變頻器(項目二 變頻及變壓)

1、1項目二：變頻與變壓項目二：變頻與變壓電氣學院劉海龍2課前復習課前復習1 1：變頻的本質是什么？：變頻的本質是什么？2 2：通用型變頻器是由哪些部分組成的？：通用型變頻器是由哪些部分組成的？3 3：變頻器一般應用在哪些領域？：變頻器一般應用在哪些領域？3思考問題思考問題1 1：從三相異步電動機旋轉磁場的公式：從三相異步電動機旋轉磁場的公式 中中我們得知改變電源頻率我們得知改變電源頻率f1f1就能改變旋轉磁場的速度，但在就能改變旋轉磁場的速度，但在實際電動機調速中，在額定頻率以下，改變頻率的同時我實際電動機調速中，在額定頻率以下，改變頻率的同時我們還需調壓，即采用變頻變壓的方式才能實現(xiàn)調速，為什

2、們還需調壓，即采用變頻變壓的方式才能實現(xiàn)調速，為什么？么？2 2：變頻的同時我們需要變壓，有哪些方法實現(xiàn)？：變頻的同時我們需要變壓，有哪些方法實現(xiàn)？pf /60n104三相異步電動機的電磁關系三相異步電動機的電磁關系感應電動勢 異步電動機的三相定子繞組通入三相交流電后，即產(chǎn)生旋轉磁場，此旋轉磁場在不動的定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢，三相異步電動機的工作原理和變壓器類似，產(chǎn)生的感應電動勢大小為：11114.44wmEf N k201224.44wmEf N k 上式中， 為定子繞組感應電動勢的有效值， 為轉子不動時轉子繞組的感應電動勢（此時S=1）， 為定子繞組感應電動勢的頻率， 為旋轉磁場每極的磁

3、通，也是電動機的主磁通，K為繞組系數(shù)。1E20E1fm5三相異步電動機的電磁關系三相異步電動機的電磁關系感應電動勢（等效電路） 由等效電路圖中我們可知，電源電壓等于感應電動勢加上繞組本身的壓降；實際上定子繞組本身的阻抗是很小的，造成的阻抗壓降也比電源電壓要小很多，可以忽略，因此電源電壓可近似認為等于感應電動勢： r1 x 0I 1U 1Ermxm101101011ZIExI jrIEU11EU 當阻抗壓降忽略不計時，電源電壓在數(shù)值上約等于感應電動勢，因此，U1不變，E1也可認為基本不變。6在額定頻率以下變頻也要變壓在額定頻率以下變頻也要變壓 由公式可知，假如沒有調壓，即U1不變，E1也不變，f

4、1減小，將導致磁通變大，但是電動機在設計在額定工作時，磁通已處于臨界飽和狀態(tài)，磁通變大將使鐵芯深度飽和，鐵芯損耗急劇上升導致過流損壞。11114.44wmEf N k 因此：我們在調節(jié)頻率f1的同時要保證磁通不變，即實現(xiàn)恒磁通調速。mf1常數(shù)1111fUfEm7在額定頻率以上變頻也要變壓嗎？在額定頻率以上變頻也要變壓嗎？ 電動機工作在額定頻率時，定子的電壓也是工作在額定電壓，在額定頻率以上的變頻，電壓U1則不能往上調節(jié)，否則電動機將過電壓。 由公式可知，頻率f1往上調節(jié)將導致磁通減小，也稱為弱磁調速，會引起電動機的電磁轉矩變小，但不會引起電動機的跳閘。mmffUfE11111 結論：1、額定頻

5、率以下的變頻同時需要變壓，需保證V/F成正比關系。2、額定頻率以上的變頻不需要變壓，但會減弱磁通，減小電磁轉矩。8電壓型變頻器的結構模型：電壓型變頻器的結構模型：變壓變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)SPWM逆變器逆變器DCACAC 50HzC變頻變壓的實現(xiàn)方法變頻變壓的實現(xiàn)方法9SIMMV系列中壓變頻器照片10變頻變壓的實現(xiàn)方法變頻變壓的實現(xiàn)方法 PWM脈寬調制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，只需要控制脈沖的寬度和脈沖之間的間隔時間就可以控制輸出電壓的幅值。 脈沖的寬度T1越大，脈沖的間隔T2就越小，輸出電壓的平均值就越大。引入“占空比”：指脈沖寬度和

6、一個脈沖周期的比值。PWM脈寬調制211ttt 輸出平均電壓與占空比成正比關系，調節(jié)輸出電壓實際就是調節(jié)占空比的寬度，因此叫脈寬調制；原理看視頻演示。11 由于變頻器輸出的電壓時正弦交流電，電壓的幅值是根據(jù)正弦波的規(guī)律來變化的，因此在一個周期內的占空比也必須變化，比如在峰值部位（紅色部分），電壓很大，占空比也要取大一些，在零點位置時，電壓很小，占空比也應取很小。SPWM脈寬調制（Sinusoidal pulse width modulation）12SPWM脈寬調制（Sinusoidal pulse width modulation）13單極性SPWM脈寬調制調制波：也就是基頻信號，我們需要調

7、制的原始波形，比如我們需要將正弦波調制成PWM波形，則改正弦波就是調制波。載波：與基頻信號相比較的基準信號，如在圖中的等腰三角形波Ut，單極性SPWM中載波也為單極性的。單極性：即PWM脈寬調制只有單一極性，只正或只負調制。14單極性SPWM脈寬調制當UraUt，V1導通，V2截止，Zl端輸出脈沖波形。當UraUt的時間決定了SPWM的寬度，大于的時間越長，波形的寬度就越大，反之波形的寬度就越??；UraUt,Uao輸出為正，UraUt,Uao輸出為負。最后計算Uab=Uao-Ubo得到正弦波變化的SPWM脈沖波形。結論：變頻器輸出的電壓、電流是頻率很高的高頻輸出量，而且調制的脈沖寬度基本是正弦

8、分布的，而且諧波成分較少。16異步電動機的能量關系能量傳遞過程：定子向電源吸收電功率，經(jīng)過電磁感應傳給轉子，稱為電磁功率，該功率使轉子轉動產(chǎn)生電磁轉矩，從而轉換為機械功率，最后帶動負載轉矩。17異步電動機的轉矩由上圖可知：電動機損耗首先為定子繞組的銅損耗定子繞組電磁感應造成的鐵耗電磁感應通過氣間隙損耗轉子繞組的銅損耗轉子的機械損耗+附加損耗。異步電動機的能量關系在上式中，T為異步電動機的總轉矩；T2為電動機轉子輸出的機械轉矩，也就是我們所說的負阻轉矩；T0為電動機的空載轉矩，其值等于電動機的固有阻力矩。02TTT異步電動機電磁轉矩計算nPTM955018在上式中，Pm為電動機的額定功率，N為電

9、動機的額定轉速，T為電動機能獲得的電磁轉矩的大小；在異步電動機的功率、轉矩場合會經(jīng)常應用。異步電動機電磁轉矩計算nPTM9550191、變頻調速與直流調速的區(qū)別？、變頻調速與直流調速的區(qū)別？答：變頻器用于控制交流電動機的，直流調速器用于直流電動機的；直流電機的優(yōu)勢在于輸出功率大、運行穩(wěn)定、調速性能好。目前交流變頻調速的輸出和調速性能得到大幅度提升，性能上已基本可以取代直流調速器+直流電機模式，變頻器+交流電機價格遠低于直流調速器+直流電機價格，交流電機價格較低。所有現(xiàn)在很多企業(yè)都運用交流電機配備變頻器，達到企業(yè)的需求 。項目三項目三 變頻調速的機械特性變頻調速的機械特性20在電機拖動中，存在兩

10、個主要轉矩，一個是生產(chǎn)機械的負載轉矩，一個是電動機的電磁轉矩。項目三項目三 變頻調速的機械特性變頻調速的機械特性maxmax/LNststnnTTK1、機械特性理想空載點：n=n0；此時的電機轉速最大同步狀態(tài)，s=0，T=0。2、起動點此時電機從0速度開始起動，n=0，對應為起動轉矩Tst，起動帶動負載的能力一般用起動倍數(shù)來表示：21在電機拖動中，存在兩個主要轉矩，一個是生產(chǎn)機械的負載轉矩，一個是電動機的電磁轉矩。項目三項目三 變頻調速的機械特性變頻調速的機械特性NkmTT /3、臨界點 臨界點K是一個非常重要的點，此時的電動機的電磁轉矩最大，如果拖動負載的的轉矩T大于Tk，則電動機將會一直減

11、速，直至停止。 電動機正常運行時，過載能力用表示，過載能力即超載能力，越大，電機的超載能力越強。223.2 電動機的穩(wěn)定運行電動機的穩(wěn)定運行NTT 1、電動機的穩(wěn)定運行狀態(tài) 當電動機的負載轉矩T在額定轉矩附近變化時，我們近似的看成：2、電動機的動態(tài)調整過程電動機的負載拖動是會變化的，當負載轉矩增大時，此時電機電磁轉矩小于負載轉矩，電機減速，減速后電磁轉矩增大達到動態(tài)平衡。LLLTTTnTTT233.3 電動機的起動和制動電動機的起動和制動1、異步電動機的啟動 電動機從靜止狀態(tài)一直加速到穩(wěn)定速狀態(tài)的過程稱為起動過程，起動中電流為額定電流的57倍，對電網(wǎng)造成沖擊，會本身使用壽命也有影響；主要原因看

12、下面說明： 電機定子電樞繞組方程： 當電動機起動狀態(tài)時，這時電機速度n=0，因此產(chǎn)生的感應電動勢Ea=0，此時： 而電動機的內阻Ra是很小的，因此電流很大。aaaIREUaaIRU 243.3 定子繞組串電阻起動定子繞組串電阻起動1、異步電動機的啟動 異步電動機的起動主要目的就是降低啟動電壓或降低啟動電流的方式。目前主流方法有：自耦變壓器減壓起動、Y-三角起動、定子串電阻起動等。右圖為定子繞組串電阻起動，也是最簡單的一種起動方式，但能耗較大。253.3 定子繞組串電阻起動定子繞組串電阻起動1、異步電動機的啟動 異步電動機的起動主要目的就是降低啟動電壓或降低啟動電流的方式。目前主流方法有：自耦變

13、壓器減壓起動、Y-三角起動、定子串電阻起動等。右圖為定子繞組串電阻起動，也是最簡單的一種起動方式，但能耗較大。263.3 電動機的起動和制動電動機的起動和制動1、異步電動機的啟動 異步電動機的起動主要目的就是降低啟動電壓或降低啟動電流的方式。目前主流方法有：自耦變壓器減壓起動、Y-三角起動、定子串電阻起動等。2、右圖為Y-三角起動，起動時通過接觸器轉Y形連接，降低啟動電流根號3倍，起動完成后接觸器轉換成三角形連接。273.3 電動機的起動和制動電動機的起動和制動283.3 自耦變壓器降壓啟動自耦變壓器降壓啟動293.3 自耦變壓器降壓啟動自耦變壓器降壓啟動30異步電動機的制動異步電動機的制動1

14、、在電機工作過程中，電磁轉矩的方向和轉子的實際旋轉方向相反，稱為制動狀態(tài)。2、再生制動：當轉子的速度超過旋轉磁場的速度時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，能量回饋電網(wǎng)中。舉例：降低頻率F，旋轉磁場轉速下降，小于實際轉速，這時電機處于再生制動狀態(tài)。3132333435363738394041424344V/FV/F控制控制V/F控制：變頻器的輸出頻率和輸出電壓的比值為恒定值或正比關系，比如50HZ時電壓輸出為380V，當頻率降為25HZ時電壓輸出為190V，即恒磁通控制；電磁轉矩則是不可控的，電機只是以轉速一個物理量做閉環(huán)的單閉環(huán)的控制系統(tǒng)，只能控制電機的轉速。完全補償：無論f調多小，通過提高U能使得最大轉矩

15、Tx與額定頻率時的最大轉矩Tmax相等，從而保證電動機的過載能力不變。過分補償：如果變頻時V/F比值太大，補償過多，在變頻時*U變化速率快，導致電流Io增加。結論：低頻時V/F比值不可盲目取大。45V/FV/F曲線功能的選擇曲線功能的選擇曲線分類：1、基本V/F曲線：Ku=Kf時稱為基本U/F曲線，如圖中的0曲線表明沒有補償時的電壓和頻率之間關系。2、轉矩補償曲線：當Kf=0時補償一定的電壓值Ux，使其獲得一定的轉矩，則有不同的V/F曲線，如圖中的1-5曲線。3、負補償曲線：在低速時候減小電壓來獲取減小轉矩，主要用于風機、泵類二次方率負載，如01、02曲線。4、分段補償：自行給定。選擇方法：1

16、:將拖動系統(tǒng)連接好，帶以最重的負載。2:先選擇較小的U/F曲線，在低速時觀察電機的運行情況，如果達不到負載能力則需要將U/F曲線提高一檔，以此類推。46選擇選擇V/FV/F曲線方法曲線方法1:離心澆鑄機，用戶注入鐵水后的負載較重，結果啟動時就因為過電流而跳閘，分析原因？分析如下：離心澆鑄機在低速運行過程中，電機處于空載狀態(tài)，并不需要補償，導致過電流而跳閘。2:傳輸帶的變頻器換到風機中，因過流而跳閘，分析原因？分析如下：傳輸帶是恒轉矩特性，低頻時負載重，低頻需要電壓補償；風機是二次方率負載，低頻時負載非常輕，處于過分補償，導致磁路飽和而過流跳閘。47提高轉矩的方法提高轉矩的方法案例:某廠傳送帶進

17、行更新，新設備已經(jīng)有變頻器了，原來的舊變頻器被空置，于是換舊變頻器到同容量的鼓風機上，但是系統(tǒng)啟動后，頻率上升到5HZ就過電流而跳閘了，請問為什么？1、負載類型不行，傳送帶屬于轉矩負載；風機屬于二次方率負載，轉矩與速度的二次方成正比關系。2、變頻f1上升時，速度n也上升，負載轉矩迅速變大，根據(jù)公式 可知，將導致電流也迅速變大從而產(chǎn)生跳閘現(xiàn)象：atICT48電機傳動機構電機傳動機構1：拖動系統(tǒng)的組成生產(chǎn)機械：電機系統(tǒng)拖動的對象，比如起重機的吊鉤機構?？刂葡到y(tǒng)：主要對電動機實現(xiàn)控制作用，如啟動、制動、調速等。傳動機構：將電動機的轉矩傳遞給工作機械的裝置，如皮帶傳動輪、減速器、齒輪變速箱、聯(lián)軸器等等

18、。49電機傳動機構參數(shù)及折算電機傳動機構參數(shù)及折算1：傳動機構參數(shù)折算 傳動比：其中Nmax為電動機的最高轉速，Nlmax負載的最高轉速。用 來表示電動機轉速、轉矩在負載的折算量，折算方法為：maxmaxLnnMnMT/MMMMTTnn50電機傳動機構參數(shù)及折算電機傳動機構參數(shù)及折算一、傳動機構的作用？（1）變速。（2）轉矩或飛輪力矩的傳遞與變換，選擇合適的傳動比，就可以用較小的轉動力矩去驅動一個較大的負載力矩。（3）便于啟動，由于負載折算到電動機軸上負載轉矩變小了，縮小了旋轉體的慣性，使啟動更容易。二、對于變頻調速系統(tǒng)，改變頻率f可以調節(jié)電機的轉速，不需要加裝其他的變速裝置也可以實現(xiàn)變速，對

19、于傳動機構是否就可以去掉呢？對于二次方負載而言，由于啟動轉矩及力矩特性是可以去掉的，但對大多數(shù)恒轉矩和恒功率負載而言是不可取的，合適的傳動比可以減小電機的啟動轉矩，改善調速性能，使動態(tài)性能得以優(yōu)化。5152減速器的作用減速器的作用 減速機在傳動中有保護電機的作用，運行中減速機承受較大減速機在傳動中有保護電機的作用，運行中減速機承受較大扭矩，過載時傳遞到電機只有過載量除以扭矩，過載時傳遞到電機只有過載量除以減速比減速比的數(shù)值，若直接的數(shù)值，若直接由電機承擔可能會引由電機承擔可能會引起電機起電機的損壞。在過載非常大的時候減速機的損壞。在過載非常大的時候減速機會先被損壞，而減速機只需要更換備件就可以

20、恢復使用，費用相會先被損壞，而減速機只需要更換備件就可以恢復使用，費用相對較低，如果電機直接損壞維修相對較慢，費用也高。對較低，如果電機直接損壞維修相對較慢，費用也高。 在電機直接連接負載低速運行時電機為了要滿足輸出扭矩電在電機直接連接負載低速運行時電機為了要滿足輸出扭矩電流必然會增大很多，這對于電機的散熱及絕緣必然會有更高的要流必然會增大很多，這對于電機的散熱及絕緣必然會有更高的要求，從節(jié)能角度也是不可取的，如果使用減速機的話就可以降低求，從節(jié)能角度也是不可取的，如果使用減速機的話就可以降低這些問題的影響。這些問題的影響。5354556.1 變頻器的加速與減速變頻器的加速與減速1、工頻啟動、工頻啟動 工頻啟動就是電動機直接與工頻電源相接，在啟動的瞬間以同工頻啟動就是電動機直接與工頻電源相接，在啟動的瞬間以同步轉速切