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1、交流变频调速技术,第五章 变频调速拖动系统的构建,5-1 变频调速拖动系统的组成,（1）分析负载特性是恒转矩、恒功率、风机泵类等。 （2）选择电动机的类型、功率、极对数等。 （3）选择变频器的类型、容量、型号等。 （4）选定外围辅助设备-断路器、接触器、电抗器等。 （5）选定控制方式调节控制器，或外部给定、内部给定等。 （6）选定传感器、变送器，量程、安装位置等。 （7）决定电动机与负载之间的传动比。 （8）控制柜尺寸、导线截面规格，接线图设计。,负载特性分析,传感器,变频器选择,辅助配件选择,过程分析传感器选择,控制方式选择,系统设计,购设备控制柜制造,系统设计过程,电动机选择,系统设计、选
2、择：,5-2 构建变频调速拖动系统的基本要求,一.在机械特性方面的要求,1.对调速范围的要求： 式中：nLmax为负载最高转速 nLmin为负载最低转速。 一般变频器的调速范围D1，或者频率在200400HZ之间，可以满足。,2.对机械特性“硬”度的要求：变频调速可比直流电动机的特性，在稳定 运行的大部分调速区是平行的“硬”特性，一般用V/f控制方式已能满 足，但是在低频阶段特性稍软，有些负载在低频时也要求“硬”特性恒 转矩，那就有必要采用带有反馈的矢量控制方式变频器。,3.对升降速过程及动态响应的要求： （1）负载对启动转矩的要求 静态时摩擦阻力大的升降负载（如起重机吊 升）计算容量时要充分
3、考虑到。 （2）负载对制动过程的要求 按照对制动时间的要求，计算和配置制动电 阻；对于长时间处于制动再生发电状态，如 起重机， 特别是抽油机之类负载，要考虑电能反馈问题。,4.对动态响应的要求：负载对转速动态调节过程要求高，必须加速度闭环控,二.在运行可靠性方面的要求,1.对于过载能力的要求： 电动机和变频器的容量都有过载能力，但是不是一个数量等级，电动 机主要是温升不能超过额定温度，短时间过载较小电机是允许在几分钟 内，大电机则可能达到几十分钟甚至几小时，而变频器的过载能力，主要 考虑启动，一般允许在1分钟内，因此，若电动机工作在较长时间过载的 负载，应该考虑加大变频器容量。 2.对环境和寿
4、命的要求（1）高温和潮湿等恶劣环境对电动机和变频器的容量 和寿命都有影响。 （2）电缆长短、电机噪声和对周边设备电磁兼容的要 求，使得在辅助配件时加以考虑。 （3）避免机械谐振问题，低速、低频时，次声波危害 问题。 （4）高速（超过额定转速）时，机械振动以及各部分 轴承磨损问题等。,5-2 构建变频调速拖动系统的基本要求,5-3 变频调速时电动机的有效转矩线,一.有效转矩线的概念,定义：电动机在某一频率下允许连续运行的最大转矩，称为：有效转矩。 电动机在不同的频率下工作对应不同的机械特性曲线，把各机械特 性曲线中的有效转矩点连在一起，就叫作电动机的“有效转矩线”,n0,T,n,0,T,n,0,
5、二.额定转速（频率）以下的有效转矩线,变频器在低转速（低频率）时，转矩的补偿（由于磁通轻载饱和,补偿是受限制的）要满足电动机的转矩线，低速时电动机风扇低速影响散热，实际有效转矩线下降，因此要求低转速时变频器基本是恒转矩。,T,n,0,电动机最大转矩随升速而变小，由 可知 即,三.额定转速（频率）以上的有效转矩线,弱磁升速后，电动机机械特性如图：电流不变，临界转矩小，恒功率特性。,电动机有效转矩线提供给我们的意义是： 在我们选择变频器类型及容量时，基本要求是变频器输出给电动机的机械特性，必须在全频率范围内覆盖电动机有效转矩线，才能有效的按负载对转矩要求拖动起来。,5-3 变频调速时电动机的有效转
6、矩线,n0,n,0,n0,n,0,T,T,弱磁升速电动机的机械特性,转矩线反比于转速恒功率特点 自然特性以下是恒转矩特点,0,50,100,100,50,f /HZ,/(%)T 的相对值,全频率的电动机转矩线,恒功率负载特性,5-4 恒转矩负载变频调速系统的构建,一.恒转矩负载的类型特点,类似于挤压机、搅拌机、带式传送机、桥式起重机、精轧钢机等凡是负载阻转矩近似为恒量，其负载功率与转速成正比的负载机械，我们都称为恒转矩负载，显然需要“硬”特性。构建这类负载拖动系统时，必须注意工作频率范围、调速范围、动态变化范围控制精度等来选择电动机和变频器。,1.最低工作频率 负载率（负荷率）的定义：折算到电
7、动机轴上的负载转矩TL 与电动机额定转矩TN的比值,二.工作频率范围的选择,不同控制模式的最低工作频率表,2.最高工作频率,当fx fN 时，其有效转矩线是恒功率的特点，变频调速系统的负载率为,1.调速范围与负载率的关系负载率越低，允许的调速范围越大,式中Kf = fmax /fN （取fX =fmax)也就是说，允许的负载率和最高频率的大小成反比.,5-4 恒转矩负载变频调速系统的构建,三.调速范围与传动比,2.负载率与传动比的关系负载率越小，传动比越大,因为大，折算值小，电动机轴上负载率就小。,从上述表中可看到负载率100%时，调速范围仅2.5；另外传动比大，调速范围可大，所以当调速范围不
8、能满足负载要求时，可以考虑增大传动比来怎大调速范围。,3.调速范围与传动比的关系负载率越小，传动比越大，调速范围越大。,4.传动比的选择(略）见教材P90例题,5-4 恒转矩负载变频调速系统的构建,四.电动机和变频器选择,1.电动机的选择,参考原则： 如果属于旧设备改造，则尽量不改变原有电动机。 设计新设备首先选择可以变频调速的电动机（没有特殊要求一般异步鼠笼电动 机都可以）。 从负载侧折算转矩功率或阻力矩（电机与拖动课中讲过）。同时看负载所需速 度范围，若最低转速极小(几几十r/min)，考虑用大的机械传动机构时，可以 大大降低电动机容量，若负载功率不大，在50KW以下，可以考虑同量级的电动
9、 机。如果计算传动比增大后，电动机频率过大，则需增大电动机容量。 看需要调速的最大转速来选电动机极对p,3000r/minnmax1000r/min尽可能 考虑采用p=2 ；若500r/min nmax 1000r/min考虑采用p=4； 尽量采用fN =工频50Hz 即使采用p=1 通常 fx 1.2fN,2.变频器及其控制方式选择,（1）容量选择（第四章已介绍 略）,（2）变频器类型及控制方式选择,在调速范围不大的情况下（最低转速相对较高），可以 考虑较为简单的V/f通用变频器或无转速反馈的矢量控 制方式。当调速范围较大时应考虑带转速反馈的矢量控 制方式。,负载转矩线变动不大的机械负载，可
10、首先考虑能满足有 效转矩线的V/f通用变频器。但是对于相对转矩线变动 范围较大的负载，由于V/f线不能满足重载与轻载的要 求，故不宜采用V/f控制方式。（用负载转矩线弯曲说明“恒转矩”为何变动）,5-4 恒转矩负载变频调速系统的构建,负载对机械和动态特性要求不高，可考虑较为简单的 V/f通用变频器。但是对于要求高的场合则必须采用矢量 控制甚至待反馈的矢量控制方式。（双闭环、三闭环）,类似于卷取机和一般的机床主轴等凡是在不同转矩下功率恒定，转矩大小与转速成反比的负载，称为恒功率负载。,在构建恒功率负载变频调速拖动系统时，如果沿用恒转矩负载所选电机，可能是“大马拉小车”有一定频率富裕空间。由转矩线
11、的确定，我们知道无论直流电动机还是交流异步电动机在恒磁通时最大输出转矩不变，额定频率下是恒转矩的特点，若在额定转矩以上采用弱磁调速时，最大允许输出转矩与转速成反比，属于恒功率特性，如果电动机的低频恒转矩和高频恒功率调速与负载的恒转矩和恒功率特性范围一致，即所谓“匹配”那么电动机容量和变频器容量可以选得很小（没有富裕浪费）。,5-5 恒功率负载变频调速系统的构建,一.恒功率负载的类型特点,二.恒功率负载构建的特殊问题电动机转矩与负载的“匹配”,如限制fx fN 内，在恒转矩区，考虑传动过程中最大转速的需要，所需电动机容量： 而恒功率负载实际所需功率为： 两者之比：,这个对比告诉我们工作在恒功率区
12、时，要浪费倍功率。,1.用实例说明：见教材P94,卷取机大部工作在恒功率特性，只在最低转速153r/min对应8HZ时需TL=60NM,按照通常选择至少需要6KW电动机，大部时间浪费。,2.减少容量对策加传动比折算贴近负载特性,设=3时，频率范围扩大到fx 2fN，调频范围：fN fX 2fN 最高转速比原来增大一倍，传动比也就增加了一倍，即= 6,按照传动比速度降后力矩将增加的物理常识，电动机侧折算过来的负载转矩，因为= 2 所以TN由原来的60NM折算成30NM，电动机的额定转速仍为960r/min,电动机功率 选相近的一档电动机3.7KW即可满足负载拖动要求，大大小于6KW.,5-5 恒
13、功率负载变频调速系统的构建,3. 高低速分两档传动比时的系统容量,机床类的负载，在停机时调转速，可以将传动比分为两档，低速档：电动机工作频率从fmin到fmid(中间切换分界处）负载转速从nLmin变到nLmid 。 高速档：电动机工作频率从fmid 变化到2fN 负载转速从nLmid变到nLmax.,三.电动机和变频器的选择,1. 电动机容量和类别选择,在进行容量计算时应把传动比、调速系统的最高、最低工作频率与转矩线等因素摆在一起，综合考虑。总的原则：在最高频率不超过2倍额定频率的前提下，通过适当调整传动机构的传动比，尽量减小电动机的容量。,2. 变频器容量和类别选择,卷曲机械一般不过载，变
14、频器容量与电动机容量相符，通用型V/f控制即可。 机床类负载负载常变化，并允许电动机短时过载，容量加大并采用矢量控制。,风机泵类负载应用很普遍，其特点是负载的阻转矩与转速的平方成正比，而负载的功率与转速三次方成正比。严格讲转矩表达式： 功率表达式： 式中CT 和KP 分别为转矩常数和功率常数,5-6 平方律（风机、泵类）负载变频调速系统的构建,一.风机泵类负载的类型特点,二.风机泵类负载拖动系统的主要问题如何得到最佳节能效果,1.节能效果与V/f线的关系,T,n,0,fX,VX,0,n0,S,n,d1,d2,d3,TLX,TmX,nx,V/f4,V/f2,V/f1,V/f3,Tst,由负载特性
15、与转矩线图可以看到在低频TMX有较大余量。在S点有低频难启动问题，用V/f比调整解决。由于多数变频器在低频段都有补偿，造成节能还有潜力，有的变频器设置“自动节能”对应风机泵类负载。,负载特性与电动机有效转矩线关系,用降低V/f比的方法解决TST小于负载低频转矩,2.节能效果与变频器台数的关系,为节省投资，有些用户以一台变频器控制多台电机（恒压供水例）显然只有一台是变频调速，其余台工作于工频，牺牲节能效果。,电动机的容量一般风机泵类厂家配电机或说明应配电机容量（略）,5-6 平方律（风机、泵类）负载变频调速系统的构建,三.电动机和变频器的选择,变频器厂家目前已经提供专用于风机泵类负载的节能专用变
16、频器，其特点是： 1.鉴于风机和泵类负载一般不容易过载，所以专用变频器设的过载能力较低为 120%/1min.因此使用时注意工作频率额定频率，否则可能过载跳闸。 2.针对恒压供水等多台泵可能切换，设置“甩工频”切换输出信号功能。 3.针对有些泵、风机阶段性不调速状况，设置“睡眠”“唤醒”功能，及专用 于风机、泵控制的PID调节器功能。,5-7 直线律负载变频调速系统的构建,一.直线律负载的特性,一般轧钢机和碾压机等都是直线类负载。其负载类型等同于二次平方律类及恒功率类，但又有其特点：,n,T,n,P,0,0,0.78,3.14,7.0,500,1000,1500,45,30,15,转矩与转速成正比 负载功率与转速二次方成正比
