电机变频节能设计本科毕业论文.doc

山西煤炭职业技术学院 2011届毕业设计班级：电气330802学号：4333080235 毕业设计说明书题目：电机变频节能设计姓 名：吴宏伟指导教师：田丽萍 郝世宇系 部机电工程系山西煤炭职业技术学院 2011 年 6 月 4 日42目 录摘 要1第一章 论述11.1 我国电机的现状11.2 我国煤矿风机运行中普遍存在的问题11.3 课题研究的方向与趋势2第二章 电机基础知识42.1电动机分类42.2电机设备的转速计算以及调速措施4第三章 变频器的基本原理和知识83.1 变频器的发展史83.2变频技术的发展过程103.3 变频器的分类113.4变频器的电路组成123.4.1变频器中的的半导体开关153.5变频调速方法173.6 变频的控制算法193.7普通异步电动机与变频电机的区别213.8变频调速的优点及市场24第四章 电机节能改造项目264.1 调速装置的运行可靠性和投资对比264.2 投资对比274.3 主要调速方案技术经济对比284.4 变频改造节能案例294.4.1 改造投资估算314.4.2分机节能效益的计算324.4.3经济评价324.5变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析334.6变频器的外接电路与参数设置33第五章 结 论38参考文献39致 谢41摘 要电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国的总装机容量约为4亿千瓦，年耗电量约为6000亿kWh，约占工业用电的7080%。我国以中小型电机为主，约占80%，而中小型电机耗损的电量却占总损耗量的90%。电机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为75%，比国外低10%；系统运行效率为3040%，比国际先进水平低2030%。因此在我国中小型电机具有极大的节能潜力，推行电机节能势在必行。我国资源以煤炭为主，电机是煤矿生产中重要的设备，也是主要耗能设备。对电机节能方法进行研究具有重要的现实意义。本文中介绍目前电机设备在运行中存在的主要问题，分析了解电机类设备的能耗状况，讨论了电机的基本参数、特性曲线，重点阐述了电机的节电方法以及节能原理。与现有的电机节能措施，深入研究了变频调速节能原理和实现。重点说明了电机变频节能方法与应用。文中给出的电机节能改造的变频技术方法、基本原理，目的是为企业进行节能改造时选择合理的改造方案提供依据。同时对调速装置的选择和调速方案比较作了介绍，力求技术先进与经济效益的统一。关键词：电机节能；电机调速；变频；矢量控制。第一章 论述1.1 我国电机的现状电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国的总装机容量约为4亿千瓦，年耗电量约为6000亿kWh，约占工业用电的7080%。我国以中小型电机为主，约占80%，而中小型电机耗损的电量却占总损耗量的90%。电机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为75%，比国外低10%；系统运行效率为3040%，比国际先进水平低2030%。电机设备是煤矿生产中重要的设备，也是主要耗能设备，电机设备具有容量大，运行时间长，系统运行是要求绝对可靠。例如主通风机停止供风5min就是煤矿大事故。煤矿通风电耗一般占生产电耗的15%25%，高的可达40%以上。我国的能源资源相对拥有量较少，长期以来能源供需矛盾十分紧张。因此，为了缓解这个矛盾，就必须重视对电机的节能改造。通过对电机的节能改造，不仅能够节约能源，推动国民经济的发展，有很好的社会效益，而且能够直接减少企业的成本支出，提高企业的经济效益。同时也可以为国家节约资源造福于我们的后代。1.2 我国煤矿风机运行中普遍存在的问题各工业部门调查资料的大量数据表明，目前我国使用的风机、水泵的效率比国外同类产品的效率低5%10%。设计中过多的考虑建设前后工艺要求的差异，选型欲量过大，使设备长期在低负荷、低运行效率下工作。如某矿的主风机以及辅助风机实际运行情况表明，其负荷率（电动机输入功率/电动机铭牌功率）在76%以上者仅占15.1%，低于60%者占65.3%。作为煤矿企业，都希望厂家能提供效率更高的风机。提高单体设备的效率，可以为国家节省可观的能源。但是许多高效设备在现场往往处于低效运行的状态，并没有达到节能的目的。风机只有在使用中才能反映出它的经济性。纵然一台风机本身效率已经很高，但由于使用和选型不当，也将变成“电老虎”。近年来，我国风机技术发展很快，加上引进、消化国外的一些先进技术，大部分风机本身的效率已有明显提高。但是，根据我国当前风机的使用现状来看，只有注意大力提高“风机系统效率”，才能取得较好的节能效益。现在煤矿风机普遍存在的问题有：管理制度不完善；需要调节流量的地方，绝大部分采用挡板或阀门来调节风量或流量，节流功率损失非常大。1.3 课题研究的方向与趋势为在企业所使用的耗电设备中风机、水泵、空压机、液压油泵、循环泵等电机类负载占绝大多数。由受到技术条件限制，这类负载的流量、压力或风量控制系统几乎全部是阀控系统，即电机由额定转速驱动运转，系统提供的流量、压力或风量恒定，当设备工作需求发生变化时，由设在出口端的溢流、溢压阀或比例调节来调节负载流量、压力或风量、从而满足设备工况变化的需要。而经溢流溢压阀或比例调节阀溢流溢压后，会释放大量的能量，这部分耗散的能量实际上是电机从电网吸收能量中的一部分，造成了电能极大的浪费。从这类负载的工作特性可知，其电机功率与转速立方成正比，而转速又与频率成正比。如果我们改变电机的工作方式，让它不总是在额定工作频率下运转，而是改由变频调整控制系统进行启停控制和调整运行，则其转速就可以在02900r/min的范围内连续可调，即输出的流量、压力或风量也随之可在0100%范围内连续可调，使之与负载的工作需要求精确匹配，从而达到节能降耗的目的。变频电机节电器是一种革命性的新一代电机专用控制产品，基于微处理器数字控制技术，通过其内置的专用节电优化控制软件，动态调整电机运行工程中的电压和电流，在不改变电机转速的条件下，保证电机的输出转矩与负荷需求精确匹配，从而有效避免电机因出力过度造成的电能浪费。交流电动机是当前应用最广泛的电机，约占各类电动机总数的85%，它具有结构简单、价廉、不需维护等优点，但它的弱点是调速困难，因而在许多应用场合受到限制或借助机械方式来实现调速。随着电力电子成本降低和系统性能改善以及新型电力电子元件的问世和发展，机电一体化基础技术微型计算机、数字信号处理器以及大规模集成电路芯片的出现正在意义深远地影响着电气传动自动化技术的发展。因此开发绝缘门极双极型晶体管（IGBT），高频大功率静电感应式晶体管（SIT），静电感应式晶闸管（SITH），MOS控制的晶体管（MCT），绝缘门极晶体管（IGT），绝缘门极可关断晶闸管（IGTO），智能功率集成电路（Smart Power）和光控晶闸管等元件组成的新型交流传动装置是风机交流调速的发展方向。同时电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和应用使变频器的节能效果更为显著。它不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。相对于其它调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等），变频调速性能稳定、调速范围广、效率高，随着现代控制理论和电力电子技术的发展，交流变频调速技术日臻完善，它已成为交流电机调速的最新潮流。变频调速装置（变频器）已在工业领域得到广泛应用。 使用变频器调速信号传递快、控制系统时滞小、反应灵敏、调节系统控制精度高、使用方便、有利于提高产量、保证质量、降低生产成本，因而使用变频器是厂、矿企业节能降耗的首选产品。变频器就负载类型而言主要有两方面的典型应用：1、恒转矩应用；2、变转矩应用。就应用的目的而言主要有：1、以改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。以其优良的调速性能，提高生产率、提高产品质量、提高舒适性，使设备合理化，适应或改善环境等。2、以节能为主要目的以流量或压力需要调节的风机、泵类机械的转速控制来实现节能，改造效果非常显著。第二章 电机基础知识2.1电动机分类电动机从机械结构上来看，是由转子和定子两部分组成的，其工作原理是通过电流经过转子线圈产生励磁磁场和定子线圈产生的磁场相互作用，从而推动转子按照左手定律旋转，进而带动负载进行运动，完成将电能转化为机械能的使命。按电机的功能区分：发电机、电动机、变压器、控制电机按电流性质区分：有直流电动机、交流电动机；直流电动机如发电机，交流如轧钢机等 按用电相位区分：有二相电动机、三相电动机；二相电机如吹风机、电风扇等，三相如电梯、风机、水泵等。按转子工作性质区分：有同步电动机、异步电动机；按装配形式区分：有鼠笼式小功率高功率因数、绕线式大功率低功率因数。按转子电极对数区分：有2级-2950r/min.、4级-1470r/min.、6级-980r/min.、8级-720r/min.、10级-590r/min.。按使用电压区分：有220V、380V、440V、660V、1140V、3KV、6KV、10KV。以电机的作为原动机拖动各种生产机械运转的系统，称为电力拖动系统。电力拖动系统主要有电源、控制设备、电机、传动机构、生产机械五部分组成。2.2电机设备的转速计算以及调速措施在工业生产系统的动力装置中，三相交流异步电动机约占90%左右的份额，其原因在于它：体积小、造价低、使用维护简单、适应各种复杂工作环境等。为了更好地应用它，就需要让它精确地工作，换句话说，就是要对它进行精准调速。额定功率=额定电流额定电压功率因数功率因数越高的电机在变频使用当中，其被调节的能力越强，也就是说其节电空间的变化可以接近理论值。三相异步电动机工作原理：1）对称三相绕组中通入对称三相交流电产生旋转磁场；2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和感应电流；3）转子载流导体在磁场中受电磁力作用，形成电磁转矩使转子转动；因此三相异步电动机转速公式： 其中：n：转速； f：频率； s：转差率； p：极对数极对数P与同步转速N的关系P123456N300015001000750600500根据泵与风机学的知识，在风机、水泵类负载变流量、变压力的运行状况中，流量、扬程和消耗的能量之间有下面的关系： 风机/水泵的流量和电机转速成正比；（Q为分机和水泵的流量）风机/水泵的全压/扬程和电机转速的平方成正比；（H为风机/水泵的全压/）风机/水泵消耗的轴功率跟电机转速的立方成正比；（P为风机/水泵消耗的轴功率；轴功率公式：N0/N=r/r1（n0/n）3 （N：功率；r：气体密度；n：转速）无论是水泵还是风机还是其它的电机起功率都与转速n有关，交流电动机的同步转速表达式位： n60 f(1s)/p (1)式中：n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。如下图则为电机的机械特性图图2-1 电机的机械特性图因此三相异步电动机调速大致分五种：1）变极调速：适用于变极电机，即电机有多套绕组，在运行时通过外部开关控制绕组连接方式，从而改变极数，进而改变电机转速。2）串电阻调速：适用于绕线式异步电动机，在转子回路串入不同阻值的电阻，人为改变电动机机械特性。3）降压调速：适用于较大电阻的高转差率异步电动机，通过改变定子电压来调速。4）串极调速：适用于绕线式异步电动机，通过改变转子回路阻抗来调速。5）变频调速：普遍适用，通过改变供电电源频率来调速。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 第三章 变频器的基本原理和知识变频器是交流电机的驱动器，它是将三相工频交流电转变成频率可调的三项交流电来驱动交流电机（主要是异步电动机），从而使电动机调速的。3.1 变频器的发展史早期通用变频器如东芝TOSVERT130系列、FUJI FVRG5/P5系列，SANKEN SVF系列等大多数为开环恒压比（V/F=常数）的控制方式。其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。对变频器U/F控制系统的改造主要经历了三个阶段。第一阶段:八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列等。之后，1991年由富士电机推出大家熟知的FVR与FRNG7/P7系列的设计中，三菱日立，东芝也都有类似的产品。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。第二阶段：矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。尽管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315kW以上。目前，6SE70系列除了200kW以下价格较高，在200kW以上有很高的性价比。第三阶段：1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control简称DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。 1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列，已达到2ms的转矩响应速度在带PG时的静态速度精度达土0.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，可以达到正负0.1的速度控制精度。其他公司也以直接转矩控制为努力目标，如安川VS676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但它也已做到了100ms的转矩响应和正负0.2%（无PG），正负0.01（带 PG）的速度控制精度，转矩控制精度在正负3左右。其他公司如日本富士电机推出的FRN 5000G9/P9以及最新的FRN5000Gll/P11系列出采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从1991年INTEL公司推出8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。3.2变频技术的发展过程变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制品闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年BANNED始，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用图3-1变频器发展示意图3.3 变频器的分类变频器主要包括三个部分：一是主电路接线端，包括接工频电网的输入端（R、S、T），接电动机的频率、电压连续可调的输出端（U、V、W）；二是控制端子，包括外部信号控制端子、变频器工作状态指示端子、变频器与微机或其他变频器的通信接口；三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘 图3-2变频器的组成变频器分为：交交变频器（将频率固定的交流电变成连续可调）交直交变频器（将频率固定的交流电变成直流，再把直流变成连续可调的三相交流电）表3-1交交和交直交变频器优缺点对比表变频器优 点缺 点交交变频器没有中间环节，变换效率高连续可调、频率范围窄交直交变频器调节范围广，变频后的机械特性好目前使用最多的是交直交变频器，而它又分为电压型（整流后靠电容来滤波，比较常见）和电流型（整流后靠电感滤波，较少见）。根据电压又分脉幅调制（改变直流电压来改变输出电压大小，即PAM）和脉宽调制（改变输出脉冲的占空比来改变输出电压的大小，即SPWM ；SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦）。为此常见的变频器为交直交电压脉宽调制。3.4变频器的电路组成图3-3变频器电路图如图所示变频器主要有整流单元、逆变部分和制动部分组成的！其中整流单元它的作用是把工频电源变换成直流电源将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波图3-4 整流电路逆变部分逆变部分则是把直流变成交流，是变频器的核心部分将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦图3-5单相逆变电路图通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序图3-单相逆变电路原理图当S1、S3同时闭合时，U1电压为正；但S2、S4同时闭合时，U1电压为负。因此开关S1S4的轮番通断，从而将直流电压Ed变成交流电压U1。可以看到在交流电变化的一个周期中，每个开关导通电角度度。因此交流电的周期（频率）可以通过改变开关的通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值的U1。图中S1S6组成了桥式逆变电路，这6个开关交替的接通、关断就可以在输出端得到一个相位差2/3的三相交流电图3-7 三相逆变电路图3-8三相逆变电路原理图当S1、S6同时闭合时，Uu-v为正；S3、S4同时闭合得到Uu-v为负；同理：S3、S2同时闭合和S5、S6同时闭合，得到Uv-w； S5、S4同时闭合和S1、S2同时闭合，得到Uw-u。为了是三相交流电Uu-v、Uv-w 、Uw-u在相位上依次相差 2/3；各开关的接通、关断须符合一定的规律，即：1)各桥臂上的开关始终是交替打开和关断的状态。2)各相位的开关顺序以各相的“首端”为准互差2/3的电角度。通过以上分析说明6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可以调节就交流电的频率。3.4.1变频器中的的半导体开关如上所述可知，逆变电路的工作是在逆变管高频率的通断下完成的。如果输出的交流电频率为50Hz，在、逆变管则需要每0.01s通断一次（通断频率为25Hz），如此高的断速度普通开关器件是不可能胜任的。随着电力电子技术的发展，大功率开关器件经历了以下阶段：（一）门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管结构上有三极：阳极（A）、阴极（K）、门极（G）。其工作特点是：它是通过门极信号进行接通和和关断的晶闸管。具体如下：1导通条件在门极和阴极之间加一正向电压，即：G(+)，K(-)，GTO导通。2关断条件在门极和阴极之间加一反向电压，G(-)，K(+)，GTO关断。GTO可以方便的通断，是一种无触点开关，它是逆变电路中的主要开关元件，但是GTO的关断需极大的反向脉冲，控制容易失败，工作频率也不够高，所以GTO晶闸管在大小容量变频器中已经被新型的大功率晶闸管GTR所取代，但在大容量变频器中，GTO以其工作电流(4500A)，耐压高的特性(8000V)，仍得到普遍应用。（二）大功率晶闸管（GTR或BJT）1结构大功率晶闸管，又叫双极性晶闸管（BJT），GTR在结构结构上常采用达林顿结构的形式，由多个晶闸管复和组成大功率的晶闸管，同时还可将反相续流二极管与GTR组成一个模块。这样GTR也像普通的晶体管一样，有三个级分别是基极、（B）、发射极（E）、集电极（C）。2GTR的工作特征GTR也有三种工作状态，即放大、饱和、截止。在电力电子的应用中，GTR主要工作在开关的状态，即饱和和截止状态。GTR具有自管断能力及开关时间段、饱和压降低、安全工作区宽等特点，广泛用于交流调速、变频电源中。在中小容量的变频器中(工作范围400A/1200V、1000A/400V，频率5000Hz)，曾一度占据饿了主导地位GTR所需的驱动功率较大，故基极驱动系统较复杂，从而使得工作频率难以提高，这是GTR存在的足之处。（三）功率场效应晶体管（MOSFET）MOSFET与场效应晶体管一样也是有三个级，分别是源极S.漏极D.和栅极G，管子的连接及工作特性也基本与场效应晶体管一样。MOSFET是一个电压控制型器件，所需的驱动功率很小，使用方便，开关频率比较高（1000V/200A/1000kHz）。其缺点是击穿电压及工作电流大不是特别大，所以应用不是特别广泛。（四）绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是一种结合了大功率晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET两者特点的复合型器件，它有三个级：集电极（C）、发射极（E）、栅极(G)，它既有MOS的器件的工作速度快，驱动功率小的特点，又具备了大功率晶体管的电流大，导通压降低的优点。由于IGBT性能优良(1800A/4500V/50kHz)，已全面取代了功率晶体管而成为中小容量电力交流装置中的主力器件，并广泛用于交流变调速、开关电源及其他设备中。同时IGBT的单管容量也不断提高，并开始进入中大容量的电力交流装置中，用IGBT作为逆变器的变频容量也从原来的250kVA有了大幅提高。3.5变频调速方法由于异步电动机的同步转速与电源频率成正比，所以改变就改变了而实现调速，这就是变频调速。它的调速特性基本保持了异步电机固有特性转差率小的特点，所以具有效率高，范围宽，精度高，是异步电动机比较理想的调速方法。变频调速的原理和特性（一）恒转矩调速异步电动机的转速方程式，只要改变f1就可以实现调速。但是变频率的时候，电源的电压U与频率f的关系如何呢？一般来说，电动机的感应电动势E1与外加电源电压U1近似即： E1=4.44f1Kn1N1m；（于4.44Kn1N1是个常熟电动机的感应电动势E1与f1m正比的）所以U1也和f1m成比，从公式中可以看出：如果U1不变，则f1变化时在变。我们希望在调节频率f时能够维持（因为在额定工作时电机的磁通已经接近饱和，继续增大，将会是电机铁芯出现深度的饱和，这将使励磁电流急剧升高，导致定子电流和铁芯损耗急剧增加，使电机工作不正常影响电机的使用。）为此当我们在额定频率f1以下调节时就要保证不变的。即称为U/f=常数的控制方法：也叫恒转矩不变；因此在额定频率f1以下调频时也需要调节电压变频又变压方法PWM利用调制波与三角波信号比较后获得一系列等幅不等宽的脉冲序列。原理：利用三角波载波作为信号与调制信号（一般为正弦波）相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。改变调制波的电压脉冲频率时，输出电压基波的频率也随之改变，降低调制波的幅值时，各段脉冲宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减少）。当用/=常数协调控制，在低速时最大转矩减小，起动转矩也减小表现在机械特性上就是临界转矩Tkx变小是电动机的过载能力变小。为了低速时保持转矩不变，提高起动能力，能够带动负载能力，就必须采用：采用电压补偿（V/F控制）控制方法，此时随着转速的降低，定子电压要适当提高，补偿后机械特性有了恒转矩的特性。（二）恒功率调速为了扩大调速范围，可以使，得到，从而实现调速控制。由于定子电压不允许超过额定电压，则磁通将随着升高而降低电机的输出功率P基本维持不变的，相对应额定电流的转矩也减小，特性也要变软，则可得近似恒功率的调速特性。如下图所示为变频调速的机械特性图：图3.9 额定频率以下的机械特性图3.10 额定频率以上的机械特性3.6 变频的控制算法V/F控制：简单实用，性能一般，使用最为广泛只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定例: 对于380V 50Hz电机，当运行频率为40HZ时，要保持V/F 恒定，则 40HZ时电机的供电电压:380（40/50)304V低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高用户可以根据自我选择四种控制方式：1. 基本的U/F控制曲线；2. 转矩补偿的U/F控制曲线；适用于低速时需要较大转矩的负载。3. 负补偿的U/F控制曲线；主要适用于风机、泵类的平方负载。4. 分段补偿；主要适用于负载转矩与转速大致长比例的负载。在低速时补偿少，在高速是补偿多。矢量控制：性能优良，可以与直流调速媲美，技术成较晚模仿直流电机的控制方法，采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制，保持电机磁通的恒定，进而达到良好的转矩控制性能，实现高性能控制。性能优良，控制相同复杂，直到90代计算机技术迅速发展才真正大范围使用。矢量基本思想：(1) 对直流电动机的分析 在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的。究其原因，是因为它具有两个十分重要的特点:(a) 磁场特点 它的主磁场和电枢磁场在空间是互相垂直的，如图(a)所示；（a）直流电动机的磁通 （b）直流电动机的电路图3-11 (b) 电路特点它的励磁电路和电枢电路是互相独立的，如图(b)所示。在调节转速时，只调节其中一个电路的参数。仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率的给定信号，分解成和直流电动机具有相同特点的磁场电流信号iM和转矩电流信号iT，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点。对于控制电路分解出的控制信号iM和iT，根据电动机的参数进行一系列的等效变换，得到三相逆变桥的控制信号iA、iB和iC，对三相逆变桥进行控制，如图所示。从而得到与直流电动机类似的硬机械特性，提高了低频时的带负载能力。 图3-12 矢量控制图表2 V/F控制和适量控制的对比项 目V/F控制矢量控制调速范围响应性1：10动态响应较差1：100以上高达1000r/s过渡过程特性加减速有限制，过流控制能力小加减速无限制，过流控制能力高通用性通用性好与电动机特性有关系统结构简单复杂3.7普通异步电动机与变频电机的区别一、普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。以下为变频器对电机的影响1、电动机的效率和温升的问题不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1（u为调制比）。高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速 旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机 额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%20%。2、电动机绝缘强度问题目前中小型变频器，不少是采用PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡 度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成 威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。3、谐波电磁噪声与震动普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空 间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频率范围 宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。4、电动机对频繁启动、制动的适应能力由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创 造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。5、低转速时的冷却问题首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较底时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机再转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。二、变频电动机的特点1、电磁设计对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转 差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下：1）尽可能的减小定子和转子电阻。减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。2、结构设计再结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题：1）绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。2）对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。3）冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。4）防止轴电流措施，对容量超过160kW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。5）对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。变频电机可在：0.1Hz130Hz范围长期运行，普通电机可在：2极的为2065Hz范围长期运行； 4极的为2575Hz范围长期运行； 6极的为3085hz范围长期运行； 8极的为35100hz范围长期运行。3.8变频调速的优点及市场变频调速的优点主要有如下一些优点：1、调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速，调速精度大大提2、启动电流小，而启动转矩大；3、启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；4、对电机具有保护功能，降低电机的维修费用；5、具有显著的节电效果；6、通过调节电压和频率的关系方便的实现恒转矩或者恒功率调速。平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全7、电机正反向无需通过接触器切换8、非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制提升机变频操控系统的技术优势主要体现在：实现了电动机的软启动；实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电动机转速；运行平稳，无转差冲击；响应迅速，便于实现集中控制和系统集成；集信号处理、运行控制、 电子 制动、机械制动、安全保护为一体，提高了设备的整体功能；操作直观简便；节能率高。从节能来说，当前，电机是我国主要的工业耗电设备，据清华大学电机权威人士统计，我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国在用的电机拖动系统总体装备水平仅