《变频及伺服应用技术》绪论.ppt
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1、变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023变频及伺服应用技变频及伺服应用技术术变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2023/2/9绪论绪论变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023绪论内容绪论内容一、一、变频技术的发展及应用变频技术的发展及应用二二、步进、伺服的发展及应用步进、伺服的发展及应用变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023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定义:以交流(直流)电动机为动力拖动各种生
2、产机械的系统我们称之为交流(直流)电气传动系统,也称(直流)电气传动系统,也称交流(直流)电气拖动系统交流(直流)电气拖动系统。构成:构成:中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器 变频技术的发展及应用变频技术的发展及应用一一变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023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 1节能节能风机、水泵、注塑机风机、水泵、注塑机2 2提高产品质量提高产品质量机床、印刷、包装等生产线机床、印刷、包装等生产线3 3改善工作
3、环境改善工作环境电梯、中央空调电梯、中央空调 电气传动的目的:电气传动的目的: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 出转矩。电气传动的意义:电气传动的意义: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变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023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
4、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l2020世纪世纪7070年代以前直流占统治地位,交流电机只在定速机械上使用。年代以前直流占统治地位,交流电机只
5、在定速机械上使用。l2020世纪世纪9090年代中期交流变频调速逐渐成为调速领域的主角。年代中期交流变频调速逐渐成为调速领域的主角。交直流电气传动的特点:直流电动机电枢电直流电动机电枢电压只能做到压只能做到10001000多多伏,转速每分钟数伏,转速每分钟数百转到百转到10001000多转。多转。交流电动机电压可交流电动机电压可做到做到6 610kV10kV,转,转速可达每分钟数千速可达每分钟数千转。转。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023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 n60f/p(1-s)n:电机转速 f:给电机供电的交
6、流电频率 p:电机极对数 s:转差率 T:电机力矩N:速度n0负载1异步机机械特性负载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 n60f/p n:电机转速 f:给电机供电的交流电频率 p:电机极对数 n0负载1负载2T:电机力矩同步机机械特性异步电动机发明于异步电动机发明于19世纪八世纪八十年代,变频器成功于十年代,变频器成功于20世世纪八十年代。纪八十年代。为什么期盼了近百年为什么期盼了近百年?变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023单相逆变电路工作原理单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通 S1,S
7、3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1逆变器的功能:逆变器的功能:l通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率l通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023变频技术的物质基础变频技术的物质基础变频技术的物质基础变频技术的物质基础开关器件的发展是改变同步频率的关键技术开关器件的发展是改变同步频率的关键技术 变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在变频器中,开关器件必须要满足
8、一定的条件,这在变频器中,开关器件必须要满足一定的条件,这些条件是:些条件是:(1 1)能承受足够大的电压和电流。)能承受足够大的电压和电流。(2 2)允许长时间频繁地接通和关断。)允许长时间频繁地接通和关断。(3 3)接通和关断的控制十分方便。)接通和关断的控制十分方便。电压必须在电压必须在1000V以上,以上,电流必须在电流必须在700A以上以上IGBTIGBT的特点:的特点:耐压耐压1200V1200V 开关频率高达开关频率高达30 30 40KHZ40KHZ 驱动电路电流小,功耗很少驱动电路电流小,功耗很少变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍电力电子技术的发
9、展史是以电力电子器件的发展史为纲的。1904晶闸管问世,(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银(汞弧)整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期(黎明期)1930194819571970198019902000t(年)晶体管诞生开关器件的发展史变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023 变频器开关器件种类变频器开关器件种类 晶闸管(晶闸管(SCRSCR)()(2020世纪世纪5050年代美国通用电气公司年代美国通用电气公司 为变频器的发展提供了划时代的基础硬件)为变频器的发展提供了划时代的基础硬件)门极可关断晶闸管(门
10、极可关断晶闸管(GTOGTO)(2020世纪世纪6060年代)年代)电力晶体管(电力晶体管(GTRGTR)(2020世纪世纪7070年代)年代)电力场效应晶体管(电力场效应晶体管(MOSFETMOSFET)(2020世纪世纪7070年代)年代)绝缘栅双极晶体管(绝缘栅双极晶体管(IGBTIGBT)(2020世纪世纪8080年代)年代)集成门极换流晶闸管(集成门极换流晶闸管(IGCTIGCT)(2020世纪世纪9090年代)年代)智能功率模块(智能功率模块(IPMIPM)-组件组件)()(2020世纪世纪9090年代)年代)变频器起步于晶变频器起步于晶闸管,普及归功闸管,普及归功GTRGTR,提
11、高全靠,提高全靠IGBTIGBT变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023电力电子器件的应用领域电力电子器件的应用领域变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍电气化铁道、电动汽车、航空、电气化铁道、电动汽车、航空、航海航海20世纪80年代以前主要采用直流传动牵引;20世纪90年之后,主要采用交流传动牵引(即变频)(即变频)。1999年5月我国株洲电力机车厂研制出时速200KM的子弹头电力机车。2001年,研制的中华之星,设计时速270KM,试验时达到了321.5KM/小时小时的中国铁路第一速。我国进入高铁时代。高铁的运行时速35
12、0KM。单相25KV牵引接触网。在交通运输领域中的应用在交通运输领域中的应用变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023 名称名称代号代号控制方式控制方式最大电压电流及频率最大电压电流及频率双极型晶体管双极型晶体管BJTGTR电流控制电流控制Um:450-1400VIm:300-800AFm:10KHz-50KHz门极关断晶闸管门极关断晶闸管GTO电流控制电流控制Um:500-600VIm:4000-6000AFm:1KHz-10KHz绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IG
13、BT电压控制电压控制Um:1800-3300VIm:800-1200AFm:20KHz-50KHz集成门换流晶体管集成门换流晶体管IGCT电压控制电压控制Um:500-600VIm:4000-6000AFm:1KHz-10KHz变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023变频技术的理论基础变频技术的理论基础变频技术的理论基础变频技术的理论基础控制理论不断成熟控制理论不断成熟早期通用变频器主要采用恒压频比(早期通用变频器主要采用恒压频比(V/FV/F)PWMPWM控制方式,随着矢量控制技术、直接转矩控制技术控制方式,随着矢量控制技术、直接转矩控制技术的出现
14、使得电动机变频后的机械特性可以和直流电的出现使得电动机变频后的机械特性可以和直流电机相媲美。机相媲美。U/fU/f控制控制 矢量控制矢量控制 直接转矩控制直接转矩控制 绿色变频器绿色变频器变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 20231.1.变频器概念:变频器概念:由计算机控制电力电子器件,将工频交流电变为由计算机控制电力电子器件,将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电气设备,用于驱动频率和电压可调的三相交流电的电气设备,用于驱动交流电动机进行连续平滑的变频调速。交流电动机进行连续平滑的变频调速。2.2.调速系统的发展历程调速系统的发展历程 (1)
15、(1)定速拖动:定速拖动:电机转速不可调电机转速不可调 (2)(2)直流调速直流调速 :直流电机体积大、造价高、维护复:直流电机体积大、造价高、维护复杂、不节能;调速性能较好(调速方便、调速连续性、杂、不节能;调速性能较好(调速方便、调速连续性、机械特性硬度)机械特性硬度)(3)(3)交流调速:电机体积小、价格低、性能好、维护交流调速:电机体积小、价格低、性能好、维护方便、节能、控制精度高。方便、节能、控制精度高。(4)(4)U/fU/f控制控制 矢量控制矢量控制 直接转矩控制直接转矩控制 绿色变频器绿色变频器变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023
16、调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速,系统简单,最多4段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变频调速交流异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,性能好可以和直流调速系统相媲美早早晚晚发发 展展 时时 间间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 还是在一些性能较低的传
17、动现场使用3.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变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023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成电压、频率均可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,英文简称变的适合交流电机调速的电力电子变换装置,英文简称VVVF(Variable VVVF(Variable Voltage Variable Frequency Voltage Variable Frequency)变频器的控制对象:变频器的控制对象:三相交流异步电机和
18、三相交流同步电机,标准适配电机极数是2/4极序号优 点1平滑软启动,降低启动电流,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;节能。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变频调速的优势(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)变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍09 二月 2023电机控电机控制算法制算法功率器件功率器件V/FV/F控制控制SCRGTR矢量控制矢量控制IGBT计算机计算机技术技术单片机单片机DSPDSP IG
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