变频调速系统的设计原理

1、变频调速系统的设计原理变频器技术与应用变频调速系统的基本概念变频调速系统也就是由电动机带动机械设备以可以自由调节的速度进行旋转的运行系统。钻床变频控制系统1.机械特性机械特性就是描述电动机转速n与转矩T之间的关系n=f(T)的函数特性。在变频调速系统中,有两种机械特性,即电动机的机械特性和机械设备(或负载设备)的机械特性。机械特性1和负载特性2曲线1和曲线2d的交点Q（Q点称为电力拖动的工作点,也是变频调速系统的工作点）计算公式如下：PQ=TQnQ/9550（TQ的单位为Nm，nQ的单位为r/min，则PQ的单位为kW。）变频调速系统的基本概念2.负载的机械特性分类机械负载种类繁多、包罗万象，

2、但归纳起来，主要有以下三种：恒转矩负载、平方降转矩负载和恒功率负载。变频调速系统的基本概念2.负载的机械特性分类（1）恒转矩负载对于传送带、搅拌机、挤出机等摩擦负载以及行车、升降机等势能负载，无论其速度变化与否，负载所需要的转矩基本上是一个恒定的数值，此类负载就称为恒转矩负载。变频调速系统的基本概念2.负载的机械特性分类（2）平方降转矩负载离心风机和离心泵等流体机械，在低速时由于流体的流速低，所以负载只需很小的转矩。随着电动机转速的增加，而气体或液体的流速加快，所需要的转矩大小以转速平方的比例增加或减少，这样的负载称为平方降转矩负载。变频调速系统的基本概念2.负载的机械特性分类（3）恒功率负载

3、机床的主轴驱动、造纸机或塑料片材的中心卷取部分、卷扬机等输出功率为恒值，与转速无关，这样的负载特性称为恒功率负载。变频调速系统的基本概念3.负载的运行工艺分类由于不同的工艺要求对机械设备也提出了不同的工作状态和控制模式，归纳起来主要有以下几种：连续恒定负载连续恒定负载是指负载在足够长的时间里连续运行，并且在运行期间，转矩基本不变。典型例子就是恒速运行的风机。连续变动负载连续变动负载是指负载也是在足够长的时间里连续运行的，但在运行期间，转矩是经常变动的。车床在车削工件时的工况以及塑料挤出机的主传动就是这种负载的典型案例。变频调速系统的基本概念3.负载的运行工艺分类断续负载断续负载是指负载时而运行

4、，时而停止。在运行期间，温升不足以达到稳定值；在停止期间，温升也不足以降至零。起重机械如行车、电梯等都属于这类负载。短时负载负载每次运行的时间很短，在运行期间，温升达不到稳定值；而每二次运行之间的间隔时间很长，足以使电动机的温升下降至零。水闸门的拖动系统属于这类负载。变频调速系统的基本概念3.负载的运行工艺分类冲击负载加有冲击的负载叫冲击负载。例如，在轧钢机的钢锭压入瞬间产生的冲击负载、冲压机冲压瞬间产生的冲击负载等最具代表性。这类机械，冲击负载的产生事先可以预测，容易处理。脉动转矩负载在往复式压缩机中利用曲轴将电机的旋转运动转换成往返运动，转矩随着曲轴的角度而变动。在这种情况下，电动机的电流

5、随着负载的变化而产生达的脉动。变频调速系统的基本概念变频调速系统的基本概念3.负载的运行工艺分类负负载负负载的类型通常有两种：（a）由于速度控制需要而在四象限运行的机械设备。（b）由于转矩控制需要而在四象限运行的机械设备。3.负载的运行工艺分类大起动转矩负载类似搅拌机、挤出机、金属加工机床等在启动初期必须克服很大的摩擦力才能启动，因此很多情况下都被当作重载使用。大惯性负载离心分离机等负载惯性大，不仅启动费力，而且停车也要费时。变频调速系统的基本概念变频器的选择1.根据负载的机械特性选择变频器A、负荷的调速范围。B、恒转矩负载只是在负荷一定的情况下负载阻转矩是不变的,但对于负荷变化时其转距仍然随

6、负荷变化。C、如果负载对机械特性的要求不高,可考虑选择较为简易的U/f控制方式的变频器,而在要求较高的场合,则必须采用有反馈的矢量控制方式。(1)恒转矩负载1.根据负载的机械特性选择变频器避免过载启/停时变频器加速时间与减速时间的匹配避免共振平方降转矩负载憋压与水锤效应变频器的选择1.根据负载的机械特性选择变频器（3）恒功率负载根据变频器在基本运行频率以上的弱磁恒功率特性，可以将此应用于高速磨床等主轴电机的传动系统中。变频器的选择2.根据负载的工艺特性选择变频器正确选用变频器的类型，首先要按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用那种控制方式的变频器最合适。变频器

7、的选择3.变频器的容量选择从电流的角度大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。从效率的角度系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。变频器的选择3.变频器的容量选择从计算功率的角度对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：（a）满足负载输出：PCNPM（b）满足电动机容量：PCN3kUeIe10-3（c）满足电动机电流：ICNkIe变频器的选择4.变频器箱体结构的选用变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与能否长期、安全、可靠运行有很大关系。常见有下列

8、几种结构类型可供用户选用：（1）敞开型IP00本身无机箱，适用装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上，尤其是多台变频器集中使用时，选用这种型式较好，但环境条件要求较高；（2）封闭型IP20适用一般用途，可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合；（3）密封型IP45适用工业现场条件较差些的环境；（4）密闭型IP65适用环境条件差，有水、尘及一定腐蚀性气体的场合。变频器的选择电动机的选择1.工频时电动机的选择在工频运行时,电动机的选择要注意以下几点。(1)电动机功率的选择1)空载运行的异步电动机,吸取的无功功率约为满载时的60%70%,所以应合理选择电动机的功率,避免电动机长期轻载运行。2)电动机的额定输

9、出功率,通常按最大负荷选定,但实际上部分电动机的输出功率是周期性变化的。3)对于负载率低于50%的电动机,应按经济运行原则(即电动机总损耗最小)来选定电动机功率。4)无论采用何种方法选定电动机功率,所选用的电动机应满足所需要的起动转矩、最大转矩和最大负载。(2)电动机负载特性的选择电动机的运行特性受它所拖动机械的负载特性制约。选用电动机,使电动机的机械特性和它所拖动的负载特性合理匹配,才能满足节能和安全运行的要求。(3)电动机电压的选择凡是供电线路短,电网容量允许,且起动转矩和过载能力要求不高的场合,以选用低压异步电动机为宜。因为低压异步电动机效率高,利于节电且检修便宜,减少一次性投资,其控制

10、设备采用低压电器或低压变频器。但是对于那些供电线路长、电网容量有限、起动转矩较高或要求过载能力较大的场合,则以选用高压电动机为宜。2.低频运行的电动机温升和带负载能力在决定电动机带负载能力的因素中,必须考虑到电动机在低速时的温升。(1)低频运行时的电动机功耗功耗是导致电动机发热的原因,当电动机的工作频率下降时,电动机内各种功耗的变化情形如下。1)铜损不变。由于电动机的额定电流不变,故铜损无变化。2)铁损下降。由于铁损与频率有关,当频率下降时,铁损也下降。3)机械损耗下降。由于机械损耗与转速有关,转速下降时,机械损耗也下降。总之,当电动机的工作频率下降时,其内部的功耗将有所下降。(2)低频运行时

11、的电动机散热一般情况下,中、小容量的电动机的散热主要靠转子轴上自带的风扇和内部的通风。显然,电动机低频运行,转速也随之下降,通风情况变差。根据实际运行情况得出,在低频运行时电动机对于内部功耗的散热效果远低于工频,从而导致电动机温升,电动机的带负载能力也随之下降。为了克服电动机在低频带负载能力低的弱点,必须采取强制风冷。而变频电动机是专门配备变频器使用的特殊电动机,变频电动机可在保证转矩的情况下长期低速运行,普通三相异步电动机的转速是固定的,电动机厂是根据电动机的转速设计风扇的,普通电动机如果用变频器降速运行,风扇的转速也会降低,风扇的风量就会下降,电动机温度会升高,而变频电动机是用另外加配的电

12、风扇散热的,风扇是不受电动机转速限制的,所以变频电动机特别适合用变频器控制时的低速运行。3.通用的变频调速电动机变频调速电动机一般均选择4级电动机,基频工作点设计在50Hz,频率050Hz(转速01480r/min)范围内电动机作恒转矩运行,频率50100Hz(转速14802800r/min)范围内电动机作恒功率运行,整个调速范围为02800r/min,基本满足一般驱动设备的要求,其工作特性与直流调速电动机相同,调速平滑稳定。如果在恒转矩调速范围内要提高输出转矩,也可以选择6级或8级电动机,但电动机的体积相对要大一点。由于变频调速电动机的基频(即“基本运行频率”的简称,以下皆同)设计点可以随时

13、进行调整,可以在计算机上精确地模拟电动机在各基频点上的工作特性,由此也就扩大了电动机的恒转矩调速范围,根据电动机的实际使用工况,不仅可以在同一个机座号内把电动机的功率做得更大,也可以在使用同一台变频器的基础上将电动机的输出转矩提得更高,以满足在各种工况条件下将电动机的设计制造在最佳状态。变频调速电动机可以另外选配附加的转速编码器,可实现高精度转速、位置控制、快速动态特性响应的优点;也可配以电动机专用的直流(或交流)制动器以实现电动机快速、有效、安全、可靠的制动性能。变频调速电动机为三相交流同步或异步电动机,根据变频器的输出电源有三相380V或三相220V,所以电动机电源也有三相380V或三相2

14、20V的不同区别,一般4kW以下的变频器才有三相220V电源,由于变频电动机是以电动机的基频点来划分不同的恒功率调速区和恒转矩调速区的,所以变频器基频点和变频电动机基频点的设置都非常重要。图3.6所示为变频电源的U/f曲线和变频电动机的特性曲线。4.同步变频与异步变频调速电动机的区别异步变频调速电动机是由普通异步电动机派生而来的,由于要适应变频器输出电源的特性,电动机在转子槽型、绝缘工艺、电磁设计校核等方面作了很大的改动,特别是电动机的通风散热,在一般情况下附加了一个独立式强迫冷却风机,以适应电动机在低速运行时的高效散热和降低电动机在高速运行时的风摩耗。变频器的输出一般显示电源的输出频率,转速

15、输出显示为电动机的极数和电源输出频率的计算值,与异步电动机的实际转速有很大区别,使用一般异步变频电动机时,由于异步电动机的转差率是由电动机的制造工艺决定,故其离散性很大,并且负载的变化直接影响电动机的转速,要精确控制电动机的转速只能采用光电编码器进行闭环控制。当单机控制时,转速的精度由编码器的脉冲数决定;当多机控制时,多台电动机的转速就无法严格同步。这是异步电动机先天所决定的。同步变频调速电动机的转子内镶有永磁体,当电动机瞬间起动完毕后,电动机转入正常运行,定子旋转磁场带动镶有永磁体的转子进行同步运行,此时电动机的转速根据电动机的极数和电动机输入电源频率形成严格的对应关系,转速不受负载和其他因

16、素影响。同样同步变频调速电动机也附加了一个独立式强迫冷却风机,以适应电动机在低速运行时的高效散热和降低电动机在高速运行时的风摩耗。由于电动机的转速和电源频率的严格对应关系,使得电动机的转速精度主要就取决于变频器输出电源频率的精度,控制系统简单,对一台变频器控制多台电动机实现多台电动机的转速一致,也不需要昂贵的光学编码器进行闭环控制。国内的TYP变频调速永磁同步电动机具有如下三大优点。1)高效节能。与异步变频调速电动机相比,高效节能。同规格相比,该系列电动机效率比异步变频电动机效率高3%10%。以1.5kW为例,两者效率差近7%。2)可精确调速。与异步变频系统相比,无需编码器即可进行准确的速度控

17、制。3)高功率因数。既可减少无功能量的消耗,又能降低变压器的容量。5.其他特殊电动机除了以上所讲的普通笼型异步电动机和永磁同步电动机外,还有很多类型的特殊电动机在使用 。(1)防爆电动机在有爆炸性气体、爆炸性粉尘的环境下,多采用防爆电动机。由于变频调速具有优越的节能潜力,因此变频调速在防爆电动机的应用也已进入实践阶段。(2)单相电动机单相电动机的绕组不同于三相电动机,其主、副绕组多为不对称绕组,且副绕组通常串联了运转电容,通常意义上的变频器不能直接接上去。但不是说,单相电动机就不能进行变频调速。事实上,国内、外的变频理论研究已经表明,单相电动机也能通过不同的拓扑结构(半桥或全桥)对逆变回路输出

18、SPWM波或SVPWM波,从而控制电动机的转速。(3)刹车电动机刹车电动机尾部安装有电磁刹车,主要用于实现断电急停或精确定位等功能,如卷扬机、卷放机、升降装置等设备都配备有刹车电动机。刹车电动机有两个特点:当不给电动机速度命令时,要求运转中的电动机急速停车;或者要求只要不收到速度指令,电动机就始终保持在停止状态中。 (4)绕线式电动机绕线式电动机基本都可以选配变频器作为调速工具的一种,在使用中应该注意以下问题。1)绕线式电动机的变频器大多可以利用原来的电动机。在使用变频调速时,可以将绕线式异步电动机的转子回路短路,去掉电刷和起动器,转子内阻较小,是一种高效的笼型异步电动机。由于电动机输出时的温度上升问题,所以应该降低容量10%以上。2)绕线式电动机与通用的笼型电动机相比,阻抗小,因此容易发生谐波电流引起的过电流跳闸,所以应选择比通常容量稍大的变频器。3)由绕线式电动机变速的机械负载,通常惯量都比较大,因此设定的加、减速时间必须能够满足设备的起动和停止要求。(5)变极电动机变极电动机为28极变速,改接引线即可完成。采用变频器运转后,可以在要求更广的调速范围