项目2交流变频调速基本知识

任务1三相异步电动机的调速方法任务2变压变频调速装置的类型与特点任务3中小容量通用变频器任务4变频调速系统的控制任务5变频器的选择项目2交流变频调速基本知识1.三相异步电动机结构及工作原理三相感应电动机定子气隙转子机座端盖转子铁心轴转子绕组定子铁心定子绕组鼠笼型绕线型机座端盖风扇接线盒定子绕组鼠笼转子端环散热筋轴轴承图三相感应电机的结构图图1.2三相感应电机的结构图旋转磁场旋转磁场的转速（同步速）电网频率电机的极对数pfn1160转差定义为：即转子与旋转磁场之间存在相对运动，是感应电动机稳定运行的必要条件。转差率定义为：其大小反映了电机的转速，即01nnn11/nnnS11nSn转差率根据三相异步电动机的转速公式为调节三相异步电动机的转速有三种方案。1）转差率调速2）改变电动机的极对数3）变频调速)1()1(6011snspfn2.1三相异步电动机的调速方法任务1三相异步电动机的调速方法异步电动机的调速原理)1(60)1(11SpfnSn变频(他控式、自控式）变极调压串电阻串级电磁转差离合器耗能型有级调速设备费用高三相异步电动机的调速方式2.1.1转差率调速1.三相异步电动机的降定子电压调速图2-1异步电动机降压调速机械特性2.1.1转差率调速2.绕线式异步电动机转子回路串电阻调速图2-2串电阻调速的机械特性2.1.2变极调速因为异步电动机磁极对数只能成倍改变，因此变极调速是有级调速而不是平滑无级调速。改变磁极对数有两种方法，一种是在定子上装两套各具有不同级数的独立绕组，另一种是在一个绕组上用改变绕组的连接来改变磁极对数。变极调速中，当定子绕组的连接方式改变的同时，还需要改变定子绕组的相序；即倒换定子电流的相序，以保证变极调速前后电动机的转向不变，即要求磁通旋转方向不变。2.1.3变频调速在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素就是：希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费，如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为mWKNfEU1111144.4开关或接触器变频器异步电动机转速可调2.1.3变频调速mWKNfEU1111144.4由上式知只要控制好E1和(或U1和)，便可达到控制磁通的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1.基频以下变频调速为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率f1时，保持U1/f1为常数，使气隙每极磁通φm为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。0nN0n03n02n01nf1Nf11f12f13f1N＞f11＞f12＞f13TTma）基频以下调速（U1/f1=常数）3.变频调速的特点1）变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展；2）变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广（可达10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速；3）变频调速时，转差率较小，则转差功率损耗较小，效率较高；4）频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式。变频器的分类有五种方式：按变流环节不同分类，按直流电路的滤波方式分类，按电压的调制方式分类，按控制方式分类，按输入电流的相数分类。2.2.1按变流环节不同分类从结构上看，变频器可分为间接变频器和直接变频器两类。目前应用较多的是间接变频器。1.交-直-交变频器。任务2变压变频调速装置的类型与特点AC中间直流环节恒压恒频(CVCF)变压变频(VVVF)50Hz~逆变DCAC整流图2-5交-直-交变频装置的主要环节交-直-交变频装置按不同的控制方式又分三种：1）用可控整流器整流改变电压、逆变器改变频率的交-直-交变频器在图中，调节电压与调节频率分别在两个环节上进行，通过控制电路协调配合，使电压和频率在调节过程中保持压频比恒定。这种结构的变频器结构简单、控制方便。其缺点是由于输入环节采用可控整流形式，当电压和频率调得较低时，功率因数较小，输出谐波较大。AC50Hz~逆变DCAC整流调压调频图2-6可控整流器变压、逆变器变频2）用不控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交-直-交变频器这种电路的整流电路采用二极管不控整流，直流环节加一个斩波器，用脉宽调压、逆变环节调频。恒压恒频的交流电经过整流环节转变为恒定的直流电压，最后经过逆变环节逆变为电压和频率都可调、压频比恒定的交流电源，作为电动机的交流电源，实现交流变频调速。从电路结构上看多了一个直流斩波环节，但输入侧采用不控整流控制方式，使输入功率因数提高了。但输出仍存在谐波较大的问题。3）用不控整流器整流、PWM逆变器同时变压变频的交-直-交变频器用不控整流，可使功率因数提高，用SPWM逆变，可使谐波分量减少，由于采用可控关断的全控式器件，开关频率大大提高，输出波形几乎为非常逼真的正弦波。这种交-直-交变频装置已成为当前最有发展前途的一种。2.交-交变频器2.交-交变频器交-交变频器虽然在结构上只有一个变换环节，但所用的元器件数量多，总设备较为庞大，最高输出频率不超过电网频率的1/3~1/2，交-交变频器一般只用于低转速、大容量的调速系统，例如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。图2-11正弦波交-交变频器的输出电压波形3.交-直-交变频器与交-交变频器主要特点比较类别比较项目交-直-交变频器交-交变频器换能形式两次换能，效率略低一次换能，效率较高换流方式强迫换流或负载谐波换流电源电压换流装置元器件数量元器件数量较少元器件数量较多调频范围频率调节范围宽一般情况下，输出最高频率为电网频率的1/3~1/2电网功率因数用可控整流调压时，功率因数在低压时较低；用斩波器或PWM方式调压时，功率因数高较低适用场合可用于各种电力拖动装置、稳频稳压电源和不停电电源特别适用于低速大功率拖动逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和交流电源之间将有无功功率的交换，在直流环节可加电容或电感储能元件用于缓冲无功功率。按照直流电路的滤波方式不同，变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。1.电压型变频器当采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，相当于一个理想情况下的内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波。对负载电动机而言，变频器是一个交流电源，可以驱动多台电动机并联运行。2.2.2按直流电路的滤波方式分类2.2.2按直流电路的滤波方式分类1.电压型变频器在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，应有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。2.电流型变频器电流型变频器的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需要在主电路内附加任何设备。这种电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。图2-13电流型变频器3.电压型、电流型交-直-交变频器主要特点比较类别比较项目电压型电流型直流回路滤波环节（无功功率缓冲环节）电容器电抗器输出电压波形矩形波决定于负载，对异步电动机负载近似为正弦波输出电流波形决定于负载的功率因数，有较大的谐波分量矩形波输出阻抗小大回馈制动须在电源侧设置反并联逆变器方便，主电路不需附加设备调速动态响应较慢快对晶闸管的要求关断时间要短，对耐压要求一般较低耐压高，对关断时间无特殊要求适用范围多电动机拖动，稳频稳压电源单电动机拖动，可逆拖动在变频调速过程中，为保证电动机主磁通恒定，需要同时调节逆变器的输出电压和频率。对输出电压的调节主要有两种方式：一种是脉冲幅值调制方式（PulseAmplitudeModulation），简称PAM方式；另一种为脉冲宽度调制方式（PulseWidthModulation），简称PWM方式。1.脉冲幅值调制方式（PAM）这种调制方式是通过改变直流电压的幅值来实现调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压的调节是由直流斩波器通过调节直流电压来实现的。2.2.3按电压的调制方式分类2.脉冲宽度调制方式（PWM）通用变频器中，采用正弦脉冲宽度调试方式调压是一种最常用的方案，这种方式简称SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）图2-15SPWM变频器主电路原理图图2-16PWM调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波，如图2-16。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。2）SPWM控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式3）变频器的三相桥式SPWM逆变电路3）变频器的三相桥式SPWM逆变电路（1）调频原理（2）调压原理4）SPWM交-直-交变频器的特点SPWM交-直-交变频器具有以下特点：（1）主电路只有一个可控的环节，结构简单。（2）使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关，功率因数接近于1.（3）逆变器在调频的同时实现调压，与中间的直流环节的元器件参数无关，加快了系统的动态响应。（4）可获得更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，调速范围宽，提高了系统的性能。按控制方式不同变频器可分为U/f控制、转差频率控制和矢量控制三种类型。1.U/f控制U/f控制变频器虽然结构比较简单，但是，由于这种变频器用的是开环控制方式，其精度和动态特性并不是十分理想，尤是在低速区电压调整比较困难，难以得到较大的调速范围。2.转差频率控制变频器利用速度传感器的速度闭环控制，并可在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和U/f控制方式相比，在负载发生较大变化时仍能达到较高的速度精度和较好的转矩特性。但是，由于采用这种控制方式时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差。2.2.4按控制方式分类3.矢量控制变频器矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其相垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流）并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式称为矢量控制方式。目前在变频器中得到实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度检测器的矢量控制方式两种。4.各种控制方式特点虽然U/f控制变频器采用的是开环控制方式，在速度控制方面不能给出满意的控制性能，但是，由于这种变频器有着很高的性能价格比，在以节能为目的和对速度精度要求不太高的各种用途中得到了广泛的应用。与采用了开环控制方式的U/f控制相比，转差频率控制采用的是一种进行速度反馈控制的闭环控制方式，因此其动、静态性能都优于U/f控制，可以应用于对速度和精度有较高要求的各种调速系统。但是，由于采用这种控制方式的变频器的控制性能不如矢量控制变频器，而且二者在硬件电路的复杂程度上相差不大，目前采用转差频率控制方式的变频器已基本上被矢量控制变频器所取代。4.各种控制方式特点U/f控制转差频率控制矢量控制加减速特性急加减速控制有限度，四象限运转时在零速度附近有空载时间，过电流抑制能力小急加减速控制有限度（比U/f控制有提高），四象限运转时在零速度附近有空载时间，过电流抑