變頻器基礎施耐德（蘇州）變頻器有限公司市場部2006/01內容電力拖動的基本概念變頻器原理變頻器的主要應用變頻器選型注意事項變頻器安裝使用注意事項電力拖動的基本概念異步電機的結構和原理異步電機的調速異步電機的起動和制動其它形式的電動機異步電動機的結構和原理異步電動機的結構異步電動機的結構定子轉子風扇機殼接線盒軸伸定子鐵心與繞組定子鐵心均布的槽中嵌有三相對稱繞組。鐵心繞組轉子鐵心和繞組鑄鋁轉子繞線轉子旋轉磁場的產生在定子三相對稱的定子繞組中通入對稱三相電流即在氣隙中產生旋轉磁場：同步轉速定子旋轉磁場的轉速記為n1，又稱為同步速:式中：n1的單位為每分鐘的轉數（rpm）f為電源的頻率p為繞組磁場的極數例如，對工頻50Hz電源，2極，4極，6極，8極電機的同步轉速分別為：3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等轉子是怎樣轉起來的？轉子導體橫切氣隙旋轉磁場產生感應電勢（右手定則）感應電勢在閉合的轉子繞組中產生感應電流轉子導體中的電流與氣隙旋轉磁場作用產生電磁力（左手定則）電磁轉矩驅動轉子轉動，與氣隙旋轉磁場的方向相同轉子電流也產生旋轉磁場該磁場的轉速與所產生的旋轉磁場轉速一樣，都是同步速在穩態情況下，轉子所產生的磁場與定子是相對靜止的實際上，氣隙磁場是定子與轉子繞組產生的電流之和。異步電動機的轉速異步電動機的轉速可表示為：式中S稱為滑差率；當電機剛剛開始起動時，n=0，s=1；若電機處于理想空載，n=n1,s=0，轉子與定子旋轉磁場同步，故n1稱為同步轉速；額定負載情況下，s為2—5%，所以異步電機的額定轉速nN總是接近同步速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。滑差率的大小反映了電機的不同運行狀態。異步電機的等值電路模型要精確地控制電機需要盡量了解電機的定子、轉子繞組電阻R1,R2，定子、轉子漏抗X1,X2以及激磁阻抗Rm,Xm等；這些參數需要通過根據銘牌參數如電機額定電壓UN，額定電流IN，額定轉速nN，功率因數COSPHi計算得到。異步電機的轉矩特性藍色為轉矩特性，紅色為負載特性，(nN,TN)為額定工作點Tm為可能產生的最大轉矩Tst為起動轉矩異步電機機械特性與電源電壓的關系輸出轉矩與電壓的平方成正比；起動轉矩與電壓的平方成正比；隨著電壓的降低，最大轉矩，起動轉矩以及轉速都會降低；降低電源電壓，可以降低起動電流，但起動轉矩成平方倍地下降；星三角起動，自耦變壓器起動以及軟起動器起動都屬于這類應用；這種方法不適于調速，因為調速范圍很窄而且效率很低。異步電機機械特性與轉子電阻的關系最大輸出轉矩Tm的大小與轉子電阻R2的大小沒有關系。對應Tm的轉速與R2的值有關，轉子電阻越大，對應Tm的轉速越低。對繞線轉子電機，若在轉子繞組中串聯電阻，則能夠增大起動轉矩，在起動過程中，連續減小或逐級切除串聯的電阻，則能夠在起動過程中增大起動轉矩，加速起動過程；對繞線轉子電機，若在轉子繞組中串聯大小可調的電阻，則能夠調節穩定運行的轉速；通過改變轉子電阻的起動和調速方法僅僅適用于繞線電機，曾經獲得廣泛的應用。存在效率低下，起動裝置笨重，電機和起動裝置造價高維護率高且困難等缺點。異步電機機械特性與電源頻率的關系在其它變量滿足特定要求的情況下，改變電源頻率可以有效地改變機械特性，而最大轉矩基本不變；在負載特性為恒定轉矩的情況下，穩定的轉速可以與頻率有較好的線性關系。在頻率很低的情況下，機械特性變差。復習轉速的公式電機和負載的轉速與頻率，電機的極數和滑差率有關。改變滑差調速調節電源電壓：在電源與電機之間串電抗通過調壓變壓器或自耦變壓器效率低下，功率因數低成本高調速效果不明顯改變轉子電阻可連續調速，甚至可以控制電機反轉，適用于提升應用可以獲得較好的起動特性逐級切換電阻和頻敏電阻僅僅適用于繞線轉子電機，不能用于更加普遍的鼠籠轉子電機效率低下，調速范圍在額定轉速以下裝置復雜，體積大，電機和起動裝置成本高維護頻度高且維修成本高。逐漸淘汰變極調速對恒定轉矩的負載，轉速與電機繞組的極數成反比；這種方法在過去的機床行業和風機中獲得廣泛的應用；為有級調速，能獲得的轉速數目只有兩種或三種；不能連續調速；需要電機定子有多套繞組或繞組有多種接法；電機造價高，效率低；逐漸淘汰變頻調速轉速與頻率成正比能夠連續調速操作方便，噪聲低調速范圍寬，調速精度高效率高，功率因數高（采取措施）可以控制起動，運行，停止（鎖定輸出，線性制動或軟停止）可靠性高，易于維護起動電流和運行電流小，過載能力大傳統調速方法的優缺點機械調速(制動器,離合器,齒輪箱,皮帶輪,鏈條等)有極調速,效率低下液力耦合器可實現無級跳速成本適中裝置復雜,維護量大機電式滑差調速(繞線轉子電機)實現簡單,成本適中繞線電機結構復雜,維護量大效率低下渦流調速簡單可行連續調速效率低下,需要冷卻裝置(水冷或空氣冷卻)變頻器和軟起動器的區別軟起動器軟起動器是一種智能化的降壓起動器,在起動電機時可以有效地控制和限制起動電流,同時可減少對電機及其驅動的設備的機械應力.軟起動可以將機械從零速平滑地加速到額定轉速,也可以控制平滑地減速到零速在只需要軟起動和軟停止而不需要調速的場合可以使用軟起動器軟起動器為了降低起動電流,必須實施降壓起動,同時降低了起動轉矩變頻器變頻器可以實現軟起動和軟停止也可以根據負載的變化和系統的要求調節速度和改變輸出轉矩電機起動后可以不以工頻轉速運行變頻器在起動電機的同時不必降低起動轉矩結論從功能上,變頻器可以取代軟起動器,但軟起動器不能取代變頻器從成本上,變頻器高于軟起動器,但其優勢自不待言.變頻調速的優勢效率最高的調速方法維護率很低控制靈活,可集成多種功能可四象限運行使用最最普通的鼠籠式異步電動機初始投資可能略大,但是可以快速收回投資,并創造更多的經濟效益節能,尤其是風機,泵和空氣壓縮機機械磨損減少,降低維護費用提高產品質量和生產效率,軟起動,減少對電網和設備的沖擊變頻器快速增長的原因節能,尤其是風機,泵和壓縮機應用通過減少傳動環節的應力提高機械設備的使用壽命減少電機中的電流沖擊,從而延長電機的使用壽命可以使用通用的鼠籠式異步電機,價格低廉,安裝維護簡單,易于采購采用變頻器,改造原來的繞線轉子電機或直流電機非常簡單變頻器內無接觸器和其他運動部件,是固態設備,可靠性高變頻器在加工過程中的作用過程控制可以采用數字量和模擬量控制可以采用串行連接和總線控制過程宏和專用菜單有助于過程控制的實現和完善從某一角度講,變頻器內置的過程控制可以簡化甚至取代原來的機械系統,從而降低成本,提高可靠性,簡化控制和維護.相對伺服控制的閥門,采用變頻器控制泵,可以獲得更寬的控制范圍和線性度.過程監視變頻器的數字輸出,模擬輸出和串行連接輸出可以監視負載變化過程中電機的狀況和過程量的動態.提高產品質量氣流冷凍器對產品的可控冷卻過程減少對敏感流體的損傷(如牛奶)避免由于閥門損壞和過熱引起的問題變頻器在機械控制中的作用減少維護量變頻器所具有的軟起和軟停功能可以顯著地減少機械系統和軸承的損傷,從而可以大幅度延長系統的使用壽命.變頻器可以明顯減少泵對供水管網的沖擊,從而可以減少對長距離供水管網的維護.降速運行可以延長軸承的使用周期.變頻器有助于避免沖擊性負載和反沖性負載,從而可以提高傳動環節如減速箱或鏈條,皮帶等的使用壽命.削弱振動和噪聲在低于額定轉速的情況下,泵和風機的噪聲大幅度降低現代變頻控制可以抑制變頻器本身造成的電機的額外噪聲通過變頻控制還可以避免機械設備固有的共振同步速以上運行通過變頻器,在不使用減速箱的情況下可以使得機械運行于在額定轉速以上多個傳動點聯動運行通過變頻器,可以方便地控制多個傳動點,使其同步或比例運行變頻器對電氣方面的影響頻繁的起停控制由于變頻器可以進行軟起,所以可以對電機和負載進行頻繁的起停和正反轉控制,而不需要過多考慮電機的熱容量電氣保護變頻器將電機屏蔽于電氣擾動之外,從電機側不能看到電網的瞬間波動輕微的電網不平衡不影響電機的平衡運行變頻器可提供電機過載,堵轉,短路等的精確保護,從而避免電機的過載和堵轉.效率變頻器的效率很高,可以最大限度地降低電機的損耗.變頻控制的效率遠遠優于其它的調速方式變頻器對供電系統的影響軟起動變頻器近乎理想的起動電流最大程度地減少了對供電系統的擾動對其它設備的影響幾可忽略不計可以減少變壓器,開關,電纜及其保護裝置的容量,節省投資.對于有備用發電機的場合,發電機的容量可以減少30-50%功率因數變頻器的相移功率因子接近于己于1,對于很輕的負載也是如此.從而可以省卻功率因數補償的投資.短路容量通過變頻器,電機不再產生對電網的短路電流,從而可以減少開關的容量.變頻器在風機,泵,壓縮機應用中的其他好處不再需要壓力緩沖裝置相對間歇運行的系統控制效果更加連續通過一臺變頻器可以簡化多泵控制系統消除起動,停止時的沖擊,延長泵,軸承,閥門和管網等的壽命延長泵的密封和葉片的使用壽命比截流閥和擋板提供更寬的控制范圍相對閥門控制線性度和控制精度更高對舊的管網提供壓力限幅變頻器帶來的負面影響及其對策能耗方面電機用變頻器控制后相對于直接起動能耗增加3-5%變頻器中的能耗2-3%電機中的能耗占0-3%諧波電流變頻器中的整流環節從電網吸收非正弦電流,其中包括很多諧波電流諧波電流的抑制通常通過直流電抗器或交流電抗器來解決當變頻器負載超過供電容量的30-40%,或沒有安裝電抗器,就必須評估諧波電流的影響變頻器帶來的諧波效應遠遠低于同等容量的直流調速裝置射頻干擾伴隨PWM(脈寬調調制)的高速切換形成射頻干擾變頻器設計時需要考慮抑制這種射頻干擾,例如采用射頻干擾濾波器對于異常敏感的場合需要安裝附加射頻干擾濾波器電機噪聲變頻器的傳統設計會給電機帶來額外的噪聲通過提高開關頻率和WhisperWave技術可以降低電機噪聲在額定頻率和額定負載下比直接運行帶來的電機噪聲增加量不超過2-3dB一般來講,在低于額定頻率和負載下,噪聲比工頻運行還要小變頻器功率器件概貌逆變器的原理VSD-通過改變供電電壓和頻率進行速度調節很容易看出，改變供電頻率就會改變電機的轉速.

這種方法的目的是不管轉速如何都要獲得恒定的可用電機轉矩.T=KIcos=常量=常量

在這種條件下，不管頻率如何，在額定電流下，都將獲得額定的電機轉矩.T=KI

=constantVSD-通過改變供電電壓和頻率進行速度調節對于一臺異步電動機，定子繞組產生磁通

:=LI繞組在某頻率f下被提供電壓U

在繞組兩端，符合歐姆定律，記為:U=ZI如果忽略定子繞組電阻，一個繞組在交流下的電抗可記為：Z=L

故:U=LI

代表角頻率

:=2pi*f

則電流為

:

那么磁通表示為

:

所以，為了獲得恒定的磁通，進而獲得恒定的轉矩，U/f必須是一個與頻率無關的常數.也就是說，電壓必須與頻率成正比地變化VSD-變頻器的控制模式U/f控制: 為了獲得與任何轉速下都要恒定的轉矩，必須保持恒定的磁通.電壓和頻率必須按同一比例同時變化.U/f=常數. 任何情況下，輸出電壓不可能超過輸入電壓，隨著轉速的增加，獲得轉矩與速度成反比地減少在額定轉速以上，電機不再恒轉矩運行，但是功率是恒定的.VSD-變頻器的控制模式s=k.iC=k.s.IDC直流電機i電感rs感應電流s=k1.IdC=k2.s.IqId磁通rsIq異步電機轉矩VSD-變頻器的控制模式磁通矢量控制

為了讓交流電機獲得同直流電機一樣的動態特性，必須對交流電機進行動態調節.

電機電流被分成兩個標量的部分:一個標量成分用于激磁，稱為激磁電流Id另一個標量成分用于產生力矩，稱為有功電流:Iq

這種控制類型相當于U/f模式的改進，性能有所提高，尤其是在低速下保證力矩穩定運行。

若需要零速特性，必須在電機軸端安裝編碼器(閉環).VSD-典型的轉矩曲線T/Tn1.751.701.501.2510.950.750.500.2500.10.1253050607590100120F(Hz)23141 自冷卻電機:

連續可用轉矩2 強迫通風電機:

連續可用力矩3 瞬態過轉矩

(對變轉矩應用限制為1.1Tn)4 恒功率段的超速力矩負載類型變頻器的選型和應用,首先要考慮的就是負載的類型負載可以分為三大類恒轉矩負載例如輸送帶,提升,鉆床,擠出機,容積泵變轉矩負載例如離心風機,離心泵恒功率負載例如磨床,高速車床,繞線筒等根據不同的負載類型,以及其它功能和性能的要求,選擇對應系列的變頻器恒轉矩負載在整個運行的速度范圍內,需要相同大小的負載當轉速變化時,負載轉矩保持不變所需功率與轉速成正比通常轉速限制在基本頻率以內變轉矩負載負載轉矩是轉速的函數:在低速下需要較小的轉矩,而在高速下需要較大的轉矩只有兩類典型的負載:離心泵和離心風機額定轉速以下設備產生的流量與泵或風機的轉速成正比設備產生的壓力與泵或風機轉速的平方成正比設備消耗的功率與泵或風機轉速的立方成正比變轉矩負載對于變轉矩的離心風機和泵,所需功率與流量成正比是節能的原理所在.當所需的流量為額定流量的一半時,意味著所需要的功率僅僅為額定功率的八分之一.成年累月地積累下來,形成巨大的節能潛力.恒功率負載通常恒功率段是指在電機的基本頻率之上對于一個恒功率負載,實際上負載轉矩是負載物理尺寸的函數在轉速較低時需要的轉矩較高,在轉速較高時,需要的轉矩較低.負載轉矩與轉速成反比,其乘積,亦即功率為恒定值,稱為恒功率負載.機械知識—功直線運動:轉動:功=力x位移

W=2F1

xr

W(J)=T(Nm)

x(rd)1F功=力x位移

W(J)=F(N)

xl(m)FAB1rABFFABr機械知識—阻性轉矩電機決定轉速阻性轉矩(Tr)

電機轉矩(Tm)TrTm旋轉機械知識—阻性轉矩Tr=常數Tr=K速度力矩速度力矩SpeedTorqueTr=K2SpeedTorqueTr=K- 阿基米德螺桿定律

- 機床主軸- 風機

- 離心水泵-輸送機

-輸送帶機械知識—起動過轉矩或提升起動瞬間的過轉矩可以達到額定轉速時轉矩的數倍通常用Tn的百分比表示恒阻尼轉矩機械的起動轉矩速度轉矩阻性轉矩

(Tr)起動轉矩

(Td)機械知識—驅動性轉矩驅動轉矩(Te)

制動轉矩(Tf)機械決定轉速TeTf轉動制動機械知識—垂直運動機械拖動電機時產生驅動性力矩例如:車輛下坡機械知識—重量作用下的垂直運動驅動性轉矩=FxRRF機械知識—四象限水平運動+––+速度力Q2Q1Q4Q3減速時的驅動性力矩FWDREV減速時的驅動性力矩FFFF制動正常向后轉動正常

向前機械知識—四象限垂直運動++速度力矩Q2Q1Q3只有減速時有驅動性力矩持續運行或減速時的驅動性負載FFQ4FF上升時制動正常上升正常下降下降開始––機械知識—減速器轉矩速度減速器轉矩速度損耗高轉