變頻傳動基本知識

傳動系統(tǒng)培訓(xùn)東北大學(xué)錢曉龍1直流調(diào)速系統(tǒng)

2電樞繞組直流電動機工作原理演示

電動機模型演示注意:電樞和磁場電流總是相差90°磁場電極換向器/電刷直流電動機3直-直型電力機車他勵直流電動機自勵直流電動機串勵電動機并勵電動機復(fù)勵電動機4直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展G-M系統(tǒng)

改變發(fā)電機勵磁電壓發(fā)電機輸出電壓直流電動機電樞電壓改變電動機轉(zhuǎn)速5直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展

V-M系統(tǒng)6直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展PWM-M系統(tǒng)交-直型電力機車7直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展8直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)等效電路圖

9直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機的調(diào)速改變電樞回路電阻R減弱勵磁磁通Φ調(diào)節(jié)電樞供電電壓U

10改變電樞回路電阻調(diào)速

改變電樞回路電阻的調(diào)速方法就是在電樞回路中串接附加電阻R1、R2……來改變電動機電樞端電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的。

abcn2n2<n111改變電樞回路電阻調(diào)速（1）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單；（2）調(diào)速不連續(xù)，不平穩(wěn)；（3）機械特性軟，從而影響調(diào)速范圍；（4）電動機速度的改變是靠改變電樞回路串接電阻大小來實現(xiàn)的，調(diào)速范圍越大，串入的電阻就越大，相應(yīng)地電阻上消耗的能量就越大，這是很不經(jīng)濟的。12調(diào)壓調(diào)速改變Ud0就得到一組相互平行的機械特性曲線

如果連續(xù)改變可控電源電壓，電動機轉(zhuǎn)速就可以平滑連續(xù)地調(diào)節(jié)。13調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速的特點：機械特性較硬，負載不變時，轉(zhuǎn)速降△n不變由于容許的輸出轉(zhuǎn)矩恒定，對于恒轉(zhuǎn)矩性負載的拖動調(diào)速，能充分利用電動機的容量由于電樞回路時間常數(shù)小，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快，適合于要求快速起、制動的設(shè)備的傳動系統(tǒng)中，如初軋機、龍門刨床等設(shè)備。14改變電動機勵磁調(diào)速 當(dāng)負載電流不變時，改變可控電壓Uf，也就是說，改變電動機勵磁磁通量Ф時，電動機的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降都在變化，隨著磁通量的減少，轉(zhuǎn)速降就越來越大，機械特性也就越軟。

15改變電動機勵磁調(diào)速改變勵磁調(diào)速的特點：（1）機械特性軟，負載變化時轉(zhuǎn)速的波動較大；（2）可控電源容量小，一般為電動機容量的10%以下，電源設(shè)備造價低；（3）磁場的時間常數(shù)大，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)慢，適合于起、制動快速性要求不高的設(shè)備的傳動控制。16交流調(diào)速系統(tǒng)

17交流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機的缺點：（1）成本昂貴（2）直流電機的容量和速度的限制（3）應(yīng)用環(huán)境（4）轉(zhuǎn)子發(fā)熱多，電機效率低（5）系統(tǒng)可靠性差18三相異步電動機結(jié)構(gòu)圖交流電動機電動機機殼轉(zhuǎn)子/軸承定子繞組19交流電動機定子定子鐵芯：由互相絕緣的硅鋼片疊成定子繞組：三相繞組對稱分布在定子鐵芯上機座：鑄鋼或鑄鐵定子鐵芯20定子繞組21交流電動機轉(zhuǎn)子注：轉(zhuǎn)子電路必須是閉合的轉(zhuǎn)子鐵芯：由外周有槽的硅鋼片疊成繞線式鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)軸鐵芯槽內(nèi)放銅條，端部用導(dǎo)電銅環(huán)將所有銅條短接成一個回路?；蜩T鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。鼠籠式轉(zhuǎn)子22交流電動機繞線式轉(zhuǎn)子同定子繞組一樣，也是對稱的三相繞組，并且連接成星形。23交流電動機定子作用：轉(zhuǎn)子作用：鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：鼠籠式：

結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工作可靠、使用方便繞線式：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較貴、維護工作量大，適用于要求具有較大起動轉(zhuǎn)矩及一定調(diào)速范圍的場合產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并從電網(wǎng)吸收電能。產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并輸出機械能。24交流電動機轉(zhuǎn)動原理磁場旋轉(zhuǎn)磁鐵閉合線圈e方向用右手定則確定f方向用左手定則確定磁場與載流導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生電磁力25交流電動機轉(zhuǎn)動原理(1)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

定子對稱三相繞組通入三相對稱電流U1U2V1V2W1W2o26交流電動機轉(zhuǎn)動原理U1U2V1V2W1W2電流正方向：從繞組首端流入，末端流出。規(guī)定U1V2W1V1W2U2()電流入(?)電流出(1)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生27交流電動機轉(zhuǎn)動原理o動畫合成磁場方向向下合成磁場旋轉(zhuǎn)60°合成磁場旋轉(zhuǎn)90°U1

U2V2W1V1W2U1

U2V2W1V1W2U1

U2V2W1V1W2U1U2V1V2W1W228交流電動機轉(zhuǎn)動原理(2)轉(zhuǎn)動原理定子三相繞組通入三相交流電旋轉(zhuǎn)磁場

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動勢感應(yīng)電流旋轉(zhuǎn)磁場左手定則電磁力F電磁轉(zhuǎn)矩T順時針n順時針U1U2V2W1V1W2FF29n1=60f1/3若三相繞組極對數(shù)為3，每相電流的最大值隨時間變化一次，相應(yīng)的合成磁場將移動1/3周?？紤]到每相電流1秒內(nèi)變化f次，則相應(yīng)的合成磁場1秒旋轉(zhuǎn)f/3周。2極電機交流電動機轉(zhuǎn)速n1=60f1每相電流的最大值隨時間變化一次，相應(yīng)的合成磁場就旋轉(zhuǎn)一周?？紤]到每相電流一秒變化f次，則相應(yīng)的合成磁場就一秒內(nèi)就旋轉(zhuǎn)f周。6極電機n1=60f1/

PN2N極電機30交流電動機轉(zhuǎn)速n1=60f1/PNn1=60f1(1-s)/PN變頻調(diào)速：改變電源的頻率變極調(diào)速：改變電機的極對數(shù)改變轉(zhuǎn)差率：繞線電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、雙饋調(diào)速31交流電動機調(diào)速原則磁通Φm恒定基頻以下調(diào)速基頻以上調(diào)速磁通增大－電機負載能力降低，功率因數(shù)變壞磁通減?。姍C在一定負載下有過電流危險U1NU1ff1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速32交流調(diào)速調(diào)制技術(shù)調(diào)制方法PAM（脈幅調(diào)制）PWM（脈寬調(diào)制）變頻器在改變輸出頻率的同時，也同時改變輸出電壓的幅值。

PAM需要同時調(diào)節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，二者之間還必須滿足一定的關(guān)系，故控制電路復(fù)雜。變頻器在改變輸出頻率的同時，也改變輸出電壓的脈沖占空比。PWM只控制逆變器部分，與PAM相比，控制電路簡單。33正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM脈寬調(diào)制三角波發(fā)生器調(diào)制發(fā)生器SPWM電壓輸出波形輸出電流波形34正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)PWM波形實際上就是一組方波直流電壓。它直接應(yīng)用于電動機上。產(chǎn)生頻率和電壓可變的三相交流波形35PowerFlex變頻器的壓頻比控制電壓/頻率控制Volts/HertzControl(V/Hz)無速度傳感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)磁場定向控制FieldOrientedControl36V/Hz控制方式斜坡函數(shù)發(fā)生器V/Hz模式形成控制脈沖發(fā)生器壓頻比控制是簡單的開環(huán)控制M37轉(zhuǎn)差頻率控制方式轉(zhuǎn)差頻率控制是簡單的“閉環(huán)”控制++M+-斜坡函數(shù)發(fā)生器V/Hz模式形成控制脈沖發(fā)生器f*38風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)

風(fēng)機及配套用的電機耗用電量約占全國總發(fā)電量的20%。而傳統(tǒng)的利用檔風(fēng)板或閥門載流調(diào)節(jié)方式不符合節(jié)能需求。39風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)工作點為A，輸出風(fēng)量Q1，此時風(fēng)機軸功率N1與Q1H1的乘積，即和AH1OQ1所包圍的面積成正比。管網(wǎng)風(fēng)阻特性風(fēng)機在恒速下的風(fēng)壓-風(fēng)量特性系統(tǒng)工作點由A移到B。風(fēng)壓反而增加，軸功率N2與面積BH2OQ2成正比工作點由原來的A點移到C點。可見在相同風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3與面積CH3OQ2成正比 從風(fēng)機的工作特性來看，調(diào)速控制與風(fēng)門控制調(diào)節(jié)風(fēng)量比較，有著更高的節(jié)能效果。在相同風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓大幅度降低，功率顯著減少，節(jié)能效果十分明顯。40風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)由流體力學(xué)可知風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比41PowerFlex“4”-系列產(chǎn)品Performance/FunctionalityPowerRating(KW@4000V)3.71120501101500PowerFlex400PowerFlex40/40PPowerFlex44243PowerFlex40-簡介卓越的電動機控制,0.4-11kWV/Hz或SensorlessVector(SVC)控制內(nèi)置用戶接口操作員控制(start,stop,speed,direction)編程&起動面板狀態(tài)&故障指示燈內(nèi)置RS-485通訊接口通用的參數(shù)結(jié)構(gòu)同所有PowerFlex“4-Class”變頻器一致通用的“4Class”附件遠程操作員面板EMC濾波器動態(tài)制動電阻444.0簡單的起動程序

只需連接電源線路，即可通過內(nèi)置面板控制變頻器起動

當(dāng)控制激活時，指示燈會亮

10個最通用起動參數(shù)： MotorNameplateVoltage(P031) MotorNameplateFrequency(P032) MotorOverloadCurrent(P033) MinimumFrequency(P034) MaximumFrequency(P035) StartSource(P036) StopMode(P037) SpeedReference(P038) AccelTime1(P039) DecelTime1(P040)45控制/電源接線面蓋內(nèi)側(cè)附有控制接線圖方便接線較大的動力及控制線端子方便接線46控制輸出1個繼電器輸出2個OPTO

輸出1個模擬量輸出簡單易用的邏輯控制控制輸入專用的

START,STOP

和

REVERSE

輸入4個用戶自定義輸入提供附加應(yīng)用24VDCSINK

或SOURCE

可通過DIP開關(guān)選擇47基本邏輯、計時器和計數(shù)器功能計時器和計數(shù)器功能通過數(shù)字量命令激活基于用戶自定義的時間或數(shù)值輸出基本邏輯功能

繼電器或光電耦合輸出又設(shè)置為“邏輯輸入”的數(shù)字量輸入控制當(dāng)AND、OR和外部鏈接邏輯條件為真時，輸出狀態(tài)改變48PowerFlex40-選件EMC濾波器輸入電抗器動態(tài)制動電阻外置式操作面板22-HIM-CS222-HIM-A3DSI通訊適配器DeviceNet,EtherNet/IP,ProfibusDP,CompactI/Oand22-XCOMM-DC-BaseControlnet,Lanworks(FY2005Q4)49編程和通訊內(nèi)置RS-485接口DriveSerialInterface(DSI)PC編程

DriveExplorer軟件DriveExecutive軟件RS485toRS232串行轉(zhuǎn)換器多支路網(wǎng)絡(luò)支持

與

SLC500、CompactLogix和ControlLogix兼容支持ModbusRTU50編程和通訊PC控制多個PF4或PF40變頻器使用DF1連接Allen-Bradley控制器*注意–需要22-SCM-232串行轉(zhuǎn)換器ABRS232toRS485ConverterRS485Repeater#1#2#31etc.DF1RTU#1#2#31etc.DF1RTU51編程和通訊22-COMM-D/22-XCOMM-DC-Base外置的DSIComm選件用于RA核心網(wǎng)絡(luò)Upto4PowerFlex4’sor40’sPowerFlex40Multi-DriveRS-485EtherNet/IPTerminatingResistorTerminatingResistor一個站點可帶5臺變頻器AK-U0-RJ45-TB2PRJ45TerminalBlocksPowerFlex40Multi-DriveDeviceNetTerminatingResistorTerminatingResistorUpto4PowerFlex4’sor40’sRS-485AK-U0-RJ45-TB2PRJ45TerminalBlocks52PowerFlex40–應(yīng)用實用于僅要求簡單的V/Hz控制的應(yīng)用如風(fēng)機食品加工機械電動工具水泵攪拌機運輸帶包裝機械木工加工機械自動卷簾門等(車庫,隔斷門).或其它對低頻輸出轉(zhuǎn)矩要求較高的應(yīng)用(SVC)

或要求網(wǎng)絡(luò)連接功能的應(yīng)用.

53矢量控制技術(shù)在DC電機中,磁場是一個獨立的繞組產(chǎn)生(激磁繞組)因此電機電樞電流和磁通電流可以單獨控制.分別控制電機的磁通和力矩可以實現(xiàn)優(yōu)化的控制性能－零速時的高輸出力矩，負載變化時的快速響應(yīng).在AC電機中,定子繞組電流包含勵磁和轉(zhuǎn)矩部分，因此很難單獨控制電機的力矩和磁通.僅僅控制電流幅值，不能實現(xiàn)電機的力矩和磁通的單獨控制，所以矢量控制必須同時控制電流的幅值和相位54三相-兩相變換（3/2變換）在三相對稱繞組中，通以三相平衡電流，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速（即電流的角頻率）旋轉(zhuǎn)。但旋轉(zhuǎn)磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，任意對稱的多相繞組，通入平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，當(dāng)然以兩相最為簡單。55三相-兩相變換（3/2變換）A-B-C和α-β兩個坐標(biāo)系中的磁動勢矢量，將兩個坐標(biāo)系原點并在一起，使A軸和α軸重合。三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系中的磁動勢矢量56磁動勢相等原則按照磁動勢相等的等效原則，三相合成磁動勢與二相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在α-β軸上的投影都應(yīng)相等，因此有：573/2變換矩陣考慮變換前后總功率不變，匝數(shù)比應(yīng)為583/2變換矩陣逆變換矩陣（2/3變換矩陣）得到3/2變換矩陣59兩相-兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換）兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。如果令兩相繞組旋轉(zhuǎn)起來，且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動勢的旋轉(zhuǎn)角速度，則兩相繞組通以直流電流就可產(chǎn)生同樣空間旋轉(zhuǎn)磁動勢。靜止兩相坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系變換aibiaububa2s/2r變換1wOOdq602s/2r變換電流之間存在下列關(guān)系

兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的磁動勢矢量612s/2r變換陣兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣逆變換陣62矢量控制分類矢量控制技術(shù)轉(zhuǎn)子磁場定向定子磁場定向合成磁場定向63基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)64基于定子磁鏈定向的直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）65矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的比較相同點：兩者都采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別控制

不同點：矢量控制強調(diào)磁場與轉(zhuǎn)矩的解耦，有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實行連續(xù)控制，調(diào)速范圍寬，可達1:100以上DTC控制按轉(zhuǎn)子磁場定向時受電機轉(zhuǎn)子參數(shù)影響，降低了魯棒性

直接進行轉(zhuǎn)矩控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換；控制定子磁鏈，而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，降低了調(diào)速性能

優(yōu)點/缺點66PowerFlex變頻器的矢量控制電壓/頻率控制Volts/HertzControl(V/Hz)無速度傳感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)磁場定向控制FieldOrientedControl無速度傳感器矢量控制SensorlessVectorControl(SVC)磁通矢量控制FluxVectorControl(FVC)67磁通矢量控制FVC磁通矢量控制通過電機的電流反饋，使用電動機轉(zhuǎn)子的速度和位置來調(diào)節(jié)電動機的輸出電流和轉(zhuǎn)矩。編碼器提供電動機的速度和位置信息L1L2L3電流反饋MotorEVC68磁場定向控制FOC磁場定向控制與磁通矢量控制的技術(shù)一樣，但增加了電壓反饋自調(diào)整來優(yōu)化和適應(yīng)電動機溫度的變化L1L2L3電壓反饋MotorEVC電流反饋TEMP69無速度傳感器矢量控制SVC利用自適應(yīng)控制算法通過電壓和電流模型運算，從而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦，并分別進行控制。L1L2L3

MotorCurrentSensorsVC(FVC+SpeedEstimator)70PowerFlex變頻器的控制方式PowerFlex4變頻器采用V/Hz控制PowerFlex40、40P變頻器采用V/Hz和SensrlsVect控制PowerFlex400變頻器采用普通V/Hz及用戶自定義的V/Hz控制PowerFlex70、700變頻器采用Fan/PmpV/Hz、CustomV/Hz、SensrlsVect控制PowerFlex70EC、700VC變頻器Firmwareversions2.0以上的可以采用FVC控制PowerFlex700S、PowerFlex700S2變頻器采用FOC、FOC2、PmagMotor（永磁電機）和V/Hz控制71PowerFlex“7”-系列產(chǎn)品特性/功能功率范圍(KW)3.77.515371321500PowerFlex700SPowerFlex700LPowerFlex700VCPowerFlex70

PowerFlex700H5007273PowerFlex70安裝類型NEMA1/IP20(50℃)Flange(50℃)Front=NEMA1/IP20Backside=NEMA4X/IP66 (Indoor&Outdoor)NEMA4X(40℃)AlsoNEMA12&IP66(indooronly)74PowerFlex70框架A,B,C,D,E0.5-25HP(0.37-7.5kW)@200/240V0.5-50HP(0.37-37kW)@400/480V0.5-50HP(0.37-37kW)@600V75簡單通用的人機接口HIM大面幅

LCD顯示本地和遠程面板多種語言用戶自定義的顯示計算器式的數(shù)字鍵盤通用的編程工具DriveExplorer

及DriveExplorerLite 簡單，靈活，可編程在線監(jiān)控和組態(tài)。DriveToolsSP 界面友好，操作靈活，可對變頻器分別進行在線監(jiān)控和離線組態(tài)。76通訊能力支持多種通訊選件：DeviceNet RemoteI/O ControlNet ProfibusDP InterbusS RS485-DF1 EtherNet/IP RS-485HVAC MetasysN2/FLNP1/ModbusRTULonWorks CompactI/O 無須外部電源無須外部空間77DeviceNetControlCommandfromPLCPeerControlDataChange-of-StateStatusData通訊能力先進的點對點(Peer-to-Peer)及I/O通訊提高網(wǎng)絡(luò)性能及通訊效率78優(yōu)越的控制性能用戶可定制的U/F曲線——可設(shè)置轉(zhuǎn)折頻率風(fēng)機/泵U/F曲線40:1/0.5%開環(huán):120:1/0.1%閉環(huán):120:1/0.001%80:1/0.1%U/Hz控制無速度傳感器矢量控制無速度傳感器矢量控制節(jié)能方式FORCE矢量控制（增強型）特點：可實現(xiàn)在寬調(diào)速范圍內(nèi)的高轉(zhuǎn)矩輸出。適應(yīng)不同的電動機特性。當(dāng)電動機電流減小到一定值時，變頻器自動降低輸出電壓，實現(xiàn)節(jié)能。79PowerFlex70其他特點優(yōu)異的低頻轉(zhuǎn)矩特性零速滿轉(zhuǎn)矩80PowerFlex70其他特點反應(yīng)快速的電流限制功能可實現(xiàn)電動機以最大加速度運行而不會出現(xiàn)跳閘。防止了負載沖擊引起的轉(zhuǎn)矩波動。反應(yīng)快速的母線電壓調(diào)節(jié)功能可設(shè)置調(diào)