交流变频调速技术6

1、交流变频调速技术交流变频调速技术第五章第五章 变频调速拖动系统的构建变频调速拖动系统的构建5-5-1 1 变频调速拖动系统的组成变频调速拖动系统的组成（1 1）分析负载特性是恒转矩、恒功率、风机泵类等。）分析负载特性是恒转矩、恒功率、风机泵类等。（2 2）选择电动机的类型、功率、极对数等。）选择电动机的类型、功率、极对数等。（3 3）选择变频器的类型、容量、型号等。）选择变频器的类型、容量、型号等。（4 4）选定外围辅助设备）选定外围辅助设备- -断路器、接触器、电抗器等。断路器、接触器、电抗器等。（5 5）选定控制方式调节控制器，或外部给定、内部给定等。）选定控制方式调节控制器，或外部给定、

2、内部给定等。（6 6）选定传感器、变送器，量程、安装位置等。）选定传感器、变送器，量程、安装位置等。（7 7）决定电动机与负载之间的传动比。）决定电动机与负载之间的传动比。（8 8）控制柜尺寸、导线截面规格，接线图设计。）控制柜尺寸、导线截面规格，接线图设计。负载特性分析传感器变频器选择辅助配件选择过程分析传感器选择控制方式选择系统设计购设备控制柜制造接受任务变频器辅助配件调节控制器电源交流电动机传动机构执行机构应用过程内部设给定外部设给定控制器设给定负载变频调速拖动系统构成变频调速拖动系统构成系统设计过程系统设计过程电动机选择系统设计、选择：系统设计、选择：5-2 5-2 构建变频调速拖动系

3、统的基本要求构建变频调速拖动系统的基本要求 一一. .在机械特性方面的要求在机械特性方面的要求1.对调速范围的要求：对调速范围的要求： 式中：式中：n nLmaxLmax为负载最高转速为负载最高转速 n nLminLmin为为负载最低转速。负载最低转速。 一般变频器的调速范围一般变频器的调速范围D1D1，或者频率在，或者频率在200200400400H HZ Z之间，可以满足。之间，可以满足。 minmaxLLnnD 2.对机械特性对机械特性“硬硬”度的要求：变频调速可比直流电动机的特性，在稳定度的要求：变频调速可比直流电动机的特性，在稳定 运行的大部分调速区是平行的运行的大部分调速区是平行的

4、“硬硬”特性，一般用特性，一般用V/fV/f控制方式已能满控制方式已能满 足，但是在低频阶段特性稍软，有些负载在低频时也要求足，但是在低频阶段特性稍软，有些负载在低频时也要求“硬硬”特性恒特性恒 转矩，那就有必要采用转矩，那就有必要采用带有反馈的矢量控制方式变频器带有反馈的矢量控制方式变频器。3.对升降速过程及动态响应的要求：对升降速过程及动态响应的要求：（1 1）负载对启动转矩的要求负载对启动转矩的要求 静态时摩擦阻力大的升降负载（如起重机吊静态时摩擦阻力大的升降负载（如起重机吊 升）计算容量时要充分考虑到。升）计算容量时要充分考虑到。（2 2）负载对制动过程的要求负载对制动过程的要求 按照

5、对制动时间的要求，计算和配置制动电按照对制动时间的要求，计算和配置制动电 阻；阻；对于长时间处于制动再生发电状态，如对于长时间处于制动再生发电状态，如 起重机，起重机， 特别是抽油机之类负载，要考虑电能反馈问题。特别是抽油机之类负载，要考虑电能反馈问题。4.4.对动态响应的要求：对动态响应的要求：负载对转速动态调节过程要求高，必须加速度闭环控负载对转速动态调节过程要求高，必须加速度闭环控 二二.在运行可靠性方面的要求在运行可靠性方面的要求1.1.对于过载能力的要求：对于过载能力的要求： 电动机电动机和和变频器变频器的容量都有的容量都有过载能力过载能力，但是不是一个数量等级，电动，但是不是一个数

6、量等级，电动 机主要是温升不能超过额定温度，短时间过载较小电机是允许在机主要是温升不能超过额定温度，短时间过载较小电机是允许在几分钟几分钟 内，大电机则可能达到内，大电机则可能达到几十分钟几十分钟甚至甚至几小时几小时，而变频器的过载能力，主要，而变频器的过载能力，主要 考虑启动，一般允许在考虑启动，一般允许在1 1分钟内分钟内，因此，若电动机，因此，若电动机工作在较长时间过载工作在较长时间过载的的 负载，应该考虑负载，应该考虑加大变频器容量加大变频器容量。2.2.对环境和寿命的要求对环境和寿命的要求（1 1）高温和潮湿等恶劣环境对电动机和变频器的容量）高温和潮湿等恶劣环境对电动机和变频器的容量

7、 和寿命都有影响。和寿命都有影响。 （2）电缆长短、电机噪声和对周边设备电磁兼容的要）电缆长短、电机噪声和对周边设备电磁兼容的要 求，使得在辅助配件时加以考虑。求，使得在辅助配件时加以考虑。 （3）避免机械谐振问题，低速、低频时，次声波危害）避免机械谐振问题，低速、低频时，次声波危害 问题。问题。 （4）高速（超过额定转速）时，机械振动以及各部分）高速（超过额定转速）时，机械振动以及各部分 轴承磨损问题等。轴承磨损问题等。5-2 构建变频调速拖动系统的基本要求构建变频调速拖动系统的基本要求n5-3 5-3 变频调速时电动机的有效转矩线变频调速时电动机的有效转矩线一一. .有效转矩线的概念有效转

8、矩线的概念定义：定义：电动机在某一频率下允许连续运行的最大转矩，称为：电动机在某一频率下允许连续运行的最大转矩，称为：有效转矩有效转矩。 电动机在不同的频率下工作对应不同的机械特性曲线，把各机械特电动机在不同的频率下工作对应不同的机械特性曲线，把各机械特 性曲线中的有效转矩点连在一起，就叫作电动机的性曲线中的有效转矩点连在一起，就叫作电动机的“有效转矩线有效转矩线”n0Tn0Tn0二二. .额定转速（频率）以下的有效转矩线额定转速（频率）以下的有效转矩线 变频器在低转速（低频率）时，转矩的补偿（由变频器在低转速（低频率）时，转矩的补偿（由于磁通轻载饱和于磁通轻载饱和,补偿是受限制的）要满足电动

9、机的补偿是受限制的）要满足电动机的转矩线，低速时电动机风扇低速影响散热，实际有效转矩线，低速时电动机风扇低速影响散热，实际有效转矩线下降，因此要求低转速时变频器基本是恒转矩。转矩线下降，因此要求低转速时变频器基本是恒转矩。 Tn0电动机最大电动机最大转矩随升速转矩随升速而变小，而变小，由由 可知可知 即即三三. .额定转速（频率）以上的有效转矩线额定转速（频率）以上的有效转矩线弱磁升速后，弱磁升速后，电动机机械特电动机机械特性如图：电流性如图：电流不变，临界转不变，临界转矩小，恒功率矩小，恒功率特性。特性。电动机有效转矩线提供给我们的意义是：电动机有效转矩线提供给我们的意义是： 在我们选择变频

10、器类型及容量时，基本要求是变频器输出在我们选择变频器类型及容量时，基本要求是变频器输出给电动机的机械特性，必须在全频率范围内覆盖电动机有效给电动机的机械特性，必须在全频率范围内覆盖电动机有效转矩线，才能有效的按负载对转矩要求拖动起来。转矩线，才能有效的按负载对转矩要求拖动起来。NNxnPT9550XNNTnP95505-3 5-3 变频调速时电动机的有效转矩线变频调速时电动机的有效转矩线n0n0n0n0TTNxnT1弱磁升速电动机的机械特性弱磁升速电动机的机械特性转矩线反比于转速转矩线反比于转速恒功率特点恒功率特点自然特性以下是恒转矩特点自然特性以下是恒转矩特点05010010050f /HZ

11、/(%)/(%)T T 的相对值的相对值 全频率的电动机转矩线全频率的电动机转矩线恒功率负载特性恒功率负载特性5-4 恒转矩负载变频调速系统的构建恒转矩负载变频调速系统的构建一一. .恒转矩负载的类型特点恒转矩负载的类型特点 类似于挤压机、搅拌机、带式传送机、桥式起重机、精轧钢机等凡是负载类似于挤压机、搅拌机、带式传送机、桥式起重机、精轧钢机等凡是负载阻转矩近似为恒量，其负载功率与转速成正比的负载机械，我们都称为阻转矩近似为恒量，其负载功率与转速成正比的负载机械，我们都称为恒转恒转矩负载矩负载，显然需要，显然需要“硬硬”特性。构建这类负载拖动系统时，必须注意特性。构建这类负载拖动系统时，必须注

12、意工作频工作频率范围、率范围、调速范围、调速范围、动态变化范围控制精度动态变化范围控制精度等来选择电动机和变频器。等来选择电动机和变频器。1.1.最低工作频率最低工作频率 负载率负载率（负荷率）（负荷率）的定义：的定义：折算到电动机轴上的负载转矩折算到电动机轴上的负载转矩T TL L 与电动机额定转矩与电动机额定转矩T TN N的比值的比值二二. .工作频率范围的选择工作频率范围的选择NLTT 控制模式 最低工作频率 （HZ) 允许负载率 无外部通风 有外部通风 有反馈矢量控制 0.1 75 100 有反馈矢量控制 5 80 100 V/f控制 1 50 55不同控制模式的最低工作频率表不同控

13、制模式的最低工作频率表2.2.最高工作频率最高工作频率 当当f fx x f fN 时，其有效转矩线是恒功率时，其有效转矩线是恒功率的特点，变频调速系统的负载率的特点，变频调速系统的负载率为为 1.1.调速范围与负载率的关系调速范围与负载率的关系负载率越低，允许的调速范围越大负载率越低，允许的调速范围越大式中式中K Kf f = = f fmax max / /f fN N （取取f fX X =f=fmax) )也就是说，允许的负载率和最高频率的大小成反比也就是说，允许的负载率和最高频率的大小成反比. . fXNXNNLKffnnTT15-4 恒转矩负载变频调速系统的构建恒转矩负载变频调速系

14、统的构建三三. .调速范围与传动比调速范围与传动比 负载率（%） 最高频率/（HZ) 最低频率/（HZ) 调速范围（倍） 100 50 20 2.5 90 56 15 3.7 80 62 11 5.6 70 70 6 11.6 60 78 6 13.02.2.负载率与传动比的关系负载率与传动比的关系负载率越小，传动比负载率越小，传动比越大越大因为因为大，折大，折算值小，电动算值小，电动机轴上负载率机轴上负载率就小。就小。 从上述表中可看到负载率从上述表中可看到负载率100%100%时，调速范围仅时，调速范围仅2.52.5；另外传动比；另外传动比大大，调速范围可，调速范围可大大，所以当调速范围不

15、能满足负载要求时，可以考虑，所以当调速范围不能满足负载要求时，可以考虑增大传动比来怎大调速范围。增大传动比来怎大调速范围。3.3.调速范围与传动比的关系调速范围与传动比的关系负载率越小，传动比负载率越小，传动比越大，调速范围越大。越大，调速范围越大。4.4.传动比的选择传动比的选择( (略）略）见教材见教材P P9090例题例题5-4 恒转矩负载变频调速系统的构建恒转矩负载变频调速系统的构建四四. .电动机和变频器选择电动机和变频器选择1.1.电动机的选择电动机的选择 参考原则：参考原则： 如果属于旧设备改造，则尽量不改变原有电动机。如果属于旧设备改造，则尽量不改变原有电动机。 设计新设备首先

16、选择可以变频调速的电动机（没有特殊要求一般异步鼠笼电动设计新设备首先选择可以变频调速的电动机（没有特殊要求一般异步鼠笼电动 机都可以）。机都可以）。 从负载侧折算转矩功率或阻力矩（从负载侧折算转矩功率或阻力矩（电机与拖动课中讲过电机与拖动课中讲过）。同时看负载所需速）。同时看负载所需速 度范围，若最低转速极小度范围，若最低转速极小( (几几几十几十r/min)r/min)，考虑用大的机械传动机构时，可以，考虑用大的机械传动机构时，可以 大大降低电动机容量，若负载功率不大，在大大降低电动机容量，若负载功率不大，在50KW50KW以下，可以考虑同量级的电动以下，可以考虑同量级的电动 机。如果计算传

17、动比增大后，电动机频率过大，则需增大电动机容量。机。如果计算传动比增大后，电动机频率过大，则需增大电动机容量。 看需要调速的最大转速来选电动机极对看需要调速的最大转速来选电动机极对p p, ,30003000r/minr/minn nmaxmax10001000r/minr/min尽可能尽可能 考虑采用考虑采用p p=2 =2 ；若若500r/min500r/min n nmaxmax 10001000r/minr/min考虑采用考虑采用p=4p=4； 尽量采用尽量采用f fN N = =工频工频50Hz 50Hz 即使采用即使采用p=1p=1 通常通常 f fx x 1.2 1.2f fN

18、N2.2.变频器及其控制方式选择变频器及其控制方式选择（1 1）容量选择（第四章已介绍）容量选择（第四章已介绍 略）略）（2 2）变频器类型及控制方式选择）变频器类型及控制方式选择在在调速范围不大调速范围不大的情况下（最低转速相对较高），可以的情况下（最低转速相对较高），可以 考虑考虑较为简单的较为简单的V/fV/f通用变频器或无转速反馈的矢量控通用变频器或无转速反馈的矢量控 制方式。制方式。当调速范围较大时应考虑当调速范围较大时应考虑带转速反馈的矢量控带转速反馈的矢量控 制方式。制方式。 负载负载转矩线变动不大转矩线变动不大的机械负载，可首先考虑能的机械负载，可首先考虑能满足有满足有 效转矩

19、线的效转矩线的V/fV/f通用变频器通用变频器。但是对于相对转矩线变动。但是对于相对转矩线变动 范围较大的负载，由于范围较大的负载，由于V/fV/f线不能满足重载与轻载的要线不能满足重载与轻载的要 求，故不宜采用求，故不宜采用V/fV/f控制方式控制方式。（用负载转矩线弯曲说明（用负载转矩线弯曲说明“恒转矩恒转矩”为何变动）为何变动）5-4 恒转矩负载变频调速系统的构建恒转矩负载变频调速系统的构建 负载对机械和动态特性要求不高，可考虑负载对机械和动态特性要求不高，可考虑较为简单的较为简单的 V/f通用变频器通用变频器。但是对于要求高的场合则必须采用。但是对于要求高的场合则必须采用矢量矢量 控制

20、甚至待反馈的矢量控制方式。（双闭环、三闭环）控制甚至待反馈的矢量控制方式。（双闭环、三闭环） 类似于卷取机和一般的机床主轴等凡是在不同转矩下类似于卷取机和一般的机床主轴等凡是在不同转矩下功率恒定功率恒定，转矩转矩大小与转速成反比大小与转速成反比的负载，称为的负载，称为恒功率负载恒功率负载。 在构建恒功率负载变频调速拖动系统时，如果沿用恒转矩负载所选电机，可能在构建恒功率负载变频调速拖动系统时，如果沿用恒转矩负载所选电机，可能是是“大马拉小车大马拉小车”有一定频率富裕空间。由转矩线的确定，我们知道无论直流电动有一定频率富裕空间。由转矩线的确定，我们知道无论直流电动机还是交流异步电动机在恒磁通时最

21、大输出转矩不变，额定频率下是恒转矩的特点，机还是交流异步电动机在恒磁通时最大输出转矩不变，额定频率下是恒转矩的特点，若在额定转矩以上采用弱磁调速时，最大允许输出转矩与转速成反比，属于恒功率若在额定转矩以上采用弱磁调速时，最大允许输出转矩与转速成反比，属于恒功率特性，特性，如果电动机的低频恒转矩和高频恒功率调速与负载的恒转矩和恒功率特性范如果电动机的低频恒转矩和高频恒功率调速与负载的恒转矩和恒功率特性范围一致围一致，即所谓，即所谓“匹配匹配”那么电动机容量和变频器容量可以选得很小（没有富裕浪那么电动机容量和变频器容量可以选得很小（没有富裕浪费）。费）。5-5 恒功率负载变频调速系统的构建恒功率负

22、载变频调速系统的构建一一. .恒功率负载的类型特点恒功率负载的类型特点二二. .恒功率负载构建的特殊问题恒功率负载构建的特殊问题电动机转矩与负载的电动机转矩与负载的“匹配匹配” 如限制如限制f fx x f fN N 内，内，在恒转矩区，考虑传动过程中最大转速的需要，所需电在恒转矩区，考虑传动过程中最大转速的需要，所需电动机容量：动机容量： 而恒功率负载实际所需功率为：而恒功率负载实际所需功率为： 两者之比：两者之比：maxmax9550lLNnpPminmin9550lLLnpP minmaxLLLNLnnPPP这个对比告诉我们工作在恒功率区时，要浪费这个对比告诉我们工作在恒功率区时，要浪费

23、倍功率。倍功率。1.用实例说明：见教材用实例说明：见教材P94,P94,卷取机大部工作在恒功率特性，只在最低转速卷取机大部工作在恒功率特性，只在最低转速153r/min153r/min对应对应8H8HZ Z时需时需T TL L= =60N60NM M, ,按照通常选择至少需要按照通常选择至少需要6KW6KW电动机，大部时间浪费。电动机，大部时间浪费。2.2.减少容量对策减少容量对策加传动比加传动比折算贴近负载特性折算贴近负载特性 设设=3=3时，频率范围扩大到时，频率范围扩大到f fx 2 2f fN，调频范围：调频范围：f fN f fX 2 2f fN 最高转速比原来增大最高转速比原来增大

24、一倍，传动比一倍，传动比也就增加了一倍，即也就增加了一倍，即= 6= 6, ,按照传动比速度降后力矩将增加的物按照传动比速度降后力矩将增加的物理常识，电动机侧折算过来的负载转矩，因为理常识，电动机侧折算过来的负载转矩，因为= 2 = 2 所以所以T TN N由原来的由原来的60NM60NM折折算成算成30NM30NM，电动机的额定转速仍为电动机的额定转速仍为960r/min,960r/min,电动机功率电动机功率选相近的一档电动机选相近的一档电动机3.7KW3.7KW即可满足负载拖动要求，大大小于即可满足负载拖动要求，大大小于6KW.6KW.5-5 恒功率负载变频调速系统的构建恒功率负载变频调

25、速系统的构建KWPN39550960303.3. 高低速高低速分两档传动比时的系统容量分两档传动比时的系统容量机床类的负载，在停机时调转速，可以将传动比分为两档，低速档：电动机工机床类的负载，在停机时调转速，可以将传动比分为两档，低速档：电动机工作频率从作频率从f fminmin到到f fmidmid( (中间切换分界处）中间切换分界处）负载转速从负载转速从n nLmin变到变到n nLmid 。高速档：电动机工作频率从高速档：电动机工作频率从f fmid mid 变化到变化到2f2fN N 负载转速从负载转速从n nLmidLmid变到变到n nLmaxLmax. .三三. .电动机和变频器

26、的选择电动机和变频器的选择1.1. 电动机容量和类别选择电动机容量和类别选择 在进行容量计算时应把传动比、调速系统的最高、最低工作频率与转矩线在进行容量计算时应把传动比、调速系统的最高、最低工作频率与转矩线等因素摆在一起，等因素摆在一起，综合考虑综合考虑。总的原则：。总的原则：在最高频率不超过在最高频率不超过2 2倍额定频率的前倍额定频率的前提下，通过适当调整传动机构的传动比，尽量减小电动机的容量提下，通过适当调整传动机构的传动比，尽量减小电动机的容量。2.2. 变频器容量和类别选择变频器容量和类别选择 卷曲机械一般不过载，变频器容量与电动机容量相符，卷曲机械一般不过载，变频器容量与电动机容量

27、相符，通用型通用型V/fV/f控制即可控制即可。机床类负载负载常变化，并允许电动机短时过载，机床类负载负载常变化，并允许电动机短时过载，容量加大并采用矢量控制容量加大并采用矢量控制。 风机泵类负载应用很普遍，其特点是负载的阻转矩与转速的平方成正风机泵类负载应用很普遍，其特点是负载的阻转矩与转速的平方成正比，而负载的功率与转速三次方成正比。严格讲转矩表达式：比，而负载的功率与转速三次方成正比。严格讲转矩表达式：功率表达式：功率表达式： 式中式中CT CT 和和KP KP 分别为转矩常数和功率常数分别为转矩常数和功率常数5-6 平方律（风机、泵类）负载变频调速系统的构建平方律（风机、泵类）负载变频

28、调速系统的构建一一. .风机泵类负载的类型特点风机泵类负载的类型特点30LPLnKPP20LTLnCTT二二. .风机泵类负载拖动系统的主要问题风机泵类负载拖动系统的主要问题如何得到最佳节能效果如何得到最佳节能效果1.1.节能效果与节能效果与V/fV/f线的关系线的关系Tn0fXVX0n0S Sn n d d1 1d d2 2d d3 3T TLXLXT TmXmXnxV/f4V/f4V/f2V/f2V/f1V/f1V/f3V/f3T Tstst 由负载特性与转矩线图由负载特性与转矩线图可以看到在低频可以看到在低频T TMXMX有较大有较大余量。在余量。在S S点有低频难启动点有低频难启动问题

29、，用问题，用V/fV/f比调整解决。比调整解决。由于多数变频器在低频段由于多数变频器在低频段都有补偿，造成节能还有都有补偿，造成节能还有潜力，有的变频器设置潜力，有的变频器设置“自动节能自动节能”对应风机泵对应风机泵类负载。类负载。负载特性与电动机有效转矩线关系负载特性与电动机有效转矩线关系用降低用降低V/fV/f比的方法解决比的方法解决T TSTST小于负载低频转矩小于负载低频转矩2.2.节能效果与变频器台数的关系节能效果与变频器台数的关系 为节省投资，有些用户以一台变频器控制多台电机为节省投资，有些用户以一台变频器控制多台电机（恒压供水例）（恒压供水例）显然只有显然只有一台是变频调速，其余

30、台工作于工频，牺牲节能效果。一台是变频调速，其余台工作于工频，牺牲节能效果。电动机的容量一般风机泵类厂家配电机或说明应配电机容量（略）电动机的容量一般风机泵类厂家配电机或说明应配电机容量（略）5-6 平方律（风机、泵类）负载变频调速系统的构建平方律（风机、泵类）负载变频调速系统的构建三三. .电动机和变频器的选择电动机和变频器的选择 变频器厂家目前已经提供专用于风机泵类负载的变频器厂家目前已经提供专用于风机泵类负载的节能专用变频器节能专用变频器，其特点是：，其特点是：1.1.鉴于风机和泵类负载一般不容易过载，所以专用变频器设的过载能力较低为鉴于风机和泵类负载一般不容易过载，所以专用变频器设的过

31、载能力较低为 120%/1min120%/1min. .因此使用时因此使用时注意工作频率注意工作频率额定频率额定频率，否则可能过载跳闸。，否则可能过载跳闸。2.2.针对恒压供水等多台泵可能切换，设置针对恒压供水等多台泵可能切换，设置“甩工频甩工频”切换输出信号功能。切换输出信号功能。3.3.针对有些泵、风机阶段性不调速状况，设置针对有些泵、风机阶段性不调速状况，设置“睡眠睡眠”“”“唤醒唤醒”功能，及专用功能，及专用 于风机、泵控制的于风机、泵控制的PIDPID调节器功能。调节器功能。5-7 直线律负载变频调速系统的构建直线律负载变频调速系统的构建一一. .直线律负载的特性直线律负载的特性 一般轧钢机和碾压机等都是直线类负载。其负载类型等同于二次平方律类及恒功一般轧钢机和碾压机等都是直线类负载。其负载类型等同于二次平方律类及恒功率类，但又有其特点：率类，但又有其特点：nTnP000.78 3.147.050010001500453015 转矩与转速成正比转矩与转速成正比 负载功率与转速二次方成正比负载功率与转速二次方成正比 碾压机和工件摩擦力碾压机和工