变频器(项目二变频与变压)

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1、1,项目二：变频与变压,电气学院 刘海龙,2,课前复习,1：变频的本质是什么？ 2：通用型变频器是由哪些部分组成的？ 3：变频器一般应用在哪些领域？,3,思考问题,1：从三相异步电动机旋转磁场的公式 中我们得知改变电源频率f1就能改变旋转磁场的速度，但在实际电动机调速中，在额定频率以下，改变频率的同时我们还需调压，即采用变频变压的方式才能实现调速，为什么？ 2：变频的同时我们需要变压，有哪些方法实现？,4,三相异步电动机的电磁关系,感应电动势,异步电动机的三相定子绕组通入三相交流电后，即产生旋转磁场，此旋转磁场在不动的定子绕组中产生感应电动势，三相异步电动机的工作原理和变压器类似，产生的感应电

2、动势大小为：,上式中， 为定子绕组感应电动势的有效值， 为转子不动时转子绕组的感应电动势（此时S=1）， 为定子绕组感应电动势的频率， 为旋转磁场每极的磁通，也是电动机的主磁通，K为绕组系数。,5,三相异步电动机的电磁关系,感应电动势（等效电路）,由等效电路图中我们可知，电源电压等于感应电动势加上绕组本身的压降；实际上定子绕组本身的阻抗是很小的，造成的阻抗压降也比电源电压要小很多，可以忽略，因此电源电压可近似认为等于感应电动势：,r1 x,rm,xm,当阻抗压降忽略不计时，电源电压在数值上约等于感应电动势，因此，U1不变，E1也可认为基本不变。,6,在额定频率以下变频也要变压,由公式可知，假如

3、没有调压，即U1不变，E1也不变，f1减小，将导致磁通变大，但是电动机在设计在额定工作时，磁通已处于临界饱和状态，磁通变大将使铁芯深度饱和，铁芯损耗急剧上升导致过流损坏。,因此：我们在调节频率f1的同时要保证磁通不变，即实现恒磁通调速。,7,在额定频率以上变频也要变压吗？,电动机工作在额定频率时，定子的电压也是工作在额定电压，在额定频率以上的变频，电压U1则不能往上调节，否则电动机将过电压。,由公式可知，频率f1往上调节将导致磁通减小，也称为弱磁调速，会引起电动机的电磁转矩变小，但不会引起电动机的跳闸。,结论：1、额定频率以下的变频同时需要变压，需保证V/F成正比关系。2、额定频率以上的变频不

4、需要变压，但会减弱磁通，减小电磁转矩。,8,电压型变频器的结构模型：,变频变压的实现方法,9,SIMMV系列中压变频器照片,10,变频变压的实现方法,PWM脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲，只需要控制脉冲的宽度和脉冲之间的间隔时间就可以控制输出电压的幅值。 脉冲的宽度T1越大，脉冲的间隔T2就越小，输出电压的平均值就越大。引入“占空比”：指脉冲宽度和一个脉冲周期的比值。,PWM脉宽调制,输出平均电压与占空比成正比关系，调节输出电压实际就是调节占空比的宽度，因此叫脉宽调制；原理看视频演示。,11,由于变频器输出的电压时正弦交流电，电压的幅值是根据正弦波的规律来变化的，因此在一个周期内的占空比

5、也必须变化，比如在峰值部位（红色部分），电压很大，占空比也要取大一些，在零点位置时，电压很小，占空比也应取很小。,SPWM脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation）,12,SPWM脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation）,13,单极性SPWM脉宽调制,调制波：也就是基频信号，我们需要调制的原始波形，比如我们需要将正弦波调制成PWM波形，则改正弦波就是调制波。 载波：与基频信号相比较的基准信号，如在图中的等腰三角形波Ut，单极性SPWM中载波也为单极性的。 单极性：即PWM脉宽调制只有单一极性，只正或只负调制。,14,单极

6、性SPWM脉宽调制,当UraUt，V1导通，V2截止，Zl端输出脉冲波形。 当UraUt的时间决定了SPWM的宽度，大于的时间越长，波形的宽度就越大，反之波形的宽度就越小；UraUt的时间决定了零值时间间隔的宽度，越长则间隔越大，频率f也就越小。 结论：SPWM的电压和频率均有调制电压Ur来控制的。,15,双极性SPWM脉宽调制,双极性脉宽调制与单极性的区别在于其调制波信号和载波(基准信号)均是双极性的，其规律在于： 不分正负： UraUt,Uao输出为正， UraUt,Uao输出为负。 最后计算Uab=Uao-Ubo得到正弦波变化的SPWM脉冲波形。 结论：变频器输出的电压、电流是频率很高的

7、高频输出量，而且调制的脉冲宽度基本是正弦分布的，而且谐波成分较少。,16,异步电动机的能量关系,能量传递过程：定子向电源吸收电功率，经过电磁感应传给转子，称为电磁功率，该功率使转子转动产生电磁转矩，从而转换为机械功率，最后带动负载转矩。,17,异步电动机的转矩,由上图可知：电动机损耗首先为定子绕组的铜损耗定子绕组电磁感应造成的铁耗电磁感应通过气间隙损耗转子绕组的铜损耗转子的机械损耗+附加损耗。,异步电动机的能量关系,在上式中，T为异步电动机的总转矩；T2为电动机转子输出的机械转矩，也就是我们所说的负阻转矩；T0为电动机的空载转矩，其值等于电动机的固有阻力矩。,异步电动机电磁转矩计算,18,在上

8、式中，Pm为电动机的额定功率，N为电动机的额定转速，T为电动机能获得的电磁转矩的大小；在异步电动机的功率、转矩场合会经常应用。,异步电动机电磁转矩计算,19,1、变频调速与直流调速的区别？ 答：变频器用于控制交流电动机的，直流调速器用于直流电动机的；直流电机的优势在于输出功率大、运行稳定、调速性能好。目前交流变频调速的输出和调速性能得到大幅度提升，性能上已基本可以取代直流调速器+直流电机模式，变频器+交流电机价格远低于直流调速器+直流电机价格，交流电机价格较低。所有现在很多企业都运用交流电机配备变频器，达到企业的需求 。,项目三 变频调速的机械特性,20,在电机拖动中，存在两个主要转矩，一个是

9、生产机械的负载转矩，一个是电动机的电磁转矩。,项目三 变频调速的机械特性,1、机械特性 理想空载点：n=n0；此时的电机转速最大同步状态，s=0，T=0。 2、起动点 此时电机从0速度开始起动，n=0，对应为起动转矩Tst，起动带动负载的能力一般用起动倍数来表示：,21,在电机拖动中，存在两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩，一个是电动机的电磁转矩。,项目三 变频调速的机械特性,3、临界点 临界点K是一个非常重要的点，此时的电动机的电磁转矩最大，如果拖动负载的的转矩T大于Tk，则电动机将会一直减速，直至停止。 电动机正常运行时，过载能力用表示，过载能力即超载能力，越大，电机的超载能力越强。,

10、22,3.2 电动机的稳定运行,1、电动机的稳定运行状态 当电动机的负载转矩T在额定转矩附近变化时，我们近似的看成： 2、电动机的动态调整过程 电动机的负载拖动是会变化的，当负载转矩增大时，此时电机电磁转矩小于负载转矩，电机减速，减速后电磁转矩增大达到动态平衡。,23,3.3 电动机的起动和制动,1、异步电动机的启动 电动机从静止状态一直加速到稳定速状态的过程称为起动过程，起动中电流为额定电流的57倍，对电网造成冲击，会本身使用寿命也有影响；主要原因看下面说明： 电机定子电枢绕组方程： 当电动机起动状态时，这时电机速度n=0，因此产生的感应电动势Ea=0，此时： 而电动机的内阻Ra是很小的，因

11、此电流很大。,24,3.3 定子绕组串电阻起动,1、异步电动机的启动 异步电动机的起动主要目的就是降低启动电压或降低启动电流的方式。 目前主流方法有：自耦变压器减压起动、Y-三角起动、定子串电阻起动等。 右图为定子绕组串电阻起动，也是最简单的一种起动方式，但能耗较大。,25,3.3 定子绕组串电阻起动,1、异步电动机的启动 异步电动机的起动主要目的就是降低启动电压或降低启动电流的方式。 目前主流方法有：自耦变压器减压起动、Y-三角起动、定子串电阻起动等。 右图为定子绕组串电阻起动，也是最简单的一种起动方式，但能耗较大。,26,3.3 电动机的起动和制动,1、异步电动机的启动 异步电动机的起动主

12、要目的就是降低启动电压或降低启动电流的方式。 目前主流方法有：自耦变压器减压起动、Y-三角起动、定子串电阻起动等。 2、右图为Y-三角起动，起动时通过接触器转Y形连接，降低启动电流根号3倍，起动完成后接触器转换成三角形连接。,27,3.3 电动机的起动和制动,28,3.3 自耦变压器降压启动,29,3.3 自耦变压器降压启动,30,异步电动机的制动,1、在电机工作过程中，电磁转矩的方向和转子的实际旋转方向相反，称为制动状态。 2、再生制动：当转子的速度超过旋转磁场的速度时，电机处于发电状态，能量回馈电网中。 举例：降低频率F，旋转磁场转速下降，小于实际转速，这时电机处于再生制动状态。,31,3

13、2,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,V/F控制,V/F控制：变频器的输出频率和输出电压的比值为恒定值或正比关系，比如50HZ时电压输出为380V，当频率降为25HZ时电压输出为190V，即恒磁通控制；电磁转矩则是不可控的，电机只是以转速一个物理量做闭环的单闭环的控制系统，只能控制电机的转速。,完全补偿：无论f调多小，通过提高U能使得最大转矩Tx与额定频率时的最大转矩Tmax相等，从而保证电动机的过载能力不变。 过分补偿：如果变频时V/F比值太大，补偿过多，在变频时*U变化速率快，导致电流Io增加。 结论：低频时V/F比值不可盲目取大。,45,V/F曲线功

14、能的选择,曲线分类： 1、基本V/F曲线：Ku=Kf时称为基本U/F曲线，如图中的0曲线表明没有补偿时的电压和频率之间关系。 2、转矩补偿曲线：当Kf=0时补偿一定的电压值Ux，使其获得一定的转矩，则有不同的V/F曲线，如图中的1-5曲线。 3、负补偿曲线：在低速时候减小电压来获取减小转矩，主要用于风机、泵类二次方率负载，如01、02曲线。 4、分段补偿：自行给定。,选择方法： 1:将拖动系统连接好，带以最重的负载。 2:先选择较小的U/F曲线，在低速时观察电机的运行情况，如果达不到负载能力则需要将U/F曲线提高一档，以此类推。,46,选择V/F曲线方法,1:离心浇铸机，用户注入铁水后的负载较

15、重，结果启动时就因为过电流而跳闸，分析原因？ 分析如下：离心浇铸机在低速运行过程中，电机处于空载状态，并不需要补偿，导致过电流而跳闸。 2:传输带的变频器换到风机中，因过流而跳闸，分析原因？ 分析如下：传输带是恒转矩特性，低频时负载重，低频需要电压补偿；风机是二次方率负载，低频时负载非常轻，处于过分补偿，导致磁路饱和而过流跳闸。,47,提高转矩的方法,案例:某厂传送带进行更新，新设备已经有变频器了，原来的旧变频器被空置，于是换旧变频器到同容量的鼓风机上，但是系统启动后，频率上升到5HZ就过电流而跳闸了，请问为什么？,1、负载类型不行，传送带属于转矩负载；风机属于二次方率负载，转矩与速度的二次方

16、成正比关系。 2、变频f1上升时，速度n也上升，负载转矩迅速变大，根据公式 可知，将导致电流也迅速变大从而产生跳闸现象：,48,电机传动机构,1：拖动系统的组成,生产机械：电机系统拖动的对象，比如起重机的吊钩机构。 控制系统：主要对电动机实现控制作用，如启动、制动、调速等。 传动机构：将电动机的转矩传递给工作机械的装置，如皮带传动轮、减速器、齿轮变速箱、联轴器等等。,49,电机传动机构参数及折算,1：传动机构参数折算 传动比：,其中Nmax为电动机的最高转速，Nlmax负载的最高转速。 用 来表示电动机转速、转矩在负载的折算量，折算方法为：,50,电机传动机构参数及折算,一、传动机构的作用？ （1）变速。 （2）转矩或飞轮力矩的传递与变换，选择合适的传动比，就可以用较小的转动力矩去驱动一个较大的负载力矩。 （3）便于启动，由于负载折算到电动机轴上负载转矩变小了，缩小了旋转体的惯性，使启动更容易。 二、对于变频调速系统，改变频率f可以调节电机的转速，不需要加装其他的变速装置也可以实