變頻器與拖動基礎和原理

1、變頻器與拖動基礎和原理Motion & Drives MKT2010.092SummarySchneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器原理目錄電力拖動的基本概念變頻器原理負載類型3Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 電力拖動的基本概念 異步電機的結構和原理 異步電機的調(diào)速 異步電機的起動和制動 其它形式的電動機4Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 異步電動機的結構

2、和原理5Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 異步電動機的結構 異步電動機的結構 定子 轉(zhuǎn)子 風扇 機殼 接線盒 軸伸6Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 定子鐵心與繞組 定子鐵心均布的槽中嵌有三相對稱繞組。鐵心繞組7Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 轉(zhuǎn)子鐵心和繞組鑄鋁轉(zhuǎn)子繞線轉(zhuǎn)子8Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhu

3、a - 09/2010 iNSA010通電線圈產(chǎn)生磁場通電線圈產(chǎn)生磁場 B (Tesla). BB磁場強度和電流大小成正比磁場強度和電流大小成正比Current: i (A)Time: t (s)0T/2T2T3T/2我們將獲得我們將獲得“正弦變化的磁場正弦變化的磁場如果線圈通正弦規(guī)律變化的電流如果線圈通正弦規(guī)律變化的電流: 工作原理9Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 iiiTemps : t (s)0T/2T2T3T/2Courant : i (A)Temps : t (s)0T/2T2T3T/2Courant :

4、 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/2T2T3

5、T/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

6、 (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)空間對稱的三個線圈通時間上對稱的三相空間對稱的三個線圈通時間上對稱的三相交流電

7、流交流電流每個線圈各自產(chǎn)生一個磁場每個線圈各自產(chǎn)生一個磁場最后的空間磁場是這三個磁場的矢量和最后的空間磁場是這三個磁場的矢量和這個磁場是空間旋轉(zhuǎn)的這個磁場是空間旋轉(zhuǎn)的稱為稱為:“旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場10Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 異步電機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/2

8、T2T3T/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

9、 : 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

10、: 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)旋轉(zhuǎn)的磁場將會在圓盤中產(chǎn)生 “感生電流感生電流 在磁場中，通過電流的導體將受力（左手定則）。該力使圓盤旋轉(zhuǎn)，以克服外加磁場的影響這是這是 異步電動機的名稱由來異步電動機的名稱由來 但圓盤旋轉(zhuǎn)的速度與磁場

11、旋轉(zhuǎn)的速度是不同的通常我們稱 滑差滑差如果我們在線圈中心放一個圓盤11Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 同步轉(zhuǎn)速 定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速記為n1，又稱為同步速: 式中： n1的單位為每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)（rpm） f為電源的頻率 p為繞組磁場的極數(shù) 例如，對工頻50Hz電源，2極，4極，6極，8極電機的同步轉(zhuǎn)速分別為： 3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等1120(1)(1)fnnssp1120fnp12Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua -

12、09/2010 轉(zhuǎn)子是怎樣轉(zhuǎn)起來的？ 轉(zhuǎn)子導體橫切氣隙旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應電勢（右手定則） 感應電勢在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電流 轉(zhuǎn)子導體中的電流與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場作用產(chǎn)生電磁力（左手定則） 電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同n 轉(zhuǎn)子電流也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場n 該磁場的轉(zhuǎn)速與所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速一樣，都是同步速n 在穩(wěn)態(tài)情況下，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場與定子是相對靜止的n 實際上，氣隙磁場是定子與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的電流之和。13Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 電網(wǎng)直接啟動速度(tr/min)電流 (A)14Schneider

13、Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 異步電動機的轉(zhuǎn)速 異步電動機的轉(zhuǎn)速可表示為： 式中S稱為滑差率； 當電機剛剛開始起動時，n=0，s=1； 若電機處于理想空載，n=n1, s=0，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場同步，故n1稱為同步轉(zhuǎn)速； 額定負載情況下，s為25%，所以異步電機的額定轉(zhuǎn)速nN總是接近同步速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。 滑差率的大小反映了電機的不同運行狀態(tài)。1120(1)(1)fnnssp15Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2

14、010 異步電機的等值電路模型 要精確地控制電機需要盡量了解電機的定子、轉(zhuǎn)子繞組電阻R1,R2，定子、轉(zhuǎn)子漏抗X1,X2以及激磁阻抗Rm,Xm等； 這些參數(shù)需要通過根據(jù)銘牌參數(shù)如電機額定電壓UN，額定電流 IN，額定轉(zhuǎn)速nN，功率因數(shù)COSPHi計算得到。16Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 異步電機的轉(zhuǎn)矩特性21122211212/1(/ )()mU RsTRRsxx 藍色為轉(zhuǎn)矩特性， 紅色為負載特性， (nN,TN)為額定工作點 Tm為可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩 Tst為起動轉(zhuǎn)矩17Schneider Electric

15、- M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 異步電機機械特性與電源電壓的關系 輸出轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比； 起動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比； 隨著電壓的降低，最大轉(zhuǎn)矩，起動轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速都會降低； 降低電源電壓，可以降低起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩成平方倍地下降； 星三角起動，自耦變壓器起動以及軟起動器起動都屬于這類應用； 這種方法不適于調(diào)速，因為調(diào)速范圍很窄而且效率很低。18Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 異步電機機械特性與轉(zhuǎn)子電阻的關系 最大輸出轉(zhuǎn)矩Tm的大小與轉(zhuǎn)子電阻R2的大小沒有關系。 對應

16、Tm的轉(zhuǎn)速與R2的值有關，轉(zhuǎn)子電阻越大，對應Tm的轉(zhuǎn)速越低。 對繞線轉(zhuǎn)子電機，若在轉(zhuǎn)子繞組中串聯(lián)電阻，則能夠增大起動轉(zhuǎn)矩，在起動過程中，連續(xù)減小或逐級切除串聯(lián)的電阻，則能夠在起動過程中增大起動轉(zhuǎn)矩，加速起動過程； 對繞線轉(zhuǎn)子電機，若在轉(zhuǎn)子繞組中串聯(lián)大小可調(diào)的電阻，則能夠調(diào)節(jié)穩(wěn)定運行的轉(zhuǎn)速； 通過改變轉(zhuǎn)子電阻的起動和調(diào)速方法僅僅適用于繞線電機，曾經(jīng)獲得廣泛的應用。 存在效率低下，起動裝置笨重，電機和起動裝置造價高維護率高且困難等缺點。19Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 異步電機機械特性與電源頻率的關系 在其它變量滿足

17、特定要求的情況下，改變電源頻率可以有效地改變機械特性，而最大轉(zhuǎn)矩基本不變； 在負載特性為恒定轉(zhuǎn)矩的情況下，穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速可以與頻率有較好的線性關系。 在頻率很低的情況下，機械特性變差。20Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 復習轉(zhuǎn)速的公式 電機和負載的轉(zhuǎn)速與頻率，電機的極數(shù)和滑差率有關。11201120(1)(1)fnpfns nsp21Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 改變滑差調(diào)速 調(diào)節(jié)電源電壓：在電源與電機之間串電抗通過調(diào)壓變壓器或自耦變壓器

18、效率低下，功率因數(shù)低成本高調(diào)速效果不明顯 改變轉(zhuǎn)子電阻可連續(xù)調(diào)速，甚至可以控制電機反轉(zhuǎn)，適用于提升應用可以獲得較好的起動特性逐級切換電阻和頻敏電阻僅僅適用于繞線轉(zhuǎn)子電機，不能用于更加普遍的鼠籠轉(zhuǎn)子電機效率低下，調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速以下裝置復雜，體積大，電機和起動裝置成本高維護頻度高且維修成本高。 逐漸淘汰22Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變極調(diào)速 對恒定轉(zhuǎn)矩的負載，轉(zhuǎn)速與電機繞組的極數(shù)成反比； 這種方法在過去的機床行業(yè)和風機中獲得廣泛的應用； 為有級調(diào)速，能獲得的轉(zhuǎn)速數(shù)目只有兩種或三種； 不能連續(xù)調(diào)速； 需要電機定

19、子有多套繞組或繞組有多種接法； 電機造價高，效率低； 逐漸淘汰23Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻調(diào)速 轉(zhuǎn)速與頻率成正比 能夠連續(xù)調(diào)速 操作方便，噪聲低 調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高 效率高，功率因數(shù)高（采取措施） 可以控制起動，運行，停止（鎖定輸出，線性制動或軟停止） 可靠性高，易于維護 起動電流和運行電流小，過載能力大24Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 傳統(tǒng)調(diào)速方法的優(yōu)缺點 機械調(diào)速機械調(diào)速(制動器制動器, 離合器離合器,齒輪箱齒輪箱

20、,皮帶輪皮帶輪,鏈條等鏈條等)有極調(diào)速有極調(diào)速,效率低下效率低下 液力耦合器液力耦合器可實現(xiàn)無級跳速可實現(xiàn)無級跳速成本適中成本適中裝置復雜裝置復雜, 維護量大維護量大 機電式滑差調(diào)速機電式滑差調(diào)速(繞線轉(zhuǎn)子電機繞線轉(zhuǎn)子電機)實現(xiàn)簡單實現(xiàn)簡單,成本適中成本適中繞線電機結構復雜繞線電機結構復雜, 維護量大維護量大效率低下效率低下 渦流調(diào)速渦流調(diào)速簡單可行簡單可行連續(xù)調(diào)速連續(xù)調(diào)速效率低下效率低下, 需要冷卻裝置需要冷卻裝置(水冷或空氣冷卻水冷或空氣冷卻)25Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器和軟起動器的區(qū)別 軟起動器

21、 軟起動器是一種智能化的降壓起動器, 在起動電機時可以有效地控制和限制起動電流, 同時可減少對電機及其驅(qū)動的設備的機械應力. 軟起動可以將機械從零速平滑地加速到額定轉(zhuǎn)速, 也可以控制平滑地減速到零速 在只需要軟起動和軟停止而不需要調(diào)速的場合可以使用軟起動器 軟起動器為了降低起動電流,必須實施降壓起動, 同時降低了起動轉(zhuǎn)矩 變頻器 變頻器可以實現(xiàn)軟起動和軟停止 也可以根據(jù)負載的變化和系統(tǒng)的要求調(diào)節(jié)速度和改變輸出轉(zhuǎn)矩 電機起動后可以不以工頻轉(zhuǎn)速運行 變頻器在起動電機的同時不必降低起動轉(zhuǎn)矩 結論 從功能上,變頻器可以取代軟起動器,但軟起動器不能取代變頻器 從成本上,變頻器高于軟起動器, 但其優(yōu)勢自不

22、待言.26Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻調(diào)速的優(yōu)勢 效率最高的調(diào)速方法 維護率很低 控制靈活,可集成多種功能 可四象限運行 使用最最普通的鼠籠式異步電動機 初始投資可能略大,但是可以快速收回投資,并創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益 節(jié)能,尤其是風機,泵和空氣壓縮機 機械磨損減少, 降低維護費用 提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率, 軟起動, 減少對電網(wǎng)和設備的沖擊27Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 中央空調(diào)系統(tǒng)的控制中央空調(diào)系統(tǒng)的控制送風風機采用流量調(diào)節(jié)的

23、方法及效果比較送風風機采用流量調(diào)節(jié)的方法及效果比較圖示四種流量調(diào)節(jié)方法節(jié)能效果比較在80% 流量處: 擋板控制 吸收 93% 電動機功率 IGV 控制 吸收 70% 電動機功率 渦流耦合控制 吸收 67% 電動機功率 VSD 控制 吸收 51% 電動機功率28Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器快速增長的原因 節(jié)能節(jié)能, 尤其是風機尤其是風機,泵和壓縮機應用泵和壓縮機應用 通過減少傳動環(huán)節(jié)的應力提高機械設備的使用壽命通過減少傳動環(huán)節(jié)的應力提高機械設備的使用壽命 減少電機中的電流沖擊減少電機中的電流沖擊,從而延長電

24、機的使用壽命從而延長電機的使用壽命 可以使用通用的鼠籠式異步電機可以使用通用的鼠籠式異步電機, 價格低廉價格低廉, 安裝維護簡單安裝維護簡單, 易于采購易于采購 采用變頻器采用變頻器, 改造原來的繞線轉(zhuǎn)子電機或直流電機非常簡單改造原來的繞線轉(zhuǎn)子電機或直流電機非常簡單 變頻器內(nèi)無接觸器和其他運動部件變頻器內(nèi)無接觸器和其他運動部件, 是固態(tài)設備是固態(tài)設備, 可靠性高可靠性高29Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器在加工過程中的作用 過程控制 可以采用數(shù)字量和模擬量控制 可以采用串行連接和總線控制 過程宏和專用菜單有助

25、于過程控制的實現(xiàn)和完善 從某一角度講, 變頻器內(nèi)置的過程控制可以簡化甚至取代原來的機械系統(tǒng),從而降低成本,提高可靠性,簡化控制和維護. 相對伺服控制的閥門,采用變頻器控制泵,可以獲得更寬的控制范圍和線性度. 過程監(jiān)視 變頻器的數(shù)字輸出,模擬輸出和串行連接輸出可以監(jiān)視負載變化過程中電機的狀況和過程量的動態(tài). 提高產(chǎn)品質(zhì)量 氣流冷凍器對產(chǎn)品的可控冷卻過程 減少對敏感流體的損傷(如牛奶) 避免由于閥門損壞和過熱引起的問題30Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器在機械控制中的作用 減少維護量 變頻器所具有的軟起和軟停功能

26、可以顯著地減少機械系統(tǒng)和軸承的損傷, 從而可以大幅度延長系統(tǒng)的使用壽命. 變頻器可以明顯減少泵對供水管網(wǎng)的沖擊,從而可以減少對長距離供水管網(wǎng)的維護. 降速運行可以延長軸承的使用周期. 變頻器有助于避免沖擊性負載和反沖性負載,從而可以提高傳動環(huán)節(jié)如減速箱或鏈條,皮帶等的使用壽命. 削弱振動和噪聲 在低于額定轉(zhuǎn)速的情況下,泵和風機的噪聲大幅度降低 現(xiàn)代變頻控制可以抑制變頻器本身造成的電機的額外噪聲 通過變頻控制還可以避免機械設備固有的共振 同步速以上運行 通過變頻器,在不使用減速箱的情況下可以使得機械運行于在額定轉(zhuǎn)速以上 多個傳動點聯(lián)動運行 通過變頻器,可以方便地控制多個傳動點,使其同步或比例運行

27、31Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器對電氣方面的影響 頻繁的起?？刂?由于變頻器可以進行軟起, 所以可以對電機和負載進行頻繁的起停和正反轉(zhuǎn)控制,而不需要過多考慮電機的熱容量 電氣保護 變頻器將電機屏蔽于電氣擾動之外, 從電機側不能看到電網(wǎng)的瞬間波動 輕微的電網(wǎng)不平衡不影響電機的平衡運行 變頻器可提供電機過載,堵轉(zhuǎn),短路等的精確保護, 從而避免電機的過載和堵轉(zhuǎn). 效率 變頻器的效率很高,可以最大限度地降低電機的損耗. 變頻控制的效率遠遠優(yōu)于其它的調(diào)速方式32Schneider Electric - M&

28、D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器對供電系統(tǒng)的影響 軟起動 變頻器近乎理想的起動電流最大程度地減少了對供電系統(tǒng)的擾動 對其它設備的影響幾可忽略不計 可以減少變壓器,開關,電纜及其保護裝置的容量,節(jié)省投資. 對于有備用發(fā)電機的場合,發(fā)電機的容量可以減少30-50% 功率因數(shù) 變頻器的相移功率因子接近于己于1,對于很輕的負載也是如此.從而可以省卻功率因數(shù)補償?shù)耐顿Y. 短路容量 通過變頻器,電機不再產(chǎn)生對電網(wǎng)的短路電流,從而可以減少開關的容量.33Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器在風機

29、,泵,壓縮機應用中的其他好處 不再需要壓力緩沖裝置 相對間歇運行的系統(tǒng)控制效果更加連續(xù) 通過一臺變頻器可以簡化多泵控制系統(tǒng) 消除起動,停止時的沖擊,延長泵,軸承,閥門和管網(wǎng)等的壽命 延長泵的密封和葉片的使用壽命 比截流閥和擋板提供更寬的控制范圍 相對閥門控制線性度和控制精度更高 對舊的管網(wǎng)提供壓力限幅34Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻器帶來的負面影響及其對策 能耗方面電機用變頻器控制后相對于直接起動能耗增加3-5% 變頻器中的能耗2-3% 電機中的能耗占0-3% 諧波電流變頻器中的整流環(huán)節(jié)從電網(wǎng)吸收非正弦電流

30、, 其中包括很多諧波電流諧波電流的抑制通常通過直流電抗器或交流電抗器來解決當變頻器負載超過供電容量的30-40%,或沒有安裝電抗器,就必須評估諧波電流的影響變頻器帶來的諧波效應遠遠低于同等容量的直流調(diào)速裝置 射頻干擾伴隨PWM(脈寬調(diào)調(diào)制)的高速切換形成射頻干擾變頻器設計時需要考慮抑制這種射頻干擾,例如采用射頻干擾濾波器對于異常敏感的場合需要安裝附加射頻干擾濾波器 電機噪聲變頻器的傳統(tǒng)設計會給電機帶來額外的噪聲通過提高開關頻率和Whisper Wave技術可以降低電機噪聲 在額定頻率和額定負載下比直接運行帶來的電機噪聲增加量不超過2-3dB 一般來講,在低于額定頻率和負載下,噪聲比工頻運行還要

31、小35Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 控制部分控制部分應用功能應用功能變速驅(qū)動器變速驅(qū)動器HMII/O通訊端口通訊端口PLCM功率部分功率部分主電源主電源變頻器變頻器制動制動電機電機/驅(qū)動器驅(qū)動器 保護保護EMC濾波器電機控制電機控制TorqueSpeedfeedback36Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 供電網(wǎng)絡（定壓定頻）供電網(wǎng)絡（定壓定頻）整流完整流完整流濾波后整流濾波后變壓變頻變壓變頻濾波濾波逆變逆變M變頻變頻整流整流37Sch

32、neider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 TSRD1D2D3D4D5D6整流橋整流橋M3 T1T2T3T4T5T6InverterC 濾波濾波 預充電預充電RST濾波濾波 平滑直流側電壓平滑直流側電壓整流橋整流橋 整流電壓整流電壓逆變器逆變器 產(chǎn)生頻率和電壓都可變的三相交流電產(chǎn)生頻率和電壓都可變的三相交流電umimPWM 控制控制38Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 整流電壓電網(wǎng)電壓整流電流進線電流 3-相整流橋工作波形39Schneider Elect

33、ric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 三角載波參考波脈沖寬度調(diào)制 逆變器以及脈寬調(diào)制（PWM） 40Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 電流電壓 單相PWM逆變器波形41Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 線電壓電流 3-相PWM輸出波形42Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻控制策略：V/F控制43Schneider E

34、lectric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 U/f 控制 交流電機交流電機 U/f 控制控制44Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 - 調(diào)速范圍寬：從調(diào)速范圍寬：從0到最高機械速度到最高機械速度- 整個調(diào)速范圍保持力矩性能整個調(diào)速范圍保持力矩性能- 提供與負載無關的加減速提供與負載無關的加減速- 按照設定的減速曲線減速按照設定的減速曲線減速變速驅(qū)動的目標45Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 目標是

35、在目標是在整個調(diào)速范圍內(nèi)保持力矩整個調(diào)速范圍內(nèi)保持力矩.電機內(nèi)電機內(nèi)磁通必須維持恒定磁通必須維持恒定.constantconstantcosIKT頻率頻率50Hz力矩力矩10Hz30Hz0constantFluxifIKTorque*磁通問題速度變化速度變化 = 頻率變化頻率變化. pfNSp = poles pairs46Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 對異步電機來說，磁通主要由定子產(chǎn)生對異步電機來說，磁通主要由定子產(chǎn)生 定子由電壓為U ，頻率為頻率為f的交流電源供給的交流電源供給 fU21cstefUcstem

36、fLUI2mUmLmI恒磁通控制 磁通恒定要求磁通恒定要求 U/f 恒定恒定LI47Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 U/F 控制 定子壓降補償定子壓降補償VnFnVm 電壓電壓頻率頻率V0為了在低速時為了在低速時必須對定子電阻上的壓降進行補償必須對定子電阻上的壓降進行補償cstefVmRsRr /glslrSVLmVdsVsVmI mI sI rdsV48Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 U/F 控制 U/F 實驗室測試的力矩特性曲線 (

37、 11kW 400V 50Hz)Tn2.TnSlipping1hz30hz40hz49Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 為了實現(xiàn)變速，必須變頻為了實現(xiàn)變速，必須變頻 為在整個調(diào)速范圍內(nèi)維持力矩輸出，電壓為在整個調(diào)速范圍內(nèi)維持力矩輸出，電壓/頻率頻率 必須保持恒定。必須保持恒定。 V/F控制方式是最簡單的變頻器調(diào)速方式控制方式是最簡單的變頻器調(diào)速方式 盡管這是最簡單的控制方式，但即使在最新推出的產(chǎn)品中，仍然被廣泛采用。盡管這是最簡單的控制方式，但即使在最新推出的產(chǎn)品中，仍然被廣泛采用。 對于負載沖擊不大，起動扭矩要求不

38、高的應用，這種方式是較好的選擇。對于負載沖擊不大，起動扭矩要求不高的應用，這種方式是較好的選擇。 同樣，對于特殊的電機驅(qū)動情形，這也是最好的選擇，特殊情形包括同樣，對于特殊的電機驅(qū)動情形，這也是最好的選擇，特殊情形包括 : 特殊或未知電機 高速電機 并聯(lián)電機 通過變壓器再驅(qū)動電機 小電機測試要點總結50Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻控制策略：矢量控制51Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 矢量控制問題提出 前節(jié)論述的基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的

39、異步電機調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，但是，如果遇到軋鋼機、數(shù)控機床、機器人、載客電梯等需要高動態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，就不能完全適應了。要實現(xiàn)高動態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認真研究異步電機的動態(tài)數(shù)學模型。 A1A2Us1(Is)異步電機的多變量、強耦合模型結構 52Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 矢量控制的原理n 直流調(diào)速系統(tǒng)有著優(yōu)異的動靜態(tài)調(diào)速性能。原因是直流電機的磁通可通過單獨調(diào)節(jié)勵磁電流來實現(xiàn)控制，與電樞電流調(diào)節(jié)彼此互不影響，容易做到磁通恒定，在磁通恒定的情況下，扭矩與電樞電流成正比。而交流電機

40、的磁通無法單獨控制。異步電機的模型是多輸入（電壓，電流，頻率，相位）、多輸出（磁通、轉(zhuǎn)矩），并且多個變量耦合在一起的調(diào)節(jié)電壓、電流既影響磁通又同時影響轉(zhuǎn)矩。 n 矢量控制的出發(fā)點是通過數(shù)學的方法，對交流電機的模型進行解耦，使各物理量分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，然后模仿直流電機的控制方法進行控制。53Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 （1）交流電機繞組的等效物理模型ABCABCiAiBiCF1a）三相交流繞組54Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010

41、 （2）等效的兩相交流電機繞組Fii1b）兩相交流繞組 CBA232323021211iiiNNii55Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 （3）旋轉(zhuǎn)的直流繞組與等效直流電機模型1FMTimitMTc）旋轉(zhuǎn)的直流繞組 cossinsincosr2/ s2C56Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 l 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標系與磁動勢（電流）空間矢量 it siniFs1imcosimimsinitcosiitMT57Schneider Electri

42、c - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 圖6-52 異步電動機的坐標變換結構圖3/2三相/兩相變換; VR同步旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸（A軸）的夾角 3/2VR等效直流等效直流電機模型電機模型ABC iAiBiCit1im1ii異步電動機異步電動機 異步電機的坐標變換結構圖58Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 矢量控制系統(tǒng)原理結構圖 控制器控制器VR-12/3電流控制電流控制變頻器變頻器3/2VR等效直流等效直流電機模型電機模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiA

43、iBiCi1i1im1it1反饋信號異步電動機給定信號 圖6-53 矢量控制系統(tǒng)原理結構圖59Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 VR-12/3LrATRASRAR 電流變換和磁鏈觀測M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCistPWM變頻器變頻器微型計算機微型計算機 系統(tǒng)組成帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng) 60Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 矢量控制矢量控制

44、T/Tn自動補償自動補償(定子壓降和滑差補償定子壓降和滑差補償)Fn13F hz U/F 控制和矢量控制性能對比矢量控制的性能100%200 %U/F 控制控制 低速力矩降低低速力矩降低Fn510T/TnF hz無滑差補償無滑差補償手動補償手動補償61Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 矢量控制的性能 矢量控制下實驗室性能測試曲線整個速度范圍提整個速度范圍提供供200扭矩扭矩T/TnFrequency滑差很小滑差很小RatedSpeed50hzRatedTorque62Schneider Electric - M&am

45、p;D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 矢量控制的性能 特別是低速性能提高5hzFrequencyRatedTorque閉環(huán)閉環(huán)完全沒有完全沒有滑差滑差0hz輸出扭矩輸出扭矩T/Tn63Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 開環(huán)還是閉環(huán) ?需要矢量控制的應用起重物料處理 快速循環(huán)高慣量機械開環(huán)控制的性能可提供超過200的起動扭矩1%速度以上提供最大扭矩動態(tài)響應較好速度精度 1% 左右閉環(huán)的優(yōu)點:提供 0 速扭矩速度精度高于 1%機械運作更安全更好的力矩控制性能，更好的動態(tài)性能64Schneider

46、Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 變頻控制策略：直接轉(zhuǎn)矩控制65Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 基于動態(tài)模型按定子磁鏈控制的基于動態(tài)模型按定子磁鏈控制的 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)概 述 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。66Schneider Electric

47、- M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較 DTC系統(tǒng)和系統(tǒng)和VC系統(tǒng)都是已獲實際應用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。兩者都采系統(tǒng)都是已獲實際應用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動機動態(tài)數(shù)學模型的需要用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動機動態(tài)數(shù)學模型的需要的。但兩者在控制性能上卻各有千秋。的。但兩者在控制性能上卻各有千秋。 67Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 矢量控制系統(tǒng)特點 VC系統(tǒng)強調(diào) Te 與r的解耦

48、，有利于分別設計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按r 定向受電動機轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。 DTC系統(tǒng)特點系統(tǒng)特點 DTC系統(tǒng)則實行 Te 與s 砰-砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡化了控制結構；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。 68Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)特點直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)特點與性能比較與性能比較性能與特點性能與特點直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系

49、統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制磁鏈控制定子磁鏈定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制砰砰- -砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動連續(xù)控制，比較平滑連續(xù)控制，比較平滑坐標變換坐標變換靜止坐標變換，較簡單靜止坐標變換，較簡單旋轉(zhuǎn)坐標變換，較復雜旋轉(zhuǎn)坐標變換，較復雜轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響無無 注注 有有調(diào)速范圍調(diào)速范圍不夠?qū)挷粔驅(qū)挶容^寬比較寬69Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 負載類型70Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 恒轉(zhuǎn)

50、矩恒轉(zhuǎn)矩 平方轉(zhuǎn)矩平方轉(zhuǎn)矩 線性轉(zhuǎn)矩線性轉(zhuǎn)矩 恒功率恒功率 其他其他71Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 對驅(qū)動來說，負載的特性可以由其速度對驅(qū)動來說，負載的特性可以由其速度/力矩曲線給出力矩曲線給出變頻器的選型與負載特性有很大的關系變頻器的選型與負載特性有很大的關系72Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 T 力矩N 速度T = k恒轉(zhuǎn)矩：起重，電梯，傳送帶恒轉(zhuǎn)矩：起重，電梯，傳送帶73Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 T = k . N 2平方轉(zhuǎn)矩負載：離心泵和風機平方轉(zhuǎn)矩負載：離心泵和風機T 力矩N 速度74Schneider Electric - M&D MKT - Yu Chenhua - 09/2010 T = k