变频器与拖动基础

1、 变频器变频器基础基础施耐德（苏州）变频器有限公司施耐德（苏州）变频器有限公司市场部市场部2006/01SSD Marketing2内容内容n 电力拖动的基本概念n 变频器原理n 变频器的主要应用n 变频器选型注意事项n 变频器安装使用注意事项SSD Marketing3电力拖动的基本概念电力拖动的基本概念n 异步电机的结构和原理n 异步电机的调速n 异步电机的起动和制动n 其它形式的电动机SSD Marketing4异步电动机的结构和原理异步电动机的结构和原理SSD Marketing5异步电动机的结构异步电动机的结构n 异步电动机的结构o定子o转子o风扇o机壳o接线盒o轴伸SSD Mark

2、eting6定子铁心与绕组定子铁心与绕组n 定子铁心均布的槽中嵌有三相对称绕组。铁心绕组SSD Marketing7转子铁心和绕组转子铁心和绕组铸铝转子绕线转子SSD Marketing8旋转磁场的产生旋转磁场的产生在定子三相对称的定子绕组中通入对称三相电流即在气隙中产生旋转磁场：I coscos(120 )cos(120 )ambmcmitiItiItSSD Marketing9同步转速同步转速n 定子旋转磁场的转速记为n1，又称为同步速:n 式中：on1的单位为每分钟的转数（rpm）of为电源的频率op为绕组磁场的极数n 例如，对工频50Hz电源，2极，4极，6极，8极电机的同步转速分别为

3、： 3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等1120(1)(1)fnnssp1120fnpSSD Marketing10转子是怎样转起来的？转子是怎样转起来的？n 转子导体横切气隙旋转磁场产生感应电势（右手定则）n 感应电势在闭合的转子绕组中产生感应电流n 转子导体中的电流与气隙旋转磁场作用产生电磁力（左手定则）n 电磁转矩驱动转子转动，与气隙旋转磁场的方向相同n 转子电流也产生旋转磁场n 该磁场的转速与所产生的旋转磁场转速一样，都是同步速n 在稳态情况下，转子所产生的磁场与定子是相对静止的n 实际上，气隙磁场是定子与转子绕组产生的电流之和。SSD Marketing

4、11异步电动机的转速异步电动机的转速n 异步电动机的转速可表示为：n 式中S称为滑差率；n 当电机刚刚开始起动时，n=0，s=1；n 若电机处于理想空载，n=n1, s=0，转子与定子旋转磁场同步，故n1称为同步转速；n 额定负载情况下，s为25%，所以异步电机的额定转速nN总是接近同步速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。n 滑差率的大小反映了电机的不同运行状态。1120(1)(1)fnnsspSSD Marketing12异步电机的等值电路模型异步电机的等值电路模型n 要精确地控制电机需要尽量了解电机的定子、转子绕组电阻R1,R2，定子、转子漏抗X1,X2以

5、及激磁阻抗Rm,Xm等；n 这些参数需要通过根据铭牌参数如电机额定电压UN，额定电流 IN，额定转速nN，功率因数COSPHi计算得到。SSD Marketing13异步电机的转矩特性异步电机的转矩特性21122211212/1(/ )()mU RsTRRsxxn 蓝色为转矩特性，n 红色为负载特性，n (nN,TN)为额定工作点n Tm为可能产生的最大转矩n Tst为起动转矩SSD Marketing14异步电机机械特性与电源电压的关系异步电机机械特性与电源电压的关系n 输出转矩与电压的平方成正比；n 起动转矩与电压的平方成正比；n 随着电压的降低，最大转矩，起动转矩以及转速都会降低；n 降

6、低电源电压，可以降低起动电流，但起动转矩成平方倍地下降；n 星三角起动，自耦变压器起动以及软起动器起动都属于这类应用；n 这种方法不适于调速，因为调速范围很窄而且效率很低。SSD Marketing15异步电机机械特性与转子电阻的关系异步电机机械特性与转子电阻的关系n 最大输出转矩Tm的大小与转子电阻R2的大小没有关系。n 对应Tm的转速与R2的值有关，转子电阻越大，对应Tm的转速越低。n 对绕线转子电机，若在转子绕组中串联电阻，则能够增大起动转矩，在起动过程中，连续减小或逐级切除串联的电阻，则能够在起动过程中增大起动转矩，加速起动过程；n 对绕线转子电机，若在转子绕组中串联大小可调的电阻，则

7、能够调节稳定运行的转速；n 通过改变转子电阻的起动和调速方法仅仅适用于绕线电机，曾经获得广泛的应用。n 存在效率低下，起动装置笨重，电机和起动装置造价高维护率高且困难等缺点。SSD Marketing16异步电机机械特性与电源频率的关系异步电机机械特性与电源频率的关系n 在其它变量满足特定要求的情况下，改变电源频率可以有效地改变机械特性，而最大转矩基本不变；n 在负载特性为恒定转矩的情况下，稳定的转速可以与频率有较好的线性关系。n 在频率很低的情况下，机械特性变差。SSD Marketing17复习转速的公式复习转速的公式n 电机和负载的转速与频率，电机的极数和滑差率有关。11201120(1

8、)(1)fnpfns nspSSD Marketing18改变滑差调速改变滑差调速n 调节电源电压：o在电源与电机之间串电抗o通过调压变压器或自耦变压器o效率低下，功率因数低o成本高o调速效果不明显n 改变转子电阻o可连续调速，甚至可以控制电机反转，适用于提升应用o可以获得较好的起动特性o逐级切换电阻和频敏电阻o仅仅适用于绕线转子电机，不能用于更加普遍的鼠笼转子电机o效率低下，调速范围在额定转速以下o装置复杂，体积大，电机和起动装置成本高o维护频度高且维修成本高。n 逐渐淘汰SSD Marketing19变极调速变极调速n 对恒定转矩的负载，转速与电机绕组的极数成反比；n 这种方法在过去的机床

9、行业和风机中获得广泛的应用；n 为有级调速，能获得的转速数目只有两种或三种；n 不能连续调速；n 需要电机定子有多套绕组或绕组有多种接法；n 电机造价高，效率低；n 逐渐淘汰SSD Marketing20变频调速变频调速n 转速与频率成正比n 能够连续调速n 操作方便，噪声低n 调速范围宽，调速精度高n 效率高，功率因数高（采取措施）n 可以控制起动，运行，停止（锁定输出，线性制动或软停止）n 可靠性高，易于维护n 起动电流和运行电流小，过载能力大SSD Marketing21传统调速方法的优缺点传统调速方法的优缺点n 机械调速机械调速(制动器制动器, 离合器离合器,齿轮箱齿轮箱,皮带轮皮带轮

10、,链条等链条等)o有极调速有极调速,o效率低下效率低下n 液力耦合器液力耦合器o可实现无级跳速可实现无级跳速o成本适中成本适中o装置复杂装置复杂, 维护量大维护量大n 机电式滑差调速机电式滑差调速(绕线转子电机绕线转子电机)o实现简单实现简单,成本适中成本适中o绕线电机结构复杂绕线电机结构复杂, 维护量大维护量大o效率低下效率低下n 涡流调速涡流调速o简单可行简单可行o连续调速连续调速o效率低下效率低下, 需要冷却装置需要冷却装置(水冷或空气冷却水冷或空气冷却)SSD Marketing22变频器和软起动器的区别变频器和软起动器的区别n 软起动器o软起动器是一种智能化的降压起动器, 在起动电机

11、时可以有效地控制和限制起动电流, 同时可减少对电机及其驱动的设备的机械应力.o软起动可以将机械从零速平滑地加速到额定转速, 也可以控制平滑地减速到零速o在只需要软起动和软停止而不需要调速的场合可以使用软起动器o软起动器为了降低起动电流,必须实施降压起动, 同时降低了起动转矩n 变频器o变频器可以实现软起动和软停止o也可以根据负载的变化和系统的要求调节速度和改变输出转矩o电机起动后可以不以工频转速运行o变频器在起动电机的同时不必降低起动转矩n 结论o从功能上,变频器可以取代软起动器,但软起动器不能取代变频器o从成本上,变频器高于软起动器, 但其优势自不待言.SSD Marketing23变频调速

12、的优势变频调速的优势n 效率最高的调速方法n 维护率很低n 控制灵活,可集成多种功能n 可四象限运行n 使用最最普通的鼠笼式异步电动机n 初始投资可能略大,但是可以快速收回投资,并创造更多的经济效益o节能,尤其是风机,泵和空气压缩机o机械磨损减少, 降低维护费用o提高产品质量和生产效率,o软起动, 减少对电网和设备的冲击SSD Marketing24变频器快速增长的原因变频器快速增长的原因n 节能节能, 尤其是风机尤其是风机,泵和压缩机应用泵和压缩机应用n 通过减少传动环节的应力提高机械设备的使用寿命通过减少传动环节的应力提高机械设备的使用寿命n 减少电机中的电流冲击减少电机中的电流冲击,从而

13、延长电机的使用寿命从而延长电机的使用寿命n 可以使用通用的鼠笼式异步电机可以使用通用的鼠笼式异步电机, 价格低廉价格低廉, 安装维护简单安装维护简单, 易于采购易于采购n 采用变频器采用变频器, 改造原来的绕线转子电机或直流电机非常简单改造原来的绕线转子电机或直流电机非常简单n 变频器内无接触器和其他运动部件变频器内无接触器和其他运动部件, 是固态设备是固态设备, 可靠性高可靠性高SSD Marketing25变频器在加工过程中的作用变频器在加工过程中的作用n 过程控制o可以采用数字量和模拟量控制o可以采用串行连接和总线控制o过程宏和专用菜单有助于过程控制的实现和完善o从某一角度讲, 变频器内

14、置的过程控制可以简化甚至取代原来的机械系统,从而降低成本,提高可靠性,简化控制和维护. 相对伺服控制的阀门,采用变频器控制泵,可以获得更宽的控制范围和线性度.n 过程监视o变频器的数字输出,模拟输出和串行连接输出可以监视负载变化过程中电机的状况和过程量的动态.n 提高产品质量o气流冷冻器对产品的可控冷却过程o减少对敏感流体的损伤(如牛奶)o避免由于阀门损坏和过热引起的问题SSD Marketing26变频器在机械控制中的作用变频器在机械控制中的作用n 减少维护量o变频器所具有的软起和软停功能可以显著地减少机械系统和轴承的损伤, 从而可以大幅度延长系统的使用寿命.o变频器可以明显减少泵对供水管网

15、的冲击,从而可以减少对长距离供水管网的维护.o降速运行可以延长轴承的使用周期.o变频器有助于避免冲击性负载和反冲性负载,从而可以提高传动环节如减速箱或链条,皮带等的使用寿命.n 削弱振动和噪声o在低于额定转速的情况下,泵和风机的噪声大幅度降低o现代变频控制可以抑制变频器本身造成的电机的额外噪声o通过变频控制还可以避免机械设备固有的共振n 同步速以上运行o通过变频器,在不使用减速箱的情况下可以使得机械运行于在额定转速以上n 多个传动点联动运行o通过变频器,可以方便地控制多个传动点,使其同步或比例运行SSD Marketing27变频器对电气方面的影响变频器对电气方面的影响n 频繁的起停控制o由于

16、变频器可以进行软起, 所以可以对电机和负载进行频繁的起停和正反转控制,而不需要过多考虑电机的热容量n 电气保护o变频器将电机屏蔽于电气扰动之外, 从电机侧不能看到电网的瞬间波动 轻微的电网不平衡不影响电机的平衡运行o变频器可提供电机过载,堵转,短路等的精确保护, 从而避免电机的过载和堵转.n 效率o变频器的效率很高,可以最大限度地降低电机的损耗.o变频控制的效率远远优于其它的调速方式SSD Marketing28变频器对供电系统的影响变频器对供电系统的影响n 软起动o变频器近乎理想的起动电流最大程度地减少了对供电系统的扰动o对其它设备的影响几可忽略不计o可以减少变压器,开关,电缆及其保护装置的

17、容量,节省投资.o对于有备用发电机的场合,发电机的容量可以减少30-50%n 功率因数o变频器的相移功率因子接近于己于1,对于很轻的负载也是如此.从而可以省却功率因数补偿的投资.n 短路容量o通过变频器,电机不再产生对电网的短路电流,从而可以减少开关的容量.SSD Marketing29变频器在风机变频器在风机,泵泵,压缩机应用中的其他好处压缩机应用中的其他好处n 不再需要压力缓冲装置n 相对间歇运行的系统控制效果更加连续n 通过一台变频器可以简化多泵控制系统n 消除起动,停止时的冲击,延长泵,轴承,阀门和管网等的寿命n 延长泵的密封和叶片的使用寿命n 比截流阀和挡板提供更宽的控制范围n 相对

18、阀门控制线性度和控制精度更高n 对旧的管网提供压力限幅SSD Marketing30变频器带来的负面影响及其对策变频器带来的负面影响及其对策n 能耗方面o电机用变频器控制后相对于直接起动能耗增加3-5% 变频器中的能耗2-3% 电机中的能耗占0-3%n 谐波电流o变频器中的整流环节从电网吸收非正弦电流, 其中包括很多谐波电流o谐波电流的抑制通常通过直流电抗器或交流电抗器来解决o当变频器负载超过供电容量的30-40%,或没有安装电抗器,就必须评估谐波电流的影响o变频器带来的谐波效应远远低于同等容量的直流调速装置n 射频干扰o伴随PWM(脉宽调调制)的高速切换形成射频干扰o变频器设计时需要考虑抑制

19、这种射频干扰,例如采用射频干扰滤波器o对于异常敏感的场合需要安装附加射频干扰滤波器n 电机噪声o变频器的传统设计会给电机带来额外的噪声o通过提高开关频率和Whisper Wave技术可以降低电机噪声 在额定频率和额定负载下比直接运行带来的电机噪声增加量不超过2-3dB 一般来讲,在低于额定频率和负载下,噪声比工频运行还要小SSD Marketing31变频器功率器件概貌变频器功率器件概貌SSD Marketing32VSD - 通过改变供电电压和频率进行速度调节通过改变供电电压和频率进行速度调节n 很容易看出，改变供电频率就会改变电机的转速.n 这种方法的目的是不管转速如何都要获得恒定的可用电

20、机转矩.T = K I cos = 常量 = 常量n 在这种条件下，不管频率如何，在额定电流下，都将获得额定的电机转矩. T = K I = constantSSD Marketing33VSD -通过改变供电电压和频率进行速度调节通过改变供电电压和频率进行速度调节n 对于一台异步电动机，定子绕组产生磁通 : = L In 绕组在某频率f下被提供电压U在绕组两端，符合欧姆定律，记为: U = Z In 如果忽略定子绕组电阻，一个绕组在交流下的电抗可记为：Z = L 故: U = L In 代表角频率 : = 2 pi*fn 则电流为 :n 那么磁通表示为 :n 所以，为了获得恒定的磁通，进而获

21、得恒定的转矩，U/f必须是一个与频率无关的常数. 也就是说，电压必须与频率成正比地变化SSD Marketing34VSD - 变频器的控制模式变频器的控制模式n U/ f 控制控制:o为了获得与任何转速下都要恒定的转矩，必须保持恒定的磁通. 电压和频率必须按同一比例同时变化. U / f = 常数.o任何情况下，输出电压不可能超过输入电压，随着转速的增加，获得转矩与速度成反比地减少在额定转速以上，电机不再恒转矩运行，但是功率是恒定的.SSD Marketing35VSD - 变频器的控制模式变频器的控制模式s = k . iC = k . s . IDC 直流电机直流电机i电感 rs感应电流

22、s = k1 . IdC = k2 .s . IqId磁通磁通 rsIq异步电机异步电机转矩转矩SSD Marketing36VSD - 变频器的控制模式变频器的控制模式n 磁通矢量控制磁通矢量控制为了让交流电机获得同直流电机一样的动态特性，必须对交流电机进行动态调节. 电机电流被分成两个标量的部分: 一个标量成分用于激磁，称为激磁电流 Id 另一个标量成分用于产生力矩，称为有功电流 : Iq这种控制类型相当于U / f 模式的改进，性能有所提高，尤其是在低速下保证力矩稳定运行。若需要零速特性，必须在电机轴端安装编码器 (闭环).SSD Marketing37VSD - 典型的转矩曲线典型的转

23、矩曲线T/Tn1.751.701.501.2510.950.750.500.2500.10.1253050607590100120F(Hz)23141自冷却电机:连续可用转矩2强迫通风电机:连续可用力矩3瞬态过转矩(对变转矩应用限制为 1.1 Tn)4恒功率段的超速力矩SSD Marketing38负载类型负载类型n 变频器的选型和应用, 首先要考虑的就是负载的类型n 负载可以分为三大类o恒转矩负载 例如输送带,提升,钻床,挤出机,容积泵o变转矩负载 例如离心风机, 离心泵o恒功率负载 例如磨床, 高速车床, 绕线筒等n 根据不同的负载类型,以及其它功能和性能的要求,选择对应系列的变频器SSD

24、 Marketing39恒转矩负载恒转矩负载n 在整个运行的速度范围内,需要相同大小的负载n 当转速变化时,负载转矩保持不变n 所需功率与转速成正比n 通常转速限制在基本频率以内SSD Marketing40变转矩负载变转矩负载n 负载转矩是转速的函数:在低速下需要较小的转矩, 而在高速下需要较大的转矩n 只有两类典型的负载:离心泵和离心风机n 额定转速以下o设备产生的流量与泵或风机的转速成正比o设备产生的压力与泵或风机转速的平方成正比o设备消耗的功率与泵或风机转速的立方成正比SSD Marketing41变转矩负载变转矩负载n 对于变转矩的离心风机和泵,所需功率与流量成正比是节能的原理所在.

25、n 当所需的流量为额定流量的一半时,意味着所需要的功率仅仅为额定功率的八分之一.n 成年累月地积累下来,形成巨大的节能潜力.SSD Marketing42恒功率负载恒功率负载n 通常恒功率段是指在电机的基本频率之上n 对于一个恒功率负载,实际上负载转矩是负载物理尺寸的函数n 在转速较低时需要的转矩较高,在转速较高时,需要的转矩较低.n 负载转矩与转速成反比,其乘积,亦即功率为恒定值,称为恒功率负载.SSD Marketing43机械知识机械知识功功直线运动直线运动 :转动转动 :功功 = 力力 x 位移位移 W = 2F 1 x r W (J) = T (Nm) x (rd)1F功功 = 力力 x 位移位移 W (J) = F (N) x l (m)FAB 1rA B FFAB rSSD Marketing44机械知识机械知识阻性转矩阻性转矩电机决定转速电机决定转速阻性转矩阻性转矩 (Tr) 电机转矩电机转矩 (Tm)TrTm旋转旋转SSD Marketing45机械知识机械知识阻性转矩阻性转矩Tr = 常数常数Tr = K速度速度力矩力矩速度速度