变频器概述(精品).ppt
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1、TRIZ理论培训理论培训变频器概述变频器概述莱钢培训中心莱钢培训中心 王王 兵兵Tel:0634-6929782 Mobile:13156347526Tel:0634-6929782 Mobile:13156347526E_Mail:E_Mail:目录目录n电气传动基础知识n通用变频器的构成n通用变频器保护功能nSIEMENS变频器介绍电气传动基础知识电气传动基础知识电气传动系统概述电气传动系统概述定义定义 以交流(直流)电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流(直流以交流(直流)电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流(直流 电气传动系统,也称交流(直流)电气拖动系统电气传动
2、系统,也称交流(直流)电气拖动系统构成构成中间传动机构中间传动机构交流电源交流电源输入输入终端机械终端机械交流交流电机电机直流直流调速调速装置装置直流输出直流输出皮带轮、齿轮箱等皮带轮、齿轮箱等风机、泵等风机、泵等直流直流电机电机交流交流调速调速装置装置交流输出交流输出执行机构执行机构变频变频器器电气传动基础知识电气传动基础知识电气传动基础知识电气传动基础知识电气传动的目的和意义电气传动的目的和意义电气传动的目的和意义电气传动的目的和意义序号序号意义意义有代表意义的行业或设备有代表意义的行业或设备1节能节能风机、水泵、注塑机风机、水泵、注塑机2提高产品质量提高产品质量冶金、机床、印刷等生产线冶
3、金、机床、印刷等生产线3改善工作环境改善工作环境电梯、中央空调电梯、中央空调目的目的 根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输 出转矩出转矩意义意义注:并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能注:并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能电气传动基础知识电气传动基础知识电气传动系统基本工作原理电气传动系统基本工作原理lT T电机转矩电机转矩 T T负载转矩负载转矩加速运行加速运行 T T电机转矩电机转矩TT负载转矩负载转矩减速运行减速运行 T T电机转矩电机转矩T T负载转矩负载转矩恒速运
4、行恒速运行l电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素l加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关 M MT T电机转矩电机转矩T T负载转矩负载转矩中间传动机构中间传动机构终端机械终端机械电气传动基础知识电气传动基础知识电气传动系统工作原理电气传动系统工作原理l速度模式:速度模式:以保持转速恒定为目的,如常规调速系统(各类生产线、电梯等)。控制以保持转速恒定为目的,如常规调速系统(各类生产线、电梯等)。控制设备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化,恒速时电机转矩设备根
5、据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化,恒速时电机转矩 肯定等于负载转矩。肯定等于负载转矩。l转矩模式转矩模式 以控制电机转矩恒定为目的,如:开卷以控制电机转矩恒定为目的,如:开卷/收卷,恒速时电机转矩肯定等于收卷,恒速时电机转矩肯定等于 负载转矩,但电机的运转速度不确定。负载转矩,但电机的运转速度不确定。如果电机转矩始终大于负载转矩,则速度持续上升直至设备限速或损坏如果电机转矩始终大于负载转矩,则速度持续上升直至设备限速或损坏 如果电机转矩始终小于负载转矩,则速度为如果电机转矩始终小于负载转矩,则速度为0 0或最低(下限)速度或最低(下限)速度,为保证系为保证系 统安全,必须额外考虑限
6、速或超速保护。统安全,必须额外考虑限速或超速保护。MT电机转矩T负载转矩中间传动机构终端机械电气传动基础知识电气传动基础知识交(直)流电气传动系统的特点交(直)流电气传动系统的特点直流电气传动系统特点:直流电气传动系统特点:l控制对象:直流电动机控制对象:直流电动机l控制原理简单,一种调速方式控制原理简单,一种调速方式l性能优良,对硬件要求不高性能优良,对硬件要求不高 l电机有换向电刷(换向火化)电机有换向电刷(换向火化)l电机设计功率受限电机设计功率受限l电机易损坏,不适应恶劣现场电机易损坏,不适应恶劣现场l需定期维护需定期维护交流电气传动系统特点:交流电气传动系统特点:l控制对象:交流电动
7、机控制对象:交流电动机l控制原理复杂,有多种调速方式控制原理复杂,有多种调速方式l性能较差,对硬件要求较高性能较差,对硬件要求较高l电机无电刷,无换向火化问题电机无电刷,无换向火化问题l电机功率设计不受限电机功率设计不受限l电机不易损坏,适应恶劣现场电机不易损坏,适应恶劣现场l基本免维护基本免维护l7070年代以前直流占统治地位年代以前直流占统治地位l交流调速只在大功率电机调速上使用交流调速只在大功率电机调速上使用变频器基础知识变频器基础知识交流电气传动系统的发展历程交流电气传动系统的发展历程交流异步电机的机械特性公式交流异步电机的机械特性公式 n n60f/p(1-s)60f/p(1-s)n
8、 n:电机转速:电机转速 f f:给电机供电的交流电频率:给电机供电的交流电频率 p p:电机极对数:电机极对数 s s:转差率:转差率 T T:电机力矩:电机力矩N N:速度:速度n n0 0负载负载1 1异步机机械特性异步机机械特性负载负载2 2交流同步电机的机械特性公式交流同步电机的机械特性公式 n n60f/p60f/p n n:电机转速:电机转速 f f:给电机供电的交流电频率:给电机供电的交流电频率 p p:电机极对数:电机极对数 n n0 0负载负载1 1负载负载2 2T T:电机力矩:电机力矩同步机机械特性同步机机械特性调速方式名称调速方式名称控制对象控制对象特点特点变极调速变
9、极调速交流异步电动机交流异步电动机有级调速,系统简单,最多有级调速,系统简单,最多4段速段速调压调速调压调速无级调速,调速范围窄无级调速,调速范围窄电机最大出力能力下降,效率低电机最大出力能力下降,效率低系统简单,性能较差系统简单,性能较差转子串电阻调速转子串电阻调速变频调速变频调速交流异步电动机交流异步电动机交流同步电动机交流同步电动机真正无级调速,调速范围宽真正无级调速,调速范围宽电机最大出力能力不变,效率高电机最大出力能力不变,效率高系统复杂,性能好系统复杂,性能好可以和直流调速系统相媲美可以和直流调速系统相媲美早早晚晚发发 展展 时时 间间变频器基础知识变频器基础知识变频器基础知识变频
10、器基础知识交流电气传动系统的发展历程交流电气传动系统的发展历程交流电气传动系统的发展历程交流电气传动系统的发展历程l在变频器出现前同步电机无法实现调速功能,因此只能在定速传动领域使用在变频器出现前同步电机无法实现调速功能,因此只能在定速传动领域使用l三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳,但其结构坚固、经久耐用且价格低廉三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳,但其结构坚固、经久耐用且价格低廉 还是在一些性能较低的传动现场使用还是在一些性能较低的传动现场使用变频器基础知识变频器基础知识变频器及其特点变频器及其特点变频器变频器 变频器是交流电气传动系统的一种变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换
11、成电压、频率均是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置,其中控制电路完成对主电路的控可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置,其中控制电路完成对主电路的控制;整流电路将交流电变换成直流电;直流中间电路对整流电路的输出进行平滑制;整流电路将交流电变换成直流电;直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波;逆变电路将直流电再逆成交流电。英文简称滤波;逆变电路将直流电再逆成交流电。英文简称VVVF(Variable Voltage VVVF(Variable Voltage Variable FrequencyVariable Frequency)变频器的控制对象变频器
12、的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机,标准适配电机极数是三相交流异步电机和三相交流同步电机,标准适配电机极数是2/42/4极极序号序号优点优点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非常方便接入通讯网络控制,实现生产自动化控制变频调速的
13、优势(与其它交流电机调速方式对比)变频调速的优势(与其它交流电机调速方式对比)自动化与驱动培训 变频器的出现将设变频器的出现将设备的可调速运行变成可备的可调速运行变成可能。能。变频器也可实现设变频器也可实现设备启动过程中的保护作备启动过程中的保护作用。用。由于变频器的可调由于变频器的可调节电源频率功能,所以节电源频率功能,所以变频器还能起到节能作变频器还能起到节能作用。用。变频器基础知识变频器基础知识变频器及其特点变频器及其特点变频器基础知识变频器基础知识变频调速的发展历程变频调速的发展历程电机控制电机控制算法算法功率半功率半导体技术导体技术V/FV/F控制控制SCRSCRGTRGTR矢量控制
14、矢量控制IGBTIGBT计算机计算机技术技术单片机单片机DSPDSP IGBTIGBT大容量化大容量化更高速率和容量更高速率和容量如:矩阵式变频器如:矩阵式变频器大功率传大功率传动使用变动使用变频器,体频器,体积大,价积大,价格高格高未来发展方向未来发展方向完美无谐波完美无谐波PWMPWM技术技术SPWMSPWM技术技术PWMPWM优化优化新一代开关技术新一代开关技术无速度矢量控制无速度矢量控制电流矢量电流矢量V/FV/F7070年代年代8080年代年代6060年代年代9090年代年代高速高速DSPDSP专用芯片专用芯片0000年代年代超静音变频器开始流行超静音变频器开始流行解决了解决了GTR
15、GTR噪声问题噪声问题变频器性能大幅提升变频器性能大幅提升大批量使用,取代直流大批量使用,取代直流算法优化算法优化 更大容量更大容量 更高开关频率更高开关频率PWMPWM技术技术空间电压矢量空间电压矢量调制技术调制技术变频器体变频器体积缩小,积缩小,开始在中开始在中小功率电小功率电机上使用机上使用变频器基础知识变频器基础知识变频器分类变频器分类供电电源供电电源低压低压220V/1PH220V/1PH、220V/3PH220V/3PH、380V/3PH380V/3PH高压高压30003000、60006000、10000V/3PH10000V/3PH控制算法控制算法通用通用内置内置V/FV/F控
16、制方式,简单,性能一般控制方式,简单,性能一般高性能高性能内置矢量控制方式,复杂,高性能内置矢量控制方式,复杂,高性能变换方法变换方法交直交交直交电压型(储能环节为电解电容)电压型(储能环节为电解电容)电流型电流型(储能环节为电抗器)储能环节为电抗器)交交交交无储能环节无储能环节注:注:l交直交电压型变频器因结构简单,功率因数高,目前广泛使用交直交电压型变频器因结构简单,功率因数高,目前广泛使用l常用设计功率在常用设计功率在315KW315KW根据异步电动机的转速表达式根据异步电动机的转速表达式 可知,改变频率就能改变电动机的频率,但是在可知,改变频率就能改变电动机的频率,但是在实际实验中发现
17、单纯改变电动机的频率会烧坏电动机,实际实验中发现单纯改变电动机的频率会烧坏电动机,为什么呢?为什么呢?变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理 如果如果f1大于电机的额定频率大于电机的额定频率f1N,那么气隙磁通那么气隙磁通量量M就会小于额定气隙磁通量就会小于额定气隙磁通量MN。其结果是:尽管其结果是:尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费,但是在机械电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费,但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。)122(44.41111-F F=MrNfkE变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理如果如果
18、f1小于电机的额定频率小于电机的额定频率f1N,那么气隙磁通量,那么气隙磁通量M就会大于额定气隙磁通量就会大于额定气隙磁通量M。其结果是:电机的铁。其结果是:电机的铁心产生过饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因心产生过饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。绕组过热而损坏电机。变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理 要实现变频调速,在不损坏电机的条件下,充分利要实现变频调速,在不损坏电机的条件下,充分利用电机铁芯,发挥电机转矩的能力,最好在变频时保持用电机铁芯,发挥电机转矩的能力,最好在变频时保持每极磁通量每极磁通量M M为额定值不变。为额定值不变。对于直
19、流电机,励磁系统是独立的,尽管存在电枢对于直流电机,励磁系统是独立的,尽管存在电枢反应,但只要对电枢反应作适当的补偿,保持反应,但只要对电枢反应作适当的补偿,保持M M不变是不变是很容易做到的。在交流异步电机中,磁通是定子和转子很容易做到的。在交流异步电机中,磁通是定子和转子磁动势合成产生的,如何才能保持磁通基本不变呢?磁动势合成产生的,如何才能保持磁通基本不变呢?变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理 由上式可知,要保持由上式可知,要保持M不变,当频率不变,当频率f1从额定值从额定值f1N 向下调向下调节时,必须同时降低节时,必须同时降低E1,使,使E1/f1常数。即采用电动势
20、与频率之常数。即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。比恒定的控制方式。然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势的值然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势的值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压U1E1,则得,则得变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理 这是恒压频比的控制这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条件方式。在恒压频比条件下改变频率时,我们能下改变频率时,我们能够证明:机械特性基本够证明:机械特性基本上是平行下移的,如图上是平行下移的,如图所示。所示。变频器基础知识变频器基础知识
21、简要工作原理简要工作原理 在基频以上调速时,在基频以上调速时,频率可以从频率可以从f1Nf1N往上增高,往上增高,但电压但电压U1U1却不能超过额却不能超过额定电压定电压U1NU1N,最多只能保最多只能保持持U1=U1N U1=U1N。这将迫使磁。这将迫使磁通随频率升高而降低,通随频率升高而降低,相当于直流电机弱磁升相当于直流电机弱磁升速的情况。速的情况。变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理 在基频在基频f1Nf1N以上变频调速时,由于以上变频调速时,由于电压电压U1=U1N U1=U1N 不变,我们不难证明当不变,我们不难证明当频率提高时,同步转速随之提高,最频率提高时,同步
22、转速随之提高,最大转矩减小,机械特性上移。由于频大转矩减小,机械特性上移。由于频率提高而电压不变,气隙磁动势必然率提高而电压不变,气隙磁动势必然减弱,导致转矩减小。由于转速升高减弱,导致转矩减小。由于转速升高了,可以认为输出功率基本不变。所了,可以认为输出功率基本不变。所以,基频以上变频调速属于弱磁恒功以,基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。率调速。图图图图222222变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理变频器基础知识变频器基础知识简要工作原理简要工作原理整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流交流低压交直交通用变频器系统框图交
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