变频器技术交流 课件

变频器技术交流1生存与节能一、生存与节能2生存与节能-江苏力普电子CO2排放量前五位的国家(2005),从2007年起中国CO2排放量已经排到第一在过去的一个世纪里，全球表面平均温度上升了0.3~0.6℃，海平面上升了10~25cm。如果世界能源消费的格局不发生根本性变化，到21世纪中叶，全球平均温度可能上升1.5~4℃。3生存与节能-江苏力普电子2006年CO2排放量国家排名环球能源网根据碳监测行动（CARMA）网站提供的2006年数据，对全球各国的CO2排放量进行了比较排行，见下表：

4生存与节能-江苏力普电子2007年CO2排放量国家排名

据在德国Bonn召开的联合国气候变化会议发布的信息，中国2007年CO2排放增长8％，从而使全球2007年CO2排放增长3.1％。

中国作为最大的CO2排放国，已占全球CO2排放份额的1/4（24％）。美国是第二大CO2排放国，占全球CO2排放份额21％；欧盟占12％；印度占8％；俄罗斯占6％。美国居人均CO2排放量首位，为人均19.4吨；其次是俄罗斯为11.8吨；欧盟为8.6吨；中国为5.1吨；印度为1.8吨。5生存与节能-江苏力普电子2008年世界各国的CO2排放量该图表反映的是2008年世界各国的CO2排放量。中国，成为了一个并不体面的冠军6生存与节能-江苏力普电子7生存与节能-江苏力普电子《京都议定书》与哥本哈根气候大会悬剑中国经济

《京都议定书》的生效和哥本哈根气候大会的召开给中国的经济尤其是出口带来一些不可预知的风险。中国是二氧化碳排放大国，又没有减排义务，已经引起了很多国家的不满，尤其在哥本哈根气候大会上，各发达国家把矛头一齐对准中国。为此,中国政府已经承诺作为一个负责任的政府，共同应对全球气候变暖问题。8生存与节能-江苏力普电子“十五”期间能源消费弹性系数及产值能耗2005年日本万元国内生产总值能源消耗0.28吨标准煤2006年中国万元国内生产总值能源消耗1.21吨标准煤9生存与节能-江苏力普电子10生存与节能-江苏力普电子当代世界八大环境问题全球气候变化臭氧层破坏和损耗酸雨污染土地荒漠化森林植被被破坏生物多样性锐减海洋资源破坏和污染有机物的污染与高能耗产业排放有关11生存与节能-江苏力普电子2005年中国酸雨分布状况及部分地区历年的变化12生存与节能-江苏力普电子酸雨的危害(示意图）13生存与节能-江苏力普电子14生存与节能-江苏力普电子对节能工作投资回报的解读节能投入>有效期内的节能回报这类项目不宜实施节能投入<有效期内的节能回报这类项目可实施节能投入=有效期内的节能回报这类项目?

这类项目是否实施要看对社会和环境的贡献，如果这类项目对社会和环境是有益的，项目应该实施。15生存与节能-江苏力普电子

节能不只是节约能源，而是为子孙后代创建一个：稳定的生态！健全的体魄！富饶的土地！宝贵的资源！和谐的环境！和谐社会16生存与节能-江苏力普电子

中国政府《关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》中明确提出“十一五”时期的主要目标是：在优化结构、提高效益和降低消耗的基础上，实现2010年人均国内生产总值比2000年翻一番；资源利用效率显著提高，单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低20％左右，生态环境恶化趋势基本遏制。17生存与节能-江苏力普电子

单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低20％左右的行动已经开始。

国务院总理温家宝在4月28日主持召开国务院常务会议，部署进一步加大工作力度确保实现“十一五”节能减排目标，推行用电阶梯价格。

会议指出，“十一五”前四年，节能减排工作取得重要进展，全国单位国内生产总值能耗累计下降14.38%，但与“十一五”降低20%左右的目标仍有较大差距，节能减排形势十分严峻。

会议强调，实现“十一五”节能减排目标是政府向全国人民作出的庄严承诺，今年是决战之年，现在只有八个月时间了，各地区、各部门必须进一步增强紧迫感、责任感，采取强有力、见效快的措施，确保目标的实现。为此，中央安排了833亿资金用于支持十大重点节能工程以及污染治理等建设。各地区节能减排专项资金要向能直接形成节能减排的项目倾斜。对未完成“十一五”节能目标任务的地区，对中央和地方监管部门，都要追究领导责任，根据情节给予处分。对于高能耗的小火电等高能耗产业要逐步关停。18生存与节能-江苏力普电子

通过调研和分析，以风机、水泵类负载为例，设计选型原因使实际设备容量比正常额定运行工况偏大15～20%，个别机组由于产品系列化在实际设备配套方面富裕量达到40～50%。有的由于工艺的要求，机组运行在30～100%工况的范围，在这种情况下，损失在调节阀门和挡板的能耗所占比例将更大，造成能源浪费，阀门和挡板维修量增大，变频改造是解决这些问题积极有效的办法。19生存与节能-江苏力普电子二、电气传动20江苏力普电子电力传动系统运动方程式T电机转矩－T负载转矩P电机功率=T电机转矩×N电机速度×K常数

MT电机转矩T负载转矩中间传动机构终端机械T电机转矩>T负载转矩－－－加速运行

T电机转矩<T负载转矩－－－减速运行

T电机转矩＝T负载转矩－－－恒速运行电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关21电气传动基础知识-江苏力普电子T电机转矩－T负载转矩

MT电机转矩T负载转矩中间传动机构终端机械速度模式：以保持转速恒定为目的，如常规调速系统（电梯、各类生产线）。控制设备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，恒速时电机转矩肯定等于负载转矩转矩模式以控制电机转矩恒定为目的，如：开卷/收卷，电机转矩肯定等于负载转矩，但电机的运转速度不确定。如果电机转矩始终大于负载转矩，则速度持续上升直至设备限速或损坏如果电机转矩始终小于负载转矩，则速度为0或最低（下限）速度为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护22电气传动基础知识-江苏力普电子电动机电动机传动机构生产机械负载特性T负载转矩摩擦恒转矩生产流水线起重行走势能恒转矩电梯起重机提升负载转矩大小与与转速无关恒功率（速度越低，负载转矩越大）机床开卷机/收卷机变转矩（速度越低，负载转矩越小）风机水泵23电气传动基础知识-江苏力普电子直流电气传动系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，一种调速方式性能优良，对硬件要求不高

电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护交流电气传动系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂，有多种调速方式性能较差，对硬件要求较高电机无电刷，无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏，适应恶劣现场基本免维护70年代以前直流占统治地位交流调速只在大功率电机调速上使用24电气传动基础知识-江苏力普电子交流异步电机的机械特性公式

n＝60f(1-s)/pn：电机转速

f：给电机供电的交流电频率

p：电机极对数

s：转差率负载1N：速度n0异步机机械特性T：电机力矩负载2交流同步电机的机械特性公式

n＝60f/pn：电机转速

f：给电机供电的交流电频率

p：电机极对数n0同步机机械特性T：电机力矩负载1负载225电气传动基础知识-江苏力普电子

基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。26电气传动基础知识-江苏力普电子交流电机调速的分类情况27电气传动基础知识-江苏力普电子异步电机的变极调速28电气传动基础知识-江苏力普电子电磁调速电磁调速技术是通过电磁调速电机实现调速的技术。电磁调速电机(又称滑差电机)由三相异步电机、电磁转差离合器和测速发电机组成，三相异步电机作为原动机工作。该技术是传统的交流调速技术之一，适用于容量在0.55～630kW范围内的风机、水泵或压缩机。

29电气传动基础知识-江苏力普电子电磁调速30电气传动基础知识-江苏力普电子串级调速串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是电机串级调速系统。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电机串级调速电路是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电机，使系统复杂化，应用不多。电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。31电气传动基础知识-江苏力普电子定子调压调速定子调压调速是用改变定子电压实现调速的方法来改变电机的转速，调度过程中它的转差功率以发热形式损耗在转子绕组中，属于低效调速方式。由于电磁转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电机的机械特性，与某一负载特性相匹配就可以稳定在不同的转速上，从而实现调速功能。

32电气传动基础知识-江苏力普电子转子串电阻调速33电气传动基础知识-江苏力普电子变频调速34电气传动基础知识-江苏力普电子35电气传动基础知识-江苏力普电子三、变频器原理36江苏力普电子

~380V50HZf

=0~500HZ37变频器原理-江苏力普电子

N0=60f/p（同步电机）

N=60f(1-s)/P（异步电机）式中：f-频率

p-极对数

s-转差率（0～3%或0～6%）

由转速公式可见，只要设法改变三相交流电机的供电率f，就十分方便地改变了电机的转速N。实际上仅仅改变电机的频率并不能获得良好的变频特性。变频器的调速原理38变频器原理-江苏力普电子感应电机稳态模型:T型等效电路

感应电机稳态模型:简化等效电路

39变频器原理-江苏力普电子磁通传递能量40变频器原理-江苏力普电子磁通量须恒定Φ↓→TM=KTI2ΦMCOSφ2↓Φ↑→磁路饱和→励磁电流畸变，产生尖峰电流磁通量Φ↑磁路饱和电流增大磁通量Φ↓电机转矩TM下降41变频器原理-江苏力普电子变频须变压：定子绕组电动势：Eg=4.44K1N1f1Φ

Us

≈E1g故

Us=KMf1

ΦΦ=KΦUs/f1=常数故

Us

/f1=常数

要保持Φ恒定，电压与频率必须成比例变化42变频器原理-江苏力普电子～整流部分储能环节逆变部分M交流低压交直交通用变频器系统框图交流控制系统直流直流交流整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦43变频器原理-江苏力普电子低压变频器主电路结构图44变频器原理-江苏力普电子整流和滤波电路45变频器原理-江苏力普电子单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通f1U1S2,S4导通EdS1,S3导通S2,S4导通f2逆变器的功能：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序46变频器原理-江苏力普电子调制解调器调制解调器的英文是MODEM，其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。电子信号分两种，一种是“模拟信号”，一种是“数字信号”。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时，就必须使用调制解调器来“翻译”两种不同的信号。连入Internet后，当PC机向Internet发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号“翻译”成模拟信号，才能传送到Internet上，这个过程叫做“调制”。当PC机从Internet获取信息时，由于通过电话线从Internet传来的信息都是模拟信号，所以PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译”,这个过程叫作“解调”。合起来就是“调制解调”。47变频器原理-江苏力普电子PWM（PulseWidthModuration）调制PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频率可变的电压脉冲列。SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同载波48变频器原理-江苏力普电子正弦脉宽调制（SPWM）49变频器原理-江苏力普电子实现SPWM（单极性）50变频器原理-江苏力普电子逆变SPWM等幅不等宽的矩形脉冲波形面积，与正弦波形面积等效。变频器是一种电源变换的设备，给电动机提供的电源必须满足电动机的使用要求。即输出正弦波形的电压和电流。逆变器的特性：51变频器原理-江苏力普电子变频器的基本接线图

52变频器原理-江苏力普电子输入侧额定工作电压：给变频器供电的额定工作电压，各国家不完全一样。中国是220V/单相/50HZ或380V/3相/50HZ电压允许波动：限制变频器的最高和最低工作电压，避免损坏变频器当电压超过最高值时变频器并没有保护能力频率波动范围：50/60Hz±5％输出侧

额定输出电压：变频器的最大输出电压，由额定工作电压决定额定电流：变频器能够长期输出的最大电流过载能力：变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间，由逆变模块决定最大输出频率：变频器能够输出的最大工作频率频率精度：输出频率的准确度（相对于设定频率）频率分辩率：指给定运行频率的最小改变量防护等级

IP20(不防水）变频器关键技术指标53变频器原理-江苏力普电子低速转矩下降电动机在fx＜fN时的机械特性U/f=恒定值条件下的机械特性54变频器原理-江苏力普电子

转矩下降的原因分析

U1下降→I1r1在U1中的比例增大55变频器原理-江苏力普电子低频电压补偿（转矩提升功能）

△U的大小随负载电流而变化，与变频器的输出频率也有关；

U/F的比值只能设定一次；所以负载变动时不能始终工作在最佳状态，即轻载时磁路易饱和，因此要准确计算补偿电压是非常困难的。电压补偿的特性56变频器原理-江苏力普电子

变频器可以对电机的输入电压和输入功率进行控制，因此，在电机负载低于额定负载时，采用变频器控制电机运行，必然可以起到节能目的。这是因为，在一定负载下，变频器在额定频率以下可以输出较大的力矩，从而使电机的输入功率减小。变频器节能的实质是减少了无用功输入，使电机的铁耗和铜耗大幅度下降。

变频器的节能原理57变频器原理-江苏力普电子变频器的输出电流58变频器原理-江苏力普电子电流和功率的关系59变频器原理-江苏力普电子

变频器各部分电流关系：

变频器输出电流IM取决于负载转矩，当负载转矩恒定，IM大小与速度无关；直流回路的电流随频率下降而减少；变频器输入电流随频率下降而减少。60变频器原理-江苏力普电子速度一转矩特性（V/f一定）由图可看出，随着频率的变化，转矩特性的直线段近似为一组平行线，电动机的最大转矩相同，但产生最大转矩的转差不同，所对应的转差频率不变，同步转速随着频率的降低而降低。变频调速情况下的电机机械特性61变频器原理-江苏力普电子电机降速耗能低电动机调速的特点62变频器原理-江苏力普电子四、变频器的应用63江苏力普电子使用目的内容自动化提高搬运机械停止位置精度，提高生产线速度控制精度，采用有反馈装置的流量控制实现自动化提高产品质量生产加工实现最佳速度控制及协调生产线内各装置的速度，使其同步，同速提高产品质量和加工精度提高生产率根据产品种类，实现生产线的最佳速度和加减速度，提高生产率提高产品合格率不损害产品质量条件下，设备加速时间最小化，实现对外界各种干扰速度的稳定性来提高产品合格率增加设备使用寿命采用对设备不产生冲击的起动，停止和空载时低速运转，增加设备使用寿命设备小型化采用高速化的设备小型化增加舒适性电梯、电车等，采用平滑加速、减速，以提高乘坐的舒适性环境舒适改变空调位式控制为PID控制，使空调小功率连续运转，实现环境舒适植物、家禽、良好培植，养育使空调在植物，家禽最佳条件下运转，帮助发育低噪声根据负载降低转速，以减少机械和风的噪声节能采用交流变频调速有时节能达20~50%应用变频器的目的64变频器的应用-江苏力普电子使用领域使用对象钢铁轧钢机、辊道、鼓风机、起重机、搬运机轧铜制线拉线机、卷绕机、鼓风机、泵、起重机化学挤压机、胶片传送带、搅拌机、离心分离机、压缩机、喷雾器、鼓风机、泵纤维纱纺机、精纺机、织机、空调、鼓风机汽车传送带、搬运机、涂料搅拌、空调电机、机械泵、起重机、传送带、空调、鼓风机机床车床、立车、旋转平面磨床、机械加工中心、剃齿机食品制面机、指点心机、传送带、搅拌机造纸造纸机、风机、泵、粉碎机、搅拌机、鼓风机水泥回转炉、起重机、鼓风机、泵矿业提升机、传送带、掘削机、起重机、鼓风机、压缩机煤气压缩机、鼓风机、泵、搬运机交通电车、电力机车、汽车装卸搬运自动仓库、搬运车、汽车、船舶推进、装卸机械、空压机、飞机工厂建筑电梯、传送带、空调、鼓风机、泵农业养猪、养鸡、养鱼、制茶机、灌溉用泵、空调生活服务空压机、缝纫机、电风扇、陈列柜用泵、工业及家用洗衣机电力锅炉鼓风机、泵、扬水发电站、飞轮实验研究风洞实验、主轴实验、离心分离机石油游梁式抽油机、输油泵、注水泵变频器在不同领域中的使用对象

65变频器的应用-江苏力普电子三种典型负载特性-恒转矩负载恒转矩负载及其特性a）带式输送机b）机械特性c）功率特性66变频器的应用-江苏力普电子三种典型负载特性-恒功率负载恒功率负载及其特性a）卷径最小时

b）卷径较大

c）卷径最大67变频器的应用-江苏力普电子三种典型负载特性-二次平方负载二次平方负载及其特性a）风机示图b）机械特性c）功率特性--TL=KL*n2--PL=KP*n368变频器的应用-江苏力普电子变频器输出端接入电抗器的场合当电机与变频器距离较远时，需要接入输出交流电抗器输出电抗器作用：

抑制变频器电磁幅射干扰抑制电动机电压谐振69变频器的应用-江苏力普电子输入交流电抗器作用：1）提高功率因数2）抑制高次谐波3）削弱电流浪涌70变频器的应用-江苏力普电子接入输入交流电抗器的场合接入交流电抗器的场合a）多台变频器接同一电源b）同一电源上接有大容量晶闸管设备c）变压器容量超过变频器容量十倍以上d）电源电压不平衡度≥3%71变频器的应用-江苏力普电子直流电抗器作用：1）提高功率因数2）拟制电流尖峰72变频器的应用-江苏力普电子变频器的干扰源变频器的电压、电流波形73变频器的应用-江苏力普电子电路耦合干扰—电路传播：1）电源线2）地线措施：1）隔离变压器2）光耦隔离3）正确接地74变频器的应用-江苏力普电子感应耦合干扰—电磁感应—静电感应1）电磁感应是电流干扰传播方式2）静电感应是电压干扰传播方式75变频器的应用-江苏力普电子抗干扰措施远离、相绞、屏蔽、不平行绞线抗干扰76变频器的应用-江苏力普电子空中幅射干扰—电磁幅射空中幅射与接地77变频器的应用-江苏力普电子抗干扰措施

1）准确接地2）接入滤波器接入滤波器抑制电磁幅射78变频器的应用-江苏力普电子五、变转矩负载节能分析

（风机水泵）79江苏力普电子风机类负载调节流量的方法通过出口挡板改变风机的管网特性曲线来实现对风机风量的调节通过入口挡板改变风机特性曲线来实现对风机风量的调节通过改变风机的转速实现对风机风量的调节80变转矩负载节能分析-江苏力普改变出口挡板调节风量通过变频器改变风机转速调节风量81变转矩负载节能分析-江苏力普圧力风量功率＝圧力×风量82变转矩负载节能分析-江苏力普节约的能量圧力風量功率＝圧力×风量变频调速节能83变转矩负载节能分析-江苏力普圧力风量功率＝圧力×风量风机变频调速84变转矩负载节能分析-江苏力普离心式风机入口导流器调节特性曲线离心风机入口导流器调节效率曲线85变转矩负载节能分析-江苏力普离心式风机不同调节方式耗电特性比较不同调节方式下的风机效率86变转矩负载节能分析-江苏力普相似定律分析泵与风机的工作原理，相似定律等效为：对相似定律本身及其简化公式的准确性，目前在理论分析、试验研究都不够完善，但在相似范围内误差在工程上是可以接受的（<5％）。87变转矩负载节能分析-江苏力普关于变频调速节能效益计算注意事项从审核变频改造项目和在变频节能改造后总结时，发现改造前后的经济效益计算普遍不正确，主要表现为：

a采用改造前后电流变化计算，这种方法是对变频器原理认识不清造成，现在使用的电压型变频器，变频器内部安装有很多大容量的电容器，将补偿电动机所需要的无功，为此从变频器电源入口看，在同样负荷下电流降低，这其中包括功率因数提高的原因，如一般电动机功率因数在0.82左右，变频器的功率因数在0.96以上，功率因数的不同造成的节能效果相差17％(＝（0.96-0.82）/0.82)。以上是不考虑转速降低时功率因数的变化，在低负荷电动机的功率因数比正常低，造成的误差将更大。

b变频改造后节能效果要减去变频器自身消耗和冷却风和控制系统消耗的能量（约4％），如安装空调，应将空调能耗考虑进去。88变转矩负载节能分析-江苏力普89变转矩负载节能分析-江苏力普变频调速带来的无节流效益和高效效益在相同输送流量下，变速运行的节能效益（相对出口节流调节）由两部分组成，一部分是降低泵与风机运行能头、避免调门节流损失，称为“无节流效益”，这项效益总是正值，往往也是最主要的效益；

另一部分是变速运行的效率一般比定速运行时的高，称为“高效效益”，这项对于多数系统是正值，但也有特例。90变转矩负载节能分析-江苏力普泵与风机变频改造范围的建议（以电厂为例）

除动叶可调轴流风机不进行变频改造，其他风机原则上均可进行变频改造，但具体设备要经过全面评估确定。

从运行原理上看，静叶调节轴流风机改为变频调节的节能量较小（相对离心风机）、但较动叶调节轴流风机改为变频调节的节能量大，根据具体情况确定是否进行变频改造。

电厂风机中最大的是脱硫增压风机，从节能角度看变频改造有必要性，但必须与引风机统一考虑。特别是一台机组只用一台增