化，在速度精確控制中要引入反饋環(huán)節(jié)。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇案例3：有一30kW負(fù)載設(shè)備，工作電流58A，為沖擊性負(fù)載。沖擊電流峰值達(dá)110A(作用時(shí)間10—30s)，請(qǐng)選擇電動(dòng)機(jī)和變頻器容量。電動(dòng)機(jī)選擇：因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)有2倍的過(guò)載能力，容量按平均電流選取，取30kW。變頻器選擇：變頻器因?yàn)檫^(guò)載能力差(150%，時(shí)間20—30s)，按瞬時(shí)功率選。選60kW。圖沖擊性負(fù)載第一章：變頻器控制模式和容量的選擇4.籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

第一章：變頻器控制模式和容量的選擇電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子導(dǎo)線電阻很小，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很硬，廣泛用于各種傳動(dòng)中。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇5.繞線式轉(zhuǎn)子第一章：變頻器控制模式和容量的選擇電動(dòng)機(jī)特性：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻可調(diào)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電阻，可改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。應(yīng)用：取得最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行調(diào)速；利用下垂特性平衡多臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的輸出轉(zhuǎn)矩。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)子電阻消耗大量的電能，操作復(fù)雜，故障率高。該電動(dòng)機(jī)廣泛用于橋式起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、龍門(mén)吊車等。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇6.變頻器專用電動(dòng)機(jī)1）變頻器在進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有時(shí)很低。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)是通過(guò)自身風(fēng)冷散熱，低速時(shí)因電流不減，發(fā)熱量不減，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重(變頻器輸出頻率低于40Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)散熱能力下降一半)。2）由于變頻器輸出的是PWM波，對(duì)電動(dòng)機(jī)的耐壓有更高要求。3）變頻電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：采用籠型結(jié)構(gòu)，裝有專用軸流風(fēng)機(jī)，保證電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下均有較好的冷卻效果電機(jī)經(jīng)過(guò)抗環(huán)境腐蝕設(shè)計(jì)能夠保持較長(zhǎng)壽命。配置深溝槽滾球軸承使得電機(jī)壽命大大延長(zhǎng)。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇4）專用電動(dòng)機(jī)選擇①工作頻率高于50Hz，到高達(dá)100Hz。②工作頻率低于40Hz以下，嚴(yán)重散熱不良時(shí)。③調(diào)速比大于或等于10，且頻繁變化。④因傳動(dòng)需要，更適合用專用電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.2變頻器的控制模式1.2.1變頻器的分類按變換環(huán)節(jié)分：交-直-交型和交-交型按改變變頻器輸出電壓的方法分：PAM型和PWM型2.按電壓的等級(jí)分：低壓變頻器和高壓大容量變頻器。類型有高-低-高型和直接高壓型。3.按濾波方式分：電流型和電壓型。4.按用途分：專用型通用型高頻變頻器。5.按輸入電源分：?jiǎn)蜗嘧冾l器和三相變頻器。6.按內(nèi)部控制模式分：U/f

正弦脈寬調(diào)制模式、轉(zhuǎn)差頻率控制模式、矢量控制模式和直接轉(zhuǎn)矩控制模式變頻器第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.2.2基本U/?控制模式問(wèn)題的提出：在工程中，有些負(fù)載需要調(diào)速，但速度控制精度要求不高。如攪拌機(jī)，工作時(shí)需要改變速度的大小和方向，但對(duì)速度的精度沒(méi)有要求。這一類負(fù)載變頻器可以開(kāi)環(huán)控制，連接方法見(jiàn)下圖?？刂铺攸c(diǎn)：基本U/?變頻器通過(guò)壓頻變換器使變頻器的輸出電壓與輸出頻率成比例的改變，即即控制U/?=常數(shù)。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇

性能特點(diǎn)：性價(jià)比高，輸出轉(zhuǎn)矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。適用于對(duì)速度精度要求較低的場(chǎng)合。低頻穩(wěn)定性較差，轉(zhuǎn)矩不足，低速運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。該變頻器為開(kāi)環(huán)控制，安裝調(diào)試很方便，能滿足很多場(chǎng)合的應(yīng)用。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.2.3轉(zhuǎn)差頻率控制模式（又稱U/f閉環(huán)控制變頻器）1.問(wèn)題的提出：在過(guò)程控制中，需要電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)的控制物理量成比例。如恒壓供水控制，為了保證水泵的壓力恒定，當(dāng)用水量大造成壓力下降時(shí)，要控制水泵加速；當(dāng)用水量少造成壓力升高時(shí)，要控制水泵減速。水泵的升速或減速必須將壓力信號(hào)反饋給變頻器，變頻器才能根據(jù)反饋的壓力信號(hào)對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。由此可見(jiàn)，變頻器要想進(jìn)行過(guò)程閉環(huán)控制，其內(nèi)部要設(shè)置閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，外部要設(shè)閉環(huán)反饋輸入端子。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇2.轉(zhuǎn)差頻率控制原理變頻器在進(jìn)行過(guò)程控制中，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率實(shí)現(xiàn)的?？刂圃恚弘妱?dòng)機(jī)由于存在轉(zhuǎn)速差Δn

，且轉(zhuǎn)速差Δn和轉(zhuǎn)矩T成正比，當(dāng)改變變頻器的輸出頻率，使變頻器的轉(zhuǎn)速差Δn改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T改變，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速改變。就是通過(guò)控制變頻器的轉(zhuǎn)差Δn，來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制原理。由于轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此必須閉環(huán)控制。在變頻器內(nèi)部，我們就是通過(guò)給定信號(hào)和反饋信號(hào)的比較差值，來(lái)控制變頻器的Δn，即控制變頻器的輸出頻率。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇3.轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)控制(PID控制)1)電路結(jié)構(gòu)變頻器內(nèi)設(shè)：比較電路和PID控制電路，處理目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)以及加減速時(shí)間的控制。變頻器外設(shè)：目標(biāo)量給定端子和反饋端子，信號(hào)轉(zhuǎn)換傳感器。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇2）工作原理我們?cè)O(shè)定一個(gè)目標(biāo)量(等同于設(shè)備想得到的壓力值的電信號(hào))，傳感器將設(shè)備的壓力按比例轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，反饋回變頻器，反饋量和目標(biāo)量進(jìn)行比較：當(dāng)反饋量小于目標(biāo)量，變頻器控制Δn上升，轉(zhuǎn)矩隨之上升，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之上升；反之，Δn下降，轉(zhuǎn)矩隨之下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之下降。使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速按給定目標(biāo)量的要求轉(zhuǎn)動(dòng)(反饋閉環(huán)控制，反饋信號(hào)取自什么量，就穩(wěn)定什么量).第一章：變頻器控制模式和容量的選擇3）PID控制可以穩(wěn)定過(guò)程量、也可以穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID進(jìn)行過(guò)程量控制，可以穩(wěn)定過(guò)程量。傳感器采用模擬傳感器，將壓力、速度等物理量轉(zhuǎn)化為模擬電壓或電流信號(hào)，反饋給變頻器。PID進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，一般采用數(shù)字編碼器取回反饋信號(hào)。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇4）轉(zhuǎn)差頻率控制和U/?控制功能上的區(qū)別①

U/?控制變頻器內(nèi)部不用設(shè)置PID控制功能，不用設(shè)置反饋端子。而轉(zhuǎn)差頻率控制在變頻器的內(nèi)部要設(shè)比較電路和PID控制電路。如果用U/f控制變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，要在變頻器之外配置PID控制板。②

現(xiàn)在的變頻器，都將基本U/?控制和PID控制功能做在同一變頻器中，作為普通變頻器供應(yīng)。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇1.2.4矢量控制變頻器1.問(wèn)題的提出現(xiàn)代控制的要求：精密機(jī)床要求加工精度達(dá)到1毫米的百分之幾；重型銑床的轉(zhuǎn)速高600mm/min，低2mm/min，高低速比300倍；幾千千瓦軋鋼電動(dòng)機(jī)在不到1s內(nèi)完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的全部過(guò)程；薄板高速軋機(jī)軋制速度達(dá)37m/s以上，而厚度誤差小于1%；日產(chǎn)400t新聞紙的高速造紙機(jī)，速度達(dá)1000m/min，速度誤差小于0.01%；上述控制系統(tǒng)量化了的性能指標(biāo)，可概括為對(duì)系統(tǒng)的控制要求：1）調(diào)速性——有良好的調(diào)速性能，很寬的調(diào)速范圍。2）穩(wěn)速性——以一定的速度精度在所需速度下穩(wěn)定運(yùn)行。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇3）加減速的快速性——加減速度快，在系統(tǒng)受到干擾時(shí)恢復(fù)的快?？焖傩跃褪请妱?dòng)機(jī)速度的變化跟隨控制信號(hào)變化的程度。當(dāng)變頻器的輸出跟不上信號(hào)的變化時(shí)，要產(chǎn)生廢品。轉(zhuǎn)差頻率控制由于加減速的快速性較差，不能適應(yīng)高控制精度設(shè)備的要求。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇2.直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)的比較

直流電動(dòng)機(jī)：調(diào)速精度高、快速性好。

原因：勵(lì)磁和電樞兩個(gè)繞組分開(kāi)控制，磁場(chǎng)正交，分別調(diào)整兩個(gè)繞組都可以調(diào)速，互不干擾。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比。轉(zhuǎn)矩公式為式中：T—轉(zhuǎn)矩，

CT—電動(dòng)機(jī)常數(shù)，

—磁通，由勵(lì)磁繞組決定

Ia—電樞電流。當(dāng)CT和一定，T和Ia成正比。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇交流電動(dòng)機(jī)：快速性不好。原因：勵(lì)磁和轉(zhuǎn)子電流只有一個(gè)，不能分開(kāi)控制，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩和定子電流不成正比，控制特性復(fù)雜，遠(yuǎn)不如直流電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)矩公式為式中，CT——電機(jī)常數(shù)，

——定子磁通，

I2——轉(zhuǎn)子電流，

——轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。由式中可見(jiàn)，除了CT為常數(shù)，其它量都要隨者定子電流的變化而變化，而且不是線性關(guān)系。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇3.矢量控制變頻器的控制方法為了使交流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)的控制特性，采取交流電動(dòng)機(jī)模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制方法來(lái)進(jìn)行控制。1）將控制信號(hào)按直流電動(dòng)機(jī)的控制方法分解為勵(lì)磁信號(hào)和電樞信號(hào)；2）再將

和

信號(hào)按三相交流電動(dòng)機(jī)的控制要求變換為三相交流電控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變頻器的輸出逆變電路輸出三相交流電。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇4.矢量控制框圖第一章：變頻器控制模式和容量的選擇矢量控制分有傳感器和無(wú)傳感器兩種控制方式。第一章：變頻器控制模式和容量的選擇

6.矢量變頻器控制特點(diǎn)：

1）矢量控制是對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）進(jìn)行控制，不能對(duì)電動(dòng)機(jī)的間接控制量進(jìn)行控制，即不能