变频传动基本知识

传动系统培训东北大学钱晓龙1直流调速系统

2电枢绕组直流电动机工作原理演示

电动机模型演示注意:电枢和磁场电流总是相差90°磁场电极换向器/电刷直流电动机3直-直型电力机车他励直流电动机自励直流电动机串励电动机并励电动机复励电动机4直流调速系统的发展G-M系统

改变发电机励磁电压发电机输出电压直流电动机电枢电压改变电动机转速5直流调速系统的发展

V-M系统6直流调速系统的发展PWM-M系统交-直型电力机车7直流调速系统的发展8直流调速系统调速系统等效电路图

9直流调速系统直流电动机的调速改变电枢回路电阻R减弱励磁磁通Φ调节电枢供电电压U

10改变电枢回路电阻调速

改变电枢回路电阻的调速方法就是在电枢回路中串接附加电阻R1、R2……来改变电动机电枢端电压，从而实现调速的目的。

abcn2n2<n111改变电枢回路电阻调速（1）系统的结构简单；（2）调速不连续，不平稳；（3）机械特性软，从而影响调速范围；（4）电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接电阻大小来实现的，调速范围越大，串入的电阻就越大，相应地电阻上消耗的能量就越大，这是很不经济的。12调压调速改变Ud0就得到一组相互平行的机械特性曲线

如果连续改变可控电源电压，电动机转速就可以平滑连续地调节。13调压调速调压调速的特点：机械特性较硬，负载不变时，转速降△n不变由于容许的输出转矩恒定，对于恒转矩性负载的拖动调速，能充分利用电动机的容量由于电枢回路时间常数小，系统的动态响应快，适合于要求快速起、制动的设备的传动系统中，如初轧机、龙门刨床等设备。14改变电动机励磁调速 当负载电流不变时，改变可控电压Uf，也就是说，改变电动机励磁磁通量Ф时，电动机的理想空载转速和转速降都在变化，随着磁通量的减少，转速降就越来越大，机械特性也就越软。

15改变电动机励磁调速改变励磁调速的特点：（1）机械特性软，负载变化时转速的波动较大；（2）可控电源容量小，一般为电动机容量的10%以下，电源设备造价低；（3）磁场的时间常数大，系统的动态响应慢，适合于起、制动快速性要求不高的设备的传动控制。16交流调速系统

17交流调速系统直流电动机的缺点：（1）成本昂贵（2）直流电机的容量和速度的限制（3）应用环境（4）转子发热多，电机效率低（5）系统可靠性差18三相异步电动机结构图交流电动机电动机机壳转子/轴承定子绕组19交流电动机定子定子铁芯：由互相绝缘的硅钢片叠成定子绕组：三相绕组对称分布在定子铁芯上机座：铸钢或铸铁定子铁芯20定子绕组21交流电动机转子注：转子电路必须是闭合的转子铁芯：由外周有槽的硅钢片叠成绕线式鼠笼式转子绕组转轴铁芯槽内放铜条，端部用导电铜环将所有铜条短接成一个回路。或铸铝形成转子绕组。鼠笼式转子22交流电动机绕线式转子同定子绕组一样，也是对称的三相绕组，并且连接成星形。23交流电动机定子作用：转子作用：鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：

结构简单、价格低廉、工作可靠、使用方便绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大，适用于要求具有较大起动转矩及一定调速范围的场合产生旋转磁场，并从电网吸收电能。产生电磁转矩，并输出机械能。24交流电动机转动原理磁场旋转磁铁闭合线圈e方向用右手定则确定f方向用左手定则确定磁场与载流导体相互作用产生电磁力25交流电动机转动原理(1)旋转磁场的产生

定子对称三相绕组通入三相对称电流U1U2V1V2W1W2o26交流电动机转动原理U1U2V1V2W1W2电流正方向：从绕组首端流入，末端流出。规定U1V2W1V1W2U2()电流入(•)电流出(1)旋转磁场的产生27交流电动机转动原理o动画合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°U1

U2V2W1V1W2U1

U2V2W1V1W2U1

U2V2W1V1W2U1U2V1V2W1W228交流电动机转动原理(2)转动原理定子三相绕组通入三相交流电旋转磁场

切割转子导体右手定则感应电动势感应电流旋转磁场左手定则电磁力F电磁转矩T顺时针n顺时针U1U2V2W1V1W2FF29n1=60f1/3若三相绕组极对数为3，每相电流的最大值随时间变化一次，相应的合成磁场将移动1/3周。考虑到每相电流1秒内变化f次，则相应的合成磁场1秒旋转f/3周。2极电机交流电动机转速n1=60f1每相电流的最大值随时间变化一次，相应的合成磁场就旋转一周。考虑到每相电流一秒变化f次，则相应的合成磁场就一秒内就旋转f周。6极电机n1=60f1/

PN2N极电机30交流电动机转速n1=60f1/PNn1=60f1(1-s)/PN变频调速：改变电源的频率变极调速：改变电机的极对数改变转差率：绕线电机转子串电阻调速、定子调压调速、串级调速、双馈调速31交流电动机调速原则磁通Φm恒定基频以下调速基频以上调速磁通增大－电机负载能力降低，功率因数变坏磁通减小－电机在一定负载下有过电流危险U1NU1ff1N恒转矩调速恒功率调速32交流调速调制技术调制方法PAM（脉幅调制）PWM（脉宽调制）变频器在改变输出频率的同时，也同时改变输出电压的幅值。

PAM需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，二者之间还必须满足一定的关系，故控制电路复杂。变频器在改变输出频率的同时，也改变输出电压的脉冲占空比。PWM只控制逆变器部分，与PAM相比，控制电路简单。33正弦波脉宽调制技术SPWM脉宽调制三角波发生器调制发生器SPWM电压输出波形输出电流波形34正弦波脉宽调制技术PWM波形实际上就是一组方波直流电压。它直接应用于电动机上。产生频率和电压可变的三相交流波形35PowerFlex变频器的压频比控制电压/频率控制Volts/HertzControl(V/Hz)无速度传感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)磁场定向控制FieldOrientedControl36V/Hz控制方式斜坡函数发生器V/Hz模式形成控制脉冲发生器压频比控制是简单的开环控制M37转差频率控制方式转差频率控制是简单的“闭环”控制++M+-斜坡函数发生器V/Hz模式形成控制脉冲发生器f*38风机调速系统

风机及配套用的电机耗用电量约占全国总发电量的20%。而传统的利用档风板或阀门载流调节方式不符合节能需求。39风机调速系统设工作点为A，输出风量Q1，此时风机轴功率N1与Q1H1的乘积，即和AH1OQ1所包围的面积成正比。管网风阻特性风机在恒速下的风压-风量特性系统工作点由A移到B。风压反而增加，轴功率N2与面积BH2OQ2成正比工作点由原来的A点移到C点。可见在相同风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3与面积CH3OQ2成正比 从风机的工作特性来看，调速控制与风门控制调节风量比较，有着更高的节能效果。在相同风量Q2的情况下，风压大幅度降低，功率显著减少，节能效果十分明显。40风机调速系统由流体力学可知风量与转速的一次方成正比风压与转速的平方成正比轴功率与转速的三次方成正比41PowerFlex“4”-系列产品Performance/FunctionalityPowerRating(KW@4000V)3.71120501101500PowerFlex400PowerFlex40/40PPowerFlex44243PowerFlex40-简介卓越的电动机控制,0.4-11kWV/Hz或SensorlessVector(SVC)控制内置用户接口操作员控制(start,stop,speed,direction)编程&起动面板状态&故障指示灯内置RS-485通讯接口通用的参数结构同所有PowerFlex“4-Class”变频器一致通用的“4Class”附件远程操作员面板EMC滤波器动态制动电阻444.0简单的起动程序

只需连接电源线路，即可通过内置面板控制变频器起动

当控制激活时，指示灯会亮

10个最通用起动参数： MotorNameplateVoltage(P031) MotorNameplateFrequency(P032) MotorOverloadCurrent(P033) MinimumFrequency(P034) MaximumFrequency(P035) StartSource(P036) StopMode(P037) SpeedReference(P038) AccelTime1(P039) DecelTime1(P040)45控制/电源接线面盖内侧附有控制接线图方便接线较大的动力及控制线端子方便接线46控制输出1个继电器输出2个OPTO

输出1个模拟量输出简单易用的逻辑控制控制输入专用的

START,STOP

和

REVERSE

输入4个用户自定义输入提供附加应用24VDCSINK

或SOURCE

可通过DIP开关选择47基本逻辑、计时器和计数器功能计时器和计数器功能通过数字量命令激活基于用户自定义的时间或数值输出基本逻辑功能

继电器或光电耦合输出又设置为“逻辑输入”的数字量输入控制当AND、OR和外部链接逻辑条件为真时，输出状态改变48PowerFlex40-选件EMC滤波器输入电抗器动态制动电阻外置式操作面板22-HIM-CS222-HIM-A3DSI通讯适配器DeviceNet,EtherNet/IP,ProfibusDP,CompactI/Oand22-XCOMM-DC-BaseControlnet,Lanworks(FY2005Q4)49编程和通讯内置RS-485接口DriveSerialInterface(DSI)PC编程

DriveExplorer软件DriveExecutive软件RS485toRS232串行转换器多支路网络支持

与

SLC500、CompactLogix和ControlLogix兼容支持ModbusRTU50编程和通讯PC控制多个PF4或PF40变频器使用DF1连接Allen-Bradley控制器*注意–需要22-SCM-232串行转换器ABRS232toRS485ConverterRS485Repeater#1#2#31etc.DF1RTU#1#2#31etc.DF1RTU51编程和通讯22-COMM-D/22-XCOMM-DC-Base外置的DSIComm选件用于RA核心网络Upto4PowerFlex4’sor40’sPowerFlex40Multi-DriveRS-485EtherNet/IPTerminatingResistorTerminatingResistor一个站点可带5台变频器AK-U0-RJ45-TB2PRJ45TerminalBlocksPowerFlex40Multi-DriveDeviceNetTerminatingResistorTerminatingResistorUpto4PowerFlex4’sor40’sRS-485AK-U0-RJ45-TB2PRJ45TerminalBlocks52PowerFlex40–应用实用于仅要求简单的V/Hz控制的应用如风机食品加工机械电动工具水泵搅拌机运输带包装机械木工加工机械自动卷帘门等(车库,隔断门).或其它对低频输出转矩要求较高的应用(SVC)

或要求网络连接功能的应用.

53矢量控制技术在DC电机中,磁场是一个独立的绕组产生(激磁绕组)因此电机电枢电流和磁通电流可以单独控制.分别控制电机的磁通和力矩可以实现优化的控制性能－零速时的高输出力矩，负载变化时的快速响应.在AC电机中,定子绕组电流包含励磁和转矩部分，因此很难单独控制电机的力矩和磁通.仅仅控制电流幅值，不能实现电机的力矩和磁通的单独控制，所以矢量控制必须同时控制电流的幅值和相位54三相-两相变换（3/2变换）在三相对称绕组中，通以三相平衡电流，所产生的合成磁动势是旋转磁动势，它在空间呈正弦分布，以同步转速（即电流的角频率）旋转。但旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。55三相-两相变换（3/2变换）A-B-C和α-β两个坐标系中的磁动势矢量，将两个坐标系原点并在一起，使A轴和α轴重合。三相坐标系和两相坐标系中的磁动势矢量56磁动势相等原则按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与二相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在α-β轴上的投影都应相等，因此有：573/2变换矩阵考虑变换前后总功率不变，匝数比应为583/2变换矩阵逆变换矩阵（2/3变换矩阵）得到3/2变换矩阵59两相-两相旋转变换（2s/2r变换）两相静止绕组，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。如果令两相绕组旋转起来，且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度，则两相绕组通以直流电流就可产生同样空间旋转磁动势。静止两相坐标系到旋转两相坐标系变换aibiaububa2s/2r变换1wOOdq602s/2r变换电流之间存在下列关系

两相静止和旋转坐标系中的磁动势矢量612s/2r变换阵两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换阵逆变换阵62矢量控制分类矢量控制技术转子磁场定向定子磁场定向合成磁场定向63基于转子磁链定向的矢量控制技术64基于定子磁链定向的直接转矩控制直接转矩控制（DTC）65矢量控制与直接转矩控制的比较相同点：两者都采用转矩和磁链分别控制

不同点：矢量控制强调磁场与转矩的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，调速范围宽，可达1:100以上DTC控制按转子磁场定向时受电机转子参数影响，降低了鲁棒性

直接进行转矩控制，避开了旋转坐标变换；控制定子磁链，而不是转子磁链，不受转子参数影响产生转矩脉动，降低了调速性能

优点/缺点66PowerFlex变频器的矢量控制电压/频率控制Volts/HertzControl(V/Hz)无速度传感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)磁场定向控制FieldOrientedControl无速度传感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)67磁通矢量控制FVC磁通矢量控制通过电机的电流反馈，使用电动机转子的速度和位置来调节电动机的输出电流和转矩。编码器提供电动机的速度和位置信息L1L2L3电流反馈MotorEVC68磁场定向控制FOC磁场定向控制与磁通矢量控制的技术一样，但增加了电压反馈自调整来优化和适应电动机温度的变化L1L2L3电压反馈MotorEVC电流反馈TEMP69无速度传感器矢量控制SVC利用自适应控制算法通过电压和电流模型运算，从而实现磁通和转矩的解耦，并分别进行控制。L1L2L3

MotorCurrentSensorsVC(FVC+SpeedEstimator)70PowerFlex变频器的控制方式PowerFlex4变频器采用V/Hz控制PowerFlex40、40P变频器采用V/Hz和SensrlsVect控制PowerFlex400变频器采用普通V/Hz及用户自定义的V/Hz控制PowerFlex70、700变频器采用Fan/PmpV/Hz、CustomV/Hz、SensrlsVect控制PowerFlex70EC、700VC变频器Firmwareversions2.0以上的可以采用FVC控制PowerFlex700S、PowerFlex700S2变频器采用FOC、FOC2、PmagMotor（永磁电机）和V/Hz控制71PowerFlex“7”-系列产品特性/功能功率范围(KW)3.77.515371321500PowerFlex700SPowerFlex700LPowerFlex700VCPowerFlex70

PowerFlex700H5007273PowerFlex70安装类型NEMA1/IP20(50℃)Flange(50℃)Front=NEMA1/IP20Backside=NEMA4X/IP66 (Indoor&Outdoor)NEMA4X(40℃)AlsoNEMA12&IP66(indooronly)74PowerFlex70框架A,B,C,D,E0.5-25HP(0.37-7.5kW)@200/240V0.5-50HP(0.37-37kW)@400/480V0.5-50HP(0.37-37kW)@600V75简单通用的人机接口HIM大面幅

LCD显示本地和远程面板多种语言用户自定义的显示计算器式的数字键盘通用的编程工具DriveExplorer

及DriveExplorerLite 简单，灵活，可编程在线监控和组态。DriveToolsSP 界面友好，操作灵活，可对变频器分别进行在线监控和离线组态。76通讯能力支持多种通讯选件：DeviceNet RemoteI/O ControlNet ProfibusDP InterbusS RS485-DF1 EtherNet/IP RS-485HVAC MetasysN2/FLNP1/ModbusRTULonWorks CompactI/O 无须外部电源无须外部空间77DeviceNetControlCommandfromPLCPeerControlDataChange-of-StateStatusData通讯能力先进的点对点(Peer-to-Peer)及I/O通讯提高网络性能及通讯效率78优越的控制性能用户可定制的U/F曲线——可设置转折频率风机/泵U/F曲线40:1/0.5%开环:120:1/0.1%闭环:120:1/0.001%80:1/0.1%U/Hz控制无速度传感器矢量控制无速度传感器矢量控制节能方式FORCE矢量控制（增强型）特点：可实现在宽调速范围内的高转矩输出。适应不同的电动机特性。当电动机电流减小到一定值时，变频器自动降低输出电压，实现节能。79PowerFlex70其他特点优异的低频转矩特性零速满转矩80PowerFlex70其他特点反应快速的电流限制功能可实现电动机以最大加速度运行而不会出现跳闸。防止了负载冲击引起的转矩波动。反应快速的母线电压调节功能可设置调