《變頻及伺服應(yīng)用技術(shù)》緒論

21四月2024變頻及伺服應(yīng)用技術(shù)2024/4/21緒論

21四月2024緒論內(nèi)容一、變頻技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用二、步進(jìn)、伺服的發(fā)展及應(yīng)用21四月2024定義：以交流（直流）電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)我們稱之為交流（直流）電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，也稱交流（直流）電氣拖動(dòng)系統(tǒng)。構(gòu)成：中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)交流電源輸入終端機(jī)械交流電機(jī)直流調(diào)速裝置直流輸出皮帶輪、齒輪箱等風(fēng)機(jī)、泵等直流電機(jī)交流調(diào)速裝置交流輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)變頻器

變頻技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用一21四月2024序號(hào)意義有代表意義的行業(yè)或設(shè)備1節(jié)能風(fēng)機(jī)、水泵、注塑機(jī)2提高產(chǎn)品質(zhì)量機(jī)床、印刷、包裝等生產(chǎn)線3改善工作環(huán)境電梯、中央空調(diào)

電氣傳動(dòng)的目的：

根據(jù)設(shè)備和工藝的要求通過改變電動(dòng)機(jī)速度或輸出轉(zhuǎn)矩改變終端設(shè)備的速度或輸出轉(zhuǎn)矩。電氣傳動(dòng)的意義：注：并不是所有的設(shè)備使用電氣傳動(dòng)裝置后都可以節(jié)能21四月2024直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)：控制對(duì)象：直流電動(dòng)機(jī)控制原理簡單，一種調(diào)速方式性能優(yōu)良，對(duì)硬件要求不高

電機(jī)有換向電刷（換向火化）電機(jī)設(shè)計(jì)功率受限電機(jī)易損壞，不適應(yīng)惡劣現(xiàn)場(chǎng)需定期維護(hù)交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)：控制對(duì)象：交流電動(dòng)機(jī)控制原理復(fù)雜，有多種調(diào)速方式性能較差，對(duì)硬件要求較高電機(jī)無電刷，無換向火化問題電機(jī)功率設(shè)計(jì)不受限電機(jī)不易損壞，適應(yīng)惡劣現(xiàn)場(chǎng)基本免維護(hù)20世紀(jì)70年代以前直流占統(tǒng)治地位，交流電機(jī)只在定速機(jī)械上使用。20世紀(jì)90年代中期交流變頻調(diào)速逐漸成為調(diào)速領(lǐng)域的主角。交直流電氣傳動(dòng)的特點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓只能做到1000多伏，轉(zhuǎn)速每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到1000多轉(zhuǎn)。交流電動(dòng)機(jī)電壓可做到6～10kV，轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)。21四月2024交流異步電機(jī)的機(jī)械特性公式

n＝60f/p(1-s)n：電機(jī)轉(zhuǎn)速

f：給電機(jī)供電的交流電頻率

p：電機(jī)極對(duì)數(shù)

s：轉(zhuǎn)差率T：電機(jī)力矩N：速度n0負(fù)載1異步機(jī)機(jī)械特性負(fù)載2交流同步電機(jī)的機(jī)械特性公式n＝60f/pn：電機(jī)轉(zhuǎn)速

f：給電機(jī)供電的交流電頻率

p：電機(jī)極對(duì)數(shù)n0負(fù)載1負(fù)載2T：電機(jī)力矩同步機(jī)機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)發(fā)明于19世紀(jì)八十年代，變頻器成功于20世紀(jì)八十年代。為什么期盼了近百年？21四月2024單相逆變電路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通S1,S3導(dǎo)通S2,S4導(dǎo)通f1f2EdU1逆變器的功能：通過改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間改變輸出電壓的頻率通過改變開關(guān)管導(dǎo)通順序改變輸出電壓的相序21四月2024變頻技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)開關(guān)器件的發(fā)展是改變同步頻率的關(guān)鍵技術(shù)

變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在變頻器中，開關(guān)器件必須要滿足一定的條件，這些條件是：（1）能承受足夠大的電壓和電流。（2）允許長時(shí)間頻繁地接通和關(guān)斷。（3）接通和關(guān)斷的控制十分方便。電壓必須在1000V以上，電流必須在700A以上IGBT的特點(diǎn)：耐壓1200V

開關(guān)頻率高達(dá)30～

40KHZ

驅(qū)動(dòng)電路電流小，功耗很少電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1904晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）1930194819571970198019902000t(年)晶體管誕生開關(guān)器件的發(fā)展史21四月2024

變頻器開關(guān)器件種類晶閘管（SCR）（20世紀(jì)50年代美國通用電氣公司為變頻器的發(fā)展提供了劃時(shí)代的基礎(chǔ)硬件）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）（20世紀(jì)60年代）電力晶體管（GTR）（20世紀(jì)70年代）

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）（20世紀(jì)70年代）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）（20世紀(jì)80年代）集成門極換流晶閘管（IGCT）（20世紀(jì)90年代）智能功率模塊（IPM）---組件）（20世紀(jì)90年代）

變頻器起步于晶閘管，普及歸功GTR，提高全靠IGBT21四月2024電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域電氣化鐵道、電動(dòng)汽車、航空、航海20世紀(jì)80年代以前主要采用直流傳動(dòng)牽引；20世紀(jì)90年之后，主要采用交流傳動(dòng)牽引（即變頻）。1999年5月我國株洲電力機(jī)車廠研制出時(shí)速200KM的子彈頭電力機(jī)車。2001年，研制的中華之星，設(shè)計(jì)時(shí)速270KM，試驗(yàn)時(shí)達(dá)到了321.5KM/小時(shí)的中國鐵路第一速。我國進(jìn)入高鐵時(shí)代。高鐵的運(yùn)行時(shí)速350KM。單相25KV牽引接觸網(wǎng)。牽引電機(jī)傳動(dòng)和車輛輔助電源在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的應(yīng)用21四月202421四月2024

名稱代號(hào)控制方式最大電壓電流及頻率雙極型晶體管BJTGTR電流控制Um：450-1400VIm：300-800AFm：10KHz-50KHz門極關(guān)斷晶閘管GTO電流控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1KHz-10KHz絕緣柵雙極晶體管IGBT電壓控制Um：1800-3300VIm：800-1200AFm：20KHz-50KHz集成門換流晶體管IGCT電壓控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1KHz-10KHz21四月2024變頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)控制理論不斷成熟早期通用變頻器主要采用恒壓頻比（V/F）PWM控制方式，隨著矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的出現(xiàn)使得電動(dòng)機(jī)變頻后的機(jī)械特性可以和直流電機(jī)相媲美。

U/f控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制綠色變頻器21四月20241.變頻器概念：由計(jì)算機(jī)控制電力電子器件，將工頻交流電變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的三相交流電的電氣設(shè)備，用于驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)平滑的變頻調(diào)速。2.調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷程

(1)定速拖動(dòng)：電機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)

(2)直流調(diào)速：直流電機(jī)體積大、造價(jià)高、維護(hù)復(fù)雜、不節(jié)能；調(diào)速性能較好（調(diào)速方便、調(diào)速連續(xù)性、機(jī)械特性硬度）

(3)交流調(diào)速：電機(jī)體積小、價(jià)格低、性能好、維護(hù)方便、節(jié)能、控制精度高。

(4)U/f控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制綠色變頻器21四月2024調(diào)速方式名稱控制對(duì)象特點(diǎn)變極調(diào)速交流異步電動(dòng)機(jī)有級(jí)調(diào)速，系統(tǒng)簡單，最多4段速調(diào)壓調(diào)速無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍窄電機(jī)最大出力能力下降，效率低系統(tǒng)簡單，性能較差轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速變頻調(diào)速交流異步電動(dòng)機(jī)交流同步電動(dòng)機(jī)真正無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍寬電機(jī)最大出力能力不變，效率高系統(tǒng)復(fù)雜，性能好可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美早晚發(fā)展時(shí)間在變頻器出現(xiàn)前同步電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，因此只能在定速傳動(dòng)領(lǐng)域使用三相交流鼠籠電機(jī)盡管調(diào)速性能不佳，但其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、經(jīng)久耐用且價(jià)格低廉還是在一些性能較低的傳動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)使用3.交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程21四月2024變頻器是交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的一種,是將交流工頻電源轉(zhuǎn)換成電壓、頻率均可變的適合交流電機(jī)調(diào)速的電力電子變換裝置，英文簡稱VVVF(VariableVoltageVariableFrequency）變頻器的控制對(duì)象：三相交流異步電機(jī)和三相交流同步電機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)適配電機(jī)極數(shù)是2/4極序號(hào)優(yōu)點(diǎn)1平滑軟啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，減少變壓器占有量，確保電機(jī)安全2在機(jī)械允許的情況下可通過提高變頻器的輸出頻率提高工作速度3無級(jí)調(diào)速，調(diào)速精度大大提高；節(jié)能。4電機(jī)正反向無需通過接觸器切換5非常方便接入通訊網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化控制變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)（與其它交流電機(jī)調(diào)速方式對(duì)比）21四月2024電機(jī)控制算法功率器件V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT計(jì)算機(jī)技術(shù)單片機(jī)DSP

IGBT大容量化更高速率和容量如：矩陣式變頻器大功率傳動(dòng)使用變頻器，體積大，價(jià)格高未來發(fā)展方向完美無諧波PWM技術(shù)SPWM技術(shù)PWM優(yōu)化新一代開關(guān)技術(shù)無速度矢量控制電流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP專用芯片00年代超靜音變頻器開始流行解決了GTR噪聲問題變頻器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法優(yōu)化

更大容量更高開關(guān)頻率PWM技術(shù)空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)變頻器體積縮小，開始在中小功率電機(jī)上使用21四月20246.變頻器的發(fā)展趨勢(shì)1、低電磁噪音、靜音化

新型通用變頻器除了采用高頻載波方式的正弦波SPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)靜音化外(載波頻率越高,電磁噪音越小,漏電流噪聲越大),還在通用變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正電路APFC，而在逆變電路中采取Soft-PWM控制技術(shù)等，以改善輸入電流波形、降低電網(wǎng)諧波，在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)所謂的清潔電能的變換。如三菱公司的柔性PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更低噪音運(yùn)行。

2、專用化

新型通用變頻器為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速控制技術(shù)的獨(dú)特功能，并盡可能滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的需要，派生了許多專用機(jī)型如風(fēng)機(jī)水泵空調(diào)專用型、起重機(jī)專用型、恒壓供水專用型、交流電梯專用型、紡織機(jī)械專用型、機(jī)械主軸傳動(dòng)專用型、電源再生專用型、中頻驅(qū)動(dòng)專用型、機(jī)車牽引專用型等。

21四月20243、系統(tǒng)化

通用變頻器除了發(fā)展單機(jī)的數(shù)字化、智能化、多功能化外，還向集成化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。如西門子公司提出的集通訊、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理三者于一體的“全集成自動(dòng)化”（TIA）平臺(tái)概念，可以使變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置等集成配置，甚至自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通訊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都可以像驅(qū)動(dòng)裝置通常嵌入“全集成自動(dòng)化”系統(tǒng)那樣進(jìn)行，目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)功能。

4、網(wǎng)絡(luò)化

新型通用變頻器可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內(nèi)裝RS485接口，可由個(gè)人計(jì)算機(jī)向通用變頻器輸入運(yùn)行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等，通過選件可與現(xiàn)場(chǎng)總線：Profibus-DP、Interbus-S、DeviceNet、ModbusPlus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CANOpen、T-LINK等通訊。如西門子、VACON、富士、日立、三菱、臺(tái)安、東洋等品牌的通用變頻器，均可通過各自可提供的選件支持上述幾種或全部類型的現(xiàn)場(chǎng)總線。5、操作傻瓜化

新型通用變頻器機(jī)內(nèi)固化的“調(diào)試指南”會(huì)引導(dǎo)你一步一步地填入調(diào)試表格，無需記住任何參數(shù)，充分體現(xiàn)了易操作性。如西門子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一種稱為“易于使用”的成功概念，使得在連接技術(shù)、安裝和調(diào)試方面的操作變得非常簡單。21四月20247.我國變頻器的應(yīng)用現(xiàn)狀

(1)起步較晚；20世紀(jì)80年代國外規(guī)?；瘧?yīng)用，1982年我國初次應(yīng)用，93年前后企業(yè)開始應(yīng)用。

（2）目前，進(jìn)入“黃金時(shí)期”；98年開始用量快速上升，2002年開始應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在仍然處于應(yīng)用量上升的高峰期。（3）變頻調(diào)速的效果：節(jié)能、提高速度和精度、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、延長設(shè)備使用壽命、增加使用者的舒適度；（4）變頻器的應(yīng)用目前不足五分之一，原因是變頻器應(yīng)用人才的缺乏。

20世紀(jì)80年代初，大連電機(jī)廠引進(jìn)日本東芝的變頻技術(shù)。接著日本三墾公司、日本富士電機(jī)公司把變頻器推進(jìn)中國，使我國的電機(jī)調(diào)速打破了直流調(diào)速的壟斷局面，開始了交流電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)代。

21四月2024國內(nèi)低壓變頻器市場(chǎng)需求（億元）數(shù)據(jù)來源：中國工控網(wǎng)21四月2024中國市場(chǎng)變頻器競(jìng)爭(zhēng)情況－競(jìng)爭(zhēng)品牌紅色：主要對(duì)手

藍(lán)色：需關(guān)注的對(duì)手歐美品牌

西門子、科比、倫茨、施耐德、ABB

丹佛斯、ROCKWELL、VACON、AB、西威

日本品牌

富士、三菱、安川、三墾、日立、歐姆龍松下電器、松下電工、東芝、明電舍國產(chǎn)品牌

匯川、英威騰、歐瑞（煙臺(tái)惠豐）、森蘭、安邦信、佳靈、藍(lán)海華騰港臺(tái)品牌

臺(tái)達(dá)、普傳、臺(tái)安、東元、美高

韓國品牌

LG、現(xiàn)代、三星、收獲

步進(jìn)、伺服的發(fā)展及應(yīng)用三伺服（Servo）一詞來源于希臘語“奴隸”的意思。顧名思義就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，而其中的運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩等物理量?；仡櫵欧到y(tǒng)的發(fā)展歷程，從最早的液壓、氣動(dòng)到如今的電氣化，由伺服電機(jī)、反饋裝置與控制器組成的伺服系統(tǒng)已經(jīng)走過近50個(gè)年頭。21四月20241、伺服的作用21四月2024

2、伺服系統(tǒng)的構(gòu)成21四月20243、電氣伺服系統(tǒng)三個(gè)主要發(fā)展階段（1）以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓伺服馬達(dá)或以功能步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為中心，伺服系統(tǒng)的位置控制為開環(huán)系統(tǒng)。（2）直流（DC）伺服系統(tǒng)50年代，無刷電機(jī)和直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則是直流伺服電機(jī)應(yīng)用的全盛時(shí)代。

由開環(huán)閉環(huán)。永磁直流伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用占統(tǒng)治地位。21四月2024（3）交流（AC）伺服系統(tǒng)

20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用，20世紀(jì)90年代，交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。交流伺服的控制方式迅速向微機(jī)方向發(fā)展，并由硬件伺服向軟件伺服發(fā)展。

低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以達(dá)到1：100000以上；定位精度一般都要達(dá)到±1個(gè)脈沖21四月20244、交流伺服在我國的發(fā)展歷史1970年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術(shù)主要研究機(jī)構(gòu)：北京機(jī)床所、西安微電機(jī)研究所、中科院沈陽自動(dòng)化所80年代之后開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，國產(chǎn)伺服停留在小批量、高價(jià)格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài)，技術(shù)水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要。2000年之后，目前國內(nèi)主要的伺服品牌或廠家有森創(chuàng)（和利時(shí)電機(jī)）、華中數(shù)控、廣數(shù)、南京埃斯頓、蘭州電機(jī)廠等。其中華中數(shù)控、廣數(shù)等主要集中在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。21四月20245、伺服系統(tǒng)的應(yīng)用（在搬運(yùn)控制中的應(yīng)用）在工業(yè)高度發(fā)達(dá)、自動(dòng)化不斷進(jìn)步的今天，搬運(yùn)設(shè)備已成為不可或缺的項(xiàng)目搬運(yùn)機(jī)（垂直）自動(dòng)倉庫·分揀系統(tǒng)由于導(dǎo)入了伺服機(jī)構(gòu)，可提高機(jī)械速度，從而提高生產(chǎn)效率?？稍谥付ㄎ恢谜_停止，采用帶電磁制動(dòng)器的伺服電機(jī)，可防止停車時(shí)貨物下降。自動(dòng)倉庫·分揀系統(tǒng)在自動(dòng)倉庫中，分揀部和行走部都已越來越多地采用AC伺服電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行以及平穩(wěn)的及加減速。與SCM（供應(yīng)鏈管理）相結(jié)合的自動(dòng)倉庫·分揀系統(tǒng)從原料采購到商品發(fā)送等各個(gè)環(huán)節(jié)，可大大提高物流庫存管理的效率。21四月20245、伺服系統(tǒng)的應(yīng)用（在卷材設(shè)備中的應(yīng)用）：21四月20245、伺服系統(tǒng)的應(yīng)用（在食品設(shè)備中的應(yīng)用）：21四月20245、伺服系統(tǒng)的應(yīng)用（在機(jī)床設(shè)備中的應(yīng)用）：21四月