变频器与拖动基础和原理

变频器与拖动基础和原理

Motion&DrivesMKT2010.09变频器原理

目录电力拖动的基本概念变频器原理负载类型电力拖动的基本概念异步电机的结构和原理异步电机的调速异步电机的起动和制动其它形式的电动机异步电动机的结构和原理异步电动机的结构异步电动机的结构定子转子风扇机壳接线盒轴伸定子铁心与绕组定子铁心均布的槽中嵌有三相对称绕组。铁心绕组转子铁心和绕组铸铝转子绕线转子iNSA010通电线圈产生磁场B(Tesla).BB磁场强度和电流大小成正比Current:i(A)Time:t(s)0T/2T2T3T/2我们将获得“正弦变化的磁场"如果线圈通正弦规律变化的电流:工作原理iiiTemps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Time:t(s)0T/2T2T3T/2Current:i(A)空间对称的三个线圈通时间上对称的三相交流电流每个线圈各自产生一个磁场最后的空间磁场是这三个磁场的矢量和这个磁场是空间旋转的称为:“旋转磁场"旋转磁场异步电机iiiTemps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Temps:t(s)0T/2T2T3T/2Courant:i(A)Time:t(s)0T/2T2T3T/2Current:i(A)旋转的磁场将会在圆盘中产生“感生电流"

在磁场中，通过电流的导体将受力（左手定则）。该力使圆盘旋转，以克服外加磁场的影响这是

异步电动机的名称由来

但圆盘旋转的速度与磁场旋转的速度是不同的通常我们称滑差如果我们在线圈中心放一个圆盘同步转速定子旋转磁场的转速记为n1，又称为同步速:式中：n1的单位为每分钟的转数（rpm）f为电源的频率p为绕组磁场的极数例如，对工频50Hz电源，2极，4极，6极，8极电机的同步转速分别为：3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等转子是怎样转起来的？转子导体横切气隙旋转磁场产生感应电势（右手定则）感应电势在闭合的转子绕组中产生感应电流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）电磁转矩驱动转子转动，与气隙旋转磁场的方向相同转子电流也产生旋转磁场该磁场的转速与所产生的旋转磁场转速一样，都是同步速在稳态情况下，转子所产生的磁场与定子是相对静止的实际上，气隙磁场是定子与转子绕组产生的电流之和。电网直接启动速度(tr/min)电流(A)异步电动机的转速异步电动机的转速可表示为：式中S称为滑差率；当电机刚刚开始起动时，n=0，s=1；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；额定负载情况下，s为2—5%，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。滑差率的大小反映了电机的不同运行状态。异步电机的等值电路模型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以及激磁阻抗Rm,Xm等；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。异步电机的转矩特性蓝色为转矩特性，红色为负载特性，(nN,TN)为额定工作点Tm为可能产生的最大转矩Tst为起动转矩异步电机机械特性与电源电压的关系输出转矩与电压的平方成正比；起动转矩与电压的平方成正比；随着电压的降低，最大转矩，起动转矩以及转速都会降低；降低电源电压，可以降低起动电流，但起动转矩成平方倍地下降；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；这种方法不适于调速，因为调速范围很窄而且效率很低。异步电机机械特性与转子电阻的关系最大输出转矩Tm的大小与转子电阻R2的大小没有关系。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。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；对绕线转子电机，若在转子绕组中串联大小可调的电阻，则能够调节稳定运行的转速；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。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。异步电机机械特性与电源频率的关系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；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。在频率很低的情况下，机械特性变差。复习转速的公式电机和负载的转速与频率，电机的极数和滑差率有关。改变滑差调速调节电源电压：在电源与电机之间串电抗通过调压变压器或自耦变压器效率低下，功率因数低成本高调速效果不明显改变转子电阻可连续调速，甚至可以控制电机反转，适用于提升应用可以获得较好的起动特性逐级切换电阻和频敏电阻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效率低下，调速范围在额定转速以下装置复杂，体积大，电机和起动装置成本高维护频度高且维修成本高。逐渐淘汰变极调速对恒定转矩的负载，转速与电机绕组的极数成反比；这种方法在过去的机床行业和风机中获得广泛的应用；为有级调速，能获得的转速数目只有两种或三种；不能连续调速；需要电机定子有多套绕组或绕组有多种接法；电机造价高，效率低；逐渐淘汰变频调速转速与频率成正比能够连续调速操作方便，噪声低调速范围宽，调速精度高效率高，功率因数高（采取措施）可以控制起动，运行，停止（锁定输出，线性制动或软停止）可靠性高，易于维护起动电流和运行电流小，过载能力大传统调速方法的优缺点机械调速(制动器,离合器,齿轮箱,皮带轮,链条等)有极调速,效率低下液力耦合器可实现无级跳速成本适中装置复杂,维护量大机电式滑差调速(绕线转子电机)实现简单,成本适中绕线电机结构复杂,维护量大效率低下涡流调速简单可行连续调速效率低下,需要冷却装置(水冷或空气冷却)变频器和软起动器的区别软起动器软起动器是一种智能化的降压起动器,在起动电机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.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变频器变频器可以实现软起动和软停止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电机起动后可以不以工频转速运行变频器在起动电机的同时不必降低起动转矩结论从功能上,变频器可以取代软起动器,但软起动器不能取代变频器从成本上,变频器高于软起动器,但其优势自不待言.变频调速的优势效率最高的调速方法维护率很低控制灵活,可集成多种功能可四象限运行使用最最普通的鼠笼式异步电动机初始投资可能略大,但是可以快速收回投资,并创造更多的经济效益节能,尤其是风机,泵和空气压缩机机械磨损减少,降低维护费用提高产品质量和生产效率,软起动,减少对电网和设备的冲击中央空调系统的控制送风风机采用流量调节的方法及效果比较图示四种流量调节方法节能效果比较在80%流量处:挡板控制–吸收93%电动机功率IGV控制–吸收70%电动机功率涡流耦合控制–吸收67%电动机功率VSD控制–吸收51%电动机功率变频器快速增长的原因节能,尤其是风机,泵和压缩机应用通过减少传动环节的应力提高机械设备的使用寿命减少电机中的电流冲击,从而延长电机的使用寿命可以使用通用的鼠笼式异步电机,价格低廉,安装维护简单,易于采购采用变频器,改造原来的绕线转子电机或直流电机非常简单变频器内无接触器和其他运动部件,是固态设备,可靠性高变频器在加工过程中的作用过程控制可以采用数字量和模拟量控制可以采用串行连接和总线控制过程宏和专用菜单有助于过程控制的实现和完善从某一角度讲,变频器内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.过程监视变频器的数字输出,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.提高产品质量气流冷冻器对产品的可控冷却过程减少对敏感流体的损伤(如牛奶)避免由于阀门损坏和过热引起的问题变频器在机械控制中的作用减少维护量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.变频器可以明显减少泵对供水管网的冲击,从而可以减少对长距离供水管网的维护.降速运行可以延长轴承的使用周期.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.削弱振动和噪声在低于额定转速的情况下,泵和风机的噪声大幅度降低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通过变频控制还可以避免机械设备固有的共振同步速以上运行通过变频器,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多个传动点联动运行通过变频器,可以方便地控制多个传动点,使其同步或比例运行变频器对电气方面的影响频繁的起停控制由于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电气保护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.效率变频器的效率很高,可以最大限度地降低电机的损耗.变频控制的效率远远优于其它的调速方式变频器对供电系统的影响软起动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对其它设备的影响几可忽略不计可以减少变压器,开关,电缆及其保护装置的容量,节省投资.对于有备用发电机的场合,发电机的容量可以减少30-50%功率因数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.短路容量通过变频器,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.变频器在风机,泵,压缩机应用中的其他好处不再需要压力缓冲装置相对间歇运行的系统控制效果更加连续通过一台变频器可以简化多泵控制系统消除起动,停止时的冲击,延长泵,轴承,阀门和管网等的寿命延长泵的密封和叶片的使用寿命比截流阀和挡板提供更宽的控制范围相对阀门控制线性度和控制精度更高对旧的管网提供压力限幅变频器带来的负面影响及其对策能耗方面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%谐波电流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射频干扰伴随PWM(脉宽调调制)的高速切换形成射频干扰变频器设计时需要考虑抑制这种射频干扰,例如采用射频干扰滤波器对于异常敏感的场合需要安装附加射频干扰滤波器电机噪声变频器的传统设计会给电机带来额外的噪声通过提高开关频率和WhisperWave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变速驱动器结构控制部分应用功能变速驱动器HMII/O通讯端口PLCM功率部分主电源变频器制动电机/驱动器保护EMC滤波器电机控制TorqueSpeedfeedback供电网络（定压定频）整流完整流滤波后变压变频滤波逆变M变频主电路部分整流TSRD1D2D3D4D5D6整流桥M3~T1T2T3T4T5T6InverterC滤波预充电RST滤波平滑直流侧电压整流桥整流电压逆变器产生频率和电压都可变的三相交流电umimPWM控制主回路结构整流电压电网电压整流电流进线电流整流器3-相整流桥工作波形三角载波参考波脉冲宽度调制单相逆变示意逆变器以及脉宽调制（PWM）电流电压单相逆变器示意单相PWM逆变器波形线电压电流3相逆变器3-相PWM输出波形变频控制策略：V/F控制Module09U/f控制交流电机U/f控制

调速范围宽：从0到最高机械速度

整个调速范围保持力矩性能-提供与负载无关的加减速-按照设定的减速曲线减速变速驱动的目标目标是在整个调速范围内保持力矩.电机内磁通必须维持恒定.频率50Hz力矩10Hz30Hz0磁通问题速度变化=频率变化.

p=polespairs对异步电机来说，磁通主要由定子产生定子由电压为U，频率为f的交流电源供给

恒磁通控制磁通恒定要求U/f恒定U/F控制定子压降补偿VnFnVm

电压频率V0为了在低速时必须对定子电阻上的压降进行补偿RsRr

/glslrLmImIsIrU/F控制U/F实验室测试的力矩特性曲线(11kW400V50Hz)Tn2.TnSlipping1hz30hz40hz为了实现变速，必须变频为在整个调速范围内维持力矩输出，电压/频率必须保持恒定。V/F控制方式是最简单的变频器调速方式尽管这是最简单的控制方式，但即使在最新推出的产品中，仍然被广泛采用。对于负载冲击不大，起动扭矩要求不高的应用，这种方式是较好的选择。同样，对于特殊的电机驱动情形，这也是最好的选择，特殊情形包括:特殊或未知电机高速电机并联电机通过变压器再驱动电机小电机测试要点总结变频控制策略：矢量控制Module09矢量控制问题提出

前节论述的基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是，如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。A1A2Us1(Is)异步电机的多变量、强耦合模型结构

矢量控制的原理直流调速系统有着优异的动静态调速性能。原因是直流电机的磁通可通过单独调节励磁电流来实现控制，与电枢电流调节彼此互不影响，容易做到磁通恒定，在磁通恒定的情况下，扭矩与电枢电流成正比。而交流电机的磁通无法单独控制。异步电机的模型是多输入（电压，电流，频率，相位）、多输出（磁通、转矩），并且多个变量耦合在一起的－－－－调节电压、电流既影响磁通又同时影响转矩。矢量控制的出发点是通过数学的方法，对交流电机的模型进行解耦，使各物理量分解为励磁分量和转矩分量，然后模仿直流电机的控制方法进行控制。（1）交流电机绕组的等效物理模型ABCABCiAiBiCFω1a）三相交流绕组（2）等效的两相交流电机绕组Fiiω1b）两相交流绕组

（3）旋转的直流绕组与等效直流电机模型1FMTimitMTc）旋转的直流绕组

两相静止和旋转坐标系与磁动势（电流）空间矢量

itsiniFs1imcosimimsinitcosiβitMT图6-52异步电动机的坐标变换结构图3/2——三相/两相变换;VR——同步旋转变换;——M轴与轴（A轴）的夹角

3/2VR等效直流电机模型ABC

iAiBiCit1im1ii异步电动机

异步电机的坐标变换结构图

矢量控制系统原理结构图

控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*m1i*t1

1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号

图6-53矢量控制系统原理结构图VR-12/3LrATRASRAR电流变换和磁链观测M3~TA+++cos

sin

isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCistPWM变频器微型计算机

系统组成带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统

矢量控制T/Tn自动补偿(定子压降和滑差补偿)Fn13FhzU/F控制和矢量控制性能对比矢量控制的性能100%200%U/F控制

低速力矩降低Fn510T/TnFhz无滑差补偿手动补偿矢量控制的性能矢量控制下实验室性能测试曲线整个速度范围提供200％扭矩T/TnFrequency滑差很小RatedSpeed50hzRatedTorque矢量控制的性能特别是低速性能提高5hzFrequencyRatedTorque闭环完全没有滑差0hz输出扭矩T/Tn开环还是闭环?需要矢量控制的应用起重物料处理快速循环高惯量机械开环控制的性能可提供超过200％的起动扭矩1%速度以上提供最大扭矩动态响应较好速度精度1%左右闭环的优点:提供0速扭矩速度精度高于1%机械运作更安全更好的力矩控制性能，更好的动态性能变频控制策略：直接转矩控制基于动态模型按定子磁链控制的

直接转矩控制系统概述直接转矩控制系统简称DTC(DirectTorqueControl)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较

DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。

矢量控制系统特点VC系统强调Te与Ψr的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按Ψr定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。DTC系统特点DTC系统则实行Te与Ψs砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。

直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无[注]有调速范围不够宽比较宽负载