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1、变频器基础知识,变频器简介,变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。 变频器的问世，使得交流调速在很大程度上取代了直流调速。,什么是调速,电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。,什么是调速,目前调速系统分交流和直流调速系统. 由于直流调速系统的调速范围
2、广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。 近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。,什么是调速,调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：,1、 通用机械的节能调速： 指风机，泵等机械，它们的用电量占全国发电总量的1/3，此类机械在不调速交流电机调速时， 风量和流量使用挡板和阀门调节，调速后可节电30 40，而且优化了工艺过程，减少了管道和阀门的压力，提高了设备的寿命，减少了维修。 2、工艺调速：
3、 由于工艺的要求需要调速运行的机械，如金属加工，造纸等需要稳态精度很高的领域，目前该领域正在向交流调速过渡。,调速按应用领域的分类,3、牵引调速： 运输机械的电驱动，此类机械对设备的尺寸，重量和防护等级有有严格的要求，所以交流调速比较占优势。如火车，轮船等系统。 4、 特殊调速： 对调速有特殊要求的调速系统，如调速范围达到1：500001：100000的场合，只能由特殊的永磁交流电动机实现。如高精度磨床，车床等,调速按应用领域的分类,交（直）流电气传动系统的特点,直流电气传动系统特点： 控制对象：直流电动机 控制原理简单，一种调速方式 性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化） 电机
4、设计功率受限 电机易损坏，不适应恶劣现场 需定期维护,交流电气传动系统特点： 控制对象：交流电动机 控制原理复杂，有多种调速方式 性能较差，对硬件要求较高 电机无电刷，无换向火化问题 电机功率设计不受限 电机不易损坏，适应恶劣现场 基本免维护,70年代以前直流占统治地位 交流调速只在大功率电机调速上使用,他励直流电动机的转速公式：,式中： U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数,他励直流电机的调速方案,由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及
5、减小气隙磁通量的弱磁调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是变电压调速。,他励直流电机的调速方案,用晶闸管触发整流整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电机转速的目的。,这就是所谓的电源电动机调速系统（VM）系统，它属于开环系统。,（1）容量大。 （2）转速高且耐高压。 （3）交流电机的体积小，结构简单、经济可靠、惯性小。 （4）交流电机坚固耐用，可在恶劣环境下使用。 （5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流 拖动系统一样的性能指标。 （6）交流调速系统能显著地节能。 从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。,交流调
6、速系统的特点,交流电机的调速方案,交流电机转速表达式：,三类调速方法： 变极对数p的调速、变转差率s调速及变电源频率f1调速。,原始的分类方法有： 1）变极调速； 2）变s调速：调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、绕线式异步电动机串级调速、电磁转差离合器调速； 3）变频调速。,科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类） （1）转差功率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。 特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。 （2）转差功率回馈型调速系统转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能
7、予以利用。 特点：效率高。串级调速属该类系统。 （3）转差功率不变型调速系统调速过程中，转差功率基本不变。 特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。,交流异步电动机调压调速,恒转矩负载,调压器调压,饱和电抗器调压,晶闸管交流调压器调压,交流异步电动机调压调速,1）相位控制方式 通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。电压输出波形如图所示。 特点：输出电压较为精确、快速性好；但有谐波污染。,交流异步电动机调压调速,2）开关控制方式 把晶闸管作为开关，将负载与电源完全接通几个半波，然后再完全断开几个半波。交流电压的大小靠改变通断时间比t0/ tp来调节。输出电压波形如图所示。,特点：采用
8、“过零”触发，谐波污染小；转速脉动较大。,交流异步电动机调压调速,由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。,电磁转差离合器调速系统,1、电磁转差离合器的结构 电磁转差离合器电枢、机座、磁极、励磁绕组、导磁体组成。 1)直流励磁绕组：由控制装置输出的可调压直流电供电，产生固定磁场； 2)机座：它既是离合器的结构体，又是磁路的一部分；,3)电枢：圆筒形实心钢体，兼有导磁、导电作用，直接套在异步电动机的轴上，作为主动转子，转速与异步电动机相同。运行时，在电枢中感应电动势并产生涡流； 4)磁极：它是齿轮形的。作为从动转子固定在从动轴上而输出转矩，在机械上与电枢无连接，借助气隙分开； 5)
9、异步电机为原动机，与电磁转差离合器组成一个整体； 6)从动轴：输出机械转矩； 7) 磁导体：它既是结构体又是磁路的一部分。,电磁转差离合器调速系统,2、电磁转差离合器的转动原理 1）励磁绕组通以直流电产生主磁通，磁路为：机座气隙电枢气隙磁极导磁体机座； 2）磁路中磁极有齿有槽，在齿凸极部分磁力线较密，在槽间部分磁力线较稀，气隙磁场为空间脉动磁场； 3）原动机拖动电枢恒速定向旋转，电枢切割脉动磁场，电枢中感生电动势并产生电流（涡流）； 4）涡流为交变涡流，它产生幅向脉动的电枢反应磁场，与主磁通合成并产生转矩； 5）此电磁转矩驱动磁极跟着电枢同方向运动，磁极就带着生产机械一同旋转。,电磁转差离合器
10、调速系统,电磁转差离合器调速系统,3、电磁转差离合器的转速和转向 1）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小； 2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。 电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。,电磁转差离合器调速系统,（一）串电阻调速 绕线式异步机在转子回路中串接电阻调速,绕线式异步电动机串级调速系统,（二）串级调速 在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通 过改变附加电势的幅值和相位实现调速。 按产生直流附加电势方式的不同，可分为电气串级调速系统和机械串级调速系统。,R,R,R,定子,转子,起动电阻,串电阻调速,串电阻调速,绕线式异步电动机串级调速系统,2、机械串级调
11、速系统 机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势E由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变电枢电势，相当于改变直流附加电势E的值，实现串级调速。 在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为： （1-s）P2+sP2=P2=常数。具有恒功率调速特性。,交流电气传动系统的发展历程,交流异步电机的机械特性公式,n60f/p(1-s) n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数 s：转差率,T：电机力矩,N：速度,n0,负载1,异步机机械特性,负载2,交流同步电机的机械特性公式,n60f/p n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数,n0,负载1,负载2,T
12、：电机力矩,同步机机械特性,早,晚,发 展 时 间,交流电气传动系统的发展历程,在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用 三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉 还是在一些性能较低的传动现场使用,变频器及其特点,变频器 变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可 变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency） 变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极,变频调速的优势（与其它交流电机调速方式
13、对比）,变频调速的发展历程,电机控制 算法,功率半 导体技术,V/F控制,SCR,GTR,矢量控制,IGBT,计算机 技术,单片机 DSP,IGBT大容量化,更高速率和容量,如：矩阵式变频器,大功率传 动使用变 频器，体 积大，价 格高,未来发展方向 完美无谐波,PWM技术,SPWM技术,PWM优化 新一代开关技术,无速度矢量控制 电流矢量V/F,70年代,80年代,60年代,90年代,高速DSP 专用芯片,00年代,超静音变频器开始流行 解决了GTR噪声问题 变频器性能大幅提升 大批量使用，取代直流,算法优化,更大容量 更高开关频率,PWM技术,空间电压矢量 调制技术,变频器体 积缩小， 开
14、始在中 小功率电 机上使用,变频器分类,注： 交直交电压型变频器因结构简单，功率因素高，目前广泛使用 常用设计功率在315KW,变频器工作原理,整流部分,储能环节,逆变部分,M,控制系统,交流,交流低压交直交通用变频器系统框图,直流,直流,交流,整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波 逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦,变频器工作原理,单相逆变电路工作原理,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,f1,f2,Ed,U1,逆变器的功能： 通
15、过改变开关管导通时间改变输出电压的频率 通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序,变频器工作原理,S1,S4,S5,S2,S3,S6,U,V,Ed,W,561,UUV,UVW,UVW,612,123,234,345,456,561,612,三相逆变电路,Ed,缺点： 输出电压的谐波分量太大 电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机 转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳 直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题,电机,变频调速系统,变频调速系统,变频调速系统,变频调速系统,变频调速系统,变频调速系统,一、变频器的基本类型,变频器,交-交 变频器,单相,交-直-交 变频器,有环流,按输出波形分,按储能方式分,按调压方式分,电压型,按相数分,按环流情况分,脉幅调制,脉宽调制,三相,无环流,正弦波,方波,电流型,1、 按变频器的工作原理分类,变频调速系统,交-交变频器的主电路结构,交交变频器 是将恒压频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成,通常用于大功率（500kw或1000kw以上）、低速（600r/min以下）的场合，如扎钢机、球磨机、水泥回转窑等,变频调速系统,交交变频器,变频调速系统,交-直-交变频器的结构,基本构成框图,是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经过逆变电路将直流变换成调压调频的交流电,变频调速系
