項目1 電力電子與變頻技術(shù)概況

《電力電子與變頻技術(shù)概況》

——PPT項目1項目1電力電子與變頻技術(shù)概況【教學(xué)目標(biāo)】知識目標(biāo)：1.熟悉交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法2.了解變頻器的作用與變頻調(diào)速的優(yōu)點3.了解電力電子與變頻技術(shù)的發(fā)展歷程4.了解變頻調(diào)速部分典型應(yīng)用實例技能目標(biāo)：

1.能正確使用三相異步電動機(jī)

2.會合理調(diào)節(jié)三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法1.1.1交流異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理1.交流異步電動機(jī)的定子繞組中通入三相（或兩相）交流電，氣隙中便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速也稱為同步轉(zhuǎn)速。2.轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間有轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于轉(zhuǎn)子回路閉合而形成轉(zhuǎn)子電流。轉(zhuǎn)差率表示：

3.旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生電磁力，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向相同，三相繞組中任意兩相對換，旋轉(zhuǎn)磁場就反向，從而使電機(jī)反轉(zhuǎn)。任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法1.1.2交流異步電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)1.電動機(jī)狀態(tài)

（0<n<n1,0<s<1）電機(jī)從電網(wǎng)吸收電功率，經(jīng)過氣隙的耦合作用從軸上輸出機(jī)械功率。2.發(fā)電機(jī)狀態(tài)

（n>n1

，s<0）E1=U1+IR0

3.電磁制動狀態(tài)(n<0,s>1)轉(zhuǎn)子逆著磁場方向旋轉(zhuǎn)，此時電機(jī)既從電網(wǎng)吸收電功率又從軸上吸收機(jī)械功率，它們都消耗在電機(jī)內(nèi)部變成損耗。1.轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢和電流變化頻率為f22.電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比3.電磁轉(zhuǎn)矩與磁通、轉(zhuǎn)子有功電流成正比任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法基本概念：

三相異步電動機(jī)剛起動時，由于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的頻率很高，所以功率因素很低，雖然起動電流很大，但起動轉(zhuǎn)矩并不大。1.改變磁極對數(shù)p（變極調(diào)速）任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法

有級調(diào)速、且級差很大、級數(shù)有限，因而只適用于不需平滑調(diào)速的場合，如生產(chǎn)機(jī)械高、低速的粗調(diào)等。1.1.3交流異步電動機(jī)的調(diào)速方法2.改變轉(zhuǎn)差率s（變轉(zhuǎn)差率調(diào)速）

以改變轉(zhuǎn)差率為目的調(diào)速方法主要有：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、串極調(diào)速等（1）定子調(diào)壓調(diào)速任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法由于電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，所以隨電壓的降低，轉(zhuǎn)矩很小，一般不能拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；同時轉(zhuǎn)差功率損耗較大，功率因素低，電流大，效率低。

一般適合于風(fēng)機(jī)泵類特性的負(fù)載，鼓風(fēng)機(jī)就是利用定子電壓調(diào)速的方法進(jìn)行調(diào)速的1.改變轉(zhuǎn)差率s（降壓調(diào)速）調(diào)壓調(diào)速的優(yōu)點：調(diào)速平滑，采用閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速時，機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍較寬，所以在風(fēng)機(jī)控制中現(xiàn)在還有廣泛應(yīng)用。任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法（2）改變轉(zhuǎn)差率（轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速）

其機(jī)械特性較軟，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的波動較大，調(diào)速范圍受到一定限制，且低速時轉(zhuǎn)差功率損耗較大，效率低。只適用于繞線式異步電動機(jī)

轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速只在一些調(diào)速要求不高的場合采用，如塔式起重機(jī)的吊鉤控制調(diào)速等。任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法（3）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速（滑差調(diào)速）

電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的優(yōu)點是：控制簡單，運(yùn)行可靠，能平滑調(diào)速，采用閉環(huán)控制后可擴(kuò)大調(diào)速范圍，運(yùn)用于通風(fēng)類或恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載；其缺點是低速時損耗大，效率低。

在轉(zhuǎn)子回路中引入了一個與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢頻率相同的可控的附加電動勢任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法（4）串級調(diào)速串極調(diào)速具有機(jī)械特性比較硬、調(diào)速平滑、損耗小、效率高等優(yōu)點，便于向大容量發(fā)展，但它也存在著功率因素較低的缺點，同時串極調(diào)速的控制設(shè)備比較復(fù)雜，成本比較高。調(diào)速特性與直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相媲美。任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法3.改變頻率f（變頻調(diào)速）任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法3.改變頻率f（變頻調(diào)速）基頻以下調(diào)節(jié)基頻以上調(diào)節(jié)

為了保持電動機(jī)的帶負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙主磁通Φ不變，這就要求降低供電頻率的同時降低感應(yīng)電動勢，保持E1/f1=常數(shù)，即保持電動勢與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制，這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。如果不計定子阻抗壓降，則U1≈E1=4.44f1N1ΦwKy任務(wù)1.1交流異步電動機(jī)調(diào)速的基本方法3.改變頻率f（變頻調(diào)速）

由于E1難于直接檢測和直接控制，可以近似地保持定子電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，即認(rèn)為E1≈U1，保持U1/f1=常數(shù)。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制變頻的同時為什么電壓也要跟著改變？任務(wù)1.2變頻調(diào)速的優(yōu)點與發(fā)展概況1.2.1變頻調(diào)速的優(yōu)點

交流異步電動機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速方法的控制比較簡單，但由于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差、傳動速度不協(xié)調(diào)等原因，造成產(chǎn)品報廢率高，且調(diào)速范圍小、能耗高，以前交流調(diào)速只在低檔次的生產(chǎn)機(jī)械中采用。直流調(diào)速的性能比較好，高檔次的機(jī)械一般采用直流調(diào)速。但直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對工作環(huán)境要求較高；直流電機(jī)碳刷易磨損、碳刷架易打火而引起電機(jī)燒壞；換向器經(jīng)過長時間磨檫后，銅片會越來越薄，最后導(dǎo)致打火擊穿。到目前，直流電動機(jī)故障率高、保養(yǎng)難度大的問題，還沒有從根本上解決，而且直流調(diào)速系統(tǒng)體積大、耗電量大，不能在易燃易爆場合使用。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟，使交流變頻調(diào)速正逐步取代直流調(diào)速。采用變頻調(diào)速不但可以提高生產(chǎn)機(jī)械的控制精度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有利于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，而且變頻調(diào)速系統(tǒng)還具有優(yōu)良的控制性能和顯著的節(jié)能效果。任務(wù)1.2變頻調(diào)速的優(yōu)點與發(fā)展概況1.2.2變頻器的作用任務(wù)1.2變頻調(diào)速的優(yōu)點與發(fā)展概況交流調(diào)速與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是與電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)、控制技術(shù)、微型計算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)的，也就是說，每當(dāng)新一代的電力電子器件出現(xiàn)時，體積更小、功率更大的新型通用變頻器就會產(chǎn)生。1.2.3變頻技術(shù)的發(fā)展概況

目前應(yīng)用最多的電力電子功率器件主要有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(IntelligentPowerModule)。其中IGBT的開關(guān)頻率可達(dá)到幾十KHz，而且還具有低損耗，開關(guān)速度快、電壓高，容量大，體積小，驅(qū)動功率小等特點。80年代后期，MCS-51等單片機(jī)推出后，由于其較高的集成度和性能，具備了一定的信息處理能力和數(shù)據(jù)運(yùn)算速度，同時內(nèi)部硬件資源也比較豐富，開始作為通用控制器應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)。操作室0～20mA～回轉(zhuǎn)窯噴火槍RSTUVW加料口減速箱FUIt應(yīng)用舉例1.水泥廠回轉(zhuǎn)窯主驅(qū)動變頻調(diào)速

應(yīng)用舉例2.水泵節(jié)能恒壓供水圖10—1

供水系統(tǒng)示意圖壓力變送器生活小區(qū)應(yīng)用舉例3.中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)工藝圖盤管盤管風(fēng)扇溫度變送器TP4~20mA冷凍機(jī)組水泵電動機(jī)UVWIIGNDV+VI1RSTUFRP應(yīng)用舉例3.中央空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)水泵電動機(jī)制冷機(jī)組冷卻塔溫度變送器冷卻風(fēng)扇UVWRSTGNDIIV+VI1RP4~20mAQQQUF應(yīng)用舉例4.中央空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)水泵電動機(jī)制冷機(jī)組冷卻塔溫度變送器冷卻風(fēng)扇UVWRSTGNDIIV+VI1RP4~20mAQQQUFST張力控制器直流電源電動機(jī)紙卷+-RPUVWRSTGNDVI1V+GNDIIUFFV4~20mA應(yīng)用舉例5.卷繞機(jī)械恒張力控制示意圖UF1UF2