變頻器原理及應(yīng)用介紹實用教案

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 （無級調(diào)速）變頻器N=60F/P P：極對數(shù) F：頻率N：轉(zhuǎn)速改變極對數(shù) （有級調(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與調(diào)制信號（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，輸出電壓基波的頻率也隨之改變，降低調(diào)制波的幅值時，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的實現(xiàn)(shxin)單極性第10頁/共30頁第十頁，共31頁。SPWM

3、的實現(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)方法電動機調(diào)速基礎(chǔ) Td = Km Fs Fr sinTd:電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Km：比例系數(shù)Fs， Fr ：三相(sn xin)矢量中的任意兩個矢量的模： Fs和 Fr的夾角 FsFrFc電動機統(tǒng)一電動機統(tǒng)一(tngy)轉(zhuǎn)矩公式轉(zhuǎn)矩公式電動機磁通矢量圖由電動機統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式可知，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和由電動機統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式可知，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和三個磁通矢量中的任意兩個矢量的模和夾

4、角有的余三個磁通矢量中的任意兩個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矢量的模和夾角個矢量的模和夾角第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)電動勢有效值為電動勢有效值為:F:電動機氣隙磁鏈電動機氣隙磁鏈 F:電動機工作頻率電動機工作頻率 為避免電動機因頻率的變化而導(dǎo)致磁路飽和引起勵磁電流增大,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,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) 對直流電動機的分析 在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電動機的調(diào)速特性被公認(rèn)為是最好的。究其原因，是因為它具有兩個十分重要(zhngyo)的特點: (a) 磁場特點 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 它的勵磁電路和 電樞電路是互相獨立的， 如圖(b)所示。 在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時， 只調(diào)節(jié)其中一個電路的 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)仿照直流電動機的控制特點，對于調(diào)節(jié)頻率的給定信號，分解成和直流電動機具有相

6、同特點的磁場電流信號i*M和轉(zhuǎn)矩電流信號i*T，并且假想地看作是兩個旋轉(zhuǎn)著的直流磁場的信號。當(dāng)給定信號改變時，也和直流電動機一樣，只改變其中一個信號，從而使異步電動機的調(diào)速控制具有和直流電動機類似的特點。 對于控制電路分解出的控制信號i*M和i*T，根據(jù)電動機的參數(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i*A、i*B和i*C，對三相逆變橋進(jìn)行控制，如圖所示。從而得到與直流電動機類似的硬機械特性, 提高了低頻時的帶負(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)在實行矢量控制時，是否需要轉(zhuǎn)速反饋的特點，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行時，得到較硬機械特性(txng)的控制模式。由于計算量較大，故動態(tài)響應(yīng)能力稍差在許多場合，安裝編碼器不方便，同時也是為了 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機輸出軸上增加轉(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，具有機械特性(txng)更硬

8、、頻率調(diào)節(jié)范圍更大、動態(tài)響應(yīng)能力強等優(yōu)點。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機變頻調(diào)速時的機械特性電動機變頻調(diào)速時的機械特性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，T0=1,磁場加速n增大，轉(zhuǎn)矩增加；當(dāng)TT*時，T0=0，磁場不變，電動機轉(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。普通異步電動機與變頻電機(dinj)區(qū)別 一、普通異步電動機都是按恒頻恒壓設(shè)計的，不可能完全適應(yīng)變頻調(diào)速的要求。以下為變頻器對電機的影響 1、電動機的效率和溫升的問題 不論那種形式的變頻器，在運行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行。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）。 高次諧波會引起電動機定子銅耗、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。因為異步電動機是以接近于基波頻率所對應(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。這些損耗都會使電動機額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通三相異步電動機運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。普通異步電動機與變頻電機(dinj)區(qū)別2、電動機絕緣強度問題 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，這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對電動機施加陡度很大的沖擊電壓

11、，使電動機的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行(ynxng)電壓上，會對電動機對地絕緣構(gòu)成威脅，對地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會加速老化。 第23頁/共30頁第二十三頁，共31頁。普通異步電動機與變頻(bin pn)電機區(qū)別？ 。 3、諧波電磁噪聲與震動 普通異步電動機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風(fēng)等因素所引起的震動和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機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機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。由于電動機工作頻率

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機的各構(gòu)件的固有震動頻率。 4、電動機對頻繁啟動、制動的適應(yīng)能力 由于采用變頻器供電后，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種( zhn)制動方式進(jìn)行快速制動，為實現(xiàn)頻繁啟動和制動創(chuàng)造了條件，因而電動機的機械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機械結(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(dinj)(dinj)的極數(shù)對其選用有何影響？ 電機的極對數(shù)越多，電機的轉(zhuǎn)速就越低，但它的扭距就越大；在選用電機時，您要考慮負(fù)載需要多大的起動扭距，比如象帶

13、負(fù)載起動的就比空載起動的需要扭距就大，如果是大功率大負(fù)載起動，還要考慮降壓啟動（或星三角啟動）；至于在決定了電機極對數(shù)后和負(fù)載的轉(zhuǎn)速匹配問題，則可考慮用不同直徑(zhjng)的皮帶輪來傳動或用變速齒輪（齒輪箱）來匹配。如果由于決定了電機極對數(shù)后經(jīng)過皮帶或齒輪傳動后達(dá)不到負(fù)載的功率要求，那就要考慮電機的使用功率問題了。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(dinj)上，變頻器調(diào)至1Hz時已經(jīng)接近直流，

14、是絕對不可以的，電機(dinj)將運行在變頻器限制內(nèi)的最大電流下工作，電機(dinj)將會發(fā)熱嚴(yán)重，很有可能燒毀電機(dinj)。 如果超過50Hz運行會增大電機(dinj)的鐵損，對電機(dinj)也是不利的，一般最好不要超過60Hz，（短時間內(nèi)超過是允許的）否則也會影響電機(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，電機(dinj)(dinj)溫升為什么比工頻時高呢？因為變頻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電流比工頻時要多出約10%左右，所以溫升比工頻時略有提高。另外還有一點：當(dāng)電機轉(zhuǎn)速降低的時候，電機散熱風(fēng)扇(fngshn)速度不

15、夠，電機溫升會高一些。第27頁/共30頁第二十七頁，共31頁。交流伺服電機可以(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。現(xiàn)有些變頻也接受脈沖序列信號控制速度的，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，能用變頻控制的運動的場合幾乎都能用伺服取代。 關(guān)鍵是兩點：一是價格伺服

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必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動器中同樣存在變頻（要進(jìn)行無級調(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的調(diào)速。第29頁/共30頁第二十九頁，共31頁。感謝您的觀