變頻器原理及應(yīng)用介紹實(shí)用教案

1、變頻器的調(diào)速原理(yunl)變頻器的調(diào)速原理變頻器的調(diào)速原理(yunl) 改變(gibin)輸入頻率 （無級(jí)調(diào)速）變頻器N=60F/P P：極對(duì)數(shù) F：頻率N：轉(zhuǎn)速改變極對(duì)數(shù) （有級(jí)調(diào)速）調(diào)速原理：調(diào)速原理：調(diào)速方法：調(diào)速方法：第1頁/共30頁第一頁，共31頁。交-直-交變頻器的主要結(jié)構(gòu)(jigu)框圖第2頁/共30頁第二頁，共31頁。單向(dn xin)逆變橋第3頁/共30頁第三頁，共31頁。變頻(bin pn)方法第4頁/共30頁第四頁，共31頁。三相(sn xin)逆變橋第5頁/共30頁第五頁，共31頁。變頻器的輸出(shch)和頻率 即：變頻(bin pn)的同時(shí)變壓，也叫VVVF第6

2、頁/共30頁第六頁，共31頁。變頻(bin pn)又變壓方法PWM 利用調(diào)制波與三角波信號(hào)比較后獲得一系列等幅不等寬的脈沖序列。 原理：利用三角波載波作為信號(hào)與調(diào)制信號(hào)（一般為正弦波）相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。 改變調(diào)制波的電壓脈沖頻率時(shí)，輸出電壓基波的頻率也隨之改變，降低調(diào)制波的幅值時(shí)，各段脈沖寬度都將變窄，從而使輸出電壓基波的幅值也相應(yīng)(xingyng)減少。第7頁/共30頁第七頁，共31頁。變頻(bin pn)又變壓方法PWM第8頁/共30頁第八頁，共31頁。SPWM第9頁/共30頁第九頁，共31頁。SPWM的實(shí)現(xiàn)(shxin)單極性第10頁/共30頁第十頁，共31頁。SPWM

3、的實(shí)現(xiàn)(shxin)雙極性第11頁/共30頁第十一頁，共31頁。提問(twn)：1.可否(k fu)用萬用表，測量變頻器的輸出電壓？ 2.變頻器輸出的是什么波形？第12頁/共30頁第十二頁，共31頁。變頻器的控制(kngzh)方法電動(dòng)機(jī)調(diào)速基礎(chǔ) Td = Km Fs Fr sinTd:電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Km：比例系數(shù)Fs， Fr ：三相(sn xin)矢量中的任意兩個(gè)矢量的模： Fs和 Fr的夾角 FsFrFc電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一(tngy)轉(zhuǎn)矩公式轉(zhuǎn)矩公式電動(dòng)機(jī)磁通矢量圖由電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式可知，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和由電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式可知，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和三個(gè)磁通矢量中的任意兩個(gè)矢量的模和夾

4、角有的余三個(gè)磁通矢量中的任意兩個(gè)矢量的模和夾角有的余弦成正比，所以要控制電磁轉(zhuǎn)矩就必須控制任意兩弦成正比，所以要控制電磁轉(zhuǎn)矩就必須控制任意兩個(gè)矢量的模和夾角個(gè)矢量的模和夾角第13頁/共30頁第十三頁，共31頁。變頻器的控制(kngzh)方法U/F1.恒恒U/F控制控制(屬于屬于(shy)標(biāo)量控制標(biāo)量控制)定子定子(dngz)電動(dòng)勢有效值為電動(dòng)勢有效值為:F:電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈 F:電動(dòng)機(jī)工作頻率電動(dòng)機(jī)工作頻率 為避免電動(dòng)機(jī)因頻率的變化而導(dǎo)致磁路飽和引起勵(lì)磁電流增大,功率因數(shù)和效率降低,需要維持氣隙磁通,所以在調(diào)節(jié)F時(shí),E也回相應(yīng)地變化,即:E/F=K(恒定值)第14頁/共30頁第十四

5、頁，共31頁。變頻器的控制(kngzh)方法矢量控制(kngzh) 8.1 基本思想 (1) 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的分析 在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性被公認(rèn)為是最好的。究其原因，是因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)十分重要(zhngyo)的特點(diǎn): (a) 磁場特點(diǎn) 它的主磁場和電 樞磁場在空間是互相垂 直的，如圖(a)所示; (b) 電路特點(diǎn) 它的勵(lì)磁電路和 電樞電路是互相獨(dú)立的， 如圖(b)所示。 在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)， 只調(diào)節(jié)其中一個(gè)電路的 參數(shù)。第15頁/共30頁第十五頁，共31頁。變頻器的控制(kngzh)方法矢量控制(kngzh)仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)，對(duì)于調(diào)節(jié)頻率的給定信號(hào)，分解成和直流電動(dòng)機(jī)具有相

6、同特點(diǎn)的磁場電流信號(hào)i*M和轉(zhuǎn)矩電流信號(hào)i*T，并且假想地看作是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)著的直流磁場的信號(hào)。當(dāng)給定信號(hào)改變時(shí)，也和直流電動(dòng)機(jī)一樣，只改變其中一個(gè)信號(hào)，從而使異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制具有和直流電動(dòng)機(jī)類似的特點(diǎn)。 對(duì)于控制電路分解出的控制信號(hào)i*M和i*T，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一系列的等效(dn xio)變換，得到三相逆變橋的控制信號(hào)i*A、i*B和i*C，對(duì)三相逆變橋進(jìn)行控制，如圖所示。從而得到與直流電動(dòng)機(jī)類似的硬機(jī)械特性, 提高了低頻時(shí)的帶負(fù)載能力。 第16頁/共30頁第十六頁，共31頁。變頻器的控制(kngzh)方法矢量控制(kngzh)第17頁/共30頁第十七頁，共31頁。無傳感器和有傳感器的

7、矢量(shling)控制 根據(jù)在實(shí)行矢量控制時(shí)，是否需要轉(zhuǎn)速反饋的特點(diǎn)，而有無反饋和有反饋矢量控制之分。 無反饋矢量控制是根據(jù)測量到的電流、電壓和磁通等數(shù)據(jù)，簡接地計(jì)算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行必要的修正，從而在不同頻率下運(yùn)行時(shí)，得到較硬機(jī)械特性(txng)的控制模式。由于計(jì)算量較大，故動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力稍差在許多場合，安裝編碼器不方便，同時(shí)也是為了 降低成本，要求使用無編碼器系統(tǒng)。例如安裝空 間較小，控制精度要求不高的場合。 有反饋矢量控制則必須在電動(dòng)機(jī)輸出軸上增加轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，如圖中的虛線所示。由于轉(zhuǎn)速大小直接由速度傳感器測量得到，既準(zhǔn)確、又迅速。與無反饋矢量控制模式相比，具有機(jī)械特性(txng)更硬

8、、頻率調(diào)節(jié)范圍更大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。第18頁/共30頁第十八頁，共31頁。變頻器的控制(kngzh)方法直接轉(zhuǎn)矩控制(kngzh)3.直接轉(zhuǎn)矩控制（基于直接轉(zhuǎn)矩控制（基于(jy)定子磁場定向）定子磁場定向）直接直接(zhji)轉(zhuǎn)矩控制的原理框圖轉(zhuǎn)矩控制的原理框圖電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性n:定常系數(shù)定常系數(shù) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器T*T+-+-n*nTn當(dāng)TT*時(shí)，T0=1,磁場加速n增大，轉(zhuǎn)矩增加；當(dāng)TT*時(shí)，T0=0，磁場不變，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子因慣性使n減小，轉(zhuǎn)矩減小。第19頁/共30頁第十九頁，共31頁。矢量(shling)控制與直接轉(zhuǎn)矩控制第20頁/共30頁第二十頁，共3

9、1頁。負(fù)載(fzi)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率(gngl)負(fù)載風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載第21頁/共30頁第二十一頁，共31頁。普通異步電動(dòng)機(jī)與變頻電機(jī)(dinj)區(qū)別 一、普通異步電動(dòng)機(jī)都是按恒頻恒壓設(shè)計(jì)的，不可能完全適應(yīng)變頻調(diào)速的要求。以下為變頻器對(duì)電機(jī)的影響 1、電動(dòng)機(jī)的效率和溫升的問題 不論那種形式的變頻器，在運(yùn)行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)行。拒資料(zlio)介紹，以目前普遍使用的正弦波PWM型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為：2u+1（u為調(diào)制比）。 高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著

10、的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是以接近于基波頻率所對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，因此，高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，便會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此之外，還需考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。這些損耗都會(huì)使電動(dòng)機(jī)額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%20%。 第22頁/共30頁第二十二頁，共31頁。普通異步電動(dòng)機(jī)與變頻電機(jī)(dinj)區(qū)別2、電動(dòng)機(jī)絕緣強(qiáng)度問題 目前中小型變頻器，不少是采用PWM的控制方式。他的載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動(dòng)機(jī)定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對(duì)電動(dòng)機(jī)施加陡度很大的沖擊電壓

11、，使電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗(yàn)。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行(ynxng)電壓上，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)地絕緣構(gòu)成威脅，對(duì)地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會(huì)加速老化。 第23頁/共30頁第二十三頁，共31頁。普通異步電動(dòng)機(jī)與變頻(bin pn)電機(jī)區(qū)別？ 。 3、諧波電磁噪聲與震動(dòng) 普通異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電時(shí)，會(huì)使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的震動(dòng)和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時(shí)間諧波與電動(dòng)機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種( zhn)電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率和電動(dòng)機(jī)機(jī)體的固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。由于電動(dòng)機(jī)工作頻率

12、范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種( zhn)電磁力波的頻率很難避開電動(dòng)機(jī)的各構(gòu)件的固有震動(dòng)頻率。 4、電動(dòng)機(jī)對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的適應(yīng)能力 由于采用變頻器供電后，電動(dòng)機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動(dòng)，并可利用變頻器所供的各種( zhn)制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)創(chuàng)造了條件，因而電動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。 第24頁/共30頁第二十四頁，共31頁。電機(jī)(dinj)(dinj)的極數(shù)對(duì)其選用有何影響？ 電機(jī)的極對(duì)數(shù)越多，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低，但它的扭距就越大；在選用電機(jī)時(shí)，您要考慮負(fù)載需要多大的起動(dòng)扭距，比如象帶

13、負(fù)載起動(dòng)的就比空載起動(dòng)的需要扭距就大，如果是大功率大負(fù)載起動(dòng)，還要考慮降壓啟動(dòng)（或星三角啟動(dòng)）；至于在決定了電機(jī)極對(duì)數(shù)后和負(fù)載的轉(zhuǎn)速匹配問題，則可考慮用不同直徑(zhjng)的皮帶輪來傳動(dòng)或用變速齒輪（齒輪箱）來匹配。如果由于決定了電機(jī)極對(duì)數(shù)后經(jīng)過皮帶或齒輪傳動(dòng)后達(dá)不到負(fù)載的功率要求，那就要考慮電機(jī)的使用功率問題了。第25頁/共30頁第二十五頁，共31頁。變頻器能否(nn fu)(nn fu)調(diào)至1Hz1Hz嗎，最高可以調(diào)多少HZHZ使用？ 有的品牌變頻器最低頻率可以調(diào)至0.1HZ,最高頻率可以調(diào)至3000HZ. 如果變頻器用在一般的交流異步電機(jī)(dinj)上，變頻器調(diào)至1Hz時(shí)已經(jīng)接近直流，

14、是絕對(duì)不可以的，電機(jī)(dinj)將運(yùn)行在變頻器限制內(nèi)的最大電流下工作，電機(jī)(dinj)將會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重，很有可能燒毀電機(jī)(dinj)。 如果超過50Hz運(yùn)行會(huì)增大電機(jī)(dinj)的鐵損，對(duì)電機(jī)(dinj)也是不利的，一般最好不要超過60Hz，（短時(shí)間內(nèi)超過是允許的）否則也會(huì)影響電機(jī)(dinj)使用壽命。 第26頁/共30頁第二十六頁，共31頁。使用變頻器時(shí)，電機(jī)(dinj)(dinj)溫升為什么比工頻時(shí)高呢？因?yàn)樽冾l器輸出電壓波形不是正弦波，而是畸形波，在額定扭矩下的電機(jī)電流比工頻時(shí)要多出約10%左右，所以溫升比工頻時(shí)略有提高。另外還有一點(diǎn)：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低的時(shí)候，電機(jī)散熱風(fēng)扇(fngshn)速度不

15、夠，電機(jī)溫升會(huì)高一些。第27頁/共30頁第二十七頁，共31頁。交流伺服電機(jī)可以(ky)(ky)用變頻器控制嗎？ 由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，應(yīng)用也不大相同，所以是不可以的： 1、在速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器，也有在上位加位置反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)用變頻進(jìn)行位置控制的，精度和響應(yīng)都不高?，F(xiàn)有些變頻也接受脈沖序列信號(hào)控制速度的，但好象(ho xin)不能直接控制位置。 2、在有嚴(yán)格位置控制要求的場合中只能用伺服來實(shí)現(xiàn)，還有就是伺服的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變頻，有些對(duì)速度的精度和響應(yīng)要求高的場合也用伺服控制，能用變頻控制的運(yùn)動(dòng)的場合幾乎都能用伺服取代。 關(guān)鍵是兩點(diǎn)：一是價(jià)格伺服

16、遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻，二是功率的原因：變頻最大的能做到幾百KW，甚至更高，伺服最大就幾十KW。伺服的基本概念是準(zhǔn)確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個(gè)必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動(dòng)器中同樣存在變頻（要進(jìn)行無級(jí)調(diào)速）。第28頁/共30頁第二十八頁，共31頁。為什么變頻(bin pn)(bin pn)器不能用作變頻(bin pn)(bin pn)電源？ 變頻電源的整個(gè)電路由交流一直流一交流一濾波等部分構(gòu)成，因此(ync)它輸出的電壓和電流波形均為純正的正弦波,非常接近理想的交流供電電源?？梢暂敵鍪澜缛魏螄业碾娋W(wǎng)電壓和頻率。 而變頻器是由交流一直流一交流（調(diào)制波）等電路構(gòu)成的,變頻器標(biāo)準(zhǔn)叫法應(yīng)為變頻調(diào)速器。其輸出電壓的波形為脈沖方波,且諧波成分多,電壓和頻率同時(shí)按比例變化,不可分別調(diào)整,不符合交流電源的要求。原則上不能做供電電源的使用,一般僅用于三相異步電機(jī)的調(diào)速。第29頁/共30頁第二十九頁，共31頁。感謝您的觀