電機與變頻器

1、員工培訓(xùn)1王新華電動機和變頻器培訓(xùn)電動機和變頻器培訓(xùn)應(yīng)用支持組（上海）應(yīng)用支持組（上海） 員工培訓(xùn)2王新華培訓(xùn)目的培訓(xùn)目的讓大家懂得電動機和變頻原理有助于我們變頻器業(yè)務(wù)的快速增長。員工培訓(xùn)3王新華異步電動機原理異步電動機原理員工培訓(xùn)4王新華異步電動機結(jié)構(gòu)異步電動機結(jié)構(gòu) 二部分組成定子 固定不動部分，固定在電動機的機座上； 由定子鐵心和繞組組成，鐵心由沖有線槽的矽鋼片疊壓而成，而繞組均勻地分布在鐵心的槽內(nèi)；轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)部分，固定在旋轉(zhuǎn)軸上有鼠籠式和繞線式兩類轉(zhuǎn)子； 由轉(zhuǎn)子鐵心和導(dǎo)體或繞組組成，鼠籠式轉(zhuǎn)子采用鑄鋁澆注而成，繞線式則由漆包繞組和滑環(huán)形成。接線盒外殼定子及繞組轉(zhuǎn)子絕緣員工培訓(xùn)5王新華磁場

2、的建立磁場的建立 定子三相繞組通過三相對稱交流電時，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 旋轉(zhuǎn)磁場的速度，稱為同步速度； n = 60f/p其中，f為交流電源頻率，P為電機極對數(shù) 磁場的幅值大小與流過定子的磁場電流成正比SN員工培訓(xùn)6王新華轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電勢，由于導(dǎo)體兩側(cè)的短路環(huán)，形成了感應(yīng)電流（右手定律） 通電的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生電磁力，從而形成力矩（左手定律） 值得注意的是，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的必需條件包括轉(zhuǎn)子與定子的旋轉(zhuǎn)磁場一定要有相對運動，也就是要有一定的異步滑差當轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速時，輸出的力矩為零導(dǎo)體在磁場中受力情況左手定律員工培訓(xùn)

3、7王新華轉(zhuǎn)子電流和滑差轉(zhuǎn)子電流和滑差 轉(zhuǎn)子電流的頻率與轉(zhuǎn)子切割定子磁場的相對速度有關(guān) 轉(zhuǎn)子的速度與定子的極數(shù)和頻率有關(guān) 例如：定子電流頻率50Hz，轉(zhuǎn)子的速度有可能為1500rpm或3000rpm，取決于定子的極數(shù)為4極或2極 滑差定子頻率與轉(zhuǎn)子實際速度之差 如果定子磁場速度為1500rpm，而轉(zhuǎn)子實際速度為1460rpm，所以存在著40rpm的滑差，也可以百分比表示，即2.7%。 轉(zhuǎn)子達到同步速時，滑差為0；轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時，滑差為1。員工培訓(xùn)8王新華轉(zhuǎn)矩與定子極對數(shù)轉(zhuǎn)矩與定子極對數(shù) 定子極數(shù)較為常用的有2，4，6，8等，其中4極最為普遍。 下表為每相極數(shù)與單位功率產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩關(guān)系每相的極數(shù)50Hz

4、 時 的 電機 名 牌 速 度（rpm）同 步 速 度（rpm）轉(zhuǎn) 矩 / 功 率（NTM/Kw）2288030003.34146015006.6698010009.9873075013.21059060016.51248050019.8員工培訓(xùn)9王新華電動機加速過程電動機加速過程定子通電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動前，滑差為1，導(dǎo)體與定子磁場相對速度最大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢很高，產(chǎn)生很大的啟動電流，轉(zhuǎn)子磁場也很高；（A點）轉(zhuǎn)子從靜止不斷加速，滑差減少，相應(yīng)轉(zhuǎn)子電勢和電流也隨之降低；（B-C-D-E）當接近同步速時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割較少的磁力線，感應(yīng)磁場也較弱；轉(zhuǎn)子的速度根據(jù)需要多大相對滑差保證一定的磁場切割來維持轉(zhuǎn)子不停

5、地轉(zhuǎn)動；ABCDEF滿負荷員工培訓(xùn)10王新華高頻轉(zhuǎn)子電流對電動機性能影響高頻轉(zhuǎn)子電流對電動機性能影響 轉(zhuǎn)子也存在電阻和電感 在零速時，由于電感引起的電抗在轉(zhuǎn)子總的阻抗的80%左右，引起轉(zhuǎn)子電流滯后轉(zhuǎn)子電壓近70-80度，造成轉(zhuǎn)子磁場漂移，對定子磁場產(chǎn)生去磁作用 定子磁場減弱，產(chǎn)生反電勢降低，定子電流上升，磁場不斷加強，產(chǎn)生足夠的加速力矩 轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，定子電流也隨之降低員工培訓(xùn)11王新華轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性 電動機轉(zhuǎn)矩可用下列表達式表示T = Kt Ir cosKt電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)勵磁磁通Ir轉(zhuǎn)子電流cos轉(zhuǎn)子電流相位移員工培訓(xùn)12王新華電動機損耗電動機損耗 由于定轉(zhuǎn)子之間存在一定的氣隙，定子必須提

6、供額外電流增加磁通密度，造成空載電流接近40%額定電流； 氣隙在電動機設(shè)計時盡可能小，但存在機加工等問題，因此，空載氣隙損耗無法避免 對自冷電動機，轉(zhuǎn)子提供一部分力矩用來克服轉(zhuǎn)軸的摩察和自冷風(fēng)扇的阻力； 鐵心的磁滯和渦流損耗 繞組的銅損（I2R）員工培訓(xùn)13王新華電壓對電動機性能的影響電壓對電動機性能的影響轉(zhuǎn)矩由定子磁通和轉(zhuǎn)子電流所決定，轉(zhuǎn)子電流是由于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓引起，感應(yīng)電壓直接與定子磁通密度成正比定子磁通與定子電流成正比（假設(shè)磁路尚未飽和），因此，如果所加電壓的頻率保持恒定，定子電流和磁通的上升和下降直接與所加的電壓有關(guān)轉(zhuǎn)矩與電壓的關(guān)系如下：T = Kt UT電動機轉(zhuǎn)矩Kt轉(zhuǎn)矩常數(shù)U所加的

7、電壓2員工培訓(xùn)14王新華電壓降低對電動機性能的影響電壓降低對電動機性能的影響 啟動力矩不夠如果電動機和負載匹配很接近，萬一啟動時電壓有10%的壓降，都有可能導(dǎo)致無法啟動； 速度波動壓降導(dǎo)致電動機速度隨之降低而降低； 速度精度無法保證長時間的壓降導(dǎo)致電動機無法達到銘牌上規(guī)定的額定速度； 輸出最大轉(zhuǎn)矩降低10%的壓降導(dǎo)致峰值轉(zhuǎn)矩降低19%，如果應(yīng)用中要求能夠承受短時間的負載沖擊，就有可能出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象； 電流增加導(dǎo)致電動機過熱，影響電動機的絕緣壽命；員工培訓(xùn)15王新華降壓啟動降壓啟動電壓變化的影響也可當作優(yōu)點來使用，在啟動過程中，用來限制啟動電流，調(diào)節(jié)啟動轉(zhuǎn)矩，四種常用的降壓啟動方法： 自耦降壓變壓

8、器 星三角啟動 分布繞組啟動 電子軟啟動器幾種不同啟動方法得到的電動機特性如表所示：啟動方式所加的電壓電動機啟動轉(zhuǎn)矩（%）（%）相對堵轉(zhuǎn)電流相對滿負荷電流相對堵轉(zhuǎn)電流相對滿負荷電流相對堵轉(zhuǎn)電流相對滿負荷電流全壓啟動100100600100600100180自耦變壓器80%8080480644806411565%656539042390427650%5050300253002545分布繞組10065390653904581星三角10033198331983360軟啟動器0-1000-1000-6000-1000-6000-1000-180線電流（%）電動機啟動電流（%）員工培訓(xùn)16王新華頻率變化

9、對電動機性能的影響頻率變化對電動機性能的影響 制造廠商常規(guī)定電動機的頻率變化容許范圍5%； 假設(shè)電動機的電壓保持恒定：頻率增加5%，同步速增加5%，但轉(zhuǎn)矩降低10%； 可理解為阻抗對電動機電流的影響 定子阻抗Z由電阻R和感抗2f組成，而定子電流I = U/Z； 由于電阻較小，可忽略不計，為了簡化起見，電流可等效為：I U/f員工培訓(xùn)17王新華電動機和變頻變壓（電動機和變頻變壓（VVVFVVVF）驅(qū)動）驅(qū)動 由于定子電流與頻率成反比，假設(shè)電壓恒定，而頻率變化，就有可能產(chǎn)生以下問題：當頻率從50Hz降到25Hz，定子電流將是成倍增加，造成電動機過熱；當頻率從50Hz升到100Hz，電流減半，而轉(zhuǎn)矩

10、也相應(yīng)減少，造成出力不夠 如果在改變頻率的同時，改變電壓，就可維持適當?shù)碾娏骱娃D(zhuǎn)矩； 壓頻比電源電壓與頻率的比率壓頻比一般由電動機的銘牌數(shù)據(jù)所決定，如380V，50Hz，壓頻比為380/50，即7.6V/Hz員工培訓(xùn)18王新華低頻轉(zhuǎn)矩特性低頻轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩（%）頻率（Hz）502515550100150200從右圖可以看出，在15Hz到50Hz，恒定壓比可保證一定力矩，低于15Hz，并不能產(chǎn)生足夠的力矩； 主要原因是低頻時，阻抗中的電阻占了很大的比重，造成一定的壓降；解決低頻出力問題，可通過電壓提升，補償由于電阻引起的壓降，即IR補償；電壓頻率電壓提升員工培訓(xùn)19王新華變頻調(diào)速優(yōu)點變頻調(diào)速優(yōu)點

11、變頻啟動可解決直接啟動引起的問題：6-8倍的啟動電流，造成電動機過熱加速過程不可控造成的電網(wǎng)電壓波動引起機械的沖擊 當采用變頻驅(qū)動時，變頻器可以遠離電動機安裝，而直接啟動，由于啟動電流造成的線路壓降，不允許遠距離安裝； 變頻調(diào)速可通過速度反饋，使速度精度提高到0.01%；員工培訓(xùn)20王新華基頻以上的運行基頻以上的運行 電動機可以基頻以上運行，取決于電壓極限值和電動機本身的動平衡和軸承的承受能力； 一般4極電動機運行到基頻以上的125%頻率運行時，也就達到它的平衡極限值，如50Hz基頻，112.5Hz是它的極限值； 通常，假設(shè)要求運行電動機超出基頻25%，就要向電動機制造廠家聯(lián)系；員工培訓(xùn)21王

12、新華恒壓運行恒壓運行基頻以上基頻以上變頻輸出電壓最大不超出輸入電壓，對380V，50Hz電源來說，變頻器輸出在50Hz以上，電壓保持380V不變，基頻以上運行為恒電壓運行；基頻以上的壓頻比不再保持恒定，相應(yīng)力矩隨頻率增加而減少，基頻以上的轉(zhuǎn)矩與速度的平方成反比；1/N2轉(zhuǎn)矩速度100%0基頻員工培訓(xùn)22王新華恒功率輸出恒功率輸出基頻以上基頻以上許多機器應(yīng)用要求恒功率輸出，隨速度增加，轉(zhuǎn)矩要求與速度成反比，即1/N，而不是與速度的平方（N）成反比；注意到，在基頻兩倍左右，電動機的轉(zhuǎn)矩高于負載轉(zhuǎn)矩，此后，就要小于負載轉(zhuǎn)矩，引起電動機堵轉(zhuǎn)。在恒電壓運行模式下，恒功率輸出范圍一般只能到基頻的1.5倍。

13、超出1.5倍，電動機放大使用。21/N1/N2200100額定轉(zhuǎn)矩的%電動機峰值轉(zhuǎn)矩恒功率負載50Hz120100電動機放大員工培訓(xùn)23王新華恒轉(zhuǎn)矩輸出和調(diào)速范圍恒轉(zhuǎn)矩輸出和調(diào)速范圍從右圖可以看出，100%力矩可運行到1 .25倍的速度，仍保持25%過載倍數(shù)?；僖陨项~定電流轉(zhuǎn)矩隨峰值轉(zhuǎn)矩降低而減少，要保持額定力矩輸出，電動機就要增加電流，造成電動機過熱，有時只好電動機放大功率。11.251.52轉(zhuǎn)矩基速峰值轉(zhuǎn)矩額定電流轉(zhuǎn)矩25%舉例：傳送帶，工藝上要求在整個速度范圍內(nèi)提供恒轉(zhuǎn)矩輸出，有時為了提高產(chǎn)量，希望電動機能夠基頻以上運行；員工培訓(xùn)24王新華恒轉(zhuǎn)矩輸出范圍恒轉(zhuǎn)矩輸出范圍恒壓控制模式提供的

14、恒轉(zhuǎn)矩范圍一般在1.25:1，或1.5:1（電動機放大），原因是電動機并沒真正運行在恒轉(zhuǎn)矩模式，壓頻比隨速度變化而改變。要想實現(xiàn)真正的恒轉(zhuǎn)矩控制，有以下途徑： 重新繞制電動機定子繞組 安裝升壓變壓器 用380V變頻器驅(qū)動230V電動機變頻器升壓變壓器電動機380V 50Hz員工培訓(xùn)25王新華發(fā)電機狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)當電動機被外力拖動超出同步速度，電動機產(chǎn)生的反電勢大于輸入的電源電壓時，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的電力與輸入的電源電壓和頻率相同，大小取決于所加電壓與反電勢之差。轉(zhuǎn)矩AB速度1 1.25+_I員工培訓(xùn)26王新華矢量控制概念矢量控制概念它勵直流電動機 能夠獨立控制異步電動機的磁場分量和轉(zhuǎn)矩

15、分量，以便得到精確的轉(zhuǎn)矩和電源輸出控制。 與直流電動機控制相類似，且控制性能與直流電動機相媲美。員工培訓(xùn)27王新華矢量控制的理解矢量控制的理解調(diào)節(jié)器，邏輯控制回路和整流橋觸發(fā)電路電樞回路磁場回路電樞磁場轉(zhuǎn)矩電流磁場電流直流驅(qū)動3相交流輸入調(diào)節(jié)器，邏輯控制回路和整流橋觸發(fā)電路逆變器定子繞組磁場和轉(zhuǎn)矩電流交流驅(qū)動3相交流輸入員工培訓(xùn)28王新華為什么要采用矢量控制為什么要采用矢量控制 轉(zhuǎn)矩控制 精確的速度控制 更寬的運行速度范圍 動態(tài)響應(yīng) 高的啟動力矩要求 類似于直流控制的性能和調(diào)速比員工培訓(xùn)29王新華旋轉(zhuǎn)參考坐標旋轉(zhuǎn)參考坐標員工培訓(xùn)30王新華矢量控制算法矢量控制算法員工培訓(xùn)31王新華速度精度的概念速度精度的概念 從空載到滿負荷的速度變化率，通常以百分比來表示。0 20 40 60 80 100%滿負荷10050%速度3%員工培訓(xùn)32王新華變頻器有關(guān)的概念變頻器有關(guān)的概念壓頻比轉(zhuǎn)矩提升加減速制動 能耗制動 再生制動 直流注入制動 自由停車 減速積分停車自動重