《电气控制技术与PLC 教学课件 ppt 作者 徐文尚 第六章 变频调速器 》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气控制技术与PLC 教学课件 ppt 作者 徐文尚 第六章 变频调速器 （78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 变频调速器,返回总目录,对电动机的起动、制动、换向以及调速控制是电机应用的主要内容之一。变频器已经成为交流调速方面的智能电器，应用十分广泛，已经成为控制系统中不可缺少的一部分。为加强学生对变频器的了解，本章在简述异步电动机调速原理的基础上，从通用变频器的共性出发，主要讲述目前应用极为广泛的变频调速技术与变频调速装置变频器及其结构、原理、控制方式、构成、分类、应用。,本章内容, 6.1 变频调速器简介 6.2 通用变频器的基本构成及其分类 6.3 通用变频器内部结构和主要功能 6.4 变频器的应用 本章小结 习题与思考题,6.1 变频调速器简介,在工业控制领域发挥着巨大作用的电动机主要是
2、直流电动机和交流异步电动机。直流电动机的调速性能十分优秀，常用调速方法有调压调速、弱磁调速。三相交流异步电动机以其结构简单、坚固、运行可靠、价格低廉，在工业控制领域发挥着巨大作用，常用调速方法有改变磁极对数（改变定子旋转磁场的转速）、改变转差率（通过在转子电路中串联电阻实现），电磁调速（通过转速反馈调节励磁电流）和力矩调速（改变临界转矩）。 尽管异步电动机调速系统的种类很多，但是效率最高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。,变频调速以变频器（如图6-1所示）向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电动机
3、的较宽范围内无级调速。在中、小容量范围内，采用自关断器件的全数字控制PWM变频器已经实现通用化，通用变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便、易与其他设备接口等优点，在机电控制技术中占有非常重要的地位。变频器的发展与普及应用提高了现代工业的自动化水平，提高了产品质量和劳动生产率，节约了能源和原材料，降低了生产成本。 目前，新型的通用变频器已经采用微处理器进行全数字化控制，硬件电路相对简化，各种功能主要靠软件来实现。由于软件的灵活性，数字控制方式可以完成模拟控制方式难以完成的功能。通用变频器的主要功能是通过外部接口电路及数字操作面板来设定的,变频调速的主要特
4、点有： (1) 体积小，重量轻，可挂墙安装，不占地面； (2) 可手控、遥控，亦可与可编程可控制器、计算机等联结，实现自动控制； (3) 启动电流约为电机额定电流的1.7倍（电机启动电流为57倍额定电流），对电网设备冲击小； (4) 大多数变频器都配置了PID控制功能， (5) 具有许多种保护功能（如过压、欠压、过流、短路、瞬间停电等）； (6) 可减振降噪，延长设备使用寿命。正是由于变频器具有上述特点，不少企业把变频器的应用作为一种重要的节能手段，一般工矿企业企业也不例外，在风机、磨机、泵、计量等诸多系统中得到应用。,6.1.1 变频调速的基本原理 异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为
5、式中n0 同步转速(r/min)； f1 定子频率(Hz)； p 磁极对数。 而异步电动机的轴上输出的转速为 式中s异步电动机的转差率，s=（n0-n）/n0 改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。,改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。 对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，造成磁路过饱和，励磁电流增加，导致铁损急剧增加，铁心过热。异步电动机的气隙磁通（主磁通）是定、转子合成磁动势产生的，下面说明怎样才能
6、使气隙磁通保持恒定。 由电动机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为 式中E1定子每相感应电动势有效值(V)； f1 定子频率(Hz)； N1 定子相绕组有效匝数； kw1 定子绕组因数(1)； 每极磁通(Wb)。,异步电动机定子电动势方程式为 U1=I1Z1+E1 式中 U1 定子供电电压(V)； I1 定子电流(A)； Z1 定子阻抗( )。 如果略去定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压。从上式可以看出，若端电压U1不变，则随着f1的升高，气隙磁通将减少，又从转矩公式 （式中I2 转子电流；cos2 转子电路功率因数；CT 转矩常数。）可以看出，的减小势必导致电动机允
7、许输出转矩T 下降，降低电动机的出力。同时，电动机的最大转矩也将降低，严重时会使电动机堵转。若维持端电压U1不变，而减小f1，则增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，导致铁损急剧增加。铁心过热，这是不允许的。因此，在调频的同时需改变定子电压U1，以维持气隙磁通不变。根据U1和f1的不同比例关系，将有不同的变频调速方式。,图7.3 梯形图编辑器中指令的组成,6.1.2 变频调速的控制方式 1基频以下恒磁通变频调速 这是考虑从基频（电动机额定频率）向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通不变。这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势E1，保持E1/f1常数，即保持电动势与频率之比
8、为常数进行控制，这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但是由于E1难于直接检测和直接控制，当E1和f1较高时，定子的阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可以近似地保持定子电压U1/f1和频率f1的比值为常数，即保持U1/f1=常数，这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。 当频率较低时，U1和f1都变小，定子阻抗的压降已不可忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子阻抗压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图6-2所示。 图中曲线1为 U1/f1常数C时的电压、频率关系；曲线2为有补偿时近似的E1/f1常数C 时的电压、频率关系。通用变频器中U1和f1之间的函数关系有
9、很多种，使用时可以根据负载性质和运行状况加以选择或设定。,2基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值向上增大时，电压U1由于受额定电压UIN的限制不能再升高，只能保持U1=UIN不变，这样必然会使主磁通 随着 f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，即近似的恒功率调速方式。上述两种情况综合起来，异步电动机变频调速的基本控制方式如图6-2所示。 图6-2 变频调速时的U1/f1 曲线与异步电动机变频调速时的控制特性 上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和定子频率，基于这种原理构成的变频器即所谓的VVVF(Variable
10、 Voltage Variable Frequency)调速控制，这也是通用变频器的基本原理。,6.1.3 变频控制的优势 由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行大的设备改造。 在采用变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1:1
11、0以上， 而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1:1000。此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转矩。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。 高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点之一。这是因为对于直流电动机来说，由于受电刷和换向环等因素的制约，无法进行高速运转。但是，对于异步电动机来说，由于不存在上述制约因素，理论上讲异步电动机的转速可以达到相当高的速度。,由于异步电动机的转速为 当用工频电源（50Hz）对异步电动机进行驱动时，两极电动机的最高速度只能达到3000
12、r/min。为了得到更高转速，则必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行增速。与此相比，目前高频变频器的输出频率已经可以达到3000kHz所以当利用这种高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可以得到高达18000 r/min的高速。而且随着变频器技术的发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，因此进行更高速度的驱动也将成为可能。 在变频器调速控制系统中，变频器和电动机是可以分离设置的。因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到适用于各种工作环境的交流调速系统，而对变频器本身并没有特殊要求。 例如，对有防爆和防腐蚀要求的环境只需将电动机换为专用电动机，而使用普通的变频器并将其安装在有
13、防爆和防腐蚀要求的环境之外的普通环境中即可。,由于变频器本身对外部来说可以看作是一个可以进行调频调压的交流电源，可以用一台变频器同时驱动多台异步电动机或同步电动机，从而达到节约设备投资的目的。而对于直流调速系统来说，则很难做到这一点。 当用一台变频器同时驱动多台电动机时，其驱动对象为同步电动机时，所有的电动机将会以同一速度（同步转速）运转；而当驱动对象为容量和负载都不相同的异步电动机时，则由于转差的原因，各电动机之间会存在一定的速度差。 因为变频器是通过交流直流交流的电源变换（也有交-交变频）后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几乎为定值。 当用电网电源对异步
14、电动机进行驱动时，电动机的起动电流为额定电流的56倍，而在采用变频器对异步电动机进行驱功时，由于可以将变频器的输出频率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而变频器输入端电源的容量也可以比较小。般来说，变频器输入端电源的容量只需为电动机输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压起动器的作用,随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术也得到了充分地重视和发展，目前，由高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上已经达到甚至超过了直流电动机伺服系统。此外，由于异步电动机还具有对环境适应性强，维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的优点，所以在许多需要进行高速、
15、高精度控制的应用中，采用变频器的交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。由于变频器具有上述优点，且变频器的外部接口功能也非常丰富，因此，可以将其作为自动控制系统中的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。,6.1.4 变频器技术的发展动向 近年来，随着信息技术、电力电子技术、电机驱动技术的不断发展，变频器的性能不断提高，其应用范围也越来越广。日前变频驱动的应用已经非常广泛，新型变频器产品不断出现，变频器的性能和可靠性也在不断地完善和提高。总体上讲，目前变频器已经从简单的整流逆变装置进化为集驱动控制、I/O逻辑现场编程、通讯组网连接等为一体，可以适应不同应用场合的过程控制单元，并在工业自动化生产线和
16、许多领域中得到了广泛应用。从市场需求和技术发展趋势来看，今后一段时间内，变频器技术将会在下面几个方而得到进一步的发展。,（1）大容量和小体积化。大容量化和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。近年来，随着IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，隔离门极双极晶体管）、SIC-IGBT（Silicon Carbide-Insulated Gate Bipolar Transistor，碳化硅隔离门极双极晶体管）器件的发展和以IGBT为开关器件的IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）、ASIPM（Application Specified Intelligent Power Module，特定用途智能功率模块）、单片IPM等新型功率器件的发展以及热设计技术的进步，使得变频器的容量越来越大，体积越来越小，而在温升等关键指标上并未下
