第6讲-变频器原理及应用课件

第第6讲讲1变频器原理与应用（第2版）第2章总结总结高（中）压变频器高（中）压变频器高（中）压变频器的分类高（中）压变频器的分类高（中）压变频调速系统的基本形式高（中）压变频调速系统的基本形式 高（中）压变频器的应用高（中）压变频器的应用 高（中）高（中）压变频器的技器的技术要求要求高（中）压变频器的主电路结构高（中）压变频器的主电路结构高压变频器对电动机的影响及防治措施高压变频器对电动机的影响及防治措施变频器的组成与功能变频器的组成与功能变频器的结构变频器的结构(主电路、控制电路主电路、控制电路)主控板主控板键盘与显示板键盘与显示板2变频器原理与应用（第2版）第2章 2键盘与显示板键盘与显示板3变频器原理与应用（第2版）第2章 3 电源板电源板 变频器的电源板主要提供以下变频器的电源板主要提供以下电源电源：(1)(1)主控板主控板电源电源 它要求有极好的稳定性和抗干扰能它要求有极好的稳定性和抗干扰能力。力。(2)(2)驱动驱动电源电源 因逆变管处于直流高压电路中，又分因逆变管处于直流高压电路中，又分属于三相输出电路中不同的相。所以驱动电源非但和属于三相输出电路中不同的相。所以驱动电源非但和主控板电源之间必须可靠主控板电源之间必须可靠隔离隔离，各驱动电源之间也必须，各驱动电源之间也必须可靠可靠绝缘绝缘(和直流高压的负极相接的三个驱动电路和直流高压的负极相接的三个驱动电路可以共可以共“地地”)。(3)(3)外控外控电源电源 为外接控制电路提供稳定的直流电源。为外接控制电路提供稳定的直流电源。例如当由外接电位器给定时，其电源就是由变频器内例如当由外接电位器给定时，其电源就是由变频器内部的电源板提供的。部的电源板提供的。4变频器原理与应用（第2版）第2章 电源电源数字输出数字输出制动制动6.1.3 6.1.3 变频器与外部器与外部连接的端子接的端子 电机电机模拟输出模拟输出数字输入数字输入继电器输出继电器输出模拟输入模拟输入电源电源5变频器原理与应用（第2版）第2章 1主电路端子主电路端子 变频器通过主电路端子与外部连接变频器通过主电路端子与外部连接6变频器原理与应用（第2版）第2章2.主电路断路器容量和铜芯导线截面选择推荐主电路断路器容量和铜芯导线截面选择推荐 P 697变频器原理与应用（第2版）第2章SB70G375kW及以下机型控制板端子排列如图及以下机型控制板端子排列如图6-11所示。所示。3.控制板端子、跳线及配线控制板端子、跳线及配线（P70-71）8变频器原理与应用（第2版）第2章.控制板端子功能表控制板端子功能表9变频器原理与应用（第2版）第2章10变频器原理与应用（第2版）第2章11变频器原理与应用（第2版）第2章1 1）模拟输入端子配线）模拟输入端子配线使用使用模拟信号模拟信号远程操作时，操作器与变频器之间的控制远程操作时，操作器与变频器之间的控制线长度应线长度应小于小于30m30m，由于模拟信号容易受到干扰，模拟控，由于模拟信号容易受到干扰，模拟控制线应与制线应与强电回路强电回路、继电器、接触器等回路、继电器、接触器等回路分离布线分离布线。配线应尽可能配线应尽可能短短且连接线应采用屏蔽双绞线，屏蔽线一且连接线应采用屏蔽双绞线，屏蔽线一端接到变频器的端接到变频器的GNDGND端子端子上。上。2 2）多功能输入端子多功能输入端子X1X1X6X6、FWDFWD、REVREV端子及多功能输出端子及多功能输出端子端子Y1Y1、Y2Y2配线配线SB70GSB70G多功能输入端子及输出端子有多功能输入端子及输出端子有漏型逻辑和源型逻辑漏型逻辑和源型逻辑两种方式可供选择，接口方式非常灵活、方便。两种方式可供选择，接口方式非常灵活、方便。4.控制板端子配线控制板端子配线12变频器原理与应用（第2版）第2章3）继电器输出端子）继电器输出端子TA、TB、TC配线配线如果驱动如果驱动感性负载感性负载（例如电磁继电器、接触器、电磁制（例如电磁继电器、接触器、电磁制动器），则应加装浪涌电压动器），则应加装浪涌电压吸收电路吸收电路、压敏电阻压敏电阻或或续流续流二极管二极管（用于（用于直流直流电磁回路，安装时一定要注意电磁回路，安装时一定要注意极性极性）等。吸收电路的元件要就近安装在继电器或接触器的等。吸收电路的元件要就近安装在继电器或接触器的线线圈两端圈两端，如下图所示：，如下图所示：4.控制板端子配线控制板端子配线13变频器原理与应用（第2版）第2章6.2 变频器的主要功能参数及预置变频器的主要功能参数及预置1.功能参数预置功能参数预置（1）功能参数功能参数预置步骤预置步骤 1)1)查查功能码功能码表，找出需要表，找出需要预置参数的功能码预置参数的功能码（P202P202）。2)2)在参数设定模式在参数设定模式(编程编程模式模式)下，读出该功能下，读出该功能码中原有的数据。码中原有的数据。3)3)修改数据，送入新数据。修改数据，送入新数据。6.2.1 变频器运行前的功能参数变频器运行前的功能参数预置预置 程序设定就是通过编写程序的方法对变频器程序设定就是通过编写程序的方法对变频器进行进行功能预置功能预置。如设定启动时间、停止时间等。如设定启动时间、停止时间等。14变频器原理与应用（第2版）第2章变频器程序设定的方法变频器程序设定的方法1)1)按按模式转换键模式转换键(FUNC(FUNC、MODEMODE或或PRGPRG)；使变频器处于程序；使变频器处于程序设定状态。设定状态。（频率设定模式）（频率设定模式）2)2)按数字键或数字增减按数字键或数字增减（和和）键，找出需预置的功能键，找出需预置的功能号。号。3)3)按按读出读出键或设定键键或设定键(READ(READ或或DATA)DATA)，读出该功能中原有的，读出该功能中原有的数据码。数据码。4)4)如需修改，则按数字键或数字增减（如需修改，则按数字键或数字增减（和和）键来）键来修改修改数据码。数据码。5)5)按按写入键写入键或设定键或设定键(READ(READ或或DATA)DATA)，将修改后的数据码写，将修改后的数据码写入存储器中。入存储器中。6)6)判断预置是否结束，如未结束，则转入第二步继续预置判断预置是否结束，如未结束，则转入第二步继续预置其他功能；如已结束，则其他功能；如已结束，则按模式转换键按模式转换键(FUNC(FUNC、MODEMODE或或PRGPRG)，使变频器进入，使变频器进入运行运行状态。状态。15变频器原理与应用（第2版）第2章 2.运行模式的选择运行模式的选择 运行模式是指变频器运行时，运行模式是指变频器运行时，给定频率给定频率和和起动信号起动信号从哪里给出。根据给出地方的不同，从哪里给出。根据给出地方的不同，运行方式主要可分为：运行方式主要可分为：面板操作，外部操作面板操作，外部操作(端子操作端子操作)，通信控制，通信控制(上位机给定上位机给定)。选择运行模式，大多采用功能预置的方法，如森兰选择运行模式，大多采用功能预置的方法，如森兰系列的功能码系列的功能码F0-01的参数的参数（P-202）设置为设置为0，F0-00数字给定；数字给定；设置为设置为1，通讯给定；，通讯给定；设置为设置为2，UP/DOWN调节值；调节值；设置为设置为3，AI1；设置为设置为4，AI2；设置为设置为5，PFI；设置为设置为6，算术单元，算术单元1；设置为设置为7，算术单元，算术单元2；设置为设置为8，算术单元，算术单元3；设置为设置为9，算术单元，算术单元4；设置为设置为10，面板电位器给定。，面板电位器给定。16变频器原理与应用（第2版）第2章 3.给出起动信号给出起动信号 经过以上两步，变频器巳做好了运行的准备，经过以上两步，变频器巳做好了运行的准备，只要起动信号一到，变频器就按照预置的参数只要起动信号一到，变频器就按照预置的参数运转。运转。17变频器原理与应用（第2版）第2章6.2.2 变频器的运行功能参数变频器的运行功能参数 1.1.加速加速时间 指指工工作作频频率率从从0Hz升升至至基基本本频频率率fb所所需需要要的的时时间间，给给定定加加速速时时间间的的基基本本原原则则是在电动机的是在电动机的起动电流不超过允许值的前提下起动电流不超过允许值的前提下，尽量地，尽量地缩短缩短加速时间。加速时间。2.2.加速模式加速模式 根根据据各各种种负负载载的的不不同同要要求求，给给出出了了各各种种不不同同的的加加速速曲曲线线(模模式式)供供用用户户选选择择。常见的曲线有常见的曲线有线性方式、线性方式、S S形方式和半形方式和半S S形形方式等。方式等。3.3.减速减速时间 输输出出频频率率从从基基本本频频率率f fb b减减至至0Hz0Hz所所需需的的时时间间，减减速速时时间间的的给给定定方方法法同同加加速速时时间一样，其值的大小主要考虑系统的间一样，其值的大小主要考虑系统的惯性惯性。4.4.减速模式减速模式 减速模式设置与加速模式减速模式设置与加速模式相似相似，也有，也有线性和线性和S S形、半形、半S S形形等几种方式。等几种方式。5.5.多功能端子多功能端子 多多功功能能端端子子的的功功能能由由用用户户可可根根据据需需要要通通过过功功能能代代码码进进行行设设置置，以以节节省省变变频频器控制端子的数量。器控制端子的数量。6.6.程程序序控控制制 也也称称简简易易PLCPLC控控制制。对对于于一一个个需需要要多多挡挡速速操操作作的的拖拖动动系系统统来来说说，多多挡挡速速的的选选择择可可用用外外部部控控制制来来切切换换 ，也也可可依依靠靠变变频频器器内内部部定定时时器器来来自自动动执执行。行。18变频器原理与应用（第2版）第2章6.2.3 6.2.3 优化特性功能及化特性功能及预置置 1.1.节能功能能功能 很很多多变变频频器器都都提提供供了了自自动动节节能能功功能能，只只需需用用户户选选择择“用用”，变变频频器器就就可可自动搜寻最佳工作点，以达到节能的目的。自动搜寻最佳工作点，以达到节能的目的。2.PID2.PID控制功能控制功能 给给定定信信号号与与反反馈馈信信号号相相比比较较的的偏偏差差值值，经经过过P P、I I、D D调调节节，变变频频器器通通过过改改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差偏差，回复到，回复到给定值给定值。3 3自自动电压调整整 当当遇遇到到输输入入电电压压降降低低时时，变变频频器器会会适适当当提提高高其其输输出出电电压压，以以保保证证电电动动机机的带的带负载能力不变负载能力不变。4 4瞬瞬间停停电再起再起动 是是在在发发生生瞬瞬时时停停电电又又复复电电时时，使使变变频频器器仍仍然然能能够够根根据据原原定定的的工工作作条条件件自自动动进入运行进入运行状态状态 。保保证系系统连续运行运行 5.5.电动机参数的自机参数的自动调整整 很很多多变变频频器器都都提提供供了了电电动动机机参参数数的的自自动动调调整整功功能能，对对电电动动机机的的参参数数进进行行测试。测试。6.6.变频器和工器和工频电源的切源的切换 如果采用如果采用自动切换方式自动切换方式，需要对变频器进行参数预置。，需要对变频器进行参数预置。19变频器原理与应用（第2版）第2章6.2.4 6.2.4 变频器的保器的保护功能及功能及预置置 1 1过电流保护过电流保护 过过电电流流是是指指变变频频器器的的输输出出电电流流的的峰峰值值超超出出了了变变频频器器的的容容许许值值。由由于于逆逆变变器器的的过过载载能能力力很很差差，大大多多数数变变频频器器的的过过载载能能力力都都只只有有150150，允允许迟续时间为许迟续时间为1min1min。因此变频器的过电流保护，就显得尤为重要。因此变频器的过电流保护，就显得尤为重要。2 2电动机过载保护电动机过载保护 当当变变频频器器的的输输出出电电流流大大于于过过载载保保护护电电流流，在在超超过过时时限限后后过过载载电电流流仍仍然存在，则变频器将跳闸，停止输出。然存在，则变频器将跳闸，停止输出。3.3.过电压保护过电压保护 电电动动机机处处于于再再生生制制动动状状态态，若若减减速速时时间间设设置置得得太太短短，或或是是由由于于电电源源系系统统的的浪浪涌涌电电压压都都可可以以引引起起的的过过电电压压。对对于于电电源源过过电电压压的的情情况况，规规定定：电电源源电电压压的的上上限限一一般般不不能能超超过过电电源源电电压压的的10。如如果果超超过过该该值值，变频器将会跳闸。变频器将会跳闸。4.4.欠电压保护和瞬间停电的处理欠电压保护和瞬间停电的处理 当当电电网网电电压压过过低低时时，会会引引起起变变频频器器中中间间直直流流电电路路的的电电压压下下降降，从从而而使使变变频频器器的的输输出出电电压压过过低低并并造造成成电电动动机机输输出出转转矩矩不不足足和和过过热热现现象象。欠欠电电压压保保护护的的作作用用就就是是在在变变频频器器的的直直流流中中间间电电路路出出现现欠欠电电压压时时，使使变频器停止输出。变频器停止输出。20变频器原理与应用（第2版）第2章6.3 6.3 变频器的器的频率参数及率参数及预置置 6.3.1 6.3.1 各种基本各种基本频率参数率参数 1.1.给定定频率率 用户根据生产工艺的需求所设定的变频器输出频率。用户根据生产工艺的需求所设定的变频器输出频率。2.2.输出出频率率 输出频率即变频器实际输出的频率。输出频率即变频器实际输出的频率。3 3基准基准频率率 用用f fb b表示。一般以电动机的额定频率表示。一般以电动机的额定频率f fN N作为基频作为基频f fb b的给定值。的给定值。4.4.上限上限频率和下限率和下限频率率 指变频器输出的最高、最低频率，常用指变频器输出的最高、最低频率，常用f fH H和和f fL L来表示。来表示。5.5.跳跳跃频率率 也叫回避频率，是指不允许变频器连续输出的频率，常用也叫回避频率，是指不允许变频器连续输出的频率，常用f fJ J表示。表示。21变频器原理与应用（第2版）第2章 6.3.2 6.3.2 变频器的其他器的其他频率参数率参数 1.1.点动频率点动频率 点动频率是指变频器在点动时的给定频率。点动频率是指变频器在点动时的给定频率。2.2.载波波频率率(PWM(PWM频率率)PWM变变频频器器的的输输出出电电压压大大小小取取决决于于调调制制波波(基基波波)和和载载波波(三三角角波波)的的交交点点。载载波波频频率率越越高高，电电流流波波形形的的平平滑滑性性就越好，但是对其他设备的干扰也越大。就越好，但是对其他设备的干扰也越大。3.3.起动频率起动频率 是指电动机开始起动时的频率，常用是指电动机开始起动时的频率，常用fs表示。表示。4.4.直流制直流制动起始起始频率率 当变频器的工作频率下降至当变频器的工作频率下降至fDB时，通入直流电。时，通入直流电。5.5.多多挡转速速频率率 22变频器原理与应用（第2版）第2章本本 章章 小小 结 变频器的基本组成可分为两大部分：由电力电子器件变频器的基本组成可分为两大部分：由电力电子器件构成的主电路；以微处理器为核心的控制电路。构成的主电路；以微处理器为核心的控制电路。变频器与外部连接的端子分为主电路端子和控制电路变频器与外部连接的端子分为主电路端子和控制电路端子。端子。变频器在使用前，一定要对功能参数进行预置，预置变频器在使用前，一定要对功能参数进行预置，预置过程大致有下面几个步骤：过程大致有下面几个步骤：1)查功能参数码表，找出需要预置参数的功能码。查功能参数码表，找出需要预置参数的功能码。2)在参数设定模式在参数设定模式(编程模式编程模式)下，读出该功能码中原下，读出该功能码中原有的数据。有的数据。3)修改数据，送入新数据。修改数据，送入新数据。23变频器原理与应用（第2版）第2章练习题练习题如图所示为如图所示为SB70G系列变频器的主回路端子接线图，系列变频器的主回路端子接线图，请将主回路各端子的名称和功能填入所给表格中。请将主回路各端子的名称和功能填入所给表格中。24变频器原理与应用（第2版）第2章第第7章章 变频调速拖动系统变频调速拖动系统7.1 异步电动机变频调速的原理异步电动机变频调速的原理7.1.1 异步电动机变频调速工作原理异步电动机变频调速工作原理 1 1旋转磁场旋转磁场在在异异步步电电动动机机的的三三相相定定子子绕绕组组中中通通入入三三相相交交变变电电流流后后，它它们们合合成成的的磁磁场是一个旋转磁场，磁场旋转的转速场是一个旋转磁场，磁场旋转的转速(即同步转速即同步转速)n n0 0可用下式表示：可用下式表示：(7-1)(7-1)式中式中 f fI I 电流的频率；电流的频率；p p 旋转磁场的磁极对数。旋转磁场的磁极对数。如果频率调节成如果频率调节成f fx x，则同步转速则同步转速n n0 x0 x也随之调节成也随之调节成 (7-2)(7-2)这就是变频调速的理论依据。这就是变频调速的理论依据。25变频器原理与应用（第2版）第2章2 2异步电动机的工作原理异步电动机的工作原理 图图5-15-1所所示示为为异异步步电电动动机机的的工工作作原原理理。定定子子通通入入交交流流电电电电流流后后形形成成旋旋转转磁磁场场切切割割转转子子绕绕组组，由由右右手手定定则则可可判判断断转转子子绕绕组组中中的的感感生生电电流流方方向向。载载流流的的转转子子绕绕组组在在磁磁场场中中受受到到电电磁磁力力的的作作用用就就形形成成电电磁磁转转矩矩T T，根根据据左左手手定定则则可可判判断断T T的的方方向向。在在T T的的作作用用下下转转子子就就跟随定子的旋转磁场旋转起来。跟随定子的旋转磁场旋转起来。图图7-1 7-1 异步电动机的工作原理异步电动机的工作原理 26变频器原理与应用（第2版）第2章3异步电动机的转速异步电动机的转速及转差率及转差率 只只有有旋旋转转磁磁场场和和转转子子绕绕组组之之间间存存在在相相对对运运动动，转转子子绕绕组组才才能能切切割割磁磁力力线线，进进而而产产生生感感应应电电流流和和形形成成电电磁磁转转矩矩。因因此此转转子子转转速速n n与与旋旋转转磁磁场场转转速速n n0 0之之间间一一定定存存在在着着一一个个差差值值，我我们们称称之之为为转转差差，用用n n表表示示，即即 (5-3)(5-3)异异步步电电动动机机的的实实际际转转速速为为n n，n n总总是是小小于于n n0 0，异异步步电电动动机机的的“异异步步”正正是是来源于此。转差来源于此。转差n n0 0n n与同步转速与同步转速n n0 0的比值称为转差率，用的比值称为转差率，用s s表示，即表示，即 (5-4)(5-4)由上式可推导出异步电动机的转速由上式可推导出异步电动机的转速n n的表达式为的表达式为 (5-5)(5-5)27变频器原理与应用（第2版）第2章7.1.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 机机械械特特性性是是指指电电动动机机在在运运行行时时，其其转转速速与与电电磁磁转转矩矩之之间间的的关关系系，即即 n nf f(T T)。三相异步电动机的机械特性曲线如图三相异步电动机的机械特性曲线如图7-1所示。所示。图图7-1 三相异步电动机的机械特性曲线三相异步电动机的机械特性曲线28变频器原理与应用（第2版）第2章 1起动转矩起动转矩Tst 在在n=0(s=1)，T=Tst点，这点的转矩称为起点，这点的转矩称为起动转矩动转矩Tst，也称为堵转转矩。当电动机的负载，也称为堵转转矩。当电动机的负载转矩大于转矩大于Tst时，电动机将不能起动。时，电动机将不能起动。2额定转矩额定转矩TN 在在n=nN(s=sN)，T=TN点，这点的转矩称为额点，这点的转矩称为额定转矩定转矩TN。当电动机工作在额定转矩。当电动机工作在额定转矩TN时，时，sN通通常在常在0.020.06之间，转速在很小的范围内变化之间，转速在很小的范围内变化时，转矩即可在很大的范围内变化，即工作于额时，转矩即可在很大的范围内变化，即工作于额定转矩定转矩TN时，电动机具有很硬的机械特性。时，电动机具有很硬的机械特性。29变频器原理与应用（第2版）第2章 3最大转矩最大转矩TM 在在n=n L(s=s L)，T=TM点，这点的点，这点的转矩称为转矩称为最大转矩最大转矩TM。TM的大小象征着电的大小象征着电动机的过载能力，用过载倍数动机的过载能力，用过载倍数表示，表示，TMTN。在任何情况下，。在任何情况下，电动机的负载转电动机的负载转矩都不能大于矩都不能大于TM，否则电动机转速将急剧，否则电动机转速将急剧下降，致使电动机堵转停止，因此，这一下降，致使电动机堵转停止，因此，这一点称为临界转速点。点称为临界转速点。临界转速临界转速nL的大小决的大小决定了定了L点的上下位置，从而反映了机械特点的上下位置，从而反映了机械特性的硬度。性的硬度。30变频器原理与应用（第2版）第2章7.1.3 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动 起起动动时时定定子子电电流流Ist也也很很大大，一一般般会会达达到到额额定定电电流流IN的的47倍倍，除除了了小小容容量量的的三三相相异异步步电电动动机机能能直直接接起起动动外外，一一般般要要采采取取不不同同的的方方法法起起动动，变变频频器器用用降降低低频频率率f1从从而而也也降降低低了了U1的的方方法法来来起起动动电电动动机机。如如图图7-2所所示示为为低低频频起起动动时电动机的机械特性曲线。时电动机的机械特性曲线。图图7-2 低频起动时电动机的机械特性曲线低频起动时电动机的机械特性曲线31变频器原理与应用（第2版）第2章7.1.4 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动电动机的制动状态是指电磁转矩电动机的制动状态是指电磁转矩T与转速与转速n方向相反的状态。方向相反的状态。1直流制动直流制动 电电动动机机制制动动时时，切切断断电电动动机机的的三三相相电电源源，在在定定子子绕绕组组中中通通入入直直流电，产生一恒定磁场，如图流电，产生一恒定磁场，如图7-3所示。所示。a)直流制动的原理直流制动的原理 b)直流制动的机械特性曲线直流制动的机械特性曲线 图图7-3 直流制动的原理与机械特性直流制动的原理与机械特性 32变频器原理与应用（第2版）第2章 2回馈制动回馈制动 由于某些原因，当由于某些原因，当nn1时，转子切割旋转磁时，转子切割旋转磁场的方向和电动运行状态场的方向和电动运行状态nn1正好相反，转子中正好相反，转子中感应电动势和电流的方向也相反，电磁转矩感应电动势和电流的方向也相反，电磁转矩T也就也就和和n反向，为制动转矩。回馈制动是将轴上的机械反向，为制动转矩。回馈制动是将轴上的机械能转换成电能，回馈给电源。能转换成电能，回馈给电源。图图7-4 回馈制动的机械特性曲线回馈制动的机械特性曲线 33变频器原理与应用（第2版）第2章7.2 异步电动机的调速方式异步电动机的调速方式 7.2.1 异步电动机的调速异步电动机的调速调速与速度改变调速与速度改变 1）调速）调速 是在负载没有改变的情况下，根据生产过程是在负载没有改变的情况下，根据生产过程需要人为地强制性地改变拖动系统的转速。需要人为地强制性地改变拖动系统的转速。2）速度改变）速度改变 速度改变是由于负载的变化而引起拖速度改变是由于负载的变化而引起拖动系统的转速改变。动系统的转速改变。34变频器原理与应用（第2版）第2章7.2.2 异步电动机的调速方式异步电动机的调速方式1.变极调速变极调速 三相异步电动机的变极调速属于有级调速，三相异步电动机的变极调速属于有级调速，通过改变磁极对数通过改变磁极对数p得到得到。2.变转差率调速变转差率调速 变转差率调速一般适用于绕线型异步变转差率调速一般适用于绕线型异步电动机或转差电动机。具体的实现方法电动机或转差电动机。具体的实现方法很多，比如：转子串电阻的串级调速、很多，比如：转子串电阻的串级调速、调压调速、电磁转差离合器调速等。调压调速、电磁转差离合器调速等。但但是随着是随着s的增大，电机的机械特性变软，的增大，电机的机械特性变软，效率变低。效率变低。35变频器原理与应用（第2版）第2章 (1)异步电动机的等效电路异步电动机的等效电路 图图5-2 5-2 异步电动机定子转子等效电路异步电动机定子转子等效电路 在在图图5-2中中，U1为为定定子子的的相相电电压压；I1为为定定子子的的相相电电流流；r1为为定定子子每每相相绕绕组组的的电电阻阻；x1为为定定子子每每相相绕绕组组的的漏漏抗抗；E2s、I2s、x2s分分别别为为转转子子电电路路中中产产生生的的电电动动势势、电电流流、漏漏电电抗抗；E1为为每每相相定定子子绕绕组组的的反反电电动动势势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的，其有效值计算如下：它是定子绕组切割旋转磁场而产生的，其有效值计算如下：(7-6)式中式中 kN1与绕组结构有关有常数；与绕组结构有关有常数；N1每相定子绕组的匝数。每相定子绕组的匝数。3.变频率调速变频率调速36变频器原理与应用（第2版）第2章(2)变频调速的要求变频调速的要求由式由式(7-6)，若，若 为常数，则为常数，则 (7-7)忽略定子绕组的阻抗压降忽略定子绕组的阻抗压降 可得可得 若若f1减小，则减小，则 增加。造成电机铁心出现深度饱和，使电机增加。造成电机铁心出现深度饱和，使电机无法正常工作。为达到下调频率时无法正常工作。为达到下调频率时 不变，必须有不变，必须有 因此，在额定频率以下，即因此，在额定频率以下，即 调频时，同时下调加在定调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒子绕组上的电压，即恒 控制。控制。37变频器原理与应用（第2版）第2章7.3 对不同负载类型变频器的选择对不同负载类型变频器的选择 在电力拖动系统中，存在着两个主要转矩，在电力拖动系统中，存在着两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩一个是生产机械的负载转矩TL，一个是电动机的，一个是电动机的电磁转矩电磁转矩T。这两个转矩与转速之间的关系分别。这两个转矩与转速之间的关系分别叫做负载的机械特性叫做负载的机械特性nf(TL)和电动机的机械特和电动机的机械特性性nf(T)。由于电动机和生产机械是紧密相连。由于电动机和生产机械是紧密相连的，它们的机械特性必须适当配合，才能得到良的，它们的机械特性必须适当配合，才能得到良好的工作状态。好的工作状态。38变频器原理与应用（第2版）第2章7.3.1 恒转矩负载变频器的选择恒转矩负载变频器的选择 1.1.恒转矩负载特性恒转矩负载特性 恒恒转转矩矩负负载载是是指指那那些些负负载载转转矩矩的的大大小小，仅仅仅仅取取决决于于负负载载的的轻轻重重，而而和和转转速速大小无关的负载。大小无关的负载。带式输送带式输送机和机和起重机械起重机械都是恒转矩负载的典型例子。都是恒转矩负载的典型例子。a)b)a)b)图图7-8 7-8 恒转矩负载的机械特性和功率特性恒转矩负载的机械特性和功率特性 a)a)机械特性机械特性 b)b)功率特性功率特性39变频器原理与应用（第2版）第2章 2.恒转矩恒转矩负载的基本特点负载的基本特点 1)恒恒转转矩矩 由由于于F和和r都都和和转转速速的的快快慢慢无无关关，所所以以在在调调节节转转速速nL的的过过程程中中负负载载的的阻阻转转矩矩TL保保持持不变，即具有恒转矩的特点：不变，即具有恒转矩的特点：TL 常数常数 2)负负载载功功率率与与转转速速成成正正比比 根根据据负负载载的的机机械械功功率率PL和转矩和转矩TL、转速转速nL之间的关系，有：之间的关系，有：(7-12)3.恒转矩负载下变频器的选择恒转矩负载下变频器的选择 1）依据调速范围。）依据调速范围。2）依据负载转矩的变动范围）依据负载转矩的变动范围。3）考虑负载对机械特性的要求。）考虑负载对机械特性的要求。40变频器原理与应用（第2版）第2章7.3.2 恒功率负载变频器的选择恒功率负载变频器的选择 1.恒恒功功率率负负载载是是指指负负载载转转矩矩TL的的大大小小与与转转速速n成成反反比比，而而其其功功率率基基本本维维持不变的负载。属于这类持不变的负载。属于这类负载的负载的有：有：1）各种）各种卷取机械卷取机械 2）轧轧机机在在轧轧制制小小件件时时用用高高速速轧轧制制，但但转转矩矩小小；轧轧制制大大件件时时轧轧制制量量大大需需较较大大转转矩矩，但但速速度低，故总的轧制功率不变。度低，故总的轧制功率不变。3）车车床床加加工工零零件件，在在精精加加工工时时切切削削力力小小，但但切切削削速速度度高高；相相反反，粗粗加加工工时时切切削削力力大大，切削速度低，故总的切削功率不变。切削速度低，故总的切削功率不变。a a）机械特性机械特性 b)b)功率特性功率特性 图图7-10 7-10 恒功率负载的机械特性和功率特性恒功率负载的机械特性和功率特性41变频器原理与应用（第2版）第2章2.2.恒功率负载的特点恒功率负载的特点 （1）功率恒定功率恒定 恒恒功功率率负负载载的的力力F必必须须保保持持恒恒定定，且且线线速速度度v保保持持恒恒定定。所所以以，在在不不同同的的转转速下，负载的功率基本恒定：速下，负载的功率基本恒定：PL=F v常数常数 （2）负载阻转矩的大小与转速成反比）负载阻转矩的大小与转速成反比 负载阻转矩的大小决定于：负载阻转矩的大小决定于：TL=F r (7-13)式中式中 F 卷取物的张力；卷取物的张力；r 卷取物的卷取半径。卷取物的卷取半径。根据负载的机械功率根据负载的机械功率PL和转矩和转矩PL、转速转速nL之间的关系，有：之间的关系，有：(7-14)即，负载阻转矩的即，负载阻转矩的大小与转速成反比。大小与转速成反比。42变频器原理与应用（第2版）第2章3.恒功率负载变频器的选择恒功率负载变频器的选择 对恒功率负载，一般可选择对恒功率负载，一般可选择通用型通用型的，采用的，采用V/f控制方式的变频器。但对于动态性能有较高要控制方式的变频器。但对于动态性能有较高要求的求的卷取机械卷取机械，则必须采用具有，则必须采用具有矢量控制矢量控制功能的功能的变频器。变频器。43变频器原理与应用（第2版）第2章7.3.3 二次方律负载变频器的选择二次方律负载变频器的选择 二二次次方方律律负负载载是是指指转转矩矩与与速速度度的的二二次次方方成成正正比比例例变变化化的的负负载载，例例如如：风风扇扇、风风机机、泵泵、螺螺旋旋桨桨等等机机械械的的负负载载转转矩矩，机械特性和功率特性如图机械特性和功率特性如图7-12所示。所示。a)机械特性机械特性 b)功率特性功率特性 图图7-12 二次方律负载的特性二次方律负载的特性 44变频器原理与应用（第2版）第2章1.二次方律负载的特点二次方律负载的特点 二二次次方方律律负负载载机机械械在在低低速速时时由由于于流流体体的的流流速速低低，所所以以负负载载转转矩矩很很小小，随随着着电电动动机机转转速速的的增增加加，流流速速增增快快，负负载载转转矩矩和和功功率率也也越越来来越越大大，负负载转矩载转矩TL和功率和功率PL可用下式表示：可用下式表示：(7-15)(7-16)式中式中 T 0、P 0 分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗；分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗；KT、KP 分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数45变频器原理与应用（第2版）第2章2.二次方律负载变频器的选择二次方律负载变频器的选择可以选用可以选用“风机、水泵风机、水泵用变频器用变频器”。这是因为：。这是因为：1)风机和水泵风机和水泵一般不容易过载，所以，这类变频器的一般不容易过载，所以，这类变频器的过载能过载能力较低力较低。为。为120，1min(通用变频器为通用变频器为150，1min)。因此在进行因此在进行功能预置功能预置时必须注意。由于时必须注意。由于负载转矩与转速的负载转矩与转速的平方成正比平方成正比，当工作频率高于额定频率时，负载的转矩有，当工作频率高于额定频率时，负载的转矩有可能大大可能大大超过超过变频器变频器额定转矩额定转矩，使电动机过载。所以，其，使电动机过载。所以，其最高工作频率不得最高工作频率不得超过额定频率超过额定频率。2)配置了进行多台控制的配置了进行多台控制的切换功能切换功能。3)配置了一些其他专用的控制功能，如配置了一些其他专用的控制功能，如“睡眠睡眠”与与“唤醒唤醒”功能、功能、PID调节功能。调节功能。46变频器原理与应用（第2版）第2章7.3.4 直线律负载变频器的选择直线律负载变频器的选择 轧钢机和辗压轧钢机和辗压机等都是直线负载。机等都是直线负载。1.直线律负载及其特性直线律负载及其特性 (1)转矩特点。转矩特点。负载阻转矩负载阻转矩TL与转速与转速nL成正比成正比：(7-17)(2)功率特点。功率特点。负载的功率负载的功率PL与转速与转速nL的二次方成正比的二次方成正比。（7-18）式中，式中，和和 直线律负载的转矩常数和功率常数。直线律负载的转矩常数和功率常数。47变频器原理与应用（第2版）第2章其机械特性曲线如图7-13所示。a)辗压机示意图 b)机械特性 c)功率特性 图7-13 直线律负载及其特性 48变频器原理与应用（第2版）第2章 2变频器的选择变频器的选择 直线律负载的机械特性虽然也有典型意义直线律负载的机械特性虽然也有典型意义但在考虑变频器时的但在考虑变频器时的基本要点与二次方律负载相基本要点与二次方律负载相同同，故不作为典型负载来讨论。，故不作为典型负载来讨论。49变频器原理与应用（第2版）第2章7.3.5 特殊性负载变频器的选择特殊性负载变频器的选择 大部分大部分金属切削机床金属切削机床属于混合特殊性负载。属于混合特殊性负载。1混合特殊性负载及其特性混合特殊性负载及其特性 金属切削机床中的低速段，由于工件的最大加工金属切削机床中的低速段，由于工件的最大加工半径和允许的最大切削力相同，故具有恒转矩性半径和允许的最大切削力相同，故具有恒转矩性质；而在高速段，由于受到机械强度的限制，将质；而在高速段，由于受到机械强度的限制，将保持切削功率不变，属于恒功率性质。保持切削功率不变，属于恒功率性质。50变频器原理与应用（第2版）第2章特殊性负载机械特性和功率特性则如图特殊性负载机械特性和功率特性则如图7-14所示。所示。a)机械特性机械特性 b)功率特性功率特性 图图7-14 混合负载的机械特性和功能特性混合负载的机械特性和功能特性 51变频器原理与应用（第2版）第2章 2变频器的选择变频器的选择 金属切削机床除了在切削加工毛坯时，负载大小有较金属切削机床除了在切削加工毛坯时，负载大小有较大变化外，其他切削加工过程中，负载的变化通常是很小大变化外，其他切削加工过程中，负载的变化通常是很小的。就切削精度而言，的。就切削精度而言，选择选择Vf 控制方式控制方式能够满足要求。能够满足要求。但从节能角度看并不理想。但从节能角度看并不理想。矢量变频器在矢量变频器在无反馈矢量控制无反馈矢量控制方式下，已经能够在方式下，已经能够在05Hz时稳定运行，完全可以满足要求。而且无反馈矢量时稳定运行，完全可以满足要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服控制方式能够克服Vf控制方式的缺点。控制方式的缺点。当机床对加工精度有当机床对加工精度有特殊要求特殊要求时，才考虑有反馈时，才考虑有反馈矢量矢量控制控制方式。方式。52变频器原理与应用（第2版）第2章本本 章章 小小 结 异步电动机的转速异步电动机的转速n的表达式为：的表达式为：可可见见改改变变f1即即可可实实现现电电动动机机的的速速度度调调节节。由由于于电电动动机机结结构构参参数数及及其其所所带带负负载载的的特特性性对对变变频频器器的的正正常常工工作作有有着极大的影响，所以应掌握以下的着极大的影响，所以应掌握以下的原理与概念：原理与概念：1.异步电动机的变频调速工作原理。异步电动机的变频调速工作原理。2.异步电动机的机械特性。异步电动机的机械特性。3.异步电动机的起动和制动方法。异步电动机的起动和制动方法。4.异步电动机实现变频调速的要求。异步电动机实现变频调速的要求。5.负载类型，恒转矩、恒功率及二次方律负载的特点负载类型，恒转矩、恒功率及二次方律负载的特点和对应的机械特性。和对应的机械特性。53变频器原理与应用（第2版）第2章练习题练习题 1.公式公式 中，中，表示（表示（）。）。A转差率转差率 B旋转磁场的转速旋转磁场的转速 C转子转速转子转速 D以上都不是以上都不是2.卷扬机负载转矩属于（卷扬机负载转矩属于（）。）。A恒转矩负载恒转矩负载 B恒功率负载恒功率负载 C二次方律负载二次方律负载 D以上都不是以上都不是3风机、泵类负载转矩属于（风机、泵类负载转矩属于（）。）。A恒转矩负载恒转矩负载 B恒功率负载恒功率负载 C二次方律负载二次方律负载 D以上都不是以上都不是填空题填空题54变频器原理与应用（第2版）第2章第第8章章 变频器的控制方式变频器的控制方式8.1 8.1 U Uf f 控制控制8.2 8.2 转差差频率控制（率控制（SFSF控制）控制）8.3 8.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制)8.4 8.4 直接转矩控制直接转矩控制 55变频器原理与应用（第2版）第2章第第8章章 变频器的控制方式变频器的控制方式 8.1 8.1 U Uf f 控制控制 8.1.1 8.1.1 U Uf f 控制原理控制原理 在进行电机调速时，通常是希望保持电机中每极磁在进行电机调速时，通常是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱就等于没有通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱就等于没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电机。又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电机。V Vf f控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使：变电压，通常是使：V Vf f=常数常数 这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。56变频器原理与应用（第2版）第2章57变频器原理与应用（第2版）第2章58变频器原理与应用（第2版）第2章59变频器原理与应用（第2版）第2章60变频器原理与应用（第2版）第2章8.2 8.2 转差差频率控制（率控制（SFSF控制）控制）在电动机允许的过在电动机允许的过载转矩以下，大体可以载转矩以下，大体可以认为产生的认为产生的转矩与转差转矩与转差频率成比例频率成比例。另外，电。另外，电流随转差频率的增加而流随转差频率的增加而单调增加。所以，如果单调增加。所以，如果我们给出的转差频率不我们给出的转差频率不超过允许过载时的转差超过允许过载时的转差频率，那么就可以具有频率，那么就可以具有限制电流的功能。限制电流的功能。8.2.1转差频率控制原理转差频率控制原理61变频器原理与应用（第2版）第2章8.2.2 8.2.2 转差差频率控制的系率控制的系统构成构成 速度调节器通常采用速度调节器通常采用PIPI控制。它的输入为速度设定信号控制。它的输入为速度设定信号2 2*和检测和检测的电机实际速度的电机实际速度2 2之间的误差信号。速度调节器的输出为转差频率设之间的误差信号。速度调节器的输出为转差频率设定信号定信号s s*。变频器的设定频率即电动机的定子电源频率变频器的设定频率即电动机的定子电源频率1 1*为转差频为转差频率设定值率设定值s s*与实际转子转速与实际转子转速2 2的和。当电动机负载运行时，定子频的和。当电动机负载运行时，定子频率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。62变频器原理与应用（第2版）第2章8.3 8.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制)8.3.1 8.3.1 直流电动机与异步电动机调速上的差异直流电动机与异步电动机调速上的差异1直流电动机的调速特征直流电动机的调速特征 直直流流电电动动机机具具有有两两套套绕绕组组，即即励励磁磁绕绕组组和和电电枢枢绕绕组组，它它们们的的磁场在空间上互差磁场在空间上互差/2电角度，两套绕组在电路上是互相独立的。电角度，两套绕组在电路上是互相独立的。2异步电动机的调速特征异步电动机的调速特征 异异步步电电动动机机也也有有定定子子绕绕组组和和转转子子绕绕组组，但但只只有有定定子子绕绕组组和和外外部部电电源源相相接接，定定子子电电流流I1是是从从电电源源吸吸取取电电流流，转转子子电电流流I2是是通通过过电电磁磁感感应应产产生生的的感感应应电电流流。因因此此异异步步电电动动机机的的定定子子电电流流应应包包括括两两个个分分量量，即即励励磁磁分分量量和和负负载载分分量量。励励磁磁分分量量用用于于建建立立磁磁场场；负负载载分分量用于平衡转子电流磁场。量用于平衡转子电流磁场。63变频器原理与应用（第2版）第2章8.3.2 8.3.2 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换 a)三相电流绕组 b)两相交流绕组 c)旋转的直流绕组 图8-9 异步电动机的几种等效模型1.坐标变换的概念坐标变换的概念2.3相相2相变换相变换(3s2s)3.2相相/2相旋转变换（相旋转变换（2s/2r）64变频器原理与应用（第2版）第2章8.3.3 8.3.3 变频器矢量控制的基本思想器矢量控制的基本思想 1矢量控制的基本理念 图8-12 矢量控制的示意图 65变频器原理与应用（第2版）第2章8.3.4 8.3.4 使用矢量控制的要求使用矢量控制的要求选择选择矢量控制模式，矢量控制模式，对变频器和电动机有对变频器和电动机有如下要求如下要求：1)一台变频器只能带一台电动机。一台变频器只能带一台电动机。2)电电动动机机的的极极数数要要按按说说明明书书的的要要求求，一一般般以以4极极电电动动机机为为最最佳。佳。3)电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。4)变变频频器器与与电电动动机机间间的的连连接接线线不不能能过过长长，一一般般应应在在30m以以内内。如如果果超超过过30m，需需要要在在连连接接好好电电缆缆后后，进进行行离离线线自自动调整，以重新测定电动机的动调整，以重新测定电动机的相关参数相关参数。66变频器原理与应用（第2版）第2章8.3.5 8.3.5 矢量控制系矢量控制系统的的优点和点和应用范用范围 1.矢量控制系统的矢量控制系统的优点优点 1）动态的高速响应）动态的高速响应 2）低频转矩增大）低频转矩增大 3）控制灵活）控制灵活 2.矢量控制系统的矢量控制系统的应用范围应用范围 1）要求）要求高速响应高速响应的工作机械的工作机械 2）适应）适应恶劣恶劣的工作环境的工作环境 3）高精度高精度的电力拖动的电力拖动 4）四象限运转）四象限运转 67变频器原理与应用（第2版）第2章8.4 8.4 直接转矩控制直接转矩控制 8.4.1 8.4.1 直接转矩控制系统直接转矩控制系统 直直接接转转矩矩控控制制系系统统是是继继矢矢量量控控制制之之后后发发展展起起来来的的另另一一种种高高性性能能的的交交流流变变频频调调速速系系统统。直直接接转转矩矩控控制制把把转转矩矩直接作为控制量来控制。直接作为控制量来控制。直直接接转转矩矩控控制制是是直直接接在在定定子子坐坐标标系系下下分分析析交交流流电电动动机机的的模模型型，控控制制电电动动机机的的磁磁链链和和转转矩矩。它它不不需需要要将将交交流流电电动动机机化化成成等等效效直直流流电电动动机机，因因而而省省去去了了矢矢量量旋旋转转变变换换中中的的许许多多复复杂杂计计算算，它它不不需需要要模模仿仿直直流流电电动动机机的的控控制制，也也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。68变频器原理与应用（第2版）第2章 图图8-13所所示示为为按按定定子子磁磁场场控控制制的的直直接接转转矩矩控控制制系系统统的的原原理理框框图图，采采用用在在转转速速环环内内设设置置转转矩矩内内环环的的方方法法，以以抑抑制制磁磁链链变变化化对对转转子子系系统统的的影影响响，因因此此，转转速速与与磁磁链链子子系系统也是近似独立的。统也是近似独立的。图8-13 直接转矩控制系统原理框图69变频器原理与应用（第2版）第2章8.4.2 8.4.2 直接转矩控制的优势直接转矩控制的优势 转转矩矩控控制制是是控控制制定定子子磁磁链链，在在本本质质上上并并不不需需要要转转速速信信息息；控控制制上上对对除除定定子子电电阻阻外外的的所所有有电电动动机机参参数数变变化化鲁鲁棒棒性性好好；所所引引入入的的定定子子磁磁链链观观测测器器能能很很容容易易地地估估算算出出同同步步速速度度信信息息。因因而而能能方方便便地地实实现现无无速速度度传传感感器器化化。这这种种控制也称为无速度传感器直接转矩控制。控制也称为无速度传感器直接转矩控制。然然而而，这这种种控控制制要要依依赖赖于于精精确确的的电电动动机机数数学学模模型型和和对电动机参数的自动识别对电动机参数的自动识别(ID)(ID)。70变频器原理与应用（第2版）第2章本章小本章小结 变频器的控制方式有：变频器的控制方式有：Vf 控制、转差频率控制、矢量控制和控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。直接转矩控制等。Vf 控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使通常是使Vf 为常数为常数，这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。低频时，可通过提高低频时，可通过提高U/f 比使输出转矩得到补偿的，这种方法比使输出转矩得到补偿的，这种方法被称作转矩补偿。被称作转矩补偿。转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，通过控制转差频率来控制转矩和电流，调节器的输出为转差频率，通过控制转差频率来控制转矩和电流，使速度的静态误差变小。使速度的静态误差变小。矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。是一种高性以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。是一种高性能的异步电动机控制方式。能的异步电动机控制方式。直接转矩控制是直接分析交流电动机的模型，控制电动机的磁直接转矩控制是直接分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。链和转矩。71变频器原理与应用（第2版）第2章