電機與變頻調(diào)速原理課件

ABB傳動

變頻器工作原理

北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司

市場部

技術支持與銷售工程師

唐家ABB傳動

變頻器工作原理

北京ABB電氣傳動系統(tǒng)電機功率與速度計算功率計算：p=(2/60)*N*T*10?3kwN:rpmT:N*m轉(zhuǎn)動慣量，起動轉(zhuǎn)矩，加減速時間，制動轉(zhuǎn)矩變頻器控制電機轉(zhuǎn)速的原理,旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速N=n=N*(1-s)v/f這里，N為電機旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速n為電機額定轉(zhuǎn)速S為電機轉(zhuǎn)差率f為電機進線頻率p為電機的極數(shù)電機功率與速度計算功率計算：p=(2/60)*N*T*10轉(zhuǎn)矩示例LTorque=F*L*sin()LFTorqueisthearmlengthmultipliedbyforceinrightangletoshaft轉(zhuǎn)矩示例LTorque=F*L*sin()LFTorqu變頻器基本原理變頻器U,3~V1C+-V3V5V2V4V6RectifierDC-circuitInverterunitTorque=

*

I*sin()ThecurrentIisthearmneededtogeneratetorque

Theflux

istheforceMotorI變頻器基本原理變頻器U,3~V1C+-V3V5V2V4VIGBT開關圖列Inverter&motor-statorvoltagephasorsMSSSABC+--++--+--++--++-+2/3*Udc+++---IGBT開關圖列Inverter&motor-sta電機工頻起動運行曲線交流鼠籠感應電機的典型轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線(機械特性曲線)電機電流電機工頻起動運行曲線交流鼠籠感應電機的典型轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線(機電機變頻起動運行曲線由變頻器供電的交流鼠籠感應電機的轉(zhuǎn)矩曲線電機變頻起動運行曲線由變頻器供電的交流鼠籠感應電機的轉(zhuǎn)矩曲線電機的弱磁點弱磁點的定義電機的弱磁點弱磁點的定義電機運行的負載與電流電流和負載電機運行的負載與電流電流和負載普通電機的允許負載曲線120%110%100%90%80%70%60%50%40%00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0相對轉(zhuǎn)速T/Tn普通電機的允許負載曲線120%110%100%90%80%7ACS800

MotorloadcapacityT =loadtorqueTN

=ratedmotortorquef =ACS800outputfrequencyTypicalcontinuousloadcapacitycurveofanIEC34self-ventilatedmotorcontrolledbyACS800

1.21.00.80.60.40.20.0TTN0102030405060708090100f(Hz)自通風電機的負載能力典型的連續(xù)負載能力曲線自通風電機ACS800M電機的過載能力400%350%300%250%200%150%100%50%0%00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0IC411相對轉(zhuǎn)速最大電機負載能力(短時)可用的最大電機轉(zhuǎn)矩+20%裕量IC416電機的過載能力400%350%300%250%200%150電機負載類型可變轉(zhuǎn)矩負載：風機水泵。恒轉(zhuǎn)矩負載：皮帶運輸機恒轉(zhuǎn)矩恒功率負載卷曲周期性恒轉(zhuǎn)矩負載提升機Cranes,Centrifuges高起動轉(zhuǎn)矩負載擠出機Kilns,RubberMixersTSpeedSpeedSpeedTTTTTimeTime電機負載類型可變轉(zhuǎn)矩負載：風機恒轉(zhuǎn)矩負載：皮帶運輸機恒轉(zhuǎn)矩恒變頻器基本結(jié)構(gòu)1整流部分逆變部分能量流動方向主要由三部分組成（如下圖所示）：整流部分：將交流電變換成直流電中間直流環(huán)節(jié)：充電、濾波并保持電壓穩(wěn)定逆變部分：將直流電變換成電壓與頻率都可變的交流電中間直流環(huán)節(jié)輸入輸出變頻器基本結(jié)構(gòu)1整流部分逆變部分能量流動方向主要由三部分組成變頻器基本結(jié)構(gòu)2變頻系統(tǒng)的功能示意圖變頻器基本結(jié)構(gòu)2變頻系統(tǒng)的功能示意圖變頻器控制電機的模式大致可分成三類標量控制v/f（Scalarcontrol）：最早最基本的變頻調(diào)速技術矢量控制（Vectorcontrol）：目前大多數(shù)采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTCcontrol）：ABB專利技術變頻器控制電機的模式大致可分成三類ACS800EvolutionofACdrivesVfFrequencyreferenceModu-latorV/FratioACSpeedcontrolTorquecontrolAC1970’s:FrequencyControl1990’s:DirectTorqueControlVfTorquecontrolModu-latorSpeedcontrolACT1980’s:FluxVectorControlTraditionalPWMControlinshortstepstoavoidovershootingControllooptime1-3msbecauseofmodulatorTachometerfeedbackrequiredControllooptime1-3msbecauseofmodulatorTorquecontrolledbyasinglestepNoriskofovershootwithfast25scontrolloop交流傳動的進化和發(fā)展ACS800Evolutio標量控制V/F控制：保持磁通恒定，從而使電機輸出比較大的轉(zhuǎn)矩在基頻（50Hz）以下，變頻器能保持恒轉(zhuǎn)矩輸出；基頻以上，變頻器保持恒功率輸出。F/HzU/V（0，0）380V50HzIRvoltage標量控制V/F控制：保持磁通恒定，從而使電機輸出比較大的轉(zhuǎn)矩ACS800EvolutionofACdrivesVfFrequencyreferenceModu-latorV/FratioAC1970’s:FrequencyControlTraditionalPWMControlinshortstepstoavoidovershootingControllooptime1-3msbecauseofmodulator交流傳動的進化和發(fā)展F=50HzF=25HzF=0HzSPWMACS800Evolutio矢量控制原理矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。

矢量控制原理矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機無速度傳感器的矢量控制無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照轉(zhuǎn)矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓和頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)矢量控制。無速度傳感器的矢量控制無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定矢量控制優(yōu)點采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機進行控制，否則難以達到理想的控制效果。矢量控制優(yōu)點采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與VfTorquecontrolModu-latorSpeedcontrolACT1980’s:FluxVectorControlTachometerfeedbackrequiredControllooptime1-3msbecauseofmodulator交流傳動的進化和發(fā)展ACS800EvolutionofACdrivesM=CmFMuvw12VfTorquecontrolModu-latorSpee直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直SpeedcontrolTorquecontrolAC1990’s:DirectTorqueControlTorquecontrolledbyasinglestepNoriskofovershootwithfast25scontrolloop交流傳動的進化和發(fā)展ACS800EvolutionofACdrivesuvwInput:VoltageCurrentfrequencyAftermath:MagnetizationTorquespeedInput:VoltageCurrentOn-offAftermath:MagnetizationTorqueSpeedfrequencymotormoduleSpeedcontrolTorquecontrolAC1ACS800 ExcellenttorquecontrolTorque:PWMDTC

Torquesteprisetime

力矩階越上升時間DTCFluxvectorOpenloopPWM<5msec.10to20msec.>100msec.Noencoderrequiredforaccuratetorquecontrol

無編碼器，可精確控制力矩Fulltorqueatzerospeed

零速滿轉(zhuǎn)矩Directcontroloftorquenonuisancetrips

轉(zhuǎn)矩直接被控制0,000,501,00CurrentTorqueDTCPWMNewCurrentlevelNewTorquelevelTimeACS800 ExcellenttorqueACS800UnbeatablespeedcontrolPWMnoencoderDCdrivewithencoderDTCnoencoderDTCwithencoderPWMwithencoderStaticspeederrorDynamicspeederror±1to3%3%sec.±0.01%0.3%sec.±0.01%0.3%sec.±0.1to0.5%0.4%sec.±0.01%0.1%sec.0100020003000400050001001502000500Torque(Nm)Speed(rpm)Time(msec.)TorqueSpeedPrecisionOfStaticandDynamic精確的動靜態(tài)控制ACS800UnbeatablespACS800

OptimalstartingHighstartingtorque

高啟動轉(zhuǎn)矩upto200%ofmotornominaltorque

200%的額定轉(zhuǎn)矩evenforapplicationslikeextrudersandcranes

適用于用于擠壓機，提升機TorqueSpeedttTorqueSpeedttDTCPWMACS800變頻器的節(jié)能原理對于風機水泵負載，是平方轉(zhuǎn)矩負載T=K*ω2，但是我們又知道功率P=T*ω，因此P=K*ω3。從這個意義上說，當我們需要風機在較低轉(zhuǎn)速下運行時，輸出功率就小，從而可以達到節(jié)能的效果。對于恒轉(zhuǎn)矩負載，只要變頻器在較低轉(zhuǎn)速下滿足了恒轉(zhuǎn)速的要求，那么同樣根據(jù)

P=T*ω，低速下也可以節(jié)能。在過去多數(shù)情況下，我們常采用減速箱來調(diào)速，而現(xiàn)在變頻器調(diào)速范圍大，轉(zhuǎn)矩特性也不錯，減速箱就可以省去了。變頻器的節(jié)能原理對于風機水泵負載，是平方轉(zhuǎn)矩負載T=K*ω2變頻器的使用領域最普遍的是風機和水泵塑料行業(yè)（擠出機，拉絲機）印刷行業(yè)起重機（電梯行業(yè)）提升機同步電機控制其它很多變頻器的使用領域最普遍的是風機和水泵變頻器分類按照電壓分類：低壓單相220V三相220V三相380V-690V中壓交流1000V交流3300V交流6000V交流10000V按照中間直流環(huán)節(jié)電壓型或電流型交-直-交型或交-交型按照用途：專用型通用型變頻器分類按照電壓分類：電機與變頻調(diào)速原理課件ABB傳動

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北京ABB電氣傳動系統(tǒng)電機功率與速度計算功率計算：p=(2/60)*N*T*10?3kwN:rpmT:N*m轉(zhuǎn)動慣量，起動轉(zhuǎn)矩，加減速時間，制動轉(zhuǎn)矩變頻器控制電機轉(zhuǎn)速的原理,旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速N=n=N*(1-s)v/f這里，N為電機旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速n為電機額定轉(zhuǎn)速S為電機轉(zhuǎn)差率f為電機進線頻率p為電機的極數(shù)電機功率與速度計算功率計算：p=(2/60)*N*T*10轉(zhuǎn)矩示例LTorque=F*L*sin()LFTorqueisthearmlengthmultipliedbyforceinrightangletoshaft轉(zhuǎn)矩示例LTorque=F*L*sin()LFTorqu變頻器基本原理變頻器U,3~V1C+-V3V5V2V4V6RectifierDC-circuitInverterunitTorque=

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I*sin()ThecurrentIisthearmneededtogeneratetorque

Theflux

istheforceMotorI變頻器基本原理變頻器U,3~V1C+-V3V5V2V4VIGBT開關圖列Inverter&motor-statorvoltagephasorsMSSSABC+--++--+--++--++-+2/3*Udc+++---IGBT開關圖列Inverter&motor-sta電機工頻起動運行曲線交流鼠籠感應電機的典型轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線(機械特性曲線)電機電流電機工頻起動運行曲線交流鼠籠感應電機的典型轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線(機電機變頻起動運行曲線由變頻器供電的交流鼠籠感應電機的轉(zhuǎn)矩曲線電機變頻起動運行曲線由變頻器供電的交流鼠籠感應電機的轉(zhuǎn)矩曲線電機的弱磁點弱磁點的定義電機的弱磁點弱磁點的定義電機運行的負載與電流電流和負載電機運行的負載與電流電流和負載普通電機的允許負載曲線120%110%100%90%80%70%60%50%40%00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0相對轉(zhuǎn)速T/Tn普通電機的允許負載曲線120%110%100%90%80%7ACS800

MotorloadcapacityT =loadtorqueTN

=ratedmotortorquef =ACS800outputfrequencyTypicalcontinuousloadcapacitycurveofanIEC34self-ventilatedmotorcontrolledbyACS800

1.21.00.80.60.40.20.0TTN0102030405060708090100f(Hz)自通風電機的負載能力典型的連續(xù)負載能力曲線自通風電機ACS800M電機的過載能力400%350%300%250%200%150%100%50%0%00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0IC411相對轉(zhuǎn)速最大電機負載能力(短時)可用的最大電機轉(zhuǎn)矩+20%裕量IC416電機的過載能力400%350%300%250%200%150電機負載類型可變轉(zhuǎn)矩負載：風機水泵。恒轉(zhuǎn)矩負載：皮帶運輸機恒轉(zhuǎn)矩恒功率負載卷曲周期性恒轉(zhuǎn)矩負載提升機Cranes,Centrifuges高起動轉(zhuǎn)矩負載擠出機Kilns,RubberMixersTSpeedSpeedSpeedTTTTTimeTime電機負載類型可變轉(zhuǎn)矩負載：風機恒轉(zhuǎn)矩負載：皮帶運輸機恒轉(zhuǎn)矩恒變頻器基本結(jié)構(gòu)1整流部分逆變部分能量流動方向主要由三部分組成（如下圖所示）：整流部分：將交流電變換成直流電中間直流環(huán)節(jié)：充電、濾波并保持電壓穩(wěn)定逆變部分：將直流電變換成電壓與頻率都可變的交流電中間直流環(huán)節(jié)輸入輸出變頻器基本結(jié)構(gòu)1整流部分逆變部分能量流動方向主要由三部分組成變頻器基本結(jié)構(gòu)2變頻系統(tǒng)的功能示意圖變頻器基本結(jié)構(gòu)2變頻系統(tǒng)的功能示意圖變頻器控制電機的模式大致可分成三類標量控制v/f（Scalarcontrol）：最早最基本的變頻調(diào)速技術矢量控制（Vectorcontrol）：目前大多數(shù)采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTCcontrol）：ABB專利技術變頻器控制電機的模式大致可分成三類ACS800EvolutionofACdrivesVfFrequencyreferenceModu-latorV/FratioACSpeedcontrolTorquecontrolAC1970’s:FrequencyControl1990’s:DirectTorqueControlVfTorquecontrolModu-latorSpeedcontrolACT1980’s:FluxVectorControlTraditionalPWMControlinshortstepstoavoidovershootingControllooptime1-3msbecauseofmodulatorTachometerfeedbackrequiredControllooptime1-3msbecauseofmodulatorTorquecontrolledbyasinglestepNoriskofovershootwithfast25scontrolloop交流傳動的進化和發(fā)展ACS800Evolutio標量控制V/F控制：保持磁通恒定，從而使電機輸出比較大的轉(zhuǎn)矩在基頻（50Hz）以下，變頻器能保持恒轉(zhuǎn)矩輸出；基頻以上，變頻器保持恒功率輸出。F/HzU/V（0，0）380V50HzIRvoltage標量控制V/F控制：保持磁通恒定，從而使電機輸出比較大的轉(zhuǎn)矩ACS800EvolutionofACdrivesVfFrequencyreferenceModu-latorV/FratioAC1970’s:FrequencyControlTraditionalPWMControlinshortstepstoavoidovershootingControllooptime1-3msbecauseofmodulator交流傳動的進化和發(fā)展F=50HzF=25HzF=0HzSPWMACS800Evolutio矢量控制原理矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。

矢量控制原理矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機無速度傳感器的矢量控制無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照轉(zhuǎn)矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓和頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)矢量控制。無速度傳感器的矢量控制無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定矢量控制優(yōu)點采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機進行控制，否則難以達到理想的控制效果。矢量控制優(yōu)點采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與VfTorquecontrolModu-latorSpeedcontrolACT1980’s:FluxVectorControlTachometerfeedbackrequiredControllooptime1-3msbecauseofmodulator交流傳動的進化和發(fā)展ACS800EvolutionofACdrivesM=CmFMuvw12VfTorquecontrolModu-latorSpee直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直SpeedcontrolTorquecontrolAC1990’s:DirectTorqueControlTorquecontrolledbyasinglestepNoriskofovershootwithfast25scontrolloop交流傳動的進化和發(fā)展ACS800EvolutionofACdrivesuvwInput:VoltageCurrentfrequencyAftermath:MagnetizationTorquespeedInput:VoltageCurrentOn-offAftermath:MagnetizationTorqueSpeedfrequencymotormoduleSpeedcontrolTorquecontrolAC1ACS800 ExcellenttorquecontrolTorque:PWMDTC

Torquesteprisetime

力矩階越上升時間DTCFluxvectorOpenloopPWM<5msec.10to20msec.>100msec.Noencoderrequiredforaccuratetorquecontrol

無編碼器，可精確控制力矩Fulltorqueatzerospeed

零速滿轉(zhuǎn)矩Directcontroloftorquenonuisancetrips

轉(zhuǎn)矩直接被控