变频器与拖动基础update综述

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1、 变频器基础 施耐德（苏州）变频器有限公司 市场部 2006/01 SSD Marketing 2 内容 n 电力拖动的基本概念 n 变频器原理 n 变频器的主要应用 n 变频器选型注意事项 n 变频器安装使用注意事项 SSD Marketing 3 电力拖动的基本概念 n 异步电机的结构和原理 n 异步电机的调速 n 异步电机的起动和制动 n 其它形式的电动机 SSD Marketing 4 异步电动机的结构和原理 SSD Marketing 5 异步电动机的结构 n 异步电动机的结构 o定子 o转子 o风扇 o机壳 o接线盒 o轴伸 SSD Marketing 6 定子铁心与绕组 n 定子

2、铁心均布的槽中嵌有三相对称绕组。 铁心 绕组 SSD Marketing 7 转子铁心和绕组 铸铝转子绕线转子 SSD Marketing 8 旋转磁场的产生 在定子三相对称的定子绕组中通入 对称三相电流即在气隙中产生旋转 磁场： SSD Marketing 9 同步转速 n 定子旋转磁场的转速记为n1，又称为同步速: n 式中： on1的单位为每分钟的转数（rpm） of为电源的频率 op为绕组磁场的极数 n 例如，对工频50Hz电源，2极，4极，6极，8极电机的同步转速分别为： 3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等 SSD Marketing 10 转子是怎样

3、转起来的？ n 转子导体横切气隙旋转磁场产生感应电势（右手定则） n 感应电势在闭合的转子绕组中产生感应电流 n 转子导体中的电流与气隙旋转磁场作用产生电磁力（左手定则） n 电磁转矩驱动转子转动，与气隙旋转磁场的方向相同 n 转子电流也产生旋转磁场 n 该磁场的转速与所产生的旋转磁场转速一样，都 是同步速 n 在稳态情况下，转子所产生的磁场与定子是相对 静止的 n 实际上，气隙磁场是定子与转子绕组产生的电流 之和。 SSD Marketing 11 异步电动机的转速 n 异步电动机的转速可表示为： n 式中S称为滑差率； n 当电机刚刚开始起动时，n=0，s=1； n 若电机处于理想空载，n

4、=n1, s=0，转子与定子旋转磁场同步，故n1称为 同步转速； n 额定负载情况下，s为25%，所以异步电机的额定转速nN总是接近同步 速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。 n 滑差率的大小反映了电机的不同运行状态。 SSD Marketing 12 异步电机的等值电路模型 n 要精确地控制电机需要尽量了解电机的定子、转子绕组电阻R1,R2，定子 、转子漏抗X1,X2以及激磁阻抗Rm,Xm等； n 这些参数需要通过根据铭牌参数如电机额定电压UN，额定电流 IN，额定 转速nN，功率因数COSPHi计算得到。 SSD Marketing 13 异步电机的转矩特

5、性 n 蓝色为转矩特性， n 红色为负载特性， n (nN,TN)为额定工作点 n Tm为可能产生的最大转矩 n Tst为起动转矩 SSD Marketing 14 异步电机机械特性与电源电压的关系 n 输出转矩与电压的平方成正比； n 起动转矩与电压的平方成正比； n 随着电压的降低，最大转矩，起动转矩以及 转速都会降低； n 降低电源电压，可以降低起动电流，但起动 转矩成平方倍地下降； n 星三角起动，自耦变压器起动以及软起动器 起动都属于这类应用； n 这种方法不适于调速，因为调速范围很窄而 且效率很低。 SSD Marketing 15 异步电机机械特性与转子电阻的关系 n 最大输出转

6、矩Tm的大小与转子电阻R2的大小没 有关系。 n 对应Tm的转速与R2的值有关，转子电阻越大， 对应Tm的转速越低。 n 对绕线转子电机，若在转子绕组中串联电阻， 则能够增大起动转矩，在起动过程中，连续减 小或逐级切除串联的电阻，则能够在起动过程 中增大起动转矩，加速起动过程； n 对绕线转子电机，若在转子绕组中串联大小可 调的电阻，则能够调节稳定运行的转速； n 通过改变转子电阻的起动和调速方法仅仅适用 于绕线电机，曾经获得广泛的应用。 n 存在效率低下，起动装置笨重，电机和起动装 置造价高维护率高且困难等缺点。 SSD Marketing 16 异步电机机械特性与电源频率的关系 n 在其它

7、变量满足特定要求的情况下，改变电源频 率可以有效地改变机械特性，而最大转矩基本不 变； n 在负载特性为恒定转矩的情况下，稳定的转速可 以与频率有较好的线性关系。 n 在频率很低的情况下，机械特性变差。 SSD Marketing 17 复习转速的公式 n 电机和负载的转速与频率，电机的极数和滑差率有关。 SSD Marketing 18 改变滑差调速 n 调节电源电压： o在电源与电机之间串电抗 o通过调压变压器或自耦变压器 o效率低下，功率因数低 o成本高 o调速效果不明显 n 改变转子电阻 o可连续调速，甚至可以控制电机反转，适用于提升应用 o可以获得较好的起动特性 o逐级切换电阻和频敏

8、电阻 o仅仅适用于绕线转子电机，不能用于更加普遍的鼠笼转子电机 o效率低下，调速范围在额定转速以下 o装置复杂，体积大，电机和起动装置成本高 o维护频度高且维修成本高。 n 逐渐淘汰 SSD Marketing 19 变极调速 n 对恒定转矩的负载，转速与电机绕组的极数成反比； n 这种方法在过去的机床行业和风机中获得广泛的应用； n 为有级调速，能获得的转速数目只有两种或三种； n 不能连续调速； n 需要电机定子有多套绕组或绕组有多种接法； n 电机造价高，效率低； n 逐渐淘汰 SSD Marketing 20 变频调速 n 转速与频率成正比 n 能够连续调速 n 操作方便，噪声低 n

9、调速范围宽，调速精度高 n 效率高，功率因数高（采取措施） n 可以控制起动，运行，停止（锁定输出，线性制动或软停止） n 可靠性高，易于维护 n 起动电流和运行电流小，过载能力大 SSD Marketing 21 传统调速方法的优缺点 n 机械调速(制动器, 离合器,齿轮箱,皮带轮,链条等) o有极调速, o效率低下 n 液力耦合器 o可实现无级跳速 o成本适中 o装置复杂, 维护量大 n 机电式滑差调速(绕线转子电机) o实现简单,成本适中 o绕线电机结构复杂, 维护量大 o效率低下 n 涡流调速 o简单可行 o连续调速 o效率低下, 需要冷却装置(水冷或空气冷却) SSD Marketi

10、ng 22 变频器和软起动器的区别 n 软起动器 o软起动器是一种智能化的降压起动器, 在起动电机时可以有效 地控制和限制起动电流, 同时可减少对电机及其驱动的设备的机械应 力. o软起动可以将机械从零速平滑地加速到额定转速, 也可以控制 平滑地减速到零速 o在只需要软起动和软停止而不需要调速的场合可以使用软起动 器 o软起动器为了降低起动电流,必须实施降压起动, 同时降低了起 动转矩 n 变频器 o变频器可以实现软起动和软停止 o也可以根据负载的变化和系统的要求调节速度和改变输出转矩 o电机起动后可以不以工频转速运行 o变频器在起动电机的同时不必降低起动转矩 n 结论 o从功能上,变频器可以

11、取代软起动器,但软起动器不能取代变频 器 o从成本上,变频器高于软起动器, 但其优势自不待言. SSD Marketing 23 变频调速的优势 n 效率最高的调速方法 n 维护率很低 n 控制灵活,可集成多种功能 n 可四象限运行 n 使用最最普通的鼠笼式异步电动机 n 初始投资可能略大,但是可以快速收回投资,并创造更多的经济效益 o节能,尤其是风机,泵和空气压缩机 o机械磨损减少, 降低维护费用 o提高产品质量和生产效率, o软起动, 减少对电网和设备的冲击 SSD Marketing 24 变频器快速增长的原因 n 节能, 尤其是风机,泵和压缩机应用 n 通过减少传动环节的应力提高机械设

12、备的使用寿命 n 减少电机中的电流冲击,从而延长电机的使用寿命 n 可以使用通用的鼠笼式异步电机, 价格低廉, 安装维护简单, 易于采购 n 采用变频器, 改造原来的绕线转子电机或直流电机非常简单 n 变频器内无接触器和其他运动部件, 是固态设备, 可靠性高 SSD Marketing 25 变频器在加工过程中的作用 n 过程控制 o可以采用数字量和模拟量控制 o可以采用串行连接和总线控制 o过程宏和专用菜单有助于过程控制的实现和完善 o从某一角度讲, 变频器内置的过程控制可以简化甚至取代原来 的机械系统,从而降低成本,提高可靠性,简化控制和维护. 相对伺服控制的阀门,采用变频器控制泵,可以获

13、得更 宽的控制范围和线性度. n 过程监视 o变频器的数字输出,模拟输出和串行连接输出可以监视负载变化 过程中电机的状况和过程量的动态. n 提高产品质量 o气流冷冻器对产品的可控冷却过程 o减少对敏感流体的损伤(如牛奶) o避免由于阀门损坏和过热引起的问题 SSD Marketing 26 变频器在机械控制中的作用 n 减少维护量 o变频器所具有的软起和软停功能可以显著地减少机械系统和轴 承的损伤, 从而可以大幅度延长系统的使用寿命. o变频器可以明显减少泵对供水管网的冲击,从而可以减少对长距 离供水管网的维护. o降速运行可以延长轴承的使用周期. o变频器有助于避免冲击性负载和反冲性负载,

14、从而可以提高传动 环节如减速箱或链条,皮带等的使用寿命. n 削弱振动和噪声 o在低于额定转速的情况下,泵和风机的噪声大幅度降低 o现代变频控制可以抑制变频器本身造成的电机的额外噪声 o通过变频控制还可以避免机械设备固有的共振 n 同步速以上运行 o通过变频器,在不使用减速箱的情况下可以使得机械运行于在额 定转速以上 n 多个传动点联动运行 o通过变频器,可以方便地控制多个传动点,使其同步或比例运行 SSD Marketing 27 变频器对电气方面的影响 n 频繁的起停控制 o由于变频器可以进行软起, 所以可以对电机和负载进行频繁的 起停和正反转控制,而不需要过多考虑电机的热容量 n 电气保

15、护 o变频器将电机屏蔽于电气扰动之外, 从电机侧不能看到电网的瞬间波动 轻微的电网不平衡不影响电机的平衡运行 o变频器可提供电机过载,堵转,短路等的精确保护, 从而避免电机 的过载和堵转. n 效率 o变频器的效率很高,可以最大限度地降低电机的损耗. o变频控制的效率远远优于其它的调速方式 SSD Marketing 28 变频器对供电系统的影响 n 软起动 o变频器近乎理想的起动电流最大程度地减少了对供电系统的扰 动 o对其它设备的影响几可忽略不计 o可以减少变压器,开关,电缆及其保护装置的容量,节省投资. o对于有备用发电机的场合,发电机的容量可以减少30-50% n 功率因数 o变频器的

16、相移功率因子接近于己于1,对于很轻的负载也是如此. 从而可以省却功率因数补偿的投资. n 短路容量 o通过变频器,电机不再产生对电网的短路电流,从而可以减少开 关的容量. SSD Marketing 29 变频器在风机,泵,压缩机应用中的其他好处 n 不再需要压力缓冲装置 n 相对间歇运行的系统控制效果更加连续 n 通过一台变频器可以简化多泵控制系统 n 消除起动,停止时的冲击,延长泵,轴承,阀门和管网等的寿命 n 延长泵的密封和叶片的使用寿命 n 比截流阀和挡板提供更宽的控制范围 n 相对阀门控制线性度和控制精度更高 n 对旧的管网提供压力限幅 SSD Marketing 30 变频器带来的负面影响及其对策 n 能耗方面 o电机用变频器控制后相对于直接起动能耗增加3-5% 变频器中的能耗2-3% 电机中的能耗占0-3% n 谐波电流 o变频器中的整流环节从电网吸收非正弦电流, 其中包括很多谐波电流 o谐波电流的抑制通常通过直流电抗器或交流电抗器来解决 o当变频器负载超过供电容量的30-40%,或没有安装电抗器,就必须评估谐 波电流的影响 o变频器带来的谐波效应远远低于