1、任務一任務一 變頻調速系統設計方法及電動變頻調速系統設計方法及電動機的選擇機的選擇 知識與能力目標知識與能力目標變頻變頻調速系統的設計方法調速系統的設計方法 1異步電動機的選擇方法異步電動機的選擇方法 2345負載功率的計算方法負載功率的計算方法 2變頻調速系統的設計方法變頻調速系統的設計方法 對于動態、靜態指標要求比較高的控制系統對于動態、靜態指標要求比較高的控制系統，在變頻調速設計，在變頻調速設計時，要求經常利用時，要求經常利用速度反饋、電流反饋、電壓反饋、張力反饋、位置速度反饋、電流反饋、電壓反饋、張力反饋、位置反饋反饋等，通過利用反饋組成一個控制策略優良的自調系統來改善系統等，通過利用

2、反饋組成一個控制策略優良的自調系統來改善系統的性能。的性能。 對于動態、靜態指標要求不高的生產工藝系統，對于動態、靜態指標要求不高的生產工藝系統，在變頻調速控制在變頻調速控制系統中也有系統中也有電流反饋、位置反饋電流反饋、位置反饋等。但是這些反饋一般都是開關量等。但是這些反饋一般都是開關量的，因此這些開關量通常用于變頻調速控制系統的保護。的，因此這些開關量通常用于變頻調速控制系統的保護。變頻調速系統的設計方法變頻調速系統的設計方法 對于控制對象具有多變量、變參數、非線性的控制系統，對于控制對象具有多變量、變參數、非線性的控制系統，常規的常規的PID調節器已解決不了，人們開始把智能控制引入到變頻

3、調速控制系統調節器已解決不了，人們開始把智能控制引入到變頻調速控制系統中。智能控制可以不需要精確的數學模型，仿照人的智能，根據系統中。智能控制可以不需要精確的數學模型，仿照人的智能，根據系統誤差及其變化率來決定控制器的輸出，并自動調整控制器。誤差及其變化率來決定控制器的輸出，并自動調整控制器。 無論是選用智能控制器還是選用傳統的控制器，在設計變頻調速控制系無論是選用智能控制器還是選用傳統的控制器，在設計變頻調速控制系統時都需要建立系統當前狀態、誤差與控制量之間的關系，都具有類似的統時都需要建立系統當前狀態、誤差與控制量之間的關系，都具有類似的設計過程。設計過程。變頻調速系統的設計方法變頻調速系

4、統的設計方法 變頻調速控制系統的基本設計步驟變頻調速控制系統的基本設計步驟 （1 1）了解生產工藝對轉速變化的要求，分析影響轉速變化的因素，根據）了解生產工藝對轉速變化的要求，分析影響轉速變化的因素，根據自動控制系統的形成理論建立調速控制系統的原理框圖。自動控制系統的形成理論建立調速控制系統的原理框圖。 （2 2）了解生產工藝的操作過程，根據電氣控制電路的設計方法建立調速）了解生產工藝的操作過程，根據電氣控制電路的設計方法建立調速控制系統的電氣控制原理框圖。控制系統的電氣控制原理框圖。 （3 3）根據負載情況和生產工藝的要求選擇電動機、變頻器及其外圍設備。）根據負載情況和生產工藝的要求選擇電動

5、機、變頻器及其外圍設備。如果是閉環控制，最好選用能夠四象限運行的通用變頻器。如果是閉環控制，最好選用能夠四象限運行的通用變頻器。變頻調速系統的設計方法變頻調速系統的設計方法 （4 4）根據掌握被控對象數學模型的情況，決定是選擇常規）根據掌握被控對象數學模型的情況，決定是選擇常規PID調節器調節器還是選擇智能調節器。如果被控對象的數學模型不清楚，又想知道被控對還是選擇智能調節器。如果被控對象的數學模型不清楚，又想知道被控對象的數學模型，若條件允許，可用動態信號測試儀實測數學模型。對被控象的數學模型，若條件允許，可用動態信號測試儀實測數學模型。對被控對象的數學模型無嚴格要求的調節器，應屬于非常規對

6、象的數學模型無嚴格要求的調節器，應屬于非常規PID調節器。調節器。 （5 5）購置基本設備：通用變頻器、反饋元件、）購置基本設備：通用變頻器、反饋元件、PLC、調節器和電動機。、調節器和電動機。如果所設計的工程項目屬于舊設備改造項目，電動機就不需要重新購置。如果所設計的工程項目屬于舊設備改造項目，電動機就不需要重新購置。 （6 6）根據實際購置的設備，繪制調速控制系統的電氣控制電路原理）根據實際購置的設備，繪制調速控制系統的電氣控制電路原理圖，編制控制系統的程序，修改調速控制系統的原理框圖。圖，編制控制系統的程序，修改調速控制系統的原理框圖。變頻調速系統的設計方法變頻調速系統的設計方法 影響變

7、頻調速控制系統性能的因素影響變頻調速控制系統性能的因素 （1 1）同樣是一個開環調速系統，所選擇的通用變頻器的型號不同，變頻同樣是一個開環調速系統，所選擇的通用變頻器的型號不同，變頻調速控制系統的性能優良程度也不一定相同。調速控制系統的性能優良程度也不一定相同。即使選擇相同的通用變頻器型即使選擇相同的通用變頻器型號，變頻器的參數設置不同，其性能優良程度也不會相同。號，變頻器的參數設置不同，其性能優良程度也不會相同。 （2 2）同樣是一個閉環變頻調速控制系統，所放置的反饋元件位置不同，同樣是一個閉環變頻調速控制系統，所放置的反饋元件位置不同，系統的性能優良程度相差十分明顯。系統的性能優良程度相差

8、十分明顯。即使反饋元件的放置位置相同，反饋元即使反饋元件的放置位置相同，反饋元件的型號、質量不同，由抑制定理可知，其性能優良程度也不會相同。所件的型號、質量不同，由抑制定理可知，其性能優良程度也不會相同。所以，以，反饋信號的真實程度及質量決定著一個閉環變頻調速系統的成敗。反饋信號的真實程度及質量決定著一個閉環變頻調速系統的成敗。變頻調速系統的設計方法變頻調速系統的設計方法 （3 3）調節器的控制算法、參數設置不同，變頻調速控制系統的性能優調節器的控制算法、參數設置不同，變頻調速控制系統的性能優良程度相差比較大。良程度相差比較大。因此，設計選擇一套控制算法合理、簡單、可靠、調因此，設計選擇一套控

9、制算法合理、簡單、可靠、調試方便和控制精度高的調節器是用戶必須特別注意的問題。試方便和控制精度高的調節器是用戶必須特別注意的問題。 （4 4）兩個完全一樣的變頻調速控制系統，如果安裝環境不同，可能效兩個完全一樣的變頻調速控制系統，如果安裝環境不同，可能效果完全不同。果完全不同。特別是輸出電纜布置不合理，不但影響變頻調速控制系統性特別是輸出電纜布置不合理，不但影響變頻調速控制系統性能，還會損壞開關管和驅動電路。能，還會損壞開關管和驅動電路。 （5 5）對于開環調速系統，除變頻器優良程度影響系統的性能外，電動對于開環調速系統，除變頻器優良程度影響系統的性能外，電動機固有特性的硬度、安裝質量也嚴重影

10、響變頻器調速控制系統的性能。機固有特性的硬度、安裝質量也嚴重影響變頻器調速控制系統的性能。變頻調速系統的設計方法變頻調速系統的設計方法 設計閉環調速控制系統的注意事項設計閉環調速控制系統的注意事項 （1 1）調節器的控制參數大范圍可調。調節器的控制參數大范圍可調。 （2 2）轉速反饋元件采用光電轉速傳感器。轉速反饋元件采用光電轉速傳感器。這種傳感器體積小，精度高，這種傳感器體積小，精度高，易于和被測軸實現軟軸連接，對同心度的要求不高，便于安裝。另外，其脈易于和被測軸實現軟軸連接，對同心度的要求不高，便于安裝。另外，其脈沖信號便于傳送，有利于提高系統的抗干擾能力。一般光電傳感器的外接引沖信號便于

11、傳送，有利于提高系統的抗干擾能力。一般光電傳感器的外接引線有三根：電源線、地線和脈沖輸出線。線有三根：電源線、地線和脈沖輸出線。 （3 3）電機、反饋元件和變頻器之間連接。電機、反饋元件和變頻器之間連接。若電動機、測速發動機或傳感若電動機、測速發動機或傳感器安裝在同一個金屬底座上，應選擇帶有漏電保護措施的變頻器，或另外增器安裝在同一個金屬底座上，應選擇帶有漏電保護措施的變頻器，或另外增加漏電保護措施。加漏電保護措施。異步電動機的選擇方法異步電動機的選擇方法 電動機選擇電動機選擇電動機類型電動機類型 結構形式結構形式 額定轉速額定轉速 額定功率額定功率 其中主要的是電其中主要的是電動機額定功率的

12、動機額定功率的選擇選擇 ？電動機類型選擇電動機類型選擇 電動機類型選擇的基本原則是：電動機類型選擇的基本原則是：在滿足工作機械對于拖動系統要求的前在滿足工作機械對于拖動系統要求的前提下，所選電動機應盡可能結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。提下，所選電動機應盡可能結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。 對起動性能無過高要求的調速系統對起動性能無過高要求的調速系統應優先考慮使用籠型交流異步電動機。應優先考慮使用籠型交流異步電動機。 某些工作機械如橋式起重機、電梯、鍛壓機等，某些工作機械如橋式起重機、電梯、鍛壓機等，工作中起動、制動比較工作中起動、制動比較頻繁，為提高生產率又要求電動機具有較

13、大的起動、制動轉矩以縮短起動、頻繁，為提高生產率又要求電動機具有較大的起動、制動轉矩以縮短起動、制動時間，同時還有一定的調速要求。對于這類工作機械，制動時間，同時還有一定的調速要求。對于這類工作機械，可考慮選用繞線可考慮選用繞線式異步電動機。式異步電動機。異步電動機的選擇方法異步電動機的選擇方法 電壓等級及轉速的選擇電壓等級及轉速的選擇 交流電動機電壓等級的選擇交流電動機電壓等級的選擇：一般中小功率交流電動機額定電壓：一般中小功率交流電動機額定電壓選選3 380V，大功率交流電動機額定電壓大功率交流電動機額定電壓選選3KV或或6KV。 額定功率相同的電動機，額定轉速越高，其體積越小，重量越輕，

14、價格也越額定功率相同的電動機，額定轉速越高，其體積越小，重量越輕，價格也越低。因此，低。因此，工作于長期工作制的工作機械，原則上應選用額定轉速較高的電動機工作于長期工作制的工作機械，原則上應選用額定轉速較高的電動機。但額定轉速高必然導致傳動機構的復雜化，實際選用時應作全面權衡。但額定轉速高必然導致傳動機構的復雜化，實際選用時應作全面權衡。 對于經常工作于起動、制動狀態的電動機，應考慮額定轉速對起動、制動時對于經常工作于起動、制動狀態的電動機，應考慮額定轉速對起動、制動時間和起動、制動過程中能量損耗的影響。可以證明，間和起動、制動過程中能量損耗的影響。可以證明，從縮短起動、制動時間和減從縮短起動

15、、制動時間和減小起動、制動過程中能量損耗的角度考慮，應選用小起動、制動過程中能量損耗的角度考慮，應選用GD2與額定轉速與額定轉速nN乘積最小的乘積最小的電動機。電動機。異步電動機的選擇方法異步電動機的選擇方法 異步電動機的選擇方法異步電動機的選擇方法 開啟式。適用于干燥、清潔的工作環境。開啟式。適用于干燥、清潔的工作環境。防護式。適用于比較干燥、灰塵不多且無腐蝕性及爆炸性氣體的場所。防護式。適用于比較干燥、灰塵不多且無腐蝕性及爆炸性氣體的場所。封閉式。適用于在液體中工作的機械，如點動潛水泵、深水泵等。封閉式。適用于在液體中工作的機械，如點動潛水泵、深水泵等。 防爆式。適用于有易燃、易爆氣體的場

16、所，如油庫、煤氣站及礦井等。防爆式。適用于有易燃、易爆氣體的場所，如油庫、煤氣站及礦井等。電動機結構形式的選擇電動機結構形式的選擇電動機容量的選擇電動機容量的選擇 基本原則是：基本原則是：能帶動負載，在生產工藝所要求的各個轉速點長期運行不過能帶動負載，在生產工藝所要求的各個轉速點長期運行不過熱，在舊設備改造時，要盡可能地留用原設備的電動機。熱，在舊設備改造時，要盡可能地留用原設備的電動機。 選擇電動機容量時應考慮如下幾點：選擇電動機容量時應考慮如下幾點： 電動機容量、起動轉矩必須大于負載所需要的功率和起動轉矩；電動機容量、起動轉矩必須大于負載所需要的功率和起動轉矩； 電源電壓下降電源電壓下降1

17、0%10%15%15%的情況下，轉矩仍能滿足起動或運行中的需要；的情況下，轉矩仍能滿足起動或運行中的需要； 溫升必須在絕緣所限制的范圍以內；溫升必須在絕緣所限制的范圍以內； 如果電動機每次在最低頻率時連續工作的時間不長，則可留用原有電動機；如果電動機每次在最低頻率時連續工作的時間不長，則可留用原有電動機； 如果在最低頻率時連續運行的時間較長，則電動機的容量應提高一擋。如果在最低頻率時連續運行的時間較長，則電動機的容量應提高一擋。異步電動機的選擇方法異步電動機的選擇方法 電動機磁極對數的選擇電動機磁極對數的選擇 異步電動機的選擇方法異步電動機的選擇方法 電動機的磁極對數一般由生產工藝決定，不易隨

18、意選擇。電動機的磁極對數一般由生產工藝決定，不易隨意選擇。如果通用變頻器如果通用變頻器具有矢量控制功能，若有條件，最好選擇具有矢量控制功能，若有條件，最好選擇2P=4的電動機，的電動機，因為多數矢量控制通因為多數矢量控制通用變頻器是以用變頻器是以2P=4的電動機作為模型進行設計的。的電動機作為模型進行設計的。電動機工作頻率范圍的選擇電動機工作頻率范圍的選擇 電動機工作頻率的范圍應包含負載對調速范圍的要求。電動機工作頻率的范圍應包含負載對調速范圍的要求。由于某些通用變頻由于某些通用變頻器低速運行特性不理想，所以最低頻率越高越好。器低速運行特性不理想，所以最低頻率越高越好。使用變頻器傳動電動機時應

19、注意的問題使用變頻器傳動電動機時應注意的問題 （1 1）低速時的散熱能力。）低速時的散熱能力。籠型異步電動機的散熱能力，是按額定轉速且冷籠型異步電動機的散熱能力，是按額定轉速且冷卻風扇與電動機同軸的條件下考慮冷卻風量的。卻風扇與電動機同軸的條件下考慮冷卻風量的。當使用變頻器之后，在電動機運當使用變頻器之后，在電動機運行速度降低的情況下冷卻風量將自動變小，散熱能力隨之變差。由于電動機的溫行速度降低的情況下冷卻風量將自動變小，散熱能力隨之變差。由于電動機的溫升與冷卻風量之間成反比，升與冷卻風量之間成反比，所以在額定轉速以下連續運行時，可采用設置恒速冷所以在額定轉速以下連續運行時，可采用設置恒速冷卻

20、風扇的辦法改善低速運行條件下電動機的散熱能力。卻風扇的辦法改善低速運行條件下電動機的散熱能力。 （2 2）額定頻率運行時有溫升提高。）額定頻率運行時有溫升提高。由于變頻器的三相輸出電壓波形是由于變頻器的三相輸出電壓波形是SPWM波形，因此在異步電動機的定子電流中含有高次諧波，波形，因此在異步電動機的定子電流中含有高次諧波，高次諧波增加了電動機的高次諧波增加了電動機的損耗，使電動機的效率和功率因素都變差。損耗，使電動機的效率和功率因素都變差。高次諧波損耗與負載大小無關，所以高次諧波損耗與負載大小無關，所以電動機溫升將會比變頻調速改造前有所提高。電動機溫升將會比變頻調速改造前有所提高。通用變頻器高

21、次諧波分量越少，電通用變頻器高次諧波分量越少，電動機的溫升也就越小。這也是檢驗通用變頻器性能是否優良的重要標志之一。動機的溫升也就越小。這也是檢驗通用變頻器性能是否優良的重要標志之一。異步電動機的選擇方法異步電動機的選擇方法 高次諧波損耗主要包括高次諧波損耗主要包括銅損和鐵損兩部分銅損和鐵損兩部分，其中，其中鐵損是磁感應強度和頻率的鐵損是磁感應強度和頻率的函數。函數。由于由于PWM變頻器中含有載波頻率，所以與諧波有關的鐵損比較大。大量的變頻器中含有載波頻率，所以與諧波有關的鐵損比較大。大量的實踐表明，電動機在額定運轉狀態下，用變頻器供電與用工頻電網供電相比較，實踐表明，電動機在額定運轉狀態下，

22、用變頻器供電與用工頻電網供電相比較，電動機電流增加電動機電流增加10%，而溫升增加，而溫升增加20%左右。選擇電動機時，應考慮這種情況，左右。選擇電動機時，應考慮這種情況，適當留有裕量，以防止溫升過高，影響電動機使用壽命。適當留有裕量，以防止溫升過高，影響電動機使用壽命。 （3 3）電動機運行時出現噪聲增大。）電動機運行時出現噪聲增大。這是這是SPWM變頻器的載波頻率與電動機鐵變頻器的載波頻率與電動機鐵心的固有振蕩頻率發生諧振引起的電機鐵心振動而發出的噪聲。解決方法是重新心的固有振蕩頻率發生諧振引起的電機鐵心振動而發出的噪聲。解決方法是重新設定載波頻率。設定載波頻率。異步電動機的選擇方法異步電

23、動機的選擇方法 知識拓展知識拓展1 1變頻調速時電動機速度控制變頻調速時電動機速度控制 1 1）速度控制上限）速度控制上限 普通異步電動機的速度上限就是額定頻率所對應的額定速度。普通異步電動機的速度上限就是額定頻率所對應的額定速度。一般不要將一般不要將額定頻率為額定頻率為50Hz的電動機超速運行，否則，會引起帶負載能力下降、過電流，的電動機超速運行，否則，會引起帶負載能力下降、過電流，甚至機械性破壞。甚至機械性破壞。 2 2）中間速度）中間速度 采用異步電動機變頻調速時，采用異步電動機變頻調速時，要考慮在連續可調速度區段（中間速度）內要考慮在連續可調速度區段（中間速度）內運行時的機械共振問題。

24、運行時的機械共振問題。異步電動機所產生的脈動轉矩頻率一旦與固有振動頻異步電動機所產生的脈動轉矩頻率一旦與固有振動頻率一致，則會發生共振，并產生強烈的振動和噪聲，最嚴重的情況下會引起軸率一致，則會發生共振，并產生強烈的振動和噪聲，最嚴重的情況下會引起軸系斷裂事故。系斷裂事故。 對于風機、泵類等負載，其軸系的固有振動頻率通常都包含在可調范圍對于風機、泵類等負載，其軸系的固有振動頻率通常都包含在可調范圍內，內，特別是大容量異步電動機幾乎都包含在低頻調速區域，特別是大容量異步電動機幾乎都包含在低頻調速區域，應避免電機在共振應避免電機在共振頻率下運行。頻率下運行。知識拓展知識拓展 3 3）速度控制下限）

25、速度控制下限 采用普通異步電動機變頻調速時，考慮到電動機自身由于低速冷卻能力下采用普通異步電動機變頻調速時，考慮到電動機自身由于低速冷卻能力下降，降，速度下限由最低轉速與機械系統所允許的下限速度一起決定。速度下限由最低轉速與機械系統所允許的下限速度一起決定。 普通異步電動機中多數都使用滾動軸承。雖然對最低速度沒有限制，但對普通異步電動機中多數都使用滾動軸承。雖然對最低速度沒有限制，但對大容量異步電動機及機械負載中使用滑動軸承的場合，低速時由于潤滑不良產大容量異步電動機及機械負載中使用滑動軸承的場合，低速時由于潤滑不良產生過熱會導致油膜燒毀，需要考慮軸承的工作情況，以確定最低的運轉速度。生過熱會

26、導致油膜燒毀，需要考慮軸承的工作情況，以確定最低的運轉速度。 對于風機，需要根據其共振臨界風量確定最低轉速，對于風機，需要根據其共振臨界風量確定最低轉速，當用泵進行流量控制當用泵進行流量控制時，因有凈揚程，所以需要控制泵的速度下限，避免出現低于某一速度時不能時，因有凈揚程，所以需要控制泵的速度下限，避免出現低于某一速度時不能送水而發生倒流現象。送水而發生倒流現象。知識拓展知識拓展2 2預防變頻器浪涌電壓的危害預防變頻器浪涌電壓的危害 由于通用變頻器的功率開關器件在工作時會產生浪涌電壓，當通用變頻由于通用變頻器的功率開關器件在工作時會產生浪涌電壓，當通用變頻器驅動異步電動機時，器驅動異步電動機時

27、，有時需要采取措施防止浪涌電壓對電動機絕緣的破壞。有時需要采取措施防止浪涌電壓對電動機絕緣的破壞。 浪涌電壓在通用變頻器中顯著存在，由于功率開關器件浪涌電壓在通用變頻器中顯著存在，由于功率開關器件IGBT的開關速的開關速度快，電壓脈沖的上升沿陡度度快，電壓脈沖的上升沿陡度du/dt非常大，非常大，這種快速上升的電壓脈沖和較高這種快速上升的電壓脈沖和較高的開關頻率會在電動機內部形成軸承電流，從而會逐漸損壞軸承。的開關頻率會在電動機內部形成軸承電流，從而會逐漸損壞軸承。 若通用變頻器與電動機之間的接線距離較長，通用變頻器的輸出電壓達若通用變頻器與電動機之間的接線距離較長，通用變頻器的輸出電壓達到波

28、峰值的時間比前行波達到電動機端子的時間短，在電動機端子部位，前到波峰值的時間比前行波達到電動機端子的時間短，在電動機端子部位，前行波相對于其反射的波峰值為通用變頻器輸出波峰值的兩倍，如下圖所示。行波相對于其反射的波峰值為通用變頻器輸出波峰值的兩倍，如下圖所示。知識拓展知識拓展 當通用變頻器與電動機間的接線為電纜時，前行波從變頻器端子開始，到當通用變頻器與電動機間的接線為電纜時，前行波從變頻器端子開始，到達電動機端子為止的時間達電動機端子為止的時間t (s)可用下式求得：可用下式求得：式中，式中，L為變頻器到電動機的距離（為變頻器到電動機的距離（m）。）。 知識拓展知識拓展2 2預防變頻器浪涌電壓的危害預防變頻器浪涌電壓的危害 通用變頻器的電壓上升沿陡度約為通用變頻器的電壓上升沿陡度約為20003000V/s左右，左右，例如例如400V級級的通用變頻器直流回路電