《变频及伺服应用技术》绪论

21四月2024变频及伺服应用技术2024/4/21绪论

21四月2024绪论内容一、变频技术的发展及应用二、步进、伺服的发展及应用21四月2024定义：以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。构成：中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器

变频技术的发展及应用一21四月2024序号意义有代表意义的行业或设备1节能风机、水泵、注塑机2提高产品质量机床、印刷、包装等生产线3改善工作环境电梯、中央空调

电气传动的目的：

根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩。电气传动的意义：注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能21四月2024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20世纪70年代以前直流占统治地位，交流电机只在定速机械上使用。20世纪90年代中期交流变频调速逐渐成为调速领域的主角。交直流电气传动的特点：直流电动机电枢电压只能做到1000多伏，转速每分钟数百转到1000多转。交流电动机电压可做到6～10kV，转速可达每分钟数千转。21四月2024交流异步电机的机械特性公式

n＝60f/p(1-s)n：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T：电机力矩N：速度n0负载1异步机机械特性负载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负载1负载2T：电机力矩同步机机械特性异步电动机发明于19世纪八十年代，变频器成功于20世纪八十年代。为什么期盼了近百年？21四月2024单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1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21四月2024变频技术的物质基础开关器件的发展是改变同步频率的关键技术

变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在变频器中，开关器件必须要满足一定的条件，这些条件是：（1）能承受足够大的电压和电流。（2）允许长时间频繁地接通和关断。（3）接通和关断的控制十分方便。电压必须在1000V以上，电流必须在700A以上IGBT的特点：耐压1200V

开关频率高达30～

40KHZ

驱动电路电流小，功耗很少电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。1904晶闸管问世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）1930194819571970198019902000t(年)晶体管诞生开关器件的发展史21四月2024

变频器开关器件种类晶闸管（SCR）（20世纪50年代美国通用电气公司为变频器的发展提供了划时代的基础硬件）门极可关断晶闸管（GTO）（20世纪60年代）电力晶体管（GTR）（20世纪70年代）

电力场效应晶体管（MOSFET）（20世纪70年代）绝缘栅双极晶体管（IGBT）（20世纪80年代）集成门极换流晶闸管（IGCT）（20世纪90年代）智能功率模块（IPM）---组件）（20世纪90年代）

变频器起步于晶闸管，普及归功GTR，提高全靠IGBT21四月2024电力电子器件的应用领域电气化铁道、电动汽车、航空、航海20世纪80年代以前主要采用直流传动牵引；20世纪90年之后，主要采用交流传动牵引（即变频）。1999年5月我国株洲电力机车厂研制出时速200KM的子弹头电力机车。2001年，研制的中华之星，设计时速270KM，试验时达到了321.5KM/小时的中国铁路第一速。我国进入高铁时代。高铁的运行时速350KM。单相25KV牵引接触网。牵引电机传动和车辆辅助电源在交通运输领域中的应用21四月202421四月2024

名称代号控制方式最大电压电流及频率双极型晶体管BJTGTR电流控制Um：450-1400VIm：300-800AFm：10KHz-50KHz门极关断晶闸管GTO电流控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1KHz-10KHz绝缘栅双极晶体管IGBT电压控制Um：1800-3300VIm：800-1200AFm：20KHz-50KHz集成门换流晶体管IGCT电压控制Um：500-600VIm：4000-6000AFm：1KHz-10KHz21四月2024变频技术的理论基础控制理论不断成熟早期通用变频器主要采用恒压频比（V/F）PWM控制方式，随着矢量控制技术、直接转矩控制技术的出现使得电动机变频后的机械特性可以和直流电机相媲美。

U/f控制矢量控制直接转矩控制绿色变频器21四月20241.变频器概念：由计算机控制电力电子器件，将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电气设备，用于驱动交流电动机进行连续平滑的变频调速。2.调速系统的发展历程

(1)定速拖动：电机转速不可调

(2)直流调速：直流电机体积大、造价高、维护复杂、不节能；调速性能较好（调速方便、调速连续性、机械特性硬度）

(3)交流调速：电机体积小、价格低、性能好、维护方便、节能、控制精度高。

(4)U/f控制矢量控制直接转矩控制绿色变频器21四月2024调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速，系统简单，最多4段速调压调速无级调速，调速范围窄电机最大出力能力下降，效率低系统简单，性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高系统复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美早晚发展时间在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉还是在一些性能较低的传动现场使用3.交流电气传动系统的发展历程21四月2024变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF(VariableVoltageVariableFrequency）变频器的控制对象：三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极序号优点1平滑软启动，降低启动电流，减少变压器占有量，确保电机安全2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度3无级调速，调速精度大大提高；节能。4电机正反向无需通过接触器切换5非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）21四月2024电机控制算法功率器件V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSP

IGBT大容量化更高速率和容量如：矩阵式变频器大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP专用芯片00年代超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化

更大容量更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用21四月20246.变频器的发展趋势1、低电磁噪音、静音化

新型通用变频器除了采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化外(载波频率越高,电磁噪音越小,漏电流噪声越大),还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC，而在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。如三菱公司的柔性PWM控制技术，实现了更低噪音运行。

2、专用化

新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。

21四月20243、系统化

通用变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化”（TIA）平台概念，可以使变频器、伺服装置、控制器及通讯装置等集成配置，甚至自动化和驱动系统、通讯和数据管理系统都可以像驱动装置通常嵌入“全集成自动化”系统那样进行，目的是为用户提供最佳的系统功能。

4、网络化

新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP、Interbus-S、DeviceNet、ModbusPlus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CANOpen、T-LINK等通讯。如西门子、VACON、富士、日立、三菱、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。5、操作傻瓜化

新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。如西门子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一种称为“易于使用”的成功概念，使得在连接技术、安装和调试方面的操作变得非常简单。21四月20247.我国变频器的应用现状

(1)起步较晚；20世纪80年代国外规模化应用，1982年我国初次应用，93年前后企业开始应用。

（2）目前，进入“黄金时期”；98年开始用量快速上升，2002年开始应用广泛，现在仍然处于应用量上升的高峰期。（3）变频调速的效果：节能、提高速度和精度、提高生产率和产品质量、延长设备使用寿命、增加使用者的舒适度；（4）变频器的应用目前不足五分之一，原因是变频器应用人才的缺乏。

20世纪80年代初，大连电机厂引进日本东芝的变频技术。接着日本三垦公司、日本富士电机公司把变频器推进中国，使我国的电机调速打破了直流调速的垄断局面，开始了交流电机变频调速时代。

21四月2024国内低压变频器市场需求（亿元）数据来源：中国工控网21四月2024中国市场变频器竞争情况－竞争品牌红色：主要对手

蓝色：需关注的对手欧美品牌

西门子、科比、伦茨、施耐德、ABB

丹佛斯、ROCKWELL、VACON、AB、西威

日本品牌

富士、三菱、安川、三垦、日立、欧姆龙松下电器、松下电工、东芝、明电舍国产品牌

汇川、英威腾、欧瑞（烟台惠丰）、森兰、安邦信、佳灵、蓝海华腾港台品牌

台达、普传、台安、东元、美高

韩国品牌

LG、现代、三星、收获

步进、伺服的发展及应用三伺服（Servo）一词来源于希腊语“奴隶”的意思。顾名思义就是指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，而其中的运动要素包括位置、速度和力矩等物理量。回顾伺服系统的发展历程，从最早的液压、气动到如今的电气化，由伺服电机、反馈装置与控制器组成的伺服系统已经走过近50个年头。21四月20241、伺服的作用21四月2024

2、伺服系统的构成21四月20243、电气伺服系统三个主要发展阶段（1）以步进电机驱动的开环控制系统以步进电机驱动的液压伺服马达或以功能步进电机直接驱动为中心，伺服系统的位置控制为开环系统。（2）直流（DC）伺服系统50年代，无刷电机和直流伺服电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机应用的全盛时代。

由开环闭环。永磁直流伺服电机在数控机床中的应用占统治地位。21四月2024（3）交流（AC）伺服系统

20世纪70年代开始应用，20世纪90年代，交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。交流伺服的控制方式迅速向微机方向发展，并由硬件伺服向软件伺服发展。

低档的伺服系统调速范围在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以达到1：100000以上；定位精度一般都要达到±1个脉冲21四月20244、交流伺服在我国的发展历史1970年代开始跟踪开发交流伺服技术主要研究机构：北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所80年代之后开始进入工业领域，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，目前国内主要的伺服品牌或厂家有森创（和利时电机）、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。21四月20245、伺服系统的应用（在搬运控制中的应用）在工业高度发达、自动化不断进步的今天，搬运设备已成为不可或缺的项目搬运机（垂直）自动仓库·分拣系统由于导入了伺服机构，可提高机械速度，从而提高生产效率。可在指定位置正确停止，采用带电磁制动器的伺服电机，可防止停车时货物下降。自动仓库·分拣系统在自动仓库中，分拣部和行走部都已越来越多地采用AC伺服电机，可实现高速运行以及平稳的及加减速。与SCM（供应链管理）相结合的自动仓库·分拣系统从原料采购到商品发送等各个环节，可大大提高物流库存管理的效率。21四月20245、伺服系统的应用（在卷材设备中的应用）：21四月20245、伺服系统的应用（在食品设备中的应用）：21四月20245、伺服系统的应用（在机床设备中的应用）：21四月