第7章 变频调速拖动系统PPT学习课件.ppt

第7章变频调速驱动系统7.1异步电动机变频调速原理7.1.1异步电动机变频调速原理1。在异步电动机的三相定子绕组中给旋转磁场馈入三相交流电后，它们合成的磁场为旋转磁场，磁场的转速(即同步转速)n0可由下式表示：(7-1)式中的fI电流的频率；P对磁极的旋转磁场。如果频率调整到fx，同步速度n0 x将相应地调整到(7-2)，这是变频调速的理论基础。异步电动机工作原理图5-1展示了异步电动机的工作原理。定子通电后，形成旋转磁场切割转子绕组，转子绕组中的感应电流方向可根据右手定则判断。载流转子绕组在磁场中受到电磁力，形成电磁转矩T，可根据左手定则判断T的方向。在T的作用下，转子随着定子的旋转磁场旋转。图7-1异步电动机、2、3的工作原理。异步电动机的速度和转差率。只有当旋转磁场与转子绕组发生相对运动时，转子绕组才能切断磁力线，从而产生感应电流，形成电磁转矩。因此，在转子速度n和旋转磁场速度n0之间必须有一个差值，我们称之为转差率，用n表示，即(5-3)。异步电动机的实际速度是n，n总是小于n0，异步电动机的“异步”就来自于此。滑差n0n与同步速度n0的比值称为滑差，用s表示，即(5-4)。异步电动机的速度n的表达式可以从上面的公式(5-5)，3，7.1.2三相异步电动机的机械特性中推导出来，这是指电动机运行时其速度与电磁转矩之间的关系，即n=f (t)。三相异步电动机的机械特性曲线如图7-1所示。图7-1三相异步电动机、4、1的机械特性曲线。起动转矩Tst在点n=0(s=1)，T=Tst，该点的转矩称为起动转矩Tst，也称为堵转转矩。当电机的负载扭矩大于Tst时，电机不会启动。2.额定扭矩TN为n=nN(s=sN)和T=TN。此时的扭矩称为额定扭矩TN。当电机以额定转矩TN工作时，sN通常在0.02和0.06之间。当转速在小范围内变化时，转矩可以在大范围内变化，也就是说，当电机以额定转矩TN工作时，电机具有非常硬的机械特性。最大扭矩TM在n=nL(s=S1)和T=TM的点处。此时的扭矩称为最大扭矩TM。TM的大小代表电机的过载能力，用过载倍数表示，=TM/TN。在任何情况下，电机的负载转矩都不能大于转矩，否则电机速度将急剧下降，导致电机停止失速。因此，这个点被称为临界速度点。临界转速nL的大小决定了L点的上下位置，因此反映了机械特性的硬度。起动三相异步电动机时，定子电流Ist也很大，一般达到额定电流IN的4 7倍。除了小容量三相异步电动机的直接起动之外，通常还采用不同的起动方法。变频器通过降低频率f1从而降低U1来启动电机。如图7-2所示，显示了低频启动时电机的机械特性曲线。图7-2三相异步电动机低频起动、7、7.1.4制动时电动机的机械特性曲线，电动机的制动状态是指电磁转矩t与转速n. 1相反的状态。DC制动电机制动时，切断电机三相电源，将DC注入定子绕组，产生恒定磁场，如图7-3所示。a)直流制动原理b)直流制动机械特性曲线7-3直流制动原理和机械特性2。som的反馈制动图7-4反馈制动、9、7.2异步电机调速方式、7.2.1异步电机1调速的机械特性曲线。调速和变速1)调速是在负载不变的情况下，根据生产过程的要求，人工强制改变拖动系统的速度。2)速度变化速度变化是由于负载变化引起的，负载变化导致拖动系统的速度变化。速度调节指数1)速度调节范围是指电机在额定负载下能够达到的最高速度nLmax和最低速度nLmin的比值，即(7-4)2)速度调节平滑度是指两个相邻速度水平的接近程度。3)调速特性静态特性主要指调速后机械特性的硬度。工程中常用静态增量来表示(7-5)动态特性是指过渡过程中的性能。1.三相异步电动机的变极调速属于分步调速，是通过改变磁极数P来实现的。2.可变转差速度调节可变转差速度调节通常适用于绕线异步电动机或转差电动机。有许多具体的实现方法，如转子串联电阻串级调速、调压调速、电磁转差离合器调速等。然而，随着S的增加，电机的机械特性变软，效率变低。异步电动机等效电路图5-2异步电动机定子和转子的等效电路在图5-2中，U1是定子的相电压。I1是定子的相电流；R1是定子各相绕组的电阻；X1是定子各相绕组的漏抗；E2s、I2s和x2s分别是转子电路中产生的电动势、电流和漏抗。E1是定子绕组每相的反电动势，它是通过切割定子绕组的旋转磁场而产生的，其有效值计算如下：(7-6) kN1具有与绕组结构相关的常数；N1每相定子绕组的匝数。(2)变频调速的要求由公式(7-6)给出。如果它是恒定的，(7-7)忽略定子绕组的阻抗电压降，如果f1减小，可能会增加。这会导致电机铁芯深度饱和，使电机无法正常工作。为了实现恒定的频率降低，当施加到定子绕组的电压同时降低到额定频率以下时，即频率调制时，必须有恒定的控制。为了选择不同负载类型的变频器，电力驱动系统中有两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩TL，另一个是电机的电磁转矩T。两个扭矩和转速之间的关系分别称为负载的机械特性n=f (t1)和电机的机械特性n=f(t)。由于电机和生产机械紧密相连，它们的机械特性必须适当匹配，以获得良好的工作条件。恒扭矩负载特性恒扭矩负载是指那些扭矩仅取决于负载重量且与转速无关的负载。带式输送机和起重机械是恒转矩负载的典型例子。A)b)图7-8恒定扭矩负载的机械特性和功率特性a)机械特性b)功率特性、16、2。恒转矩负载的基本特性1)恒转矩由于f和r都与转速无关，负载的阻力转矩TL在调节转速nL的过程中保持不变。也就是说，它具有恒定转矩的特性：TL=恒定2)负载功率与转速成比例。根据负载的机械功率P1、转矩T1和转速nL之间的关系，有：(7-12)3。1)根据速度范围选择恒转矩负载下变频器。2)根据负载转矩的变化范围。3)考虑载荷对机械特性的要求。选择恒功率负载变频器意味着负载转矩T1的大小与转速n成反比，而其功率基本保持不变。这些负载包括：1)各种卷发器；2)高速轧制，但轧制小块时扭矩低；a)机械特性b)功率特性图7-10恒定功率负载的机械特性和功率特性、18、恒定功率负载的特性，(1)恒定功率负载的力f必须保持恒定，线速度v必须保持恒定。因此，在不同的转速下，负载的功率基本上是恒定的：pl=Fv=常数(2)负载阻力矩的大小与转速成反比，负载阻力矩的大小由公式TL=Fr(7-13)中的F绕组的张力决定；R待缠绕物体的缠绕半径。根据负载的机械功率P1、扭矩P1和转速nL之间的关系，存在：(7-14)即，负载阻力扭矩的大小与转速成反比。恒功率负载变频器的选择对于恒功率负载，可以选择带V/f控制模式的通用型变频器。然而，对于具有高动态性能要求的卷取机，必须采用具有矢量控制功能的变频器。二次型负载变频器的选择是指转矩与速度的二次型成正比变化的负载，如风扇、风扇、泵、螺旋桨等机械的负载转矩，其机械和功率特性如图7-12所示。a)机械特性b)功率特性图7-12二次定律负载的特性，二次定律负载的特性，二次定律负载机械在低速时由于流体流速低，所以负载转矩很小，随着电机转速的增加，流速增加很快，负载转矩和功率也在增加，负载转矩TL和功率PL可以用下面的公式表示：(7-15)(7-16)，其中T0和P0分别是电机轴上的转矩损失和功率损失；KT和KP分别是二次定律负载的转矩常数和功率常数、22、2。二次型负载逆变器的选择可以是“风机水泵逆变器”。这是因为：1)风扇和水泵一般不容易过载，所以这种变频器的过载能力相对较低。120%，1分钟(一般逆变器为150%，1分钟)。因此，在预设功能时必须注意。由于负载转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于额定频率时，负载转矩可能大大超过变频器的额定转矩，从而使电机过载。因此，最高工作频率不得超过额定频率。2)配置了多种控制的切换功能。3)配置了其他一些特殊的控制功能，如“睡眠”和“唤醒”功能以及PID调节功能。线性负载逆变器、轧机和轧机的选择都是线性负载。1.线性规律载荷及其特性(1)扭矩特性。负载阻力扭矩TL与转速nL成正比：(7-17)(2)功率特性。负载的功率P1与转速nL的二次方成比例。(7-18)，以及线性规律负载转矩常数和功率常数。机械特性曲线如图7-13所示。A)滚压机示意图B)机械特性C)功率特性图7-13线性规律负载及其特性、25、2。虽然变频器选择的线性规律负载的机械特性也具有典型意义，但考虑变频器时的基本点与二次规律负载相同，因此不作为典型负载讨论。选择特殊负载变频器时，大多数金属切削机床属于混合特殊负载。1.由于工件的最大加工半径与最大允许切削力相同，混合特殊载荷的金属切削机床的低速段及其特性具有恒转矩特性。然而，在高速段，由于机械强度的限制，切削功率将保持不变，属于恒功率特性。特殊负载的机械和功率特性如图7-14所示。a)机械特性b)功率特性图7-14混合负载的机械特性和功能特性。变频器金属切割机的选择除了切割毛坯时负载大小变化大之外，其他切割过程中负载的变化通常很小。在切割精度方面，选择此外，无反馈的矢量控制方法可以克服矢量控制方法的缺点。只有当机床对加工精度有特殊要求时，才考虑反馈矢量控制。7.4.1拖曳系统的组成图7-15拖曳系统的组成图5-17。图5-17电机与负载连接的速度变化量是通过传动比来测量的，通常用于表示公式中的：(7-31)nmax 电机的最高转速；nLmax负载的最大速度。2.拖动系统的参数转换T