1、 變頻器變頻器基礎基礎施耐德（蘇州）變頻器有限公司施耐德（蘇州）變頻器有限公司市場部市場部2006/01SSD Marketing2內容內容n 電力拖動的基本概念n 變頻器原理n 變頻器的主要應用n 變頻器選型注意事項n 變頻器安裝使用注意事項SSD Marketing3電力拖動的基本概念電力拖動的基本概念n 異步電機的結構和原理n 異步電機的調速n 異步電機的起動和制動n 其它形式的電動機SSD Marketing4異步電動機的結構和原理異步電動機的結構和原理SSD Marketing5異步電動機的結構異步電動機的結構n 異步電動機的結構o定子o轉子o風扇o機殼o接線盒o軸伸SSD Mark

2、eting6定子鐵心與繞組定子鐵心與繞組n 定子鐵心均布的槽中嵌有三相對稱繞組。鐵心繞組SSD Marketing7轉子鐵心和繞組轉子鐵心和繞組鑄鋁轉子繞線轉子SSD Marketing8旋轉磁場的產生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：I coscos(120 )cos(120 )ambmcmitiItiItSSD Marketing9同步轉速同步轉速n 定子旋轉磁場的轉速記為n1，又稱為同步速:n 式中：on1的單位為每分鐘的轉數（rpm）of為電源的頻率op為繞組磁場的極數n 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

3、： 3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等1120(1)(1)fnnssp1120fnpSSD Marketing10轉子是怎樣轉起來的？轉子是怎樣轉起來的？n 轉子導體橫切氣隙旋轉磁場產生感應電勢（右手定則）n 感應電勢在閉合的轉子繞組中產生感應電流n 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）n 電磁轉矩驅動轉子轉動，與氣隙旋轉磁場的方向相同n 轉子電流也產生旋轉磁場n 該磁場的轉速與所產生的旋轉磁場轉速一樣，都是同步速n 在穩態情況下，轉子所產生的磁場與定子是相對靜止的n 實際上，氣隙磁場是定子與轉子繞組產生的電流之和。SSD Marketing

4、11異步電動機的轉速異步電動機的轉速n 異步電動機的轉速可表示為：n 式中S稱為滑差率；n 當電機剛剛開始起動時，n=0，s=1；n 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；n 額定負載情況下，s為25%，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。n 滑差率的大小反映了電機的不同運行狀態。1120(1)(1)fnnsspSSD Marketing12異步電機的等值電路模型異步電機的等值電路模型n 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

5、及激磁阻抗Rm,Xm等；n 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。SSD Marketing13異步電機的轉矩特性異步電機的轉矩特性21122211212/1(/ )()mU RsTRRsxxn 藍色為轉矩特性，n 紅色為負載特性，n (nN,TN)為額定工作點n Tm為可能產生的最大轉矩n Tst為起動轉矩SSD Marketing14異步電機機械特性與電源電壓的關系異步電機機械特性與電源電壓的關系n 輸出轉矩與電壓的平方成正比；n 起動轉矩與電壓的平方成正比；n 隨著電壓的降低，最大轉矩，起動轉矩以及轉速都會降低；n 降

6、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；n 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；n 這種方法不適于調速，因為調速范圍很窄而且效率很低。SSD Marketing15異步電機機械特性與轉子電阻的關系異步電機機械特性與轉子電阻的關系n 最大輸出轉矩Tm的大小與轉子電阻R2的大小沒有關系。n 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。n 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；n 對繞線轉子電機，若在轉子繞組中串聯大小可調的電阻，則

7、能夠調節穩定運行的轉速；n 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。n 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。SSD Marketing16異步電機機械特性與電源頻率的關系異步電機機械特性與電源頻率的關系n 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；n 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。n 在頻率很低的情況下，機械特性變差。SSD Marketing17復習轉速的公式復習轉速的公式n 電機和負載的轉速與頻率，電機的極數和滑差率有關。11201120(1

8、)(1)fnpfns nspSSD Marketing18改變滑差調速改變滑差調速n 調節電源電壓：o在電源與電機之間串電抗o通過調壓變壓器或自耦變壓器o效率低下，功率因數低o成本高o調速效果不明顯n 改變轉子電阻o可連續調速，甚至可以控制電機反轉，適用于提升應用o可以獲得較好的起動特性o逐級切換電阻和頻敏電阻o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o效率低下，調速范圍在額定轉速以下o裝置復雜，體積大，電機和起動裝置成本高o維護頻度高且維修成本高。n 逐漸淘汰SSD Marketing19變極調速變極調速n 對恒定轉矩的負載，轉速與電機繞組的極數成反比；n 這種方法在過去的機床

9、行業和風機中獲得廣泛的應用；n 為有級調速，能獲得的轉速數目只有兩種或三種；n 不能連續調速；n 需要電機定子有多套繞組或繞組有多種接法；n 電機造價高，效率低；n 逐漸淘汰SSD Marketing20變頻調速變頻調速n 轉速與頻率成正比n 能夠連續調速n 操作方便，噪聲低n 調速范圍寬，調速精度高n 效率高，功率因數高（采取措施）n 可以控制起動，運行，停止（鎖定輸出，線性制動或軟停止）n 可靠性高，易于維護n 起動電流和運行電流小，過載能力大SSD Marketing21傳統調速方法的優缺點傳統調速方法的優缺點n 機械調速機械調速(制動器制動器, 離合器離合器,齒輪箱齒輪箱,皮帶輪皮帶輪

10、,鏈條等鏈條等)o有極調速有極調速,o效率低下效率低下n 液力耦合器液力耦合器o可實現無級跳速可實現無級跳速o成本適中成本適中o裝置復雜裝置復雜, 維護量大維護量大n 機電式滑差調速機電式滑差調速(繞線轉子電機繞線轉子電機)o實現簡單實現簡單,成本適中成本適中o繞線電機結構復雜繞線電機結構復雜, 維護量大維護量大o效率低下效率低下n 渦流調速渦流調速o簡單可行簡單可行o連續調速連續調速o效率低下效率低下, 需要冷卻裝置需要冷卻裝置(水冷或空氣冷卻水冷或空氣冷卻)SSD Marketing22變頻器和軟起動器的區別變頻器和軟起動器的區別n 軟起動器o軟起動器是一種智能化的降壓起動器, 在起動電機

11、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.o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o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o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n 變頻器o變頻器可以實現軟起動和軟停止o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o電機起動后可以不以工頻轉速運行o變頻器在起動電機的同時不必降低起動轉矩n 結論o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o從成本上,變頻器高于軟起動器, 但其優勢自不待言.SSD Marketing23變頻調速

12、的優勢變頻調速的優勢n 效率最高的調速方法n 維護率很低n 控制靈活,可集成多種功能n 可四象限運行n 使用最最普通的鼠籠式異步電動機n 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o節能,尤其是風機,泵和空氣壓縮機o機械磨損減少, 降低維護費用o提高產品質量和生產效率,o軟起動, 減少對電網和設備的沖擊SSD Marketing24變頻器快速增長的原因變頻器快速增長的原因n 節能節能, 尤其是風機尤其是風機,泵和壓縮機應用泵和壓縮機應用n 通過減少傳動環節的應力提高機械設備的使用壽命通過減少傳動環節的應力提高機械設備的使用壽命n 減少電機中的電流沖擊減少電機中的電流沖擊,從而

13、延長電機的使用壽命從而延長電機的使用壽命n 可以使用通用的鼠籠式異步電機可以使用通用的鼠籠式異步電機, 價格低廉價格低廉, 安裝維護簡單安裝維護簡單, 易于采購易于采購n 采用變頻器采用變頻器, 改造原來的繞線轉子電機或直流電機非常簡單改造原來的繞線轉子電機或直流電機非常簡單n 變頻器內無接觸器和其他運動部件變頻器內無接觸器和其他運動部件, 是固態設備是固態設備, 可靠性高可靠性高SSD Marketing25變頻器在加工過程中的作用變頻器在加工過程中的作用n 過程控制o可以采用數字量和模擬量控制o可以采用串行連接和總線控制o過程宏和專用菜單有助于過程控制的實現和完善o從某一角度講, 變頻器內

14、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.n 過程監視o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.n 提高產品質量o氣流冷凍器對產品的可控冷卻過程o減少對敏感流體的損傷(如牛奶)o避免由于閥門損壞和過熱引起的問題SSD Marketing26變頻器在機械控制中的作用變頻器在機械控制中的作用n 減少維護量o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.o變頻器可以明顯減少泵對供水管網

15、的沖擊,從而可以減少對長距離供水管網的維護.o降速運行可以延長軸承的使用周期.o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.n 削弱振動和噪聲o在低于額定轉速的情況下,泵和風機的噪聲大幅度降低o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o通過變頻控制還可以避免機械設備固有的共振n 同步速以上運行o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n 多個傳動點聯動運行o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SSD Marketing27變頻器對電氣方面的影響變頻器對電氣方面的影響n 頻繁的起停控制o由于

16、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n 電氣保護o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o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.n 效率o變頻器的效率很高,可以最大限度地降低電機的損耗.o變頻控制的效率遠遠優于其它的調速方式SSD Marketing28變頻器對供電系統的影響變頻器對供電系統的影響n 軟起動o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o對其它設備的影響幾可忽略不計o可以減少變壓器,開關,電纜及其保護裝置的

17、容量,節省投資.o對于有備用發電機的場合,發電機的容量可以減少30-50%n 功率因數o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.n 短路容量o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.SSD Marketing29變頻器在風機變頻器在風機,泵泵,壓縮機應用中的其他好處壓縮機應用中的其他好處n 不再需要壓力緩沖裝置n 相對間歇運行的系統控制效果更加連續n 通過一臺變頻器可以簡化多泵控制系統n 消除起動,停止時的沖擊,延長泵,軸承,閥門和管網等的壽命n 延長泵的密封和葉片的使用壽命n 比截流閥和擋板提供更寬的控制范圍n 相對

18、閥門控制線性度和控制精度更高n 對舊的管網提供壓力限幅SSD Marketing30變頻器帶來的負面影響及其對策變頻器帶來的負面影響及其對策n 能耗方面o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%n 諧波電流o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o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o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o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n 射頻干擾o伴隨PWM(脈寬調調制)的高速切換形成射頻干擾o變頻器設計時需要考慮抑制

19、這種射頻干擾,例如采用射頻干擾濾波器o對于異常敏感的場合需要安裝附加射頻干擾濾波器n 電機噪聲o變頻器的傳統設計會給電機帶來額外的噪聲o通過提高開關頻率和Whisper Wave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SSD Marketing31變頻器功率器件概貌變頻器功率器件概貌SSD Marketing32VSD - 通過改變供電電壓和頻率進行速度調節通過改變供電電壓和頻率進行速度調節n 很容易看出，改變供電頻率就會改變電機的轉速.n 這種方法的目的是不管轉速如何都要獲得恒定的可用電

20、機轉矩.T = K I cos = 常量 = 常量n 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 = K I = constantSSD Marketing33VSD -通過改變供電電壓和頻率進行速度調節通過改變供電電壓和頻率進行速度調節n 對于一臺異步電動機，定子繞組產生磁通 : = L In 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 = Z In 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 = L In 代表角頻率 : = 2 pi*fn 則電流為 :n 那么磁通表示為 :n 所以，為了獲得恒定的磁通，進而獲

21、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SSD Marketing34VSD - 變頻器的控制模式變頻器的控制模式n U/ f 控制控制:o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.o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.SSD Marketing35VSD - 變頻器的控制模式變頻器的控制模式s = k . iC = k . s . IDC 直流電機直流電機i電感 rs感應電流

22、s = k1 . IdC = k2 .s . IqId磁通磁通 rsIq異步電機異步電機轉矩轉矩SSD Marketing36VSD - 變頻器的控制模式變頻器的控制模式n 磁通矢量控制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).SSD Marketing37VSD - 典型的轉矩曲線典型的轉

23、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 1.1 Tn)4恒功率段的超速力矩SSD Marketing38負載類型負載類型n 變頻器的選型和應用, 首先要考慮的就是負載的類型n 負載可以分為三大類o恒轉矩負載 例如輸送帶,提升,鉆床,擠出機,容積泵o變轉矩負載 例如離心風機, 離心泵o恒功率負載 例如磨床, 高速車床, 繞線筒等n 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SSD

24、 Marketing39恒轉矩負載恒轉矩負載n 在整個運行的速度范圍內,需要相同大小的負載n 當轉速變化時,負載轉矩保持不變n 所需功率與轉速成正比n 通常轉速限制在基本頻率以內SSD Marketing40變轉矩負載變轉矩負載n 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n 只有兩類典型的負載:離心泵和離心風機n 額定轉速以下o設備產生的流量與泵或風機的轉速成正比o設備產生的壓力與泵或風機轉速的平方成正比o設備消耗的功率與泵或風機轉速的立方成正比SSD Marketing41變轉矩負載變轉矩負載n 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.

25、n 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.n 成年累月地積累下來,形成巨大的節能潛力.SSD Marketing42恒功率負載恒功率負載n 通常恒功率段是指在電機的基本頻率之上n 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n 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.n 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.SSD Marketing43機械知識機械知識功功直線運動直線運動 :轉動轉動 :功功 = 力力 x 位移位移 W = 2F 1 x r W (J) = T (Nm) x (rd)1F功功 = 力力 x 位移位移 W (J) = F (N) x l (m)FAB 1rA B FFAB rSSD Marketing44機械知識機械知識阻性轉矩阻性轉矩電機決定轉速電機決定轉速阻性轉矩阻性轉矩 (Tr) 電機轉矩電機轉矩 (Tm)TrTm旋轉旋轉SSD Marketing45機械知識機械知識阻性轉矩阻性轉矩Tr = 常數常數Tr = K速度速度力矩力矩速度速度