电机与变频调速原理32页PPT

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机械特性曲线
n
可见，当频率ω1提高 时，同步转速n1随之提 n1c 高，最大转矩减小，机 n1b
械特性上移；转速降落 n1a
1c 1b 1a
随频率的提高而增大， n1N 1N
1N <1a <1b <1c 恒功率调速
特性斜率稍变大，其它
形状基本相似。如右图
所示。
2024/7/16
O Te
图6-5 基频以上恒压变频调速的机械特性29
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结论
➢在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是
平行下移 ➢当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来 了。而且频率越低时最大转矩值越小
➢最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。频率很
低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压 降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力
（U漏—漏磁阻抗压降；Us—每相电压），
当Us很大时，U漏很小；可以认为Us≈Eg 。
m
US f1
C
要改变f1实现调速，则同时应改变Us来保持Φm不变。
—恒压频比控制方式
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带定子压降补偿的恒压频比控制特性
但当f1太小时，忽略U漏则误差较大，这时可以人为增 大Us进行补偿，以减小误差。
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小结
电压Us与频率1是变频器—异步电动机调速系统的两个独立
的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调 控制。 在基频以下，有两种协调控制方式。采用不同的协调控制方 式，得到的系统稳态性能不同。 在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。
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化，负载转速就可以与电源频率成正比地变化。这种装置称为变频器
变频调速的优点：
– 效率高，功率因数高。
– 数字智能化，易于控制和调节。 – 固态硬件，可靠性高。 – 可用于快速频繁起停，正反转等。
60 f n1 p
– 动态和静态精度高。
– 容易集成到系统中。
– 起动和运行电流小。
– 适用于廉价可靠的鼠笼式异步电动机。
速。 对于绕线转子电机，其转子回路中可以另外串入电阻，通过改变转子的
阻值，可以改变异步电机的机械特性曲线，具体讲就是改变产生最大转 矩的转速，从而可以对应于负载转矩的转速，即工作点。
5
h
变极调速
电机具有多套绕组或一套绕组构成不同的接法，形成不同的极（对）数。
对应于不同的极数，同步速不同，转速就不同。
对50Hz工频，2级，4级，6级，8级电机的同步转速分别为： 3000，1500，1000，750转每分
同步转速实际上也是异步电机理想空载的情况下的转速，这时
，转子的转速与定子所产生的旋转磁场转速相同，相对静止， 称为同步。
2
h
转差率
式中的s为转子相对于气隙旋转磁场的转速差与同步速之比，称
为转差率。
8
h
变频器的结构
通常变频器的结构为交－直－交，也就是将单相或三相交流电压整流成 为直流电压（ACDC)，然后再将直流“逆变”成为所需频率的三相交 流电压（DCAC)。
变频器最主要的部分是逆变部分，而且有生产厂家单独生产逆变部分， 所以有时又将变频器称为逆变器。
由于电机和变频器原理的原因，在额定电压以下，在改变输出频率的同 时，也要改变输出电压的有效值，这种形式称为可变电压，可变频率， 故又将变频器称为VVVF.

03
变频调速系统的控制策略
转矩控制
01
转矩控制是通过控制电机的输出转矩来满足系统的转矩需求。
02
在转矩控制中，电机的转速和转矩是独立控制的，可以根据负
载的需求精确地调整转矩。
转矩控制广泛应用于需要精确转矩控制的场合，如电梯、起重
03
机等。
速度控制
1
速度控制是通过控制电机的输出转速来满足系统 的速度需求。
群控管理
在多台电梯并存的场合，变频调速系统可以实现群控管理 ，根据乘客需求和电梯运行状态，智能调度和控制多台电 梯的运行，提高电梯的使用效率。
05
变频调速系统的维护与保养
日常维护与保养
01
02
03
每日检查
检查变频器是否有异常声 音、异常气味、过热等现 象。
清洁保养
定期清洁变频器的外壳和 散热风扇，保持其良好的 散热性能。
电力能源
用于风力发电、水力发 电等可再生能源设备的
控制和调节。
交通运输
应用于地铁、动车、船 舶和飞机等交通工具的
驱动和控制。
空调和制冷
变频空调和制冷设备能 够实现节能降耗，提高
舒适度。
变频调速系统的优缺点
节能降耗
根据实际需求调节电机速度，减少能源浪费。
精确控制
可以实现高精度的速度和位置控制。
变频调速系统的优缺点
定期检查与保养
定期检查
每季度或半年对变频器进行一次全面检查，包括 所有接线、元件、散热系统等。
保养内容
根据检查结果，对变频器进行必要的保养，如更 换元件、清洗散热系统等。
注意事项
在保养过程中，应遵循安全操作规程，确保人员 和设备安全。
06

2.正反转及 加减速运行： 电动机的转 速（运行频 率）及旋转 方向可直接 通过按操作 面板上的增 大键∕减少键 （▲/▼）来 改变。
3.点动运行：按下操作 面板上的点动键，则变 频器驱动电动机升速， 并运行在由P1058所设 置的正向点动10Hz频率 值上，当松开变频器操 作面板上的点动键，则 变频器将驱动电动机降 速至零。这时，如果按 下变频器操作面板上的 换向键，在重复上述的 点动运行操作，电动机 可在变频器的驱动下反 向点动运行。
4 保护单与元报警主 障 实时 现要， 对通该 变过单 频对元器变将的频器改自变我的电或保关护压、断。逆电流变、器的温度驱动等信信号号的，检使变测，频器出现停止异常工或作故。
5
参数设定与这部分主要由操作面板组成，用于对变频器的参数设定和监视变频器 监视单元 当前的运行状态。
步骤一
二、三相异步电动机变频调速的原理
能显示/按钮
功能
状态 显示
LCD显示变频器当前的设定值
功能的说明
启动 按此键起动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操作有效，应设定
变频器 P0700=1
停止 变频器
OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车，缺省值运行时此键被封 锁；为了允许此键操作，应设定P0700=1。OFF2：按此键两次（或一次，但时间较 长）电动机将在惯性作用下自由停车。此功能总是“使能”的。
主要内容
步骤一 认识变频器的外接端子 步骤二 变频器外接端子控制电动机参数设置及运行 步骤三 变频器外接端子控制电动机一段速运行 步骤四 变频器外接端子控制电动机三段速运行 步骤五 变频器外接端子控制电动机七段速运行
步骤一
认识变频器的外接端子
以小组为单位，仔细观察变频器（（以 西门子MM420变频器或其它系列变频 器为例）外接端子，识读外接端子接线 图，并理解变频器外接端子的含义。

§2—4 异步电机变频调速理论
谢 卫 2018/12/23 才
电气与信息工程学院 黄守道
异步电机控制 1 1
变频调速控制是本课程学习的重点，其内容十分广 泛，我们将从变频调速理论、变频调速系统、矢量变换 控制及直接转矩控制等方面进行讨论。 变频器所提供的电源含较大的谐波成份，但起决定 作用的还是基波。所以，下面以基波为主进行分析。
谢 卫 2018/12/23 才
电气与信息工程学院 黄守道
异步电机控制 6 6
特点:
● s很小时对应直线a: U1 2 s1 T m p( ) s ' 1 R2 ● s接近1时对应双曲线 b: 1 T ● s为中间数时 曲线 T f ( s) 从直线过渡到双曲线
s
S
0
Sm
a
0 1
1
谢 卫 2018/12/23 才
电气与信息工程学院 黄守道
异步电机控制 4 4
二 电压源型变频器供电时异步电机的工作特性
电压源型逆变器 + + 电流源型逆变器 L
d
u
-
d
C
逆 变 器
u
I
d
逆 变 器
-
谢 卫 2018/12/23 才
电气与信息工程学院 黄守道
异步电机控制 5 5
恒频恒压运行时的电磁转矩 (机械特性)
' R2 sm 1 L'2
m p E1 2 1 Tm ( ) ' 2 1 L2
即在任何运行频率下 的最大转矩恒定不变
谢 卫 2018/12/23 才
电气与信息工程学院 黄守道
异步电机控制 12 12
实现途径: E1 是电机内部量,无法直接控制.必须随着频 率的降低,适当提高定子电压U1 ,以补偿定子漏阻抗压降 (主要是定子电阻压降)对气隙电势的影响.补偿量:

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3. 接入交流电抗器的场合
图6-3 接入交流电抗器的场合
a）多台变频器接同一电源 b）同一电源上接有大容量晶闸管设备 c）变压器容量超过变频器容量十倍以上 d）电源电压不平衡度≥3%
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4. 直流电抗器(安装在变频器整流电路后 )
做用： 1）提高功率因数 2）拟制电流尖峰
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五. 变频器的抗干扰
风机功率较小 效率０.８５～０.９
直流传动和交流传动的比较—应用
传动按应用领域的分类：
1、 通用机械的节能调速：
指风机，泵等机械，它们的用电量占全国发电总量的1/3，此类 机械在不调速交流电机调速时， 风量和流量使用挡板和阀门调节，调 速后可节电30％～ 40％，而且优化了工艺过程，减少了管道和阀门的 压力，提高了设备的寿命，减少了维修。
举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低 到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调 速称为恒功率调速 (P=Ue*Ie) 。 因为P=wT (w:角速 度, T:转矩). 因为P不变, w增加了, 所以转矩会相应减 小。
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低频电压补偿
图 电压补偿原理
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电压补偿的特性
• 负载变动时不能始终工作在最佳状态，即轻载时磁路易饱和，电 机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不 足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器 中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。这个
对调速有特殊要求的调速系统，如调速范围达到1：50000～ 1：100000的场合，只能由特殊的永磁交流电动机实现。如高精度磨床， 车床等
风机负载和泵类负载的负载特性
风机和泵类负载属于二次方律负载特性(除罗茨风机):

变频器的主要参数
总结词
掌握变频器的主要参数是正确使用和维护变频器的关键。
详细描述
变频器的主要参数包括输入电压、输出电压、输出频率、额定电流、额定功率等。此外，还有一些重 要的性能参数，如调速范围、动态响应时间、转矩特性等。这些参数决定了变频器的性能和应用范围 ，选择合适的变频器能够满足各种不同的电机控制需求。
交流电机
根据电源相数和转速分类，有三相异步电动机、 单相异步电动机、同步电机等类型。
伺服电机
根据控制方式分类，有直流伺服电机、交流伺服 电机等类型。
电机工作原理
01
02
03
04
直流电机
利用磁场和电流的相互作用产 生转矩，实现电能和机械能的
转换。
交流电机
利用磁场和电流的相互作用产 生旋转磁场，使转子转动。
检查变频器的电源、电机和控制线路的连 接是否牢固，防止因连接不良导致变频器 故障。
根据变频器的使用情况和制造商的推荐， 进行预防性的维护和保养，如更换冷却风 扇、清理散热器等。
常见故障及处理方法
电机过热
可能是由于电机负载过大或散热不良引起的，应检查电机的负载和散 热情况，必要时停机检查。
变频器过载
步进电机
利用磁阻效应产生转矩，使转 子转动。
伺服电机
利用伺服系统控制电机的转动 ，实现精确的速度和位置控制
。
电机性能参数
额定功率
指电机在额定状态下运行时的输出功率。
转速
指电机每分钟的转数。
效率
指电机输出功率与输入功率的比值。
转矩
指电机产生的转动力矩。
02
变频器基础知识
变频器定义与原理
总结词
理解变频器的定义和原理是掌握其应用的基础。

未来发展趋势预测和机遇挑战剖析
01
发展趋势
随着新能源、智能制造等新兴产业的快速发展，变频器市场需求将不断
增长，同时产品将向高性能、高可靠性、节能环保等方向发展。
02
机遇
国家政策的支持以及新兴市场的开拓为变频器行业带来了巨大的发展机
遇，如“一带一路”倡议、工业4.0等。
03
挑战
国际贸易环境的变化、原材料价格波动以及技术更新换代速度加快等因
作用
在工业生产中，变频器被广泛应用于电动机的速度控制和节能领域。通过调节 电源频率，变频器可以实现对电动机的无级调速，满足不同生产工艺对电机速 度的需求。
变频器分类与特点
01
分类：根据电压等级、功率大小、控制方式等，变频器可分 为低压变频器、中压变频器、高压变频器等类型。
02
特点
03
调速范围广，可实现无级调速；
03
变频器可用于太阳能、风能等新能源发电系统中，提高能源利
用效率。
案例分析：典型行业解决方案
电力行业
变频器在电力行业中的应用主要包括风力发电、火 力发电和水力发电等。通过变频器对发电机组的转 速进行精确控制，可实现电力系统的稳定运行和能 源的高效利用。
石油化工行业
变频器在石油化工行业中的应用主要包括输油泵、 压缩机、搅拌器等设备。通过变频器对设备的运行 速度进行精确控制，可实现石油化工生产过程的优 化和能源的节约。
输标02入题
对于过压和欠压故障，应检查输入电源电压是否稳定， 并调整变频器参数以适应电源电压波动。
01
Hale Waihona Puke 03在排除故障时，应注意安全操作规范，切勿带电操作 或随意拆卸变频器内部元器件。同时，建议定期对变

变压变频调速的原理
变压变频调速是通过改变电动机输入 电源的电压和频率，从而改变电动机 的转速。
VS
在异步电动机中，转矩与磁通和电流 成正比，而转速与磁通和电源频率成 正比。通过改变电源频率，可以改变 电动机的同步转速；通过改变电压， 可以改变电动机的输出转矩。因此， 通过同时改变电源频率和电压，可以 实现异步电动机的平滑调速。
变频器的种类繁多，按控制方式可分为V/f控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制 等。在实际应用中，应根据异步电动机的性能和调速要求选择合适的变频器。
03
交流电机变频调速的应 用
工业自动化领域的应用
自动化ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ产线
交流电机变频调速技术用于自动 化生产线，实现生产线的速度控 制和精确位置控制，提高生产效 率和产品质量。
变压变频调速的实现方法
变压变频调速的实现需要使用变频器。变频器是一种将固定频率的交流电转换为可变频率和 可变电压的交流电的电力电子装置。
变频器主要由整流器、滤波器、逆变器和控制器等部分组成。整流器将输入的交流电转换为 直流电，滤波器将直流电中的交流成分滤除，逆变器将直流电转换为可变频率和可变电压的 交流电，控制器则根据需要调节逆变器的输出。
工业机器人
在工业机器人中，交流电机变频 调速技术用于关节驱动，实现机 器人的灵活运动和精确控制。
空调系统的应用
节能降耗
通过交流电机变频调速技术，实现对 空调系统的冷量或热量输出进行精确 控制，降低能耗和运行成本。
舒适性提升
交流电机变频调速技术能够实现空调 系统的平稳运行，减少噪音和振动， 提高室内环境的舒适性。
电梯系统的应用
平稳运行
交流电机变频调速技术能够实现电梯系统的平稳加速和减速，提高乘坐舒适性 。

1．单脉冲调制与多脉冲调制 （1）单脉冲调制 图（a）为一单相桥式逆变电路。功率开关器件VT1、VT2之间 及VT3、VT4之间作互补通、断，则负载两端A、B点对电源E负 端的电压波形UA、UB均为180°的方波。若VT1、VT2通断切换 时间与VT3、VT4通断切换时间错开λ角，则负载上的输出电压 uAB得到调制，输出脉宽为λ的单脉冲方波电压，如图（b）所示， λ调节范围为0°－180°，从而使交流输出电压uAB大小可从零 调至最大值，这就是电压的单脉冲脉宽调制控制。
▪ 3．1．2变频调速的工作原理
▪ 由《电机学》中的相关知识可知，异步电动机定子绕组的感应电动势
E1的有效值为： ▪
V 1 常数 f1
▪ 式中， E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f1为定
子频率（HZ）； N1为定子每相绕组串联匝数；krl为与绕组有关的结构
常数；Фm为每极气隙磁通量（Wb）。
▪ （2）公共交流母线进线方式：它由3组彼此独立、输出电 压相让互差1200的单相输出交一交变频电路构成，其电源 进线经交流进线电抗器接至公用电源。因电源进线端公用， 3组单相输出必须隔离。这种接法主要用于中等容量交流调 速系统。
▪ 3．2.2交一直一交变频系统
▪ 在交一直一交变频调速系统中，变频器有以下3种主要结 构形式。
3．3变频器的PWM逆变电路（Pulse-Width
Modulation 脉宽调制 ）
▪ 在工业应用中许多负载对逆变器的输出特性有严格要求，除频率可变、 电压大小可调外，还要求输出电压基波尽可能大、谐波含量尽可能小。 对于采用无自关断能力晶闸管元件的方波输出逆变器，多采用多重化、 多电平化措施使输出波形多台阶化来接近正弦。这种措施使得电路结构 较复杂，代价较高，效果却不尽人意。

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。
主回路 18
.
主回路：整流桥为三相全控桥，逆变器为1200导电型，中间环节采用 电抗器滤波，为电流型变频调速系统。
电压控制回路：采用电压外环、电流内环的双闭环结构。电压控制回 路采用了相位控制技术。关于电压控制回路的说明：
采用闭环控制电压，来保证实际电压与给定电压相一致。
电流调节器的给定值为电压调节器的输出值，而反馈值为电动机 电流的实际值。一方面，采用闭环控制电流，可保证实际电流与 给定电流一致，且在动态过程中，能够保证恒流加速或减速。另 一方面，如果按电机最大允许电流设计电压调节器的限幅值，能 保证主回路电流不超过最大允许电流，提高了可靠性。
.
9
3、斩波器调压
换流器—L—C
斩波器调压原理图如下：
斩波器：调压
换流电路
逆变器：调频
二极管 整流器
晶闸管 VT
开关
VD
L 斩波器 C
逆变器
M 3~
整流器采用三相二极管整流桥，把交流电变换成直流电； 逆变器采用三相全控桥，实现变频； 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。
特点：斩波器调压的特点是输入功率因数高，动态响应快。
G
图 六行电 恒电 频 回压 ， 控给 在 性载保 ；跃把将为环 三
+
GF
AVR GT1
-

典型的连续负载能力曲
T
线自通风电机
TN
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
T = load torque 0.0
TN
= rated motor torque0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100f (Hz)
f = ACS 800 output
frequency
电机的过载能力
AC
oid overshooting
1980’Cosn:trFolluxloVeocptotrimCeon1t-ro3l ms bec V
•aTuascehoomfetmeordufleaetdobrack req
Speed control
Torque control
Modu -lator
AC
f
uired
• 对于恒转矩负载，只要变频器在较低转速下满足了恒转速的要求，那么同样根据 P=T* ω，低速下也可以节能。在过去多数情况下，我们常采用减速箱来调速，而现在变频器 调速范围大，转矩特性也不错，减速箱就可以省去了。
even for application s like extruders and cranes
适用于用于挤压机， 提升机
Speed Torque Speed Torque
Opt
PWM
t
t
t
t
变频器的节能原理
• 对于风机水泵负载，是平方转矩负载T=K*ω2，但是我们又知道功率P=T*ω，因此P=K* ω3。从这个意义上说，当我们需要风机在较低转速下运行时，输出功率就小，从而可 以达到节能的效果。
v/f
这里， N为电机旋转磁场同步转速 n为电机额定转速 S为电机转差率 f为电机进线频率 p为电机的极数

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三、变频器的基本原理 2.晶闸管交交变频——单相交交变频电路
单相交交变频电路是由P组和N组反 并联的晶闸管变流电路构成。电流 器P和N都是相控整流电路，P组工 作时负载电流为正，N组工作是负载 电流为负。让两组变流器按一定的 频率交替工作，负载就得到该频率 的交流电。改变变流电路工作时的 控制角α就可以改变交流输出电压的 幅值。其中甲流电路通常采用6脉波 的三相桥式电路或12脉波变流电路。
堵转状态 电动机状态
n＝0 s＝1
0＜n＜n0 1＞s＞0
理想空 载状态
n＝n0 s＝0
发电机 状态
n＞n0 s＜0
第13页/共67页
二、三相交流异步电动机的基本应用 1.三相交流异步电动机工作状态
电动机转子绕组的 结构有笼型（又称 鼠笼型）和绕线型 两种。因而三相异 步电动机也分为笼 型异步电动机和绕 线型异步电动机两 种。
第18页/共67页
二、三相交流异步电动机的基本应用 2.三相交流异步电动机起动——减压起动（定子串联电阻或电抗）
（a）定子串电阻起动
（b）定子串电抗起动
通过开关断开闭合，定子电流在电阻和电抗上产生电压降，使 定子电压降低，减小起动电流。起动后开关闭合，切除电阻或 电抗。
起动方法简单，但定子串电阻起动耗能较多，主要用于低压小 功率电动机。定子串电抗起动投资较大，主要用于高压大功率 电动机。
（a）制动前电路
（b）制动时电路
（c）机械特性
第32页/共67页
二、三相交流异步电动机的基本应用 4.三相交流异步电动机制动——回馈制动
（a）调速中的回馈制动
（b）下放重物时的回馈制动
第33页/共67页
三、变频器的基本原理 1.变频器的基本概念 改变频率的电路称为变频电路。变频电路有交交变频电路和交直交变频电路两种形 式。前者直接把一种频率的交流便哼另一种频率或可变频率的交流，也称为直接变 频电路。后者先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流， 这种通过直流中间环节的变频电路也称为间接变频电路。 直接变频电路中又包含晶闸管交交变频和矩阵式变频电路。