电机与变频调速原理.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,ABB(China)Ltd,-,-,*,ABB,传动变频器工作原理,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,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,L,Torque=F*L*sin(,),L,F,Torque is the arm length multiplied by force in right angle to shaft,变频器基本原理,变频器,U,3,V1,C,+,-,V3,V5,V2,V4,V6,Rectifier,DC-circuit,Inverter unit,Torque,=,*,I*,sin(,),The current,I,is the arm needed to generate torque,The flux,is the force,Motor,I,IGBT,开关图列,Inverter&motor-stator voltage,phasors,M,S,S,S,A,B,C,+-,+-,-+-,-+,-+,+-+,2/3*,U,dc,+,-,电机工频起动运行曲线,交流鼠笼感应电机的典型转矩/转速曲线(机械特性曲线),电机电流,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,电机的弱磁点,弱磁点的定义,电机运行的负载与电流,电流和负载,普通电机的允许负载曲线,120%,110%,100%,90%,80%,70%,60%,50%,40%,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,相对转速,T/,Tn,ACS800,Motor load capacity,T,=load torque,T,N,=rated motor torque,f,=ACS 800 output,frequency,Typical continuous load capacity curve of an IEC 34 self-ventilated motor controlled by ACS 800,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,T,T,N,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,f,(Hz),自通风电机的负载能力,典型的连续负载能力曲,线自通风电机,电机的过载能力,400%,350%,300%,250%,200%,150%,100%,50%,0%,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,IC411,相对转速,最大电机负载能力,(,短时),可用的最大电机转矩,+20%裕量,IC416,电机负载类型,可变转矩负载：风机,水泵。,恒转矩负载：皮带运输机,恒转矩恒功率负载,卷曲,周期性恒转矩负载,提升机,Cranes,Centrifuges,高起动转矩负载,挤出机,Kilns,Rubber Mixers,T,Speed,Speed,Speed,T,T,T,T,Time,Time,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2,变频系统的功能示意图,变频器控制电机的模式,大致可分成三类,标量控制,v/f（Scalar control,）：最早最基本的变频调速技术,矢量控制（,Vector control,）：目前大多数采用,直接转矩控制（,DTC control,）：,ABB,专利技术,ACS 800 Evolution of AC drives,V,f,Frequency reference,Modu,-,lator,V/F ratio,AC,Speed control,Torque control,AC,1970,s:Frequency Control,1990,s:Direct Torque Control,V,f,Torque control,Modu,-,lator,Speed control,AC,T,1980,s:Flux Vector Control,Traditional PWM,Control in short steps to avoid overshooting,Control loop time 1-3 ms because of modulator,Tachometer feedback required,Control loop time 1-3 ms because of modulator,Torque 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,标量控制,V/F,控制：保持磁通恒定，从而使电机输出比较大的转矩,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/Hz,U/V,（,0,，,0,）,380V,50Hz,IR voltage,ACS 800 Evolution of AC drives,V,f,Frequency reference,Modu,-,lator,V/F ratio,AC,1970,s:Frequency Control,Traditional PWM,Control in short steps to avoid overshooting,Control loop time 1-3 ms because of modulator,交流传动的进化和发展,F=50Hz,F=25Hz,F=0Hz,SPWM,矢量控制原理,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,具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(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,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，否则难以达到理想的控制效果。,V,f,Torque control,Modu,-,lator,Speed control,AC,T,1980,s:Flux Vector Control,Tachometer feedback required,Control loop time 1-3 ms because of modulator,交流传动的进化和发展,ACS 800 Evolution of AC drives,M=Cm,F,M,u,v,w,1,2,直接转矩控制原理,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，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 control,Torque control,AC,1990,s:Direct Torque Control,Torque 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,ACS 800 Evolution of AC drives,u v w,Input:,Voltage,Current,frequency,Aftermath:,Magnetization,Torque,speed,Input:,Voltage,Current,On-off,Aftermath:,Magnetization,Torque,Speed,frequency,motor,module,ACS800 Excellent torque control,Torque:,PWM,DTC,Torque step rise time,力矩阶越上升时间,DTC,Flux vector,Open loop PWM,100,msec,.,No encoder required,for accurate torque,control,无编码器，可精确控制,力矩,Full torque at zero,speed,零速满转矩,Direct control of torque,no nuisance trips,转矩直接被控制,0,00,0,50,1,00,Current,Torque,DTC,PWM,New Current level,New Torque,level,Time,ACS800 Unbeatable speed control,PWM,no encoder,DC drive,with encoder,DTC,no encoder,DTC,with encoder,PWM,with encoder,Static speed error,Dynamic 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.,0,1000,2000,3000,4000,5000,100,150,200,0,500,Torque,(Nm),Speed,(rpm),Time(,msec,.),Torque,Speed,Precision Of Static and Dynamic,精确的动静态控制,ACS800,Optimal starting,High starting torque,高启动转矩,up to 200%of motor nominal torque,200%,的额定转矩,even for applications like extruders and cranes,适用于,用于挤压机，提升机,Torque,Speed,t,t,Torque,Speed,t,t,DTC,PWM,变频器的节能原理,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。,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,最普遍的是风机和水泵,塑料行业（挤出机，拉丝机）,印刷行业,起重机（电梯行业）,提升机,同步电机控制,其它很多,变频器分类,按照电压分类：,低压,单相,220V,三相,220V,三相,380V-690V,中压,交流,1000V,交流,3300V,交流,6000V,交流,10000V,按照中间直流环节,电压型或电流型,交,-,直,-,交型或交,-,交型,按照用途：,专用型,通用型,