电机与变频调速原理课件.ppt

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1、ABB(China)Ltd-11-5-02 -模板档案使用指引 ABB 传动传动变频器工作原理变频器工作原理北京ABB电气传动系统有限公司 市场部 技术支持与销售工程师 唐 家电机功率与速度计算电机功率与速度计算功率计算：p=(2/60)*N*T*10 kw N:rpm T:N*m转动惯量，起动转矩，加减速时间，制动转矩变频器控制电机转速的原理,旋转磁场同步转速N=n=N*(1-s)v/f这里，N为电机旋转磁场同步转速n为电机额定转速S为电机转差率f为电机进线频率p为电机的极数转矩示例转矩示例Torque=F*L*sin()LFTorque is the arm length multipli

2、ed by force in right angle to shaft变频器基本原理变频器基本原理变频器变频器U,3 V1C+-V3V5V2V4V6Rectifier DC-circuit Inverter unitTorque=*sin()The current I is the arm needed to generate torque The flux is the forceMotor IGBT开关图列开关图列Inverter&motor-stator voltage phasorsMSSSABC+-+-+-+-+-+2/3*Udc+-电机工频起动运行曲线电机工频起动运行曲线交流鼠笼感

3、应电机的典型转矩交流鼠笼感应电机的典型转矩/转速曲线转速曲线(机械特性曲线机械特性曲线)电机电流电机变频起动运行曲线电机变频起动运行曲线由变频器供电的交流鼠笼感应电机的转矩曲线由变频器供电的交流鼠笼感应电机的转矩曲线电机的弱磁点电机的弱磁点弱磁点的定义弱磁点的定义电机运行的负载与电流电机运行的负载与电流电流和负载电流和负载普通电机的允许负载曲线普通电机的允许负载曲线120%110%100%90%80%70%60%50%40%00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0相对转速相对转速T/TnACS800 Motor load capacityT=load torqueTN=r

4、ated motor torquef=ACS 800 output frequencyTypical continuous load capacity curve of an IEC 34 self-ventilated motor controlled by ACS 800 1.21.00.80.60.40.20.0TTN0102030405060708090 100f(Hz)自通风电机的负载能力自通风电机的负载能力典型的连续负载能力曲典型的连续负载能力曲 线自通风电机线自通风电机电机的过载能力电机的过载能力400%350%300%250%200%150%100%50%0%00.20.40.

5、60.81.01.21.41.61.82.0IC411相对转速相对转速最大电机负载能力最大电机负载能力(短时短时)可用的最大电机转矩可用的最大电机转矩+20%裕量裕量IC416电机负载类型可变转矩负载：风机可变转矩负载：风机水泵。水泵。恒转矩负载：皮带运输机恒转矩负载：皮带运输机恒转矩恒功率负载恒转矩恒功率负载卷曲卷曲周期性恒转矩负载周期性恒转矩负载提升机提升机Cranes,Centrifuges高起动转矩负载高起动转矩负载挤出机挤出机Kilns,Rubber MixersTSpeedSpeedSpeedTTTTTimeTime变频器基本结构变频器基本结构1整流部分逆变部分能量流动方向主要由三

6、部分组成（如下图所示）：整流部分：将交流电变换成直流电中间直流环节：充电、滤波并保持电压稳定逆变部分：将直流电变换成电压与频率都可变的交流电中间直流环节输入输出变频器基本结构变频器基本结构2变频系统的功能示意图变频系统的功能示意图变频器控制电机的模式变频器控制电机的模式n大致可分成三类n标量控制v/f（Scalar control）：最早最基本的变频调速技术n矢量控制（Vector control）：目前大多数采用n直接转矩控制（DTC control）：ABB专利技术ACS 800 Evolution of AC drivesVfFrequency referenceModu-latorV/

7、F ratioACSpeed controlTorque controlAC1970s:Frequency Control1990s:Direct Torque ControlVfTorque controlModu-latorSpeed controlACT1980s:Flux Vector ControlnTraditional PWMnControl in short steps to avoid overshootingnControl loop time 1-3 ms because of modulatorTachometer feedback requiredControl lo

8、op time 1-3 ms because of modulatorTorque controlled by a single step No risk of overshoot with fast 25 s control loop交流传动的进化和发展交流传动的进化和发展标量控制标量控制nV/F控制：保持磁通恒定，从而使电机输出比较大的转矩n在基频（50Hz）以下，变频器能保持恒转矩输出；基频以上，变频器保持恒功率输出。F/HzU/V（0，0）380V50HzIR voltageACS 800 Evolution of AC drivesVfFrequency referenceModu-

9、latorV/F ratioAC1970s:Frequency ControlnTraditional PWMnControl in short steps to avoid overshootingnControl loop time 1-3 ms because of modulator交流传动的进化和发展交流传动的进化和发展F=50HzF=25HzF=0HzSPWM矢量控制原理矢量控制原理n矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的n具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生

10、磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。无速度传感器的矢量控制无速度传感器的矢量控制n无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感

11、器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压和频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。矢量控制优点矢量控制优点n采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到

12、理想的控制效果。VfTorque controlModu-latorSpeed controlACT1980s:Flux Vector ControlTachometer feedback requiredControl loop time 1-3 ms because of modulator交流传动的进化和发展交流传动的进化和发展ACS 800 Evolution of AC drivesM=CmFMuvw12直接转矩控制原理直接转矩控制原理n直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，

13、从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。Speed controlTorque controlAC1990s:Direct Torque ControlTorque controlled by a single step No risk of overshoot with fast 25 s control loop交流传动的进化和发展交流传动的进化和发展ACS 800 Evolution of AC drivesu v wInput:VoltageCurrentfrequ

14、encyAftermath:MagnetizationTorquespeedInput:VoltageCurrentOn-offAftermath:MagnetizationTorqueSpeedfrequencymotormoduleACS800 Excellent torque controlTorque:PWMDTC Torque step rise time 力矩阶越上升时间力矩阶越上升时间DTCFlux vectorOpen loop PWM 100 msec.No encoder required for accurate torque control 无编码器，可精确控制无编码器

15、，可精确控制 力矩力矩Full torque at zero speed 零速满转矩零速满转矩Direct control of torque no nuisance trips 转矩直接被控制转矩直接被控制0,000,501,00CurrentTorqueDTCPWMNew Current levelNew TorquelevelTimeACS800 Unbeatable speed controlPWMno encoderDC drivewith encoderDTCno encoderDTCwith encoderPWMwith encoderStatic speed errorDyna

16、mic speed error 1 to 3%3%sec.0.01%0.3%sec.0.01%0.3%sec.0.1 to 0.5%0.4%sec.0.01%0.1%sec.0100020003000400050001001502000500Torque(Nm)Speed(rpm)Time(msec.)TorqueSpeed Precision Of Static and Dynamic精确的动静态控制精确的动静态控制ACS800 Optimal startingnHigh starting torque 高启高启动转矩矩nup to 200%of motor nominal torque 2

17、00%200%的额定转矩的额定转矩neven for applications like extruders and cranes 适用于适用于用于挤压机，提升机用于挤压机，提升机TorqueSpeedttTorqueSpeedttDTCPWM变频器的节能原理变频器的节能原理n对于风机水泵负载，是平方转矩负载T=K*2，但是我们又知道功率P=T*，因此P=K*3。从这个意义上说，当我们需要风机在较低转速下运行时，输出功率就小，从而可以达到节能的效果。n对于恒转矩负载，只要变频器在较低转速下满足了恒转速的要求，那么同样根据 P=T*，低速下也可以节能。在过去多数情况下，我们常采用减速箱来调速，而现在变频器调速范围大，转矩特性也不错，减速箱就可以省去了。变频器的使用领域变频器的使用领域n最普遍的是风机和水泵n塑料行业（挤出机，拉丝机）n印刷行业n起重机（电梯行业）n提升机n同步电机控制n其它很多变频器分类变频器分类n按照电压分类：n低压n单相220Vn三相220Vn三相380V-690Vn中压n交流1000Vn交流3300Vn交流6000Vn交流10000Vn按照中间直流环节n电压型或电流型n交-直-交型或交-交型n按照用途：n专用型n通用型