异步电动机变频调速系统学习教案

会计学1异步电动机变频异步电动机变频(bin pn)调速系统调速系统第一页，共44页。2异步电动机转速异步电动机转速(zhun s)的计算公式为：的计算公式为：)1 (60)1 (10snfsnnp在极对数在极对数np不变的情况下，转速跟电源频率不变的情况下，转速跟电源频率f1成正比。如果连续地改变供电电源频成正比。如果连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速，这种调速方法称为率，就可以平滑地调节电动机的转速，这种调速方法称为(chn wi)变频调速。变频调速。交流调速有很多方法，例如调压调速、转子串电阻调速、转差离合器调速、变极对交流调速有很多方法，例如调压调速、转子串电阻调速、转差离合器调速、变极对数调速等，这些方法技术落后、调速性能差、效率低，使用越来越少，取而代之的数调速等，这些方法技术落后、调速性能差、效率低，使用越来越少，取而代之的是变频调速系统。是变频调速系统。目前，变频调速系统使用较为普遍，例如工农业生产、家用电器等领域，且具有节目前，变频调速系统使用较为普遍，例如工农业生产、家用电器等领域，且具有节能、调速效率较高等特点。变频调速系统正向着高性能、高精度、大容量、微型化能、调速效率较高等特点。变频调速系统正向着高性能、高精度、大容量、微型化、数字化和智能化方向发展。、数字化和智能化方向发展。第1页/共44页第二页，共44页。3属于标量属于标量(bioling)控控制方式制方式属于矢量属于矢量(shling)控制控制方式方式第2页/共44页第三页，共44页。4CfU11mCU 1（属于（属于(shy)(shy)恒功率调速恒功率调速）（ ，属于恒转矩调速，属于恒转矩调速）1111144. 4wKNfEU第3页/共44页第四页，共44页。5二、变频器的工作原理二、变频器的工作原理在变频调速过程中，电源频率的改变依靠变频器实现。变频器的任务就是把电压和在变频调速过程中，电源频率的改变依靠变频器实现。变频器的任务就是把电压和频率恒定的交流电变成电压和频率可调的交流电。以下以频率恒定的交流电变成电压和频率可调的交流电。以下以“交交直直交交”变频器主变频器主回路回路(hul)为例，说明其原理（只画出一相）。为例，说明其原理（只画出一相）。该单相变频器由整流器、中间环节、和逆变器组成。其中：该单相变频器由整流器、中间环节、和逆变器组成。其中：整流器的作用是把频率恒定整流器的作用是把频率恒定(hngdng)的交流电变成直流电；的交流电变成直流电；中间环节起滤波作用，得到更加稳定的直流电；中间环节起滤波作用，得到更加稳定的直流电；逆变器把直流电变成频率可调的交流电。逆变器把直流电变成频率可调的交流电。第4页/共44页第五页，共44页。61、调频的实现、调频的实现就逆变器来说，在一个周期中，上半周让就逆变器来说，在一个周期中，上半周让VT1、VT4导通，下半周让导通，下半周让VT3、VT2导通，在输出导通，在输出(shch)端可得到以下波形：端可得到以下波形：若在半个周期内，晶闸管反复通断多次，并使输出若在半个周期内，晶闸管反复通断多次，并使输出(shch)矩形脉冲矩形脉冲波下的面积接近于对应正弦波下的面积，则逆变器的输出波下的面积接近于对应正弦波下的面积，则逆变器的输出(shch)电电压就接近基波电压。压就接近基波电压。第5页/共44页第六页，共44页。7通常，变频器为三相供电。三相桥式逆变器分为通常，变频器为三相供电。三相桥式逆变器分为1800导电型和导电型和1200导电型，其导电型，其主要差别是控制晶闸管持续导通的时间不同。三相逆变器的输出为三相交流主要差别是控制晶闸管持续导通的时间不同。三相逆变器的输出为三相交流(jioli)电，各相互差电，各相互差1200，周期为，周期为T。由于交流由于交流(jioli)频率频率 ，控制并改变周期，控制并改变周期 T 就能改变频率就能改变频率 f ，所以可以，所以可以得到所要求的频率。在变频调速系统中，变频与变压需要配合进行，即在变频得到所要求的频率。在变频调速系统中，变频与变压需要配合进行，即在变频的同时，按比例改变电压；反之亦然。的同时，按比例改变电压；反之亦然。 Tf12、调压的实现、调压的实现电压电压(diny)的调节方式多种多样、在变频器中的调压位置也各不相同。的调节方式多种多样、在变频器中的调压位置也各不相同。相位相位(xingwi)控控制调压制调压斩波控斩波控制调压制调压脉宽调脉宽调制调压制调压自耦变自耦变压调压压调压第6页/共44页第七页，共44页。8 输出电压输出电压(diny)不不变、变、 频率可调交流电频率可调交流电 按要求控制按要求控制 频率频率(pnl)的的大小大小 频率变成对应的控制电压频率变成对应的控制电压 给定值与反馈值比较、给定值与反馈值比较、 差值驱动伺服电动机差值驱动伺服电动机 电机带动变压器抽电机带动变压器抽 头触点滑动、调压头触点滑动、调压优点：系统简单、输入功率因数高；缺点：动态响应差、体积大。优点：系统简单、输入功率因数高；缺点：动态响应差、体积大。第7页/共44页第八页，共44页。9一路送逆变控制器，控制逆变器的输出频率；一路送逆变控制器，控制逆变器的输出频率；一路通过频率一路通过频率/电压变换器变换成电压，与电压反馈电压变换器变换成电压，与电压反馈(fnku)值比较后，用差值信号调节整流器的控制角，改变值比较后，用差值信号调节整流器的控制角，改变整流输出电压。整流输出电压。频率发生器频率发生器产生产生(chnshng)频率信号频率信号CfU频率频率/ /电压电压变换器实现变换器实现优点：系统简单、电压和频率分开控制；缺点：功率因数低。优点：系统简单、电压和频率分开控制；缺点：功率因数低。 第8页/共44页第九页，共44页。10l 整流器采用三相二极管整流桥，把交流电变换成直流电；整流器采用三相二极管整流桥，把交流电变换成直流电；l 逆变器采用三相全控桥，实现变频；逆变器采用三相全控桥，实现变频；l 斩波器采用脉频调制或脉宽调制，输出大小可调的直流电压。斩波器采用脉频调制或脉宽调制，输出大小可调的直流电压。 l特点：斩波器调压的特点是输入功率因数高，动态响应快。特点：斩波器调压的特点是输入功率因数高，动态响应快。l上述三种变压方法上述三种变压方法(fngf)把电压和频率分别进行控制把电压和频率分别进行控制斩波器：调压斩波器：调压逆变器：调频逆变器：调频(dio pn)换流器换流器LC第9页/共44页第十页，共44页。11l 脉频调制（脉频调制（PFM）原理）原理l开关导通时间开关导通时间 一定，改变相临两次导通的时间间隔，来改变平均输一定，改变相临两次导通的时间间隔，来改变平均输出出(shch)电压值。换句话说，脉冲宽度一定，改变周期电压值。换句话说，脉冲宽度一定，改变周期T，来改变平均输出，来改变平均输出(shch)电压值。周期越小（频率越高），输出电压值。周期越小（频率越高），输出(shch)的直流平均电压越的直流平均电压越高。高。在整流后，获得直流电压在整流后，获得直流电压(diny)。通过斩波器，可进行电压。通过斩波器，可进行电压(diny)大小大小的调整。斩波器的核心是作为开关元件的晶闸管。依据开关元件的工作方式的调整。斩波器的核心是作为开关元件的晶闸管。依据开关元件的工作方式不同，可分为脉频调制和脉宽调制控制方式。（还有一种方法称为跨频调制不同，可分为脉频调制和脉宽调制控制方式。（还有一种方法称为跨频调制）。）。第10页/共44页第十一页，共44页。12l脉宽调制（脉宽调制（PWM）原理）原理l开关周期开关周期T一定，改变导通时间一定，改变导通时间(shjin) 的长短，来改变输出平均电压的长短，来改变输出平均电压值。显然，导通时间值。显然，导通时间(shjin)越长，直流平均电压越高。越长，直流平均电压越高。脉频调制和脉宽调制方式用来控制斩波器的开关元件，就能实现直流脉频调制和脉宽调制方式用来控制斩波器的开关元件，就能实现直流电压的调节电压的调节(tioji)，常用于中小功率的交，常用于中小功率的交直直交变频器中。交变频器中。第11页/共44页第十二页，共44页。134、脉宽调制型变压、脉宽调制型变压 在脉宽调制型在脉宽调制型“交交直直交交”变频器中，整流器不可控，整流后直流电压恒定；逆变器变频器中，整流器不可控，整流后直流电压恒定；逆变器可控，逆变器自身既可改变电压又可改变频率，并通过控制逆变器本身的开关元件，可控，逆变器自身既可改变电压又可改变频率，并通过控制逆变器本身的开关元件，满足恒磁通调速满足恒磁通调速U / f = C 的控制条件。例如通过改变的控制条件。例如通过改变PWM波形的占空比来控制逆变波形的占空比来控制逆变器输出器输出(shch)交流电压的大小交流电压的大小 、 而通过改变逆变桥的工作周期来控制输出而通过改变逆变桥的工作周期来控制输出(shch)频率，详细内容将在后续内容中讨论。频率，详细内容将在后续内容中讨论。脉宽调制既能改善输出脉宽调制既能改善输出(shch)波形的品质、消减高次谐波，又可提高功率因数值，波形的品质、消减高次谐波，又可提高功率因数值，具有节能降耗的特点，是交具有节能降耗的特点，是交直直交变频器的发展方向。交变频器的发展方向。与前三种方式不同，脉宽调制型变压与变频同时在逆变器中实现。与前三种方式不同，脉宽调制型变压与变频同时在逆变器中实现。第12页/共44页第十三页，共44页。14第13页/共44页第十四页，共44页。15滤波电容缓冲无功能量滤波电容缓冲无功能量而且而且(r qi)无法实现回馈制无法实现回馈制动动可以在空载情况下运行可以在空载情况下运行滤波电感缓冲无功滤波电感缓冲无功(w n)能量能量而且容易实现回馈制动而且容易实现回馈制动不能在空载情况下运行不能在空载情况下运行应用多应用多应用少应用少第14页/共44页第十五页，共44页。16积分器：将阶跃给定信号变换积分器：将阶跃给定信号变换(binhun)为斜坡信号，消除阶跃给定为斜坡信号，消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，使电压、电流对系统产生的过大冲击，使电压、电流、频率和转速稳步上升或下降。、频率和转速稳步上升或下降。函数发生器：函数发生器：为实现恒压频比控制方式设置，为实现恒压频比控制方式设置，如不同负载下压频的调整、高于基频工作时保证如不同负载下压频的调整、高于基频工作时保证电压为额定值、轻载工作时适当降低电压进行节电压为额定值、轻载工作时适当降低电压进行节能控制等。能控制等。压频变换器：压频变换器：把电压信号变成相应频率的把电压信号变成相应频率的脉冲信号，即在一定的频率范围内，使输脉冲信号，即在一定的频率范围内，使输出脉冲信号的频率与输入电压成正比。实出脉冲信号的频率与输入电压成正比。实现电路见书中图现电路见书中图710。环形分配器：环形分配器：将压频变换器输出的脉冲信号变将压频变换器输出的脉冲信号变换成周期性的循环脉冲信号，去触发逆变器功换成周期性的循环脉冲信号，去触发逆变器功率主回路的半导体器件。三相逆变器一般采用率主回路的半导体器件。三相逆变器一般采用六分频计数。六分频计数。脉冲输出：脉冲输出：将环形分配器的输出信号进行功率将环形分配器的输出信号进行功率放大，确保可靠触发逆变器中的主功率元件。放大，确保可靠触发逆变器中的主功率元件。图中，图中，GHF为方波方生器，以配合脉冲为方波方生器，以配合脉冲输出电路正常工作。输出电路正常工作。变频器：变频器：包括三部分：包括三部分：主回路，主回路，实现能量变换实现能量变换，电压型；，电压型；电压控制，电压控制，通过电压调节器、触通过电压调节器、触发器，控制整流器的输出电压值；发器，控制整流器的输出电压值；频率控频率控制，制，按恒压频比条件调节频率。按恒压频比条件调节频率。第15页/共44页第十六页，共44页。17第16页/共44页第十七页，共44页。18变频器：包括三部分：主回路，实现变频器：包括三部分：主回路，实现能量变换能量变换(binhun)，电流型；电压，电流型；电压控制，电压、电流双闭环，控制整流控制，电压、电流双闭环，控制整流器输出电压；频率控制，按恒压频比器输出电压；频率控制，按恒压频比控制频率、超前补偿控制频率、超前补偿.绝对值运算器：绝对值运算器：本变频器能可逆运行，本变频器能可逆运行，给定值可正、可负。设绝对值运算器给定值可正、可负。设绝对值运算器的作用是将正、负极性的输入信号变的作用是将正、负极性的输入信号变成单一极性的信号，但大小和原信号成单一极性的信号，但大小和原信号相同。相同。 逻辑开关：逻辑开关：逻辑开关的作用是根据给定信号逻辑开关的作用是根据给定信号，决定系统正向封锁、还是反向封锁，从而，决定系统正向封锁、还是反向封锁，从而实现异步电动机正转和反转控制实现异步电动机正转和反转控制 。电流型。电流型逆变器易于实现可逆运行。逆变器易于实现可逆运行。 频率瞬时校正器：频率瞬时校正器：其作用是在动态过程中其作用是在动态过程中，当电压发生变化时，来产生补偿电压，当电压发生变化时，来产生补偿电压，而在稳态时不起作用。因此能始终保持而在稳态时不起作用。因此能始终保持U/f=C恒压频比的变频控制条件。恒压频比的变频控制条件。 第17页/共44页第十八页，共44页。19第18页/共44页第十九页，共44页。20第19页/共44页第二十页，共44页。21其中其中(qzhng)， 为转差角频率，为转差角频率， 为同步角频率。为同步角频率。nnnn000nnns1100ssnnnnss112 f转差角频率转差角频率不是转差率不是转差率第20页/共44页第二十一页，共44页。2200nnnsdtdnGDTTLe37521ss222rrKTsmme为转子电阻为转子电阻(dinz)的折的折算值算值smsmsmss为临界转差角为临界转差角频率频率(最大最大)sm第21页/共44页第二十二页，共44页。23CfU22rKTsmme第22页/共44页第二十三页，共44页。242212 22212 201)()(LrLLrIIsms1I为定子电流为定子电流0I为励磁电流为励磁电流s为转差角频率为转差角频率第23页/共44页第二十四页，共44页。251ITnCsem控制控制控制控制 semsmsTC条件条件(tiojin)条件条件(tiojin)控制控制(kngzh)条件（条件（控制控制(kngzh) I1 ）控制控制(kngzh)目标目标如同恒压频比如同恒压频比需要协同变化需要协同变化第24页/共44页第二十五页，共44页。26变频器由三大部分组成：变频器由三大部分组成：主回路：实现电能变换，电感滤波，电流型。主回路：实现电能变换，电感滤波，电流型。电流控制：转速、电流双闭环，函数电流控制：转速、电流双闭环，函数(hnsh)发生器确保电流与角频率发生器确保电流与角频率关系。关系。角频率控制：转差角频率转子角速度定子电流角频率，控制转速角频率控制：转差角频率转子角速度定子电流角频率，控制转速相序鉴别器：作用是判别的极性，从而控制环形分配器的输出相序，实现相序鉴别器：作用是判别的极性，从而控制环形分配器的输出相序，实现电动机正转或反转。电动机正转或反转。其它其它(qt)各环节：前面变频调速系统都已讨论，作用相同，不再讨论。各环节：前面变频调速系统都已讨论，作用相同，不再讨论。 转差角频率控制的变频调速系统，在实际实现时，还存在一些实际问题，转差角频率控制的变频调速系统，在实际实现时，还存在一些实际问题，影响控制精度和性能，如难于保证气隙磁通恒定、难于直接测量转差角频影响控制精度和性能，如难于保证气隙磁通恒定、难于直接测量转差角频率等。更理想的控制是下面要介绍的脉宽调制（率等。更理想的控制是下面要介绍的脉宽调制（PWM）变频调速方式。）变频调速方式。第25页/共44页第二十六页，共44页。27第26页/共44页第二十七页，共44页。28 如何如何(rh)产生这些产生这些控制脉冲控制脉冲 何时何时产生这些产生这些(zhxi)控制脉冲控制脉冲 更好更好产生这些产生这些控制脉冲控制脉冲第27页/共44页第二十八页，共44页。29三角三角(snjio)波调波调制制直流电压波形直流电压波形n改变参考电压改变参考电压(diny)Ur的大小，输出脉冲宽度随之改变，可以改变输出的大小，输出脉冲宽度随之改变，可以改变输出基波电压基波电压(diny)的大小（控制电压的大小（控制电压(diny)）；）；n改变载波改变载波Uc的频率，可改变输出基波电压的频率，可改变输出基波电压(diny)的频率（控制频率）。的频率（控制频率）。交点处发交点处发调制信号调制信号控制输出控制输出的调制波的调制波第28页/共44页第二十九页，共44页。30注意注意(zh y)：简单多脉冲调制方式参考波和载波都要改变。：简单多脉冲调制方式参考波和载波都要改变。第29页/共44页第三十页，共44页。31交点处发交点处发调制信号调制信号控制输出控制输出的调制波的调制波l改变参考信号改变参考信号(xnho)Ur的幅值，脉冲宽度随之改变，从而可以改变主回路基波电的幅值，脉冲宽度随之改变，从而可以改变主回路基波电压的大小。压的大小。l改变参考信号改变参考信号(xnho)Ur的频率，输出基波电压的频率随之改变。的频率，输出基波电压的频率随之改变。l同时改变参考信号同时改变参考信号(xnho)Ur的幅值和频率，就能同时改变输出电压的幅值和频率的幅值和频率，就能同时改变输出电压的幅值和频率，也容易满足变频调速，也容易满足变频调速U/f=C条件。条件。 注意：只改变参考信号注意：只改变参考信号(xnho)第30页/共44页第三十一页，共44页。32 等幅等幅 等距等距 调宽调宽 脉冲脉冲(michng)面积和面积和=正弦波下面积正弦波下面积l与简单多脉冲相比，只改变与简单多脉冲相比，只改变(gibin)一种量一种量参考信号，在工程上参考信号，在工程上容易实现，且输出电压更接近正弦波。容易实现，且输出电压更接近正弦波。l概念：载波比概念：载波比 N = fc / fr ，即载波频率与参考波频率的比值；，即载波频率与参考波频率的比值；l 调制系数调制系数 M = Ur m / Uc m ，即参考波幅值与载波幅值的比值，即参考波幅值与载波幅值的比值。l 逆变器输出电压的基波幅值与调制系数成正比（载波幅值不变逆变器输出电压的基波幅值与调制系数成正比（载波幅值不变）。）。第31页/共44页第三十二页，共44页。33通过改变正弦参考波的幅值和频率通过改变正弦参考波的幅值和频率(pnl)改变输出基波的大小和频率改变输出基波的大小和频率(pnl)。第32页/共44页第三十三页，共44页。34第33页/共44页第三十四页，共44页。35)3sin(19. 0)sin(15. 1ttur第34页/共44页第三十五页，共44页。360cabcabuuu在交点在交点(jiodin)处发处发出调制信号出调制信号第35页/共44页第三十六页，共44页。37n 让逆变器输出让逆变器输出(shch)正弦波或接近正弦波电压；且保证输出正弦波或接近正弦波电压；且保证输出(shch)电压的对称性。电压的对称性。各区间各区间(q jin)线线电压和电压和=0各相近似各相近似正弦正弦(zhngxin)电电压压1、构成单元构成单元2、实现效果实现效果第36页/共44页第三十七页，共44页。38n 三相线电压各单元三相线电压各单元(dnyun)的脉冲序列分析：的脉冲序列分析：第37页/共44页第三十八页，共44页。39第38页/共44页第三十九页，共44页。40第39页/共44页第四十页，共44页。41第40页/共44页第四十一页，共44页。42第41页/共44页第四十二页，共44页。43转速转速(zhun s)电流电流双闭环双闭环电流电流(dinli)脉脉宽调制宽调制输出电流幅输出电流幅值比例系数值比例系数第42页/共44页第四十三页，共44页。44第43页/共44页第四十四页，共44页。