电机与变频器.

员工培训1王新华电动机和变频器培训应用支持组（上海）员工培训3王新华异步电动机原理员工培训4王新华异步电动机结构•二部分组成–定子•固定不动部分，固定在电动机的机座上；•由定子铁心和绕组组成，铁心由冲有线槽的矽钢片叠压而成，而绕组均匀地分布在铁心的槽内；–转子•旋转部分，固定在旋转轴上有鼠笼式和绕线式两类转子；•由转子铁心和导体或绕组组成，鼠笼式转子采用铸铝浇注而成，绕线式则由漆包绕组和滑环形成。接线盒外壳定子及绕组转子绝缘员工培训5王新华磁场的建立•定子三相绕组通过三相对称交流电时，在定子上产生旋转磁场•旋转磁场的速度，称为同步速度；•n=60f/p其中，f为交流电源频率，P为电机极对数•磁场的幅值大小与流过定子的磁场电流成正比SN员工培训6王新华转子感应电流和转矩产生的条件•转子导体切割磁力线，产生感应电势，由于导体两侧的短路环，形成了感应电流（右手定律）•通电的转子导体切割磁力线，产生电磁力，从而形成力矩（左手定律）•值得注意的是，产生转矩的必需条件包括–转子与定子的旋转磁场一定要有相对运动，也就是要有一定的异步滑差–当转速达到同步转速时，输出的力矩为零导体在磁场中受力情况——左手定律员工培训7王新华转子电流和滑差•转子电流的频率与转子切割定子磁场的相对速度有关•转子的速度与定子的极数和频率有关•例如：定子电流频率50Hz，转子的速度有可能为1500rpm或3000rpm，取决于定子的极数为4极或2极•滑差——定子频率与转子实际速度之差•如果定子磁场速度为1500rpm，而转子实际速度为1460rpm，所以存在着40rpm的滑差，也可以百分比表示，即2.7%。•转子达到同步速时，滑差为0；转子堵转时，滑差为1。员工培训8王新华转矩与定子极对数•定子极数较为常用的有2，4，6，8等，其中4极最为普遍。•下表为每相极数与单位功率产生的转矩关系每相的极数50Hz时的电机名牌速度（rpm）同步速度（rpm）转矩/功率（NTM/Kw）2288030003.34146015006.6698010009.9873075013.21059060016.51248050019.8员工培训9王新华电动机加速过程•定子通电转子转动前，滑差为1，导体与定子磁场相对速度最大，转子感应电势很高，产生很大的启动电流，转子磁场也很高；（A点）•转子从静止不断加速，滑差减少，相应转子电势和电流也随之降低；（B-C-D-E）•当接近同步速时，转子导体切割较少的磁力线，感应磁场也较弱；•转子的速度根据需要多大相对滑差保证一定的磁场切割来维持转子不停地转动；ABCDEF满负荷员工培训10王新华高频转子电流对电动机性能影响•转子也存在电阻和电感•在零速时，由于电感引起的电抗在转子总的阻抗的80%左右，引起转子电流滞后转子电压近70-80度，造成转子磁场漂移，对定子磁场产生去磁作用•定子磁场减弱，产生反电势降低，定子电流上升，磁场不断加强，产生足够的加速力矩•转子开始旋转，定子电流也随之降低员工培训11王新华转矩特性•电动机转矩可用下列表达式表示T=KtIrcosKt——电动机转矩常数——励磁磁通Ir——转子电流cos——转子电流相位移员工培训12王新华电动机损耗•由于定转子之间存在一定的气隙，定子必须提供额外电流增加磁通密度，造成空载电流接近40%额定电流；•气隙在电动机设计时尽可能小，但存在机加工等问题，因此，空载气隙损耗无法避免•对自冷电动机，转子提供一部分力矩用来克服转轴的摩察和自冷风扇的阻力；•铁心的磁滞和涡流损耗•绕组的铜损（I2R）员工培训13王新华电压对电动机性能的影响•转矩由定子磁通和转子电流所决定，转子电流是由于转子感应电压引起，感应电压直接与定子磁通密度成正比•定子磁通与定子电流成正比（假设磁路尚未饱和），因此，如果所加电压的频率保持恒定，定子电流和磁通的上升和下降直接与所加的电压有关•转矩与电压的关系如下：T=KtUT——电动机转矩Kt——转矩常数U——所加的电压2员工培训14王新华电压降低对电动机性能的影响•启动力矩不够——如果电动机和负载匹配很接近，万一启动时电压有10%的压降，都有可能导致无法启动；•速度波动——压降导致电动机速度随之降低而降低；•速度精度无法保证——长时间的压降导致电动机无法达到铭牌上规定的额定速度；•输出最大转矩降低——10%的压降导致峰值转矩降低19%，如果应用中要求能够承受短时间的负载冲击，就有可能出现堵转现象；•电流增加——导致电动机过热，影响电动机的绝缘寿命；员工培训15王新华降压启动•电压变化的影响也可当作优点来使用，在启动过程中，用来限制启动电流，调节启动转矩，四种常用的降压启动方法：–自耦降压变压器–星三角启动–分布绕组启动–电子软启动器•几种不同启动方法得到的电动机特性如表所示：启动方式所加的电压电动机启动转矩（%）（%）相对堵转电流相对满负荷电流相对堵转电流相对满负荷电流相对堵转电流相对满负荷电流全压启动100100600100600100180自耦变压器80%8080480644806411565%656539042390427650%5050300253002545分布绕组10065390653904581星三角10033198331983360软启动器0-1000-1000-6000-1000-6000-1000-180线电流（%）电动机启动电流（%）员工培训16王新华频率变化对电动机性能的影响•制造厂商常规定电动机的频率变化容许范围5%；•假设电动机的电压保持恒定：–频率增加5%，同步速增加5%，但转矩降低10%；•可理解为阻抗对电动机电流的影响•定子阻抗Z由电阻R和感抗2f组成，而定子电流I=U/Z；•由于电阻较小，可忽略不计，为了简化起见，电流可等效为：IU/f员工培训17王新华电动机和变频变压（VVVF）驱动•由于定子电流与频率成反比，假设电压恒定，而频率变化，就有可能产生以下问题：–当频率从50Hz降到25Hz，定子电流将是成倍增加，造成电动机过热；–当频率从50Hz升到100Hz，电流减半，而转矩也相应减少，造成出力不够•如果在改变频率的同时，改变电压，就可维持适当的电流和转矩；•压频比——电源电压与频率的比率–压频比一般由电动机的铭牌数据所决定，如380V，50Hz，压频比为380/50，即7.6V/Hz员工培训18王新华低频转矩特性转矩（%）频率（Hz）502515550100150200•从右图可以看出，在15Hz到50Hz，恒定压比可保证一定力矩，低于15Hz，并不能产生足够的力矩；–主要原因是低频时，阻抗中的电阻占了很大的比重，造成一定的压降；•解决低频出力问题，可通过电压提升，补偿由于电阻引起的压降，即IR补偿；电压频率电压提升员工培训19王新华变频调速优点•变频启动可解决直接启动引起的问题：–6-8倍的启动电流，造成电动机过热–加速过程不可控–造成的电网电压波动–引起机械的冲击•当采用变频驱动时，变频器可以远离电动机安装，而直接启动，由于启动电流造成的线路压降，不允许远距离安装；•变频调速可通过速度反馈，使速度精度提高到0.01%；员工培训20王新华基频以上的运行•电动机可以基频以上运行，取决于电压极限值和电动机本身的动平衡和轴承的承受能力；•一般4极电动机运行到基频以上的125%频率运行时，也就达到它的平衡极限值，如50Hz基频，112.5Hz是它的极限值；•通常，假设要求运行电动机超出基频25%，就要向电动机制造厂家联系；员工培训21王新华恒压运行——基频以上•变频输出电压最大不超出输入电压，对380V，50Hz电源来说，变频器输出在50Hz以上，电压保持380V不变，基频以上运行为恒电压运行；•基频以上的压频比不再保持恒定，相应力矩随频率增加而减少，基频以上的转矩与速度的平方成反比；1/N2转矩速度100%0基频员工培训22王新华恒功率输出——基频以上•许多机器应用要求恒功率输出，随速度增加，转矩要求与速度成反比，即1/N，而不是与速度的平方（N）成反比；•注意到，在基频两倍左右，电动机的转矩高于负载转矩，此后，就要小于负载转矩，引起电动机堵转。在恒电压运行模式下，恒功率输出范围一般只能到基频的1.5倍。超出1.5倍，电动机放大使用。21/N1/N2200100额定转矩的%电动机峰值转矩恒功率负载50Hz120100电动机放大员工培训23王新华恒转矩输出和调速范围•从右图可以看出，100%力矩可运行到1.25倍的速度，仍保持25%过载倍数。•基速以上额定电流转矩随峰值转矩降低而减少，要保持额定力矩输出，电动机就要增加电流，造成电动机过热，有时只好电动机放大功率。11.251.52转矩基速峰值转矩额定电流转矩25%举例：传送带，工艺上要求在整个速度范围内提供恒转矩输出，有时为了提高产量，希望电动机能够基频以上运行；员工培训24王新华恒转矩输出范围恒压控制模式提供的恒转矩范围一般在1.25:1，或1.5:1（电动机放大），原因是电动机并没真正运行在恒转矩模式，压频比随速度变化而改变。要想实现真正的恒转矩控制，有以下途径：–重新绕制电动机定子绕组–安装升压变压器–用380V变频器驱动230V电动机变频器升压变压器电动机380V50Hz员工培训25王新华发电机状态•当电动机被外力拖动超出同步速度，电动机产生的反电势大于输入的电源电压时，电动机处于发电状态，产生的电力与输入的电源电压和频率相同，大小取决于所加电压与反电势之差。转矩AB速度11.25+_I员工培训26王新华矢量控制概念它励直流电动机•能够独立控制异步电动机的磁场分量和转矩分量，以便得到精确的转矩和电源输出控制。•与直流电动机控制相类似，且控制性能与直流电动机相媲美。员工培训27王新华矢量控制的理解调节器，逻辑控制回路和整流桥触发电路电枢回路磁场回路电枢磁场转矩电流磁场电流直流驱动3相交流输入调节器，逻辑控制回路和整流桥触发电路逆变器定子绕组磁场和转矩电流交流驱动3相交流输入员工培训28王新华为什么要采用矢量控制•转矩控制•精确的速度控制•更宽的运行速度范围•动态响应•高的启动力矩要求•类似于直流控制的性能和调速比员工培训29王新华旋转参考坐标员工培训30王新华矢量控制算法员工培训31王新华速度精度的概念•从空载到满负荷的速度变化率，通常以百分比来表示。020406080100%满负荷10050%速度3%员工培训32王新华变频器有关的概念•压频比•转矩提升•加减速•制动–能耗制动–再生制动–直流注入制动–自由停车–减速积分停车•自动重启动•点动•限流•模拟/数字输入及输出•谐波•掉电恢复•速度范围•速度精度•频率精度•跳跃频率员工培训33王新华变频器硬件原理图整流部分AC--DC逆变部分DC--AC直流滤波员工培训34王新华交流变频相对直流调速的优缺点•直流调速–成熟技术–在冶金等行业应用已有30多年的历史–可靠–最初成本较低•交流调速–较高的产品成本–更复杂的驱动电路–安装成本低•发热低，冷却风机可省去•变压器容量可降低•电网的功率因数矫正电容可省去–电动机维修工作量降低–效率高，功率损耗小