变频拖动系统及其应用PPT演示课件

1、1,第4章 变频拖动系统及其应用,2,第4章 变频器拖动系统及其应用,4.1 后的电动机 4.2 变频器应用的基础知识 4.3 变频拖动系统的基本规律 4.4 恒转矩负载的变频调速 4.5 重力负载的变频调速 4.6 恒功率负载的变频调速 4.7 二次方率负载的变频调速,3,4.1 变频后的电动机,电动机的铭牌数据 额定电压、额定电流 额度容量、额定转矩 转速、效率、功率因数 电动机的定额 根据负载不同可以分为：连续、断续短时,4,4.1 变频后的电动机,变频电动机 有专用冷却风扇 输出轴较长 磁路余量大 加强槽绝缘 增加轴承的绝缘,5,电动机的有效转矩线,有效转矩线的概念 额定工作点 有效工

2、作点 有效转矩线,6,2.5 变频调速的有效转矩线,有效转矩线的概念 有效转矩线与工作点,7,电动机的有效转矩线,有效转矩线的概念 有效转矩线与工作点 拖动系统的工作点是有由负载的机械特性曲线和电动机机械特性曲线的交点决定。 要使拖动系统在全调速范围内都能够正常运行，必须使有效转矩线把负载的机械特性曲线的运行段包括在内,8,电动机的有效转矩线,有效转矩线的概念 理想有效转矩线：变频器在额定频率以下工作时，通过合适的转矩补偿，都能够在全频率范围内得到理想的恒转矩有效转矩线,9,电动机的有效转矩线,电动机的发热与散热 电动机的功耗：功耗是导致电动机发热的原因。电动机各部分的损耗随频率而变化。 铜损

3、PCu由于电动机允许长时间通过的电流（额定电流）是不变的，所以铜损PCu的大小与频率无关,10,电动机的有效转矩线,电动机的发热与散热 铁损PFe频率下降时，铁心的涡流损失和磁滞损失都有所减小，故铁损pFe将随频率的下降而减少。 机械损失Pme转速下降，机械的磨擦损失和通风损失也都减少。 综合起来，电动机的功耗P和频率的关系如图中之曲线所示,11,电动机的有效转矩线,12,电动机的有效转矩线,电动机的散热 普通电动机中，主要是靠转子的扇叶来进行通风散热的。显然转速越低，风量越小，散热也就越差。 实际的有效转矩： 综合上述，电动机的有效转矩与频率的关系如图曲线所示。 如果能够充分改善散热条件（如

4、外加强迫通风）就可以得到如图中曲线所示的恒转矩的有效转矩线,13,电动机的有效转矩线,14,额定频率上的有效转矩线,fXfN时的特点 输出电压不变：因为变频器的输出电压不可能超过电源电压，所以，当fXfN时，其输出电压不可能和频率一起上升，而只能保持恒值：U1XUS 主磁通减小：由于U1XUS ，反电动势E1X的大小也基本不变。所以，当fXfN时，随着fX的上升，U/f比将下降，主磁通1也将减小,15,额定频率上的有效转矩线,fXfN时的特点 允许电流不变：电动机的额定电流是由电动机的允许温升决定的，所以，不管在多大的频率下工作，电动机的允许工作电流是不变的。 电动机的输入功率基本不变：因为电

5、动机的输入电压和允许电流都不变，功率因数的变化不大，所以，当频率fX上升时，其最大输入功率的大小基本不变,16,额定频率上的有效转矩线,由于最大输入功率不变，如假设电动机的效率也不变，则电动机的输出功率基本不变。所以，在额定频率以上的有效转矩线具有恒功率的特点。即有效转矩的大小与转速成反比,17,额定频率上的有效转矩线,18,全频范围的有效转矩线,19,4.4 恒转矩负载的变频调速,任何机械在运行过程中，都有阻碍运动的力或转矩，称之为阻力或阻转矩。负载转矩在极大多数情况下，都呈阻转矩性质。 因此，所谓负载的机械特性，也就是负载的阻转矩与转速的关系。在分析负载的机械特性时，首先应弄清其阻转矩是怎

6、么形成的，然后再分析当转速变化时，阻转矩的变化规律,20,恒转矩负载的特点,带式输送机是恒转矩负载的典型例子。负载的阻力来之于皮带与滚筒间的摩擦力，作用半径就是滚筒的半径。故负载阻转矩的大小决定皮带与滚筒间的磨擦阻力和滚筒的半径,21,恒转矩负载的特点,22,恒转矩负载的特点,这里所说的转矩大小的是否变化，是相对于转速变化而言的，不能和负载轻重变化时，转矩大小的变化相混淆。 恒转矩负载的特点是:负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关。拿带式输送机来说，当传输带上的物品较多时，不论转速有多大，负载转矩都较大；而当传输带上的物品较少时，也不论转速有多大，负载转矩都较小,23,恒转矩

7、负载的特点,恒转矩负载的启动 恒转矩负载启动通常是重载启动 重载启动时可以预置启动频率,24,25,恒转矩负载的调速范围,调速范围和负载率的关系 负荷率是指电动机轴上的负载转矩TL（负载折算到电动机轴上的转矩）与电动机额定转矩TMN的比值,26,恒转矩负载的调速范围,27,恒转矩负载的调速范围,由图知，在拖动恒转矩负载时，允许的工作频率范围是和实际的负荷率有关。 实际负荷率越大，允许的工作频率范围越小，反之，实际负荷率越小，则工作频率范围越大,28,恒转矩负载的功能预置要点,上下限频率的预置要点 上限频率的预置：上限频率应尽量接近基本频率。 上限频率低于基本频率，电动机的有效输出功率将减小；上

8、限频率高于基本频率，电动机的有效转矩将减小； 下限频率预置： 下限频率应尽量提高,29,恒转矩负载的功能预置要点,加减速时间预置 启动、制动不频繁的负载 加速时间预置以启动电流不超过允许范围为准，减速时间预置以制动直流电压不超过允许范围为准。 频繁启动、制动的负载 加减速时间尽量短，但应防止不必要的跳闸，可以预置加减速防止跳闸功能，特殊需要接入制动电阻,30,4.5 重力负载的变频调速,重力负载就是负载具有一定的势能，典型代表是起重机械和向下传输的传动带。这类负载本身的重力加速度会改变电动机的运行状态,31,重力负载的特点,32,重力负载的特点,在起升机构中，主要有三种转矩: 电动机的转矩TM

9、：主动转矩，其方向可正可负; 重力转矩TG：重物及吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊钩等的重量G与卷筒半径r的乘积，TG的方向永远是向下的。 磨擦转矩T0：由于减速机构的传动比较大，减速机构的磨擦转矩（包括其他损失转矩）不可忽略。磨擦转矩的特点是，其方向永远与运动方向相反,33,变频调速系统的四象限运行,34,起升过程中电动机的工作状态,重物上升 重物的上升，完全是电动机正向转矩作用的结果。 当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，电动机处于再生制动状态，其转矩变为反方向的制动转矩，使转速迅速下降,35,起升过程中电动机的工作状态,空钩（包括轻载）下降 空钩（或轻载）时，由于受减速

10、机构的磨擦转矩的阻碍，重物自身将不能下降，必须由电动机反向运行来实现。电动机的转矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第象限,36,起升过程中电动机的工作状态,重载下降 重载时，重物自身的重力将超过磨擦转矩，具有依靠自重而下降的能力，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是反转（下降）的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的,37,起升过程中电动机的工作状态,溜钩的防止 提升机构中，由于重物具有重力的原因，如没有专门的制动装置，重物在空中是停不住的。为此，电动机轴上必须加装制动器，常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。多数制动器都采用常闭式的，即线圈断电时制动器

11、依靠弹簧的力量将轴抱住，线圈通电时松开,38,起升过程中电动机的工作状态,39,起升过程中电动机的工作状态,在重物开始升降或停住时，要求制动器和电动机的动作之间，必须紧密配合。 由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要时间（约0.6s，因电动机的容量大小而异），而电动机转矩的产生或消失是在通电或断电瞬间就立刻反映的。因此两者在动作的配合上极易出现问题。如电动机已经通电，而制动器尚未松开，将导致电动机的严重过载；反之如电动机已经断电，而制动器尚未抱紧，则重物必将下滑，即出现溜钩现象,40,起升过程中电动机的工作状态,变频调速系统中的防溜钩措施 变频器防止溜钩的基本指导思想，是让上述

12、过程在很低的频率下进行，从而使电动机的电流和闸瓦的摩擦大为减小,41,42,4.6 恒功率负载的变频调速,各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一。 其工作特点是：为了保证在卷绕过程中，被卷物的物理性能不发生变化，随着“薄膜卷”的卷径不断增大，卷取辊的转速应逐渐减小，以保持薄膜的线速度恒定，从而也保持了张力的恒定,43,4.6 恒功率负载的变频调速,44,恒功率负载调速时的主要问题,以某卷取机为例:负载的转速范围为53318r/min，电动机的额定转速为960r/min，传动比3。其机械特性如图所示,45,恒功率负载调速时的主要问题,最高转速时的负载功率TLTLmin10Nm nLnLma

13、x960 r/minPL TLmin nLmax/9550 1kW 最低转速时的负载功率TLTLmax60Nm nLnLmin159r/min PL TLmaxnLmin/9550 1kW,46,恒功率负载调速时的主要问题,所需电动机的容量: 电动机的额定转矩必须能够带动卷径最大时的负载转矩:TMN TLmax60Nm 电动机的额定转速必须满足负载的最高转速:nMNnLmax960r/min,47,恒功率负载调速时的主要问题,电动机的容量应满足:PMN TLmax nLmax 6kW 选PMN7.5kW可见，所选电动机的容量比负载实际所需功率增大了7.5倍。 这是因为，电动机既要满足负载的最大

14、转矩，又要满足负载的最高转速,48,电动机容量与传动比的确定,电动机在fXfN时的有效转矩线也具有恒功率性质，所以，应该尽量利用电动机的恒功率区来带动恒功率负载，使两者的特性比较吻合,49,电动机容量与传动比的确定,fX2fN时的电动机容量 当fmax2fN时，因为电动机的最高转速比原来增大了一倍，则传动比也必增大一倍，为6。 因为2，所以负载转矩的折算值减小了一半:TMNTLmax30Nm 虽然电动机的最高转速增大了，但额定转速未变，故: PMN=TMN* nMN 3kW 取PMN3.7kW，电动机的容量减小了一半,50,51,电动机容量与传动比的确定,如果最高频率达到额定频率的3倍，则可进

15、一步将电动机的容量减小为2.2kW ; 电动机如果长时间在过高频率下工作，会引起轴承磨损及动平衡等方面的问题，一般不推荐在2倍频率以上运行。但卷取机在最高频率下运行的时间极短，随着半径的迅速增大，卷辊的转速将迅速下降,52,卷绕机械的变频调速控制方案,张力闭环控制,53,4.7 二次方率负载的变频调速,二次方律负载的典型实例是离心式风机和水泵。 这类负载大多用于控制流体（气体或液体）的流量。由于流体本身无一定形状，且在一定程度上具有可压缩性（尤其是气体,54,4.7 二次方率负载的变频调速,转矩特点负载的阻转矩TL与转速nL的二次方成正比:TLTnL2 功率特点负载的功率PL与转速nL的三次方

16、成正比:PL KPnL3 以上两式中，KT和KP分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数,55,4.7 二次方率负载的变频调速,56,4.7 二次方率负载的变频调速,事实上，即使在空载的情况下，电动机的输出轴上，也会有损耗转矩T0和损耗功率P0，如磨擦转矩及其功率等。 严格地讲，其转矩表达式应为:TLT0KTnL2 功率表达式为:PLP0KPnL3,57,4.7 二次方率负载的变频调速,58,风机变频调速要点,主要功能预置： 最高频率 不能超过电动机额定频率 上限频率 根据需要设定 下限频率 风机在频率较低时风压很小，因此二次方率负载下限频率一般不低于25Hz。 转矩提升 风机是低速时转矩最小的

17、一类负载，可选最低档的U/F线,59,60,风机变频调速要点,主要功能预置： 升、降速时间 风机负载惯性较大，一般都是连续运行，对动态性能要求不高，因此升、降速时间预置可以长一些，以启停过程中不产生过流、过压故障。 升、降速方式 启动转矩小，升速可以快，但随着转速加大，接近额定转速时转矩较大，加速过程应放缓，加速方式可采用半S加速。降速通常预置为线性方式，预防水锤现象,61,风机变频调速要点,62,水泵变频调速功能预置,最高频率 不能超过电动机额定频率 上限频率 从节能角度设为49.5Hz 下限频率 水泵的扬程（出水压力）与转速有关，转速太低，水泵出水压力达不到实际扬程而不出水，因此下限频率需

18、根据需要设置。 转矩提升 离心式水泵在低速时阻转矩比风机大，可选减低U/F线中稍高者,63,水泵变频调速功能预置,64,变频调速在恒压供水系统中的应用,对供水系统的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量Qg表示）和用水需求（用水量Qu表示）之间的平衡情况有关,当供水能力Qg用水需求Qu，则压力上升（p）； 当供水能力Qg用水需求Qu，则压力下降（p）； 当供水能力Qg = 用水需求Qu，则压力不变 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体

19、压力的变化上,65,66,67,变频调速在恒压供水系统中的应用,所谓恒压供水是指通过闭环控制，使供水的压力自动地保持恒定，其主要意义是： 1、提高供水的质量 2、节约能源 3、起动平稳 4、可以消除起动和停机时的水锤效应,68,变频调速在恒压供水系统中的应用,水泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比,69,变频调速在恒压供水系统中的应用,如果管网系统采用多台水泵供水，变频器可控制其顺序循环运行，并且可以实现所有水泵电机变频软启动,70,变频调速在恒压供水系统中的应用,71,变频调速在恒压供水系统中的应用,采用PID调节的控制方案 变频器的频率给定采

20、用压力闭环PID调节的恒压供水控制。供水压力由压力变送器转换成电流量或电压量，反馈到PID调节器，PID调节器将压力反馈信号与压力给定信号相比较，并经比例（P）、积分（I）、微分（D）诸环节调节后得到频率给定信号，控制变频器的工作频率，从而控制了水泵的转速和泵水量,72,变频调速在恒压供水系统设计,1. 设备选择原则 选择水泵和电机的依据是供水规模（供水流量）。 系统设计还应遵循以下的原则： 蓄水池容量应大于每小时最大供水量。 水泵扬程应大于实际供水高度。 水泵流量总和应大于实际最大供水量,73,变频调速在恒压供水系统设计,1） 设备选用如下： 1）根据设计标准确定用水量标准为0.19m3人日

21、； 2）根据设计标准确定每小时最大用水量为105m3h； 3）根据7层楼高度可确定设置供水压力值为0.36 Mpa。 4）根据用水量确定水泵型号为65LG36-202共3台，水泵自带电动机功率7.5kW, 选用变频器SPF-7.5K，配接SWS供水基板，容量7.5kW,某居民小区共有10栋楼，均为7层建筑，总居住560户，住宅类型为表1中的3型，设计恒压供水变频调速系统,74,75,76,77,工业锅炉燃烧过程的变频调速系统 工业锅炉根据采用的燃料不同，通常分为燃煤、燃油和燃气三种。这三种锅炉的燃烧过程控制系统基本相同，只是燃烧量的调节手段有所区别。对工业锅炉燃烧过程实现变频器调速主要是通过变

22、频器调节送风机的送风量、引风机的引风量和燃料进给量。下面以20t燃煤蒸汽锅炉为例介绍变频器的应用。 燃煤蒸汽锅炉燃烧过程 由于蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，所以控制起来非常困难。我们以燃烧过程控制系统为例来介绍变频器的应用，暂不考虑系统间的耦合,78,79,80,81,82,83,PT、PIC、PT3、PIC3、FT3、FIC3、变频器3组成给煤量控制回路。锅炉运行时，蒸汽压力和蒸汽生产量直接反映了锅炉燃烧发热量，如果煤的进给量改变，在保持最佳燃烧状况的情况下，蒸汽的生产量也会相应改变。所以通过变频器3调节给煤机的转速，就可调节煤

23、的进给量，从而达到控制蒸汽生产量的目的,84,锅炉燃烧控制系统框图: 系统工作原理：当负载蒸汽量变化时，主调节器接受蒸汽压力信号p，输入给煤量调节器，及时调节给煤量，以适应负载的变化。同时，给煤量调节器将负载变化的信号输入给送风量调节器，以保持适当的煤风比例。由于送风量调节器与引风负压调节器之间有动态补偿信号，此时引风负压调节器也同时动作，这样就保证了燃烧控制系统的协调动作，以保证正确的煤风比例和适当的炉膛负压,85,86,该系统送风电动机为380V、30kW交流电动机，引风电动机为380V、75kW交流电动机，给煤电动机为380V、3.0kW交流电动机。根据现场工艺要求，选择日本三菱公司的变

24、频器FR-F540-37K驱动30kW送风电动机，变频器FR-F540-90K驱动75kW引风电动机，变频器FR-F540-3.7K驱动3.0kW给煤电动机。给煤量调节器、送风量调节器和引风负压调节器均采用美国Honeywell公司 的UDC630回路调节器。 本系统通过压力传感器和流量传感器将锅炉的蒸汽压力、蒸汽流量、风量等转换成DC4-20mA信号，送给UDC630回路调节器进行PID调节，然后输出DC4-20mA信号送变频器，以调节电动机转速,87,变频器通电后，根据锅炉系统的实际运行要求，对变频器的功能进行以下设定。 （1）最大频率：50Hz； （2）最小频率：10Hz； （3）基本频

25、率：50Hz； （4）额定电压：380V； （5）加速时间：30s； （6）减速时间：30s； （7）瞬时停电再起动时间：0.5s。 其他功能设定：遵照变频器出厂设定值,88,5.4 印染机械多电机同步调速系统 5.4.1 变频调速在印染行业中应用的特点 变频调速在印染行业中应用有以下特点： 1、运行环境差 印染设备运行环境一般很差，潮湿度大（相对湿度可达90%以上），环境温度高（有时变频器周围温度可达50以上），“织物尘”多，这就要求变频器的防护等级要高，同时变频器及相应的控制设备尽量与印染机械隔离，并增加通风降温设施。 2、工作制式是长期连续工作制 印染机械是长期连续运行的，即要求“常年不

26、停机”，每次停机除减少产量外，还会产生大量的次品，因此要求变频器及相应的电控设备具有长期不出故障的高可靠性,89,3、起动平稳且各电机的起动时间应一致 印染机械一般是多电机同步运行，各电机功率差别较大（从几百瓦到几十千瓦），所带负载差别亦较大，要想使电机同时起动并在相同的时间内达到工艺要求的转速，即各电机在起动阶段就达到同步运行，就要根据电机功率大小及所带负载情况对各变频器的加速时间、起动频率、转矩提升等进行合理的设置。 4、快速制动 由于各电机负载差别较大，若停车时各电机自由运行，会由于惯性差别较大而使各电机完全停车的时间不一致，造成布料撕裂或布料堆积引起机械故障，同时还会对下次开车增加难度

27、。因此除对变频器的有关参数进行合理的设置外，还要根据各变频器的功率配备合理的制动电阻，使各电机快速停车,90,5.4.2 印染机械简介 印染机械有烧毛机、退浆机、退煮漂联合机、打底机、显色皂洗机、水洗机、印花机、布铗丝光机、烘干机等多种，品种千差万别，功能各不相同，电机数量及功率差别较大（电机功率一般在0.6kW40kW范围内），但就其电气传动原理而言，却是大同小异。现以比较简单的LMH101烘干机为例来说明，如图5.4.1所示。 布料经上浆槽由轧车电机拖进1#烘干机，在进行烘干之前，先经过张力架（也叫松紧架），布料从1#烘干机出来之后再经张力架进入2#烘干机，从2#烘干机出来之后经张力架和落

28、布架落入出布车，整个工作过程结束,91,92,在烘干机中通常将轧车电机作为主令单元，而其它电机全部作为从动单元，主令单元没有张力架，是全机速度的基准，各从动单元都有各自的张力架，要根据布张力的大小调整相应电机变频器的给定频率，使之与主令机同步运行。张力架可以上下活动，布料太紧时，张力加大，张力架向下移动，需要使张力架后面的电机变慢或张力架前面的电机变快；布料松时张力减小，张力架向上移动，需要使后面的电机变快或使前面的电机变慢。 应当注意，不一定将第一台电机作为主令机。哪台电机作为主令机应根据电机功率和工艺要求由印染机械制造厂决定，张力架是控制前面的电机还是控制后面的电机应根据主令机的位置及张力

29、架的位置决定,93,5.4.3 传感器 要用张力架的上下移动来直接控制变频器是不可能的，必须用传感器来将张力架的上下移动变成相应的物理量变化，如电阻、电压或电流的变化。用于印染机械的传感器可根据是否与张力架有机械连接分为接触式与非接触式两大类。接触式传感器是由张力架的上下移动而带动旋转的电位器、旋转变压器及各类专用的传感器等，优点是稳定性好，线性度较高；缺点是除旋转变压器外，多数都是由张力架带动线绕电位器旋转，不同的传感器，只是对电阻信号的处理方式不同（可处理成正负电压信号或正负电流信号），电位器体积小，机械强度差，再加上每日24小时连续工作，很容易损坏，故障率较高，并且电位器长期放在潮湿、灰

30、尘多且含有酸碱蒸气的环境中，也是容易损坏的原因之一,94,非接触式传感器主要有超声波传感器、涡流式线位移传感器等，靠非接触式来探测张力架的位置，变成相应的电压信号输出，一般将传感器整体用环氧树脂密封在塑料容器中，与外界彻底隔离，又没有机械接触，故障率很低，被广泛采用，缺点是对温度比较敏感，温度变化对参数影响较大，因此应尽量避免在温差较大的场合使用。 为了保证设备的安全，在张力太大或太小时应全机停车，停车由限位开关来完成，除了主令电机外，其它电机的拖动系统都安装张力架，限位开关和传感器安装在一起，限位开关动作时，发出停车信号，使全机停车。非接触式传感器也可以不装限位开关，根据传感器信号的大小由模拟电子线路驱动中间继电器，再由中间继电器的触点控制停车,95,96,5.4.4 主电路 烘干机四台电机功率为：轧车5.5KW，1#烘干2.2KW，2#烘干2.2KW，落布1.1KW，主电路如图5.4.2所示。 电机容量由印染机械厂提供，为便于同步，一般选用容量较大的电机，即存在着大马拉小车现象，除非机械有故障不会出现过载现象，因此变频器的容量只须与各单元的电动机容量相符即可,97,5.4.5 同步控制电路 印染机械