变频驱动

,Click to edit the title text format,Click to edit the title text format,Click to edit the outline text format,Second Outline Level,Third Outline Level,Fourth Outline Level,Fifth Outline Level,Sixth Outline Level,Seventh Outline Level,Eighth Outline Level,Ninth Outline Level,#,Click to edit the title text format,Click to edit the outline text format,Second Outline Level,Third Outline Level,Fourth Outline Level,Fifth Outline Level,Sixth Outline Level,Seventh Outline Level,Eighth Outline Level,Ninth Outline Level,#,第一章 变频驱动概述,交流电动机的变频调速技术概述,什么是交流电动机的变频调速技术,用半导体电力电子器件构成的变频器，把工频的交流电变成频率可调的交流电，供给交流电动机，用以改变交流电动机的运转速度的技术，称为交流电动机的变频调速技术。,变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）：,序号,优点,1,平滑软启动，降低启动冲击电流，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,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,交流电动机调速系统的特点,交流调速系统的特点由交流电动机和交流调速装置两部分共同决定。,性能优异的交流电动机调速系统是在直流电动机调速系统之后出现的，目前在绝大部分场合已取代了直流电动机调速系统。,交流调速系统与直流调速系统相比较，主要具有如下特点,：,（,1,）交流电动机具有更大的单机容量。,（,2,）交流电动机的运行转速高且耐高压。,（,3,）交流电动机的体积、重量、价格均小于同容量的直流电动机。直流电动机的主要劣势在其机械换向部分，相比而言，交流电动机构造简单、坚固耐用、经济可靠、转动惯量小。,（,4,）交流电动机特别是鼠笼型异步电动机的环境适应性广。在恶劣环境直流电动机几乎无法使用。,（,5,）调速装置方面，计算机技术、电力电子器件技术的发展，新控制算法的应用，使交流电动机调速装置反应速度快、精度高且可靠性高。达到与直流电动机调速系统同样的性能指标。,交流电动机的变频调速技术的主要发展过程,直流电力拖动和交流电力拖动在,19,世纪先后诞生。在,20,世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量,80%,以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。,直到,20,世纪,6070,年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。,这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，,交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向,。,电机控制,算法,功率半,导体技术,V/F,控制,SCR,GTR,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,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/F,70,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,交流电动机调速系统的目前水平,（,1,）,从中小容量等级发展到大容量、特大容量等级，填补了直流调速系统留下的特大容量电机调速空白。,（,2,）交流调速系统已具备高的可靠性和长期连续运行能力，能满足实际工况对可靠性要求高、长期不停机检修等特殊要求。,（,3,）控制装置设计可以达到和直流调速控制同样良好的控制性能，交流电动机设计可以满足各种工业现场，实现了交流电动机调速系统的高性能、高精度转速控制。,（,4,）交流电动机调速系统已从原来作为直流电动机调速系统的补充手段，发展到已在大部分场合取而代之的应用状态。,交流电动机调速系统的技术发展趋势,(,1,）新型开关元件和储能元件的研制。,（,2,）最新控制思想、控制算法、控制技术不断应用于交流调速产品。,（,3,）控制装置设计可靠性越来越高性能，不断解决瞬时停电后的装置安全及恢复正常问题。,（,4,）高运算速度、高控制性能的微型计算机产品在现代交流调速装置中不断应用，充分显示了现代控制手段的优越性。,（,5,）进行大容量、特大容量等级的新型交流调速动机技术研究。同时也在进行结构精巧的高效能、高精度交流控制电机技术研究。,交流电动机调速系统的技术应用（,1,）,（,1,）风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的,40%,，进行变频、串级调速，可以节能。,（,2,）对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。,（,3,）纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级变速，提高产品的质量和效率。,（,4,）钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。,（,5,）有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。,（,6,）油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。,交流电动机调速系统的技术应用（,2,）,(7),变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。,(,8),变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用，提高调速性能和产品质量。,(,9),变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。,(,10),机械行业。是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。,交流电动机的变频器种类,1,按变换环节分类,按变换环节分为两类：交,-,直,-,交变频器，交,-,交变频器；,按变频的原理分为直接变频和间接变频；直接变频为交,-,交变频。,交,-,交变频器把频率固定的交流电直接变换成概率连续可调的交流电。,优点是没有中间环节，变换效率高；,缺点是连续可调的的频率范围窄，一般为额定频率的,1/2,以下，故它主要用于低速大容量的拖动系统中。,交交变频,AC,50Hz,AC,CVCF,VVVF,晶闸管相控单相交,-,交变频器,由两个三相晶闸管相控整流桥反向并联构成，各工作半个周期，称为正、反两组。需要,12,个管子！,正、反两组晶闸管相控整流单元按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压,u,0,，,u,0,的幅值决定于各组可控整流装置的控制角,，,u,0,的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果同组的控制角相同，则输出平均电压是方波。,已能实现变压变频，但谐波含量比较大，要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。,控制方法：在正向组导通的半个周期中，使控制角,由,/2,（对应于平均电压,u,0,=0,）逐渐减小到,0,（对应于,u,0,最大），然后再逐渐增加到,/2,（,u,0,再变为,0,）。,晶闸管相控三相交交变频器,三相交交变频电路由,3,个单相交交变频电路组成。共需要,36,个晶闸管，电路结构复杂。,晶闸管交,-,交变压变频器的优点、不足及应用场合（,1,）,优点：可以做到高压、大容量,缺点：,器件多，设备复杂,输入功率因数较低，谐波电流含量大，须配置谐波滤波和无功补,偿设备,其最高输出频率不超过电网频率的,1/3 1/2,频谱复杂，既有高频，又有低频，且随负载的变化而变化，滤波,很麻烦。,一般用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等,大容量、低转速,的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。,应用场合：,晶闸管交,-,交变压变频器的优点、不足及应用场合（,2,）,矩阵式交交变频器,由全控制器件构成的,PWM,交交变换器输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行。这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。,2,交,-,直,-,交变频（,1,）,间接变频为交,-,直,-,交变频，将交流经整流器后变为直流，然后再经逆变器调制为频率可调的交流电。,变压变频,(VVVF),中间直流环节,恒压恒频,(CVCF),逆变,DC,AC,AC,50Hz,整流,20,2,交,-,直,-,交变频（,2,）,根据整流器的不同，可分为可控整流器和不可控整流器。,2,交,-,直,-,交变频（,3,）,PWM,变压变频器的优点：,1,）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,2,）输出电压波形虽是一系列的,PWM,波，但由于采用了恰当的,PWM,控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,3,）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。,4,）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,由于,PWM,变压变频器具有以上的优点，所以目前商业化应用的变频器绝大多数是这一类变频器。,2,交,-,直,-,交变频（,4,）,不足：,由于是不控整流，,(1),输入特性差，输入电流的谐波含量大，功率因数低；（,2,）功率不能双向流动，直流侧能量无法回馈。,2,交,-,直,-,交变频（,5,）,改进,PWM,整流器,+PWM,逆变器构成,Back-to-Back PWM,变换器。,PWM,整流器是个好装置，近年来应用非常广泛，不仅在高性能调速领域，在可再生能源发电、电力有源滤波（,APF,）、无功补偿等领域。,2,交,-,直,-,交变频（,6,）,受全控器件容量的限制，特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（,SCR,），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交,-,直,-,交变压变频器,SCR,可控,整流器,六 拍,逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调频,调压,2,按电压的调制方式分类,(1)PAM(Pulse Amplitude Modulation,，,PAM),，脉幅调制。通过调节输出脉冲的幅值来调节输出电压的方式。在调节过程中，逆变器负责调频，相控整流器或直流斩波器负责调压。目前，在中小容量变频器中很少采用。,(2)PWM(Pulse Width Modulation,PWM),脉宽调制。通过改变输出脉冲的宽度和占宽比来调节输