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1、变频器技术交流电气传动基础知识电气传动系统概述定义定义以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统系统构成系统构成中间传动机构中间传动机构交流电源交流电源输入输入终端机械终端机械交流交流 电机电机直流直流调速调速装置装置直流输出直流输出皮带轮、齿轮箱等皮带轮、齿轮箱等曳引机等曳引机等直流直流 电机电机交流交流调速调速装置装置交流输出交流输出执行机构执行机构 变频变频器器电气传动基础知识电气传动的目的和意义序号序号意意
2、义义义义有代表意有代表意义义义义的行的行业业业业或或设备设备设备设备1 1节节节节能能风风风风机、水机、水泵泵泵泵、注塑机、注塑机2 2提高提高产产产产品品质质质质量量机床、印刷、包装等生机床、印刷、包装等生产线产线产线产线3 3提高提高环环环环境境质质质质量量电电电电梯、中央空梯、中央空调调调调目的目的根据设备和工艺的要求通过改变电机速度或输出转矩改变终端设备的速度或转矩根据设备和工艺的要求通过改变电机速度或输出转矩改变终端设备的速度或转矩意义意义注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能电气传动基础知识交流电机的机械特性交流异步电机的机
3、械特性公式交流异步电机的机械特性公式n n60f/p(1-s)60f/p(1-s)n n：电机转速：电机转速 f f：给电机供电的交流电频率：给电机供电的交流电频率 p p：电机极对数：电机极对数 s s：转差率：转差率 T T：电机力矩：电机力矩N N：速度：速度n n0 0额定额定异步机机械特性异步机机械特性最大最大 交流同步电机的机械特性公式交流同步电机的机械特性公式n n60f/p60f/pn n：电机转速：电机转速 f f：给电机供电的交流电频率：给电机供电的交流电频率 p p：电机极对数：电机极对数 n n0 0额定额定最大最大T T：电机力矩：电机力矩同步机机械特性同步机机械特性
4、n n 交流异步电机广泛应用在传动系统中交流异步电机广泛应用在传动系统中n n 交流同步电机目前已开始在纺织、电梯等行业广泛使用交流同步电机目前已开始在纺织、电梯等行业广泛使用电气传动基础知识电气传动系统基本工作原理电力传动系统运动方程式电力传动系统运动方程式T T电机转矩电机转矩 T T负载转矩负载转矩加速运行加速运行T T电机转矩电机转矩TT负载转矩负载转矩减速运行减速运行T T电机转矩电机转矩T T负载转矩负载转矩恒速运行恒速运行l l电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素T T电机转矩电机转矩T T负载转矩负载转矩
5、P P电机功率电机功率T T电机转矩电机转矩NN电机速度电机速度KK常数常数M MT T电机转矩电机转矩T T负载转矩负载转矩中间传动机构中间传动机构终端机械终端机械电气传动基础知识电气传动系统工作原理l l速度模式：速度模式：以控制转速恒定为目的，控制设备根据设定速度要求自动调整电机转矩适以控制转速恒定为目的，控制设备根据设定速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，达速时电机转矩等于负载转矩应外部的负载变化，达速时电机转矩等于负载转矩应用：应用：如常规调速系统（电梯、各类生产线），如常规调速系统（电梯、各类生产线），l l转矩模式转矩模式以控制电机转矩恒定为目的，达速时电机转矩等于负载转
6、矩，但电机的运以控制电机转矩恒定为目的，达速时电机转矩等于负载转矩，但电机的运转速度不确定，如果控制不当可能会引起传动设备超速损坏等事故转速度不确定，如果控制不当可能会引起传动设备超速损坏等事故为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护应用：如：开卷应用：如：开卷/ /收卷收卷T T电机转矩电机转矩T T负载转矩负载转矩 M MT T电机转矩电机转矩T T负载转矩负载转矩中间中间传动传动机构机构终端机械终端机械电气传动基础知识电气传动系统负载特性传动机构传动机构电动机电动机生产机械生产机械负载特性负载特性摩擦恒转矩摩擦恒转矩l l生产流水线生产流水线l
7、 l起重行走起重行走速度速度T T负载转矩负载转矩势能恒转矩势能恒转矩l l电梯电梯l l起重机提升起重机提升恒功率恒功率 速度越低，速度越低， 负载转矩越大负载转矩越大l l机床机床l l开卷机开卷机/ /收卷机收卷机变转矩变转矩速度越低，负载速度越低，负载转矩越小转矩越小l l风机水泵风机水泵 负载转矩大小于与转速无关负载转矩大小于与转速无关电气传动基础知识交流电气传动系统的特点交流电气传动系统特点：交流电气传动系统特点：l l控制对象：交流电动机控制对象：交流电动机l l控制原理复杂，有多种调速方式控制原理复杂，有多种调速方式l l性能较差，对硬件要求较高性能较差，对硬件要求较高l l电
8、机无电刷，无换向火化问题电机无电刷，无换向火化问题l l电机功率设计不受限电机功率设计不受限l l电机不易损坏，适应恶劣现场电机不易损坏，适应恶劣现场l l基本免维护基本免维护l l7070年代以前直流占主导地位，交流调速只在大功率电机调速上使用年代以前直流占主导地位，交流调速只在大功率电机调速上使用l l目前交流调速已经占主导地位目前交流调速已经占主导地位调调速方式名称控制对对象特点变变极调调速交流异步电动电动 机有级调级调 速，系统简单统简单 ，最多4段速调压调调压调 速无级调级调 速，调调速范围围窄 电电机最大出力能力下降，效率低 系统简单统简单 ，性能较较差 转转子串电电阻调调速变频调
9、变频调 速交流异步电动电动 机 交流同步电动电动 机真正无级调级调 速，调调速范围宽围宽 电电机最大出力能力不变变，效率高 系统统复杂杂，性能好 可以和直流调调速系统统相媲美早晚发 展 时 间电气传动基础知识交流电气传动系统的发展历程变频器基础知识变频器定义及其特点什么是变频器什么是变频器变频器是交流电气传动系统的一种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 VVVF ( Variable Voltag
10、e Variable Frequency Voltage Variable Frequency变压变频）变压变频）变频器的控制对象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，电机三相交流异步电机和三相交流同步电机，电机极数可选极数可选. .序序 号号优优优优点点1 1平滑平滑软软软软启启动动动动，降低启，降低启动动动动冲冲击电击电击电击电 流，减少流，减少变压变压变压变压 器占有量，确保器占有量，确保电电电电机安全机安全2 2在机械允在机械允许许许许的情况下可通的情况下可通过过过过提高提高变频变频变频变频 器的器的输输输输出出频频频频率提高工作速度率提高工作速度3 3无无级调级调级调级
11、调 速，速，调调调调速精度大大提高速精度大大提高4 4电电电电机正反向无需通机正反向无需通过过过过接触器切接触器切换换换换5 5非常方便接入通非常方便接入通讯讯讯讯网网络络络络控制，控制，实现实现实现实现 生生产产产产自自动动动动化控制化控制变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）变频器基础知识变频器定义及其特点变频器基础知识变频技术发展历程控制算法控制算法功率半功率半 导体技术导体技术V/FV/F控制控制SCRSCRGTRGTR矢量控制矢量控制IGBTIGBT计算机计算机 技术技术单片机单片机 DSPDSPIGBTIGBT大容量化大容量化更高速
12、率和容量更高速率和容量如：矩阵式变频器如：矩阵式变频器大功率传大功率传动使用变动使用变频器，体频器，体积大，价积大，价格高格高未来发展方向未来发展方向完美无谐波完美无谐波PWMPWM技术技术SPWMSPWM技术技术PWMPWM优化优化新一代开关技术新一代开关技术无速度矢量控制无速度矢量控制 电流矢量电流矢量V/FV/F7070年代年代8080年代年代6060年代年代9090年代年代高速高速DSPDSP 专用芯片专用芯片0000年代年代超静音变频器开始流行超静音变频器开始流行解决了解决了GTRGTR噪声问题噪声问题变频器性能大幅提升变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流大批量使用，取代直流算法优
13、化算法优化更大容量更大容量更高开关频率更高开关频率PWMPWM技术技术空间电压矢量空间电压矢量 调制技术调制技术变频器体变频器体积缩小，积缩小，开始在中开始在中小功率电小功率电机上使用机上使用变频器基础知识变频器分类供供电电电电电电电电 源源低低压压压压220V/1PH220V/1PH、220V/3PH220V/3PH、380V/3PH380V/3PH高高压压压压30003000、60006000、10000V/3PH10000V/3PH控制算法控制算法通用通用内置内置V/FV/F控制方式，控制方式，简单简单简单简单 ，性能一般，性能一般高性能高性能内置矢量控制方式，复内置矢量控制方式，复杂杂
14、杂杂，高性能，高性能变换变换变换变换 方方 法法 （拓朴（拓朴结结结结 构）构）交直交交直交电压电压电压电压 型（型（储储储储能能环节为电环节为电环节为电环节为电 解解电电电电容）容）电电电电流型流型( (储储储储能能环节为电环节为电环节为电环节为电 抗器）抗器）交交交交无无储储储储能能环节环节环节环节l l变频器的主电路大体上可分为两类变频器的主电路大体上可分为两类: :电压型是将电压源的直流变换为电压型是将电压源的直流变换为 交流的变频器交流的变频器 l l交直交交直交电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤 波电感波电感
15、 对于异步电动机，其转速的公式为：n=60f(1-S)/P (1)式中，f为电源频率S为转差率，即转速差与同步速度的比值P为电机磁极的对数由上式可知，改变输入电源的频率，就可以改变电 机的转速。变频器基础知识基本工作原理变频器基础知识基本工作原理实际上，感应电势实际上，感应电势E1E1为电动机内部电压，不能直接控制，并且检为电动机内部电压，不能直接控制，并且检测也很困难。而电动机的端电压测也很困难。而电动机的端电压U1U1为为E1E1和定子阻抗压降的和：和定子阻抗压降的和：U1=(r1I1+l1dI1/dt)+E1 (4)U1=(r1I1+l1dI1/dt)+E1 (4)通常，定子绕组的漏磁阻
16、抗压降与定子电压通常，定子绕组的漏磁阻抗压降与定子电压U1U1相比很小，可忽相比很小，可忽略而认为略而认为U1EU1E，则维持：，则维持：U1/f1=U1/f1=常值常值 就可保持磁通幅值不变，从而达到输出转矩恒定的目的。就可保持磁通幅值不变，从而达到输出转矩恒定的目的。但在但在U1U1小到定子阻抗压降不能忽略的情况下，维持小到定子阻抗压降不能忽略的情况下，维持U1/f1=U1/f1=常值常值就不能保持气隙磁通不变就不能保持气隙磁通不变变频器基础知识基本工作原理为什么变频器的电压与频率成比例的改变为什么变频器的电压与频率成比例的改变异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作异步电动机的转矩是电机的磁通与
