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第三章 通用变频器 及其应用技术,高玉萍 阿克苏职业技术学院,目的： 学习变频器的结构和工作原理，变频器的变频调速原理及调速特性，三相异步电动机的变频调速控制。 要求： 掌握变频器及其调速的基本原理、通用变频器的操控方式及调速应用技术。,重点： 变频器的变频调速原理、通用变频器的三相异步电机调速控制中的应用。 难点： 变频器的工作原理、变频调速控制方式,3.1 变频器的结构及工作原理 3.2 西门子通用变频器简介 3.3 通用变频器基本操控方式及应用举例,第三章 通用变频器 及其应用技术,3.1 变频器的结构及工作原理,变频器通常是指VVVFI变频器变频变压调速器，也称变频调速器。 VVVFI：variable voltage & variable frequency inverter 目前应用得最为广泛的是交直交变频器。它是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行。,它由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。,3.1 变频器的结构及工作原理,整流：三相桥式不可控整流器，将交流电变换成直流电； 中间直流环节：滤波、直流储能和缓冲无功功率，对整流电路的输出进行平滑滤波; 逆变：IGBT （绝缘栅双极晶体管Insulated-Gate Bipolar Transistor）三相桥式逆变器，将直流电再逆成交流电。输出为PWM(Pulse Width Modulation)波形，或者正弦脉宽调制SPWM波，当这种波形的电压加到负载上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦形波的电流波形; 控制电路：完成对主电路的控制，产生输出逆变桥所需要的各驱动信号，通常用PWM或SPWM调制信号作为逆变器的控制信号。,3.1 变频器的结构及工作原理,变频核心是逆变,一、西门子通用变频器分类：,3.2 西门子通用变频器简介,矢量型 MM440 节能型 MM430 通用型 MM420 简易型 MM410 SIMAMICA G110 SIMATIC ET200SFC,3.2 西门子通用变频器简介,二、西门子通用变频器特点：,矢量型 MM440：功能强大，多面手，应用广泛。提供低速高转矩输出和良好的动态特性，具备超强的过载能力和无可比拟的灵活性。,主要特征： 200-240 10%，单相/三相，交 流，0.12KW-45KW； 380V-480V 10%,三相，交流，0.37KW-250KW; 矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制； 高过载能力，内置制动单元； 三组参数切换功能,一、西门子通用变频器分类：,节能型 MM430：传动平稳，轻松无忧；专用于 风机和泵类的变转矩控制。具有高度的可靠性和灵 活性。实现多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、 断带及缺水检测、节能运行方式。 主要特征： 380V-480V 10%,三相，交流，7.5KW-250KW; 风机和泵类变转矩负载专用； 牢固的EMC（电磁兼容性）设计； 控制信号的快速响应；,通用型 MM420：简单灵活，模块化设计是全新一代模块 化设计的多功能标准变频器。它界面友好，操作灵活方便。全 新的IGBT技术、具有强大的通讯能力、精确的控制性能和高 可靠性。 主要特征： 200-240 10%，单相/三相，交流，0.12KW-5.5KW； 380V-480V 10%,三相，交流，0.37KW-11KW; 矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制； 高过载能力，内置制动单元； 模块化结构设计，具有最多的灵活性 标准参数访问结构，操作方便。 控制特性：,简易型 MM410：紧凑型标准变频器。小巧、灵活、安装简单，使用方便 主要特征： 200-240 10%，单相，交流，0.12KW-0.75KW 结构紧凑，采用自冷式散热器 集成的RS485通讯接口 丰富的模块化选择 控制功能： 线性V/F控制，平方V/F控制，多点设定V/F控制,SIMAMICA G110：具有现代现代先进水平和多种优点平滑而连续的速度控制，运行噪声低，安装空间小，可靠性高、寿命长。 主要特征： 具有多种运行功能 配置简单 由单相电源供电,SIMATIC ET200SFC:用于分布式I/O系统 特点：集成化的设计，具有多功能模块结构，安装简单，灵活性大，运行费用低等特点，由控制单元和功率模块组成。,3.3 通用变频器基本操控方式 及应用举例,一、变频调速原理： 由电动机转速公式： n=(1-s)60f1/p1 可知，只要连续改变电动机交流电源频率 f1 ，就可实现电动机的连续调速,3.3 通用变频器基本操控方式 及应用举例,二、变频调速的控制方式：,交流电机是一个非线性强耦合的系统，其数学模型的最大特点是高阶、多变量、非线性，因此有以下几种不同的控制方式：,转速开环，恒压频比控制（U/f),转速闭环，转差频率控制,这种控制方式：结构简单，成本低，可满足一般的平滑要求，但系统的静态和动态性能不好。,这种控制具备了直流电机双闭环控制的优点，结构简单，系统的动态和静态性能较好，但设计结果与实际有差距，效果不令人满意。,矢量控制,这种控制方法是将电机定子电流矢量在适当 的坐标系上分解为励磁电流和转矩电流矢量，分 别进行保持励磁电流矢量的幅值不变，直接以瞬 时转矩电流矢量为控制对象，因此电机可获得很 快的阶跃响应。,直接转矩控制,采用空间矢量法不考虑使定子解耦，而是直 接控制电磁力矩，直接对逆变器的开关状态进行 选择，省去了复杂的矢量变换，所以对转矩的控 制动态性能较高，响应快，且无超调。,三、三相异步电动机的变频调速控制,额定频率以下的调速： 须保 恒定不变，即始终保持U1/f1=常数 调速过程中电磁转矩不变，属恒转矩调速 额定频率以上的调速： 随着f1升高 将下降，n上升，属于恒功率调速,三、三相异步电动机的变频调速控制,三相异步电动机变频调速时的机械特性： U1/f1=常数时的变频调速机械特性 U1=U1N时的变频调速机械特性,二、应用举例,以某恒转矩负载为例:要求最高转速为720r/min;最低转速为80r/min（调速范围n9）。满负荷时负载侧的转矩为140Nm。 原选电动机的数据:PN11kW，nN1440r/min。 原有传动装置的传动比为2。 今采用变频调速，用户要求不增加额外的装置，如转速反馈装置及风扇等。但可以适当改变皮带轮的直径，在一定的范围内调整传动比。,相关的计算如下: （1）电动机的额定转矩 根据电动机的额定功率和额定转速求出: TMN72.95Nm （2）负载转矩的折算值 根据负载转矩与传动比求出: TL70Nm （3）电动机的负荷率 根据电动机轴上的负载转矩与额定转矩求出: 0.96,（4）核实允许的变频范围 由图5-24知，当负荷率为0.96时，允许频率范围是1952Hz，调频范围为 f2.74n（9） 显然，与负载要求的调速范围相去甚远。 （5）减小负荷率的思考 由图5-24，如果负荷率为70%的话，则允许调频范围为（670）Hz，调频范围为 f11.7n（9）,电动机轴上的负载转矩应限制在: TL72.9570%51Nm 确定传动比: 2.745 选2.75 （6）校核 电动机的转速范围 nMmax7202.751980r/min nMmin802.75220r/min,额定转差率 s0.04 工作频