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1、使用变频器的电机控制技术,2013年6月29日,中央空調事業部 上野佐千夫,电机控制的概要 压缩机的控制 傅立叶级数和应用例的介绍 矢量控制 、电机参数的计算方法,电机控制：电机控制的概要,电机控制上所需的运动方程式 磁通和诱启电压的关系 3相电机的转矩发生原理 转矩常数和诱启电压常数 极数和电机转矩 转矩脉动的影响和原因 齿槽转矩引起的转矩脉动 诱启电压失真引起的转矩脉动 电流失真引起的转矩脉动 10诱启电压失真引起的转矩脉动的补偿(1) 11诱启电压失真引起的转矩脉动的补偿(2) 12速度反馈电路的增益最优化带来的转矩脉动补偿例,工作率P(power) P = d(W)/dt w,转矩Tr
2、(torque) Nm 位移(角度)(angle) rad or 角速度(angular velocity) rad/s 角加速度(angular acceleration) ddt rad/s2,力F(force) N=kgm/sec2 位移(距離)s(dispacement) m 速度v(velocity) m/sec 加速度a(acceleration) m/sec2,工作W(work) W = Fs J,P = d(Fs)/dt = Fd(s)/dt = Fv (力速度) = (Fr)(v/r) = Trv (转矩角速度),直线运动,回转运动,电机控制上所需要的运动方程式,F&Tr,r
3、,速度v,角转速n=2n,重力加速度g,質量M:100kg 速度v：2m/sec 半径r：0.01m,P= Mgv = 1009.812 = 1962W,Tr = Fr =Mgr = 100*9.81*0.01 = 9.81 Nm, = v/r = 2/0.01 =200 rad/sec,P= vTr = 9.81 200 = 1962 W,F=Mg,n = /2=200/2 =31.8 rps,转速n,Tr = Fr = Mgr,角速度v = v/r,设n(t)= sint,E =n=Ke,磁通和诱启电压(E)的关系,永磁电机一回转，端子间发生诱启电压。 诱启电压和总交链磁通(磁通的大小和匝
4、数n的积)与转速()成比例变大。,n=：诱启电压常数,4極Motor,磁通(t),10rps(20Hz),20rps(40Hz),诱启电压E(t),20rps(40Hz),10rps(20Hz),電流,磁束,转矩(Torque),U转矩,V转矩,W转矩,3相合計转矩,相对磁通前进了90度的電流外加到1相时的转矩,各3相的转矩和3相合计转矩,Tr(合計) = 3i=1.5rmsIrms =KtIrms,Kt:转矩常数,3相电机的转矩发生原理,转矩,n = ,转矩常数诱启电压常数,工作P用运动方程式和电气工学可表现,P = vTr = 3I,v：角转速 2N Wf：角频率 f = 2f=Pof N
5、：转速rps N= 2f/Po f：频率Hz f = N*Po/2 E：1相的诱启电压(有效值) I：1相的电流(有效值) ：磁通的大小(磁铁的磁通密度B磁磁路横截面S) n：匝数 Po：極数 B：磁铁的磁通密度 T S：磁路的横截面 m2,Tr = 1.5nPoBSI,Kt：转矩常数,匝数n 極数Po 磁铁的磁通密度B 电机的磁路面积S,N,N,S,S,N,S,N,N,N,S,S,S,4極转子,8極转子,E = nd()/dt=n =n2f=n2NPo/2BS =nPo/2BS2N =0.5nPoBSv,Ke：诱启电压常数,诱启电压常数转矩常数相同性质，和下面的特性成比例。,N：10rps,
6、磁束(t),4極(20Hz),8極(40Hz),诱启电压E(t),8極(40Hz),4極(20Hz),定子相同，仅转子的极数变更了时,极数和电机转矩,磁滞损耗= h fBm2,过电流损耗= e (tfBm)2,铁损=磁滞损耗+过电流损耗,转速低的用途(风机)是增加极数 转速高的用途(压缩机)是把磁通密度B设大,转矩脉动发生因素 空间磁场抢走的齿槽转矩发生 诱启电压失真 电流波形失真 负载转矩的失真 羽风叶的片数和形状、同心度不良、主轴的扭力振动,电机设计,电机设计,变频器设计,整机、风叶等结构设计,因素的主要原因,转矩脉动的影响和原因,F = Mdv/dt,Tr=P/r,(E1+En)(I1+
7、In),r,=,=,E1I1+(EnIn),r,仕事,振动(外干扰）成分,7齿槽转矩引起的转矩脉动, 齿槽转矩是在电流为零的时候，由电机槽的空间谐波、磁铁磁分布的谐波发生的转矩的脉动,1转发生的齿槽转矩的数量由槽和极数的最小公倍数决定,和多极化组合带来的低减,8诱启电压失真引起的转矩脉动,诱启电压失真率引起的振动,誘起電圧波形,Yuukidennatuhakei,诱启电压,電流(失真率0%),转矩(U相),转矩(3相合計),转矩(V相),转矩(W相),诱启电压的谐波,9电流失真引起的转矩脉动,120矩形波控制变频器,180正弦波控制变频器,電流波形,次成分,10诱启电压失真引起的转矩脉动的补偿
8、(1),诱启电压失真率引起的振动,诱启电压的谐波,转矩(U相),转矩(3相合計),转矩(V相),转矩(W相),Motor電流的谐波,诱启电压失真率引起的振动,转矩(U相),转矩(3相合計),转矩(V相),转矩(W相),诱启电压的谐波,Motor电流的谐波,11诱启电压失真引起的转矩脉动的补偿(2),诱启电压失真引起的转矩脉动的补偿例总结,12速度反馈电路的增益（Gain)最优化带来的转矩脉动补偿例,電流反馈回路,速度反馈电路,KpS：速度环比例增益 KxS：速度环积分增益 Kp(x)I:電流环增益,速度环增益的最优化带来的外干扰抑制,速度修正強度,频率(转速),电机控制2：压缩机的控制 从莫利
9、尔线图（焓差图）计算电机转矩,能量 焓 莫利尔线图 R718(水)的莫利尔线图 R410A的莫利尔线图 压缩的功 制冷量 电机的转矩计算(理论值) 电机的转矩计算(实测值) 10变频器的效果 11. 冷媒的特性,能量是什么,位置能量 运动能量 电能量 热能量,化学能量 光能量 音能量 原子核能量,国际单位系统里，能量的单位是J 其它 卡路里cal、瓦特时Wh电子伏特eV英国热量Btu,等,焓(enthalpy),焓：物质的发热、吸热的动作，与对外部的做功的量有关的值,向外部发热，焓下降 从外部吸热，焓上升 向外部做功，焓下降 从外部接收功，焓上升,H = U + PV J,H:焓 U：内部能量
10、 P：圧力 V：体积,比容曲線,等比熵曲线,等温曲線,等干燥度曲线,比焓的基准点 0饱和液线200kJ/kg,饱和曲线,干燥饱和蒸气线,90%,80%,20%,10%,莫利尔线图,等温曲線,Mollier Diagram,h (比焓 kJ/kg),莫利尔线图,等比容曲线,Mollier Diagram,(比焓 kJ/kg),莫利尔线图,等比熵曲线,Mollier Diagram,(比焓 kJ/kg),莫利尔线图,饱和液线、干燥饱和蒸气线,Mollier Diagram,莫利尔线图,200kJ/kg,2875.8kJ/kg,619.7kJ/kg,h = 2875.8-619.7 = 2256.1
11、kJ/kg = 539cal/g,h = 619.7-200 = 419.7kJ/kg = 100cal/g,R718(水)的莫利尔线图,3074.9kJ/kg,h”= 3074.9-2875.8 = 199.2kJ/kg= 47.6cal/g,R410A的莫利尔线图,隔热压缩 熵一定,凝縮 圧力一定,蒸発 圧力一定,膨胀 焓一定,Mollier Diagram,R410A的莫利尔线图,Mollier Diagram,R410A的莫利尔线图,Mollier Diagram,Mollier Diagram,R410A的莫利尔线图,Mollier Diagram,5.R410A ARI条件的归纳,
12、6.圧縮的功 ARI条件的时候,7.制冷量 ARI条件的时候,A,B,C,D,hAB,8.电机的转矩计算 ARI条件的时候,电机的功(瓦特) =角转速转速 (T),2293/(2*60)=6.085Nm,(hB-hA)/v*M*N=2*N*Torque,hA,hB:A点、B点的比焓 V：A点的比容 M：圧縮機的压缩体积 N；圧縮機的转速,(473.092-437.402)*30.6/1000,(0.028565*2*),= 6.085 Nm,从压缩机的特性试验来 计算电机转矩的方法,测量条件 转速、冷凝温度、蒸发温度、过冷度、过热度 测量项目 制冷瓦特、压缩机输入瓦特、电机电流、电机电阻,电机
13、的转矩计算 实际值,电机的转矩计算 实际值,电机的转矩计算 实际值,60rps、CondTemp54.4、EvapoTemp7.2,压缩机动 特性数据,电机损失Wloss = 銅損+鉄損 3 RaIa21.5 = 223.7W,电机功Wm =电机输入电机损失 = 3074.0-223.7=2850.3 W,电机转矩Tm=电机的功/角转速=Wm/(2N)=2850.3/(260)=7.561 Nm,电机的转矩计算 实际值,能量消费效率 COPtotal 实际的制冷功率 实际的压缩机输入功率 理论COP 从冷冻系统计算出来的、理论制冷功率/理论功功率,电机的转矩计算 实际值,效率计算结果,电机的转
14、矩计算 实际值,98.1%,80.5%,92.7%,73.2%,99.4%,78.6%,95.2%,74.4%,91.8%,81.2%,68.9%,92.3%,电机的转矩计算 实际值,28.7rps,53.3rps,90rps,10变频器的效果,11.8rps,让制冷量下降时，使用变频器让频率下降，效率（COP）会明显上升。,制冷量100%,75%,50%,25%,制冷量25%,50%,75%,100%,制冷量100%,75%,50%,25%,制冷量25%,50%,75%,100%,10变频器的效果,莫利尔线图 温度和冷冻系统的关系 变频的效果 冷媒的特性,44.615kJ/kg,149.902kJ/kg,158.254kJ/kg,25.43kJ/kg,冷凝温度 50,過冷却度5,蒸発温度 15,10,5,0,-5,比容0.025m3/kg,比容0.0415m3/kg,过热度10,蒸发温度和功制冷系数的关系,44.615kJ/kg,149.902kJ/kg,158.254kJ/kg,25.43kJ/kg,冷凝温度 50,蒸発温度 15,比容0.0225m3/kg,比体積0.0415
