電機與變頻調速原理

1、ABB 傳動變頻器工作原理,北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司 市場部 技術支持與銷售工程師 唐 家,電機功率與速度計算,功率計算：p=(2?/60)*N*T*10?³ kw N:rpm T: N*m轉動慣量，起動轉矩，加減速時間，制動轉矩變頻器控制電機轉速的原理,旋轉磁場同步轉速N= n=N*(1-s)? ? v/f,這里，N為電機旋轉

2、磁場同步轉速n為電機額定轉速S為電機轉差率f為電機進線頻率p為電機的極數,轉矩示例,L,,Torque=F*L*sin(?),,L,,F,,,,?,,Torque is the arm length multiplied by force in right angle to shaft,變頻器基本原理,Torque = ? * I*sin (?),The current I is the arm needed to genera

3、te torque,The flux ? is the force,IGBT開關圖列,Inverter & motor - stator voltage phasors,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M,,,,,S,S,S,A,B,C,,,,,,,,,,,,,,,,+ - -,+ + -,- + -,- + +,- - +,+ - +,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

4、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

5、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

6、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2/3 * Udc,+++,---,,,電機工頻起動運行曲線,交流鼠籠感應電機的典型轉矩/轉速曲線(機械特性曲線),,,電機電流,,,電機變頻起動運行曲線,由變頻器供電的交流鼠籠感應電機的轉矩曲線,,,電機的弱磁點,弱磁點的定義,,,電機運行的負載與電流,電流和負載,,,普通電機的允許負載曲線

7、,,,,,,,,,,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,,相對轉速,T/Tn,,,ACS800 Motor load capacity,,T= load torqueTN= rated motor torquef= ACS 800 out

8、put frequency,Typical continuous load capacity curve of an IEC 34 self-ventilated motor controlled by ACS 800,自通風電機的負載能力,典型的連續(xù)負載能力曲 線自通風電機,,,電機的過載能力,,,,,,,,,,400%,350%,300%,250%,200%,150%,100%,50%,0%,,,,,,

9、,,,,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,,,1.8,2.0,,,,,,,,IC411,相對轉速,最大電機負載能力 (短時),可用的最大電機轉矩,,+ 20% 裕量,IC416,,電機負載類型,,,,,可變轉矩負載：風機水泵。,恒轉矩負載：皮帶運輸機,恒轉矩恒功率負載卷曲,周期性恒轉矩負載提升機Cranes, Centrifuges,高起動轉矩負載擠出機Kilns, Rubber Mixer

10、s,T,Speed,Speed,Speed,T,T,T,T,Time,Time,變頻器基本結構1,主要由三部分組成（如下圖所示）：整流部分：將交流電變換成直流電中間直流環(huán)節(jié)：充電、濾波并保持電壓穩(wěn)定逆變部分：將直流電變換成電壓與頻率都可變的交流電,中間直流環(huán)節(jié),,輸入,輸出,,,變頻器基本結構2,變頻系統(tǒng)的功能示意圖,變頻器控制電機的模式,大致可分成三類標量控制v/f（Scalar control）：最早最基本的變頻調速技術

11、矢量控制（Vector control）：目前大多數采用直接轉矩控制（DTC control）：ABB專利技術,ACS 800 Evolution of AC drives,,,,1970’s: Frequency Control,1990’s: Direct Torque Control,1980’s: Flux Vector Control,Traditional PWMControl in

12、short steps to avoid overshootingControl loop time 1-3 ms because of modulator,Tachometer feedback requiredControl loop time 1-3 ms because of modulator,Torque controlled by a single step No risk of overshoot with fas

13、t 25 ?s control loop,交流傳動的進化和發(fā)展,標量控制,V/F控制：保持磁通恒定，從而使電機輸出比較大的轉矩在基頻（50Hz）以下，變頻器能保持恒轉矩輸出；基頻以上，變頻器保持恒功率輸出。,ACS 800 Evolution of AC drives,,1970’s: Frequency Control,Traditional PWMControl in short step

14、s to avoid overshootingControl loop time 1-3 ms because of modulator,交流傳動的進化和發(fā)展,F=50Hz,F=25Hz,F=0Hz,SPWM,矢量控制原理,矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量

15、 (勵磁電流) 和產生轉矩的電流分量 (轉矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。,無速度傳感器的矢量控制,無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置是

16、很困難的，但人們發(fā)現，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據輸入的電動機的銘牌參數，按照轉矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓和頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現矢量控制。,矢量控制優(yōu)點,采用矢量控制方式的通用

17、變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機進行控制，否則難以達到理想的控制效果。,交流傳動的進化和發(fā)展,ACS 800 Evolution of AC drives,u,v,w,?1,?2,?

18、,?,?,直接轉矩控制原理,直接轉矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉矩為中心來進行磁鏈、轉矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。,,交流傳動的進化和發(fā)展,ACS 800 Evolution of AC

19、drives,Input:VoltageCurrentOn-off,Aftermath:MagnetizationTorqueSpeedfrequency,,,,,,,motormodule,,ACS800 Excellent torque control,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Torque:,,PWM,DTC,,Torque step

20、 rise time 力矩階越上升時間,No encoder required for accurate torque control 無編碼器，可精確控制 力矩Full torque at zero speed 零速滿轉矩Direct control of torque no nuisance trips 轉矩直接被控制,,ACS800

21、 Unbeatable speed control,PWMno encoder,DC drivewith encoder,DTCno encoder,DTCwith encoder,PWMwith encoder,Static speed errorDynamic speed error,± 1 to 3 %3 %sec.,± 0.01 %0.3 %sec.,± 0.01

22、 %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,精確的動靜態(tài)控制,ACS800

23、 Optimal starting,,High starting torque 高啟動轉矩up to 200 % of motor nominal torque 200%的額定轉矩even for applications like extruders and cranes 適用于用于擠壓機，提升機,變頻器的節(jié)能原理,對于風機水泵負載，是平方轉矩負載T=K*ω2

24、，但是我們又知道功率P=T*ω，因此P=K* ω3。從這個意義上說，當我們需要風機在較低轉速下運行時，輸出功率就小，從而可以達到節(jié)能的效果。對于恒轉矩負載，只要變頻器在較低轉速下滿足了恒轉速的要求，那么同樣根據 P=T*ω，低速下也可以節(jié)能。在過去多數情況下，我們常采用減速箱來調速，而現在變頻器調速范圍大，轉矩特性也不錯，減速箱就可以省去了。,變頻器的使用領域,最普遍的是風機和水泵塑料行業(yè)（擠出機，拉絲機）印刷行業(yè)起重機（電梯行