电力拖动变频调速

1、一变频器技术的发展史1.1我国电气传动与变频调速技术的发展简史电气传动控制系统通常由电动机、 控制装置和信息装置三部分组成。 电气传 动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动 分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。 不调速电动 机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多 地改用调速传动以节约电能（节约 15%- 20%或更多），改善产品质量，提高产 量。在我国60%勺发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业， 一直得到国家重视，目前已

2、有一定规模。近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技 术的出现使频率变为可以充分利用的资源。1.2变频调速控制系统的优势与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流 拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制， 可以实现大 范围的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起 停运转，可以进行电气制动，可以用一台变频对多台电动机进行调速控制，电源功率因素大，所需电源容量小，可

3、以组成高性能的控制系统等等。二变频器的介绍及同步电机原理2.1变频器的基本构成变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的 电能控制装置。变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变 换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交 流的变频器，其直流回路滤波是电感。主电路是给异步电动机提供调压调频电源 的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类： 电压型是将电压源的直流 变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为 交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸

4、收在变流器和逆变器产生的电压脉动的 “平波回路”， 以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。变频器的发展已有数十年的历史， 在变频器的发展过程中叶曾出现过多种类型的变频器， 但是目前成为市场主流的 变频器基本上有相似的基本结构。2.2变频器内部电路的基本功能一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工 频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。 整流 电路按其控制方式可以使直流电压源也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要 元器件是

5、大容量的电解电容，而当整流电路是电流源时平滑电路则主要由大容量 电感组成。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电 阻以及其它辅助电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基极）驱动电路、外部接口电力以及保护电路等几个部分，也是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。恐慌之际电路的主要作用是将检测电力得到的各种信号送至运算电路， 使运算电路能够根据要求为变频器主电 路提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D, D/A等外部接口电路接收/发送 多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备配 合进行各种高性能的控制。2.

6、3变频器的种类按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时，变频器可以分 为电压型变频器和电流型变频器。按照开关方式分类。当谈到变频器的开关方式 时通常讲的都是变频器逆变电路的开关方式。而在按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类时，则变频器可以分为 PAV控制方式，PWM可控制方式和高载频 PWM控制方式三种。按照工作原理分类。当按照工作原理对变频器进行分类时， 按变频器技术的发展过程可以分为 v/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制 方式三种。2.4变频器的选择变频器连续运转时所需的变频器容量应满足気2 1功式中：错误！未找到引用源。一一负载所要求的电动机的输出功率；y 电动机的

7、效率（通常为 0.85）；错误！未找到引用源。一一电动机的功率因数（通常约为 0.95）；错误！未找到引用源。一一电动机的电压，V;错误！未找到引用源。一一电动机的电流，A；k 电流波形修正参数；错误！未找到引用源。一一变频器的额定容量，kVA;错误！未找到引用源。一一变频器的额定电流，Ao根据电动机铭牌数据计算如下：Pntk-人/y * cos fl = 1 x 2.2/（0.8S X 0J5） = 2.7 kVA陰 2 k X 1.732ULL X MT = 1X 1.732 X 380 X 5.2 x KT = 3.4 kVA k * Im = 1 X 5.2 = S.2 A所以选择普通

8、功能U/f控制的变频器，在此选择变频器的类型为阿尔法ALPHA2000-32R2GB容量：4kVA 电流：6A,完全满足以上计算要求。2.5与保护有关的功能由于在变频调速系统中，驱动对象往往相当重要，不允许发生故障，随着变 频器技术的发展，变频器的保护功能也越来越强，以保证系统在遇到意外情况时 也不出现破坏性故障。在变频器的保护功能中有些功能是通过变频器内部的软件和硬件直接完成 的，而另外一些功能和则与变频器的外部工作环境有密切关系。它们需要和外部信号配合完成，或者需要用户根据系统要求对其动作条件进行设定。前一类保护功能主要是对变频器本身的保护，而后一类保护功能则主要是对变频器所驱动的 电动机

9、的保护以及对系统的保护等内容。2.6同步电机结构及原理同步电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组 成。下图给出了最常用的同步发电机的结构模型， 其定子铁心的内圆均匀分布着 定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子定科规励磁望组又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心 和电枢绕组。图中用 AX BY CZ三个在空间 错开120电角度分布的线圈代表三相对称交 流绕组。2.7同步电机的运行方式同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 同 步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以 提高运行效

10、率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机的突出优点：控制励磁来调节它的功率因数，可以使功率因数高到1.0， 甚至超前。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。三普通车床主轴的变频调速3.1普通车床的主要功能与构造普通车床以加工圆柱体为主，如：加工圆柱体的外圆、内圆及端面；圆柱体 的钻孔和扩孔；在外圆与内圆表面车削螺纹，等。如图3-1所示，主要部件有：图3-1 普通车床的构造3.2普通车床的拖动系统普通车床的运动系统普通车床的运行系统主

11、要包括以下两种运动：1. 主运动 工件的旋转运动为普通车床的主运动， 带动工件旋转的拖动系统 为主拖动系统。2. 进给运动主要是刀架的移动。由于在车削螺纹时，刀架的移动速度必须 和工件的旋转速度严格配合，故中小型车床的进给运动通常由主电动机经进给传 动链而拖动的，并无独立的进给拖动系统。普通车床主拖动系统的机械特性主拖动系统的阻转矩就是工件在切削过程中形成的阻转矩。理论上说切削功率用于切削的剥落和变形。故切削力正比于切削的材料性质和截面积，截面积由切削深度和走刀量决定。而切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其 大小与切削深度，进刀量，工件的材质与直径等有关综上所述，普通车床的机械特性如

12、图 3-2所示。图3-2车床的负载机械特性图中，D点以下是恒转矩区；D点以上是恒功率区。D点是分界点，一般来 说，大约在错误！未找到引用源。2处(错误！未找到引用源。是分界点的转速， 错误！未找到引用源。是最高转速)。但考虑到低速车削通常为粗加工，切削量 较大。尤其是车削毛坯时，由于同心度较差和表面的不光滑，常会遇到较大的冲 击力。所以，在实际处理时，通常取：错误！ 未找至V 引用源。 /4(1-1)主拖动系统的负载功率如图3-2，主拖动系统的负载功率取决于高速段任一点转矩与转速的乘积： 错误！未找到引用源。P=错误！未找到引用源。/9550=错误！ 未找 到引 用 源。 /9550(1-2)

13、由图可知，错误！未找到引用源。的大小与面积OAD成正比。3.3车床主拖动的变频调速系统对变频调速系统的基本考虑(1) 由于调速范围很广，且要求有比较硬的机械特性。所以，以选用矢量 控制方式为宜。对于普通车床来说，由于对动态响应要求不高，用“无反馈矢量 控制”方式已经足够。(2) 因为调速范围广，且高速段与低速段机械特性的特点不一样，故工作 频率范围应不限于额定频率以下。(3) 电动机的容量一般应此比原拖动系统的电动机容量为大(详见下速)。(4) 如上述，在低速段，可能出现较大的冲击过载，容易引起变频器的跳 闸。所以，变频器的容量以比电动机容量大一档为好。2.3.2 档传动比，且错误！未找到引用

14、源。方案1. 基本工况(1) 电动机和主轴之间的传动比只有一档，传动比错误！ 未找至V引用源。(1-4)(2) 变频器的最大输出频率 错误！未找到引用源。 等于电动机的额定频率 错误！未找到引用源。从而，电动机的最高转速 错误！未找到引用源。，它折 算到负载轴上的值错误！未找到引用源。应大于负载要求的最大转速错误！未找 到引用源。：错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。(1-5)电动机额定转矩的折算值(折算到负载轴上的转矩)错误！未找到引用源。应大于负载的最大转矩的 错误！未找到引用源。；错误！未找至V 引用源。(1-6)图4-3 一档传动比，且泾咕时电动机的有效转矩线和车床的机械特性曲线

15、1负载机械特性曲线2 鸟怪百时电动机的有效转矩线综上所述，电动机的优先转矩线如图 2-3的曲线2所示，曲线1是车床的机 械特性曲线。为了便于比较，图中，电动机的转矩和转速均为折算到负载轴上的 值。2. 电动机的容量在图2-3中，负载所需功率错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 错误！未找至V引用源。(1-7)其大小与面积OAD成正比。而电动机的容量则与面积 OAHG成正比，其大小为： 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错 误！ 未 找 至V 引 用 源。(1-8)可见，采用了变频调速以后，电动机的容量需增大 错误！未找到引用源。倍 以上。3. 电动机的工作频率范围(1) 最高频率 错

16、误！未找到引用源。(2) 最低频率 因为只有一档转速，故频率调节范围 错误！未找到引用源。 为：错误！未找到引用源。(1-9)当错误！未找到引用源。时，错误！未找到引用源。当错误！未找到引用源。时，错误！未找到引用源。异步电动机在这样低的频率下连续工作，如不用负载反馈，是比较困难的。2.3.3 档传动比，且错误！未找到引用源。方案1. 基本工况(1) 电动机和主轴之间的传动比仍只有一档，但变频器的最高输出频率 错误! 未找到引用源。允许超过额定频率 错误！未找到引用源。但一般不宜超过额定 频率的1.5倍(即：错误！未找到引用源。)。设最大调频比错 误！ 未 找 到 引 用 源。(1-10)贝电

17、动机的最高转速 错误！未找到引用源。也约为额定转速 错误！未找到 引用源。的错误！未找到引用源。倍：(1-11)错误！未找到引用源（2）电动机的额定转速错误！未找到引用源。（1-12）电动机的有效转矩线如图2-4中的的曲线2所示。曲线1为车床的机械特性图2-4 档传动比，且工进其叫、时电动机的有效转矩线和车床的机械特性曲线1负载特性曲线2仏熾於冷时电动机的有效转矩线2. 电动机的容量 如图2-4，电动机的容量与面积 OAHG成正比，其大小为 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错 误！ 未 找至V引 用 源。（1-13）可见，频率范围过大之后，电动机的容量可以比 错误！未找到引用源。减 小

18、错误！未找到引用源。倍，但与负载功率相比，仍需增大很多。3. 电动机的工作频率范围设：最高频率为错误！未找到引用源。，则最低频率为当错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。；当错误！未找到引用源。；两档传动比，且错误！未找到引用源。方案1. 基本工况 将电动机和主轴之间的传动比分成两档（且 错误！未找到引用 源。），使变频器的输出频率 错误！未找到引用源。、电动机的转速错误！未找 到引用源。与负载转速错误！未找到引用源。之间的对应关系见表1-1。表1-1 频率、电动机转速与负载转速间的对应关系工作频率电动机转速低挡传动比负载转速高档传动比负载转速LmidLdtiid表中，错误！未找到引用源。

19、是两档转速分界点的“中间速”。在低速档时，传 动比为错误！未找到引用源。，当错误！未找到引用源。从错误！未找到引用源。 到错误！未找到引用源。（错误！未找到引用源。从错误！未找到引用源。到错 误！未找到引用源。）时，错误！未找到引用源。从错误！未找到引用源。到错 误！未找到引用源。；在高速档时，传动比为 错误！未找到引用源。，当错误！ 未找到引用源。从错误！未找到引用源。到错误！未找到引用源。（错误！未找到引用源。从错误！未找到引用源。到错误！未找到引用源。）时，错误！未找到引用源。从错误！未找到引用源。到错误！未找到引用源。忽略电动机转差率变化的因素，则有：错误！未找到引用源。(1-14)错

20、误！未找到引用源。(1-15)错误！未找到引用源。(1-16)作为两档之间的分界转速（中间速）错误！未找到引用源。(1-17)所以，电动机工作频率的范围错误！未找至寸引用源。（1-18）可见，米用两档传动比后，在负载的速度范围不变的情况下，工作频率的调 节范围大大地缩小了采用与两档传动比后，在全频率范围内的有效转矩线如图2-4中之曲线2所示,曲线1为车床的机械特性曲线。可以看出，两者已经十分接近了。图2-4 ;两档传动比的机械特性1 负载特性的机械特性2 .：: ： ；且两档传动比时2. 电动机容量 电动机的容量与面积 OAH成正比，如图2-4所示。其大小为错误！未找到引用源。错误！未找到引用

21、源。错误！未找到引用源。错 误！ 未 找至V引 用 源。(1-19)可见，采用两档传动比后，电动机容量可比 错误！未找到引用源。减小错 误！未找到引用源。倍。3. 电动机的工作频率范围设：最高频率为错误！未找到引用源。，则最低频率为当错误！未找到引用源。当错误！未找到引用源。可见，最低工作频率增大了很多，使变频调速系统在最低速时的工作稳定性 大大改善了3车床的变频调速3.1选择电动机型号1. 电动机的主要额定数据(1) 额定容量 2.2kW;额定转速 1440r/min ；(3) 过载能力 2.52. 考虑到电动机的额定容量和过载能力， 选择了 YTSP100L1-4型变频调速 三相异步电动机

22、。1) 简介YTSP系列变频调速三相异步电动机电动机是为配合国外各类高性 能的IGBT脉宽调制变频器而特殊设计的，使用时一般不需配用外接滤波器。电动机的各项性能指标同国外20世纪80年代水平相当，其基本技术条件符 合IEC34-1和GB755国际和国家标准的规定。电动机噪声低、振动小、调速范 围广、外观新颖。YTSP系列变频调速三相异步电动机集国内外同类产品之优点，采用计算机 辅助设计技术进行设计进行设计。 为了使电动机能适应PWM变频电源供电的状 况，在设计上，对定子、转子槽型和定子绕组分布形式做了特殊的考虑，以期获 得一个较为合适的电感值，来抑制和减小时间谐波和由其一起的一系列电动机空 间

23、谐波所产生的不良影响。电动机的电磁负载设计也考虑了一定的裕度，这样， 既能保证电动机在高频时的过载能力，又能在低频运行时仍能保持恒转矩输出。YTSP系列变频调速三相异步电动机绝缘结构的设计，考虑了采用IGBT的PWM变频器的高载波频率的影响。由其是匝间绝缘，为了能够承受由高电压上 升率在线圈匝间反复施加的陡度极大的冲击电压所导致的严酷考验，采用了特殊措施予以加强。在结构设计方面，YTSP系列的安装尺寸与丫系列相同，以便用户的配套和 选用。系列的冷却方式有两种：一种为IC411系列，可以保证在该系列规定的频 率范围(1070HZ)内实现恒转矩恒功率调速，并保证在此条件下长期运行，电 动机绕组温升

24、不超过允许值。另一种IC416系列，该系列使用单独的轴流风机强 迫通风，保证了电动机在低速(12HZ)时恒转矩长期运行温升不超过允许值。YTSP系列变频器三相异步电动机出厂试验时均采用变频器电源供电，符合 实际使用工况。2) 主要技术性能(1) 电动机为连续工作制S1 电动机的额定电压为380V、频率为50Hz。也可以给据用户要求确定额定 点的电压和频率。（3）电动机的绝缘等级为F级或H级，绝缘结构具有对变频器输出高载波频 率电压的适应能力。 电动机调速范围广。IC411系列可在1050HZ下实现恒转矩调速， 5070HZ下实现恒功率调速；IC416系列在开环 U/f控制的条件下，可实现 35

25、0HZ时的恒转矩调速，50100HZ（315、355机座号的4极电动机为5070HZ） 时的恒功率调速；在矢量控制的条件下，调速范围还可以扩大。（5）过载能力强。能够承受额定转矩 160%过载，历史1min。 低速性能好。低速时性能平滑，无爬行现象。（7）电动机的接线方式，250及以下机座号为Y联结，280及以上机座号 联结。3）结构形式 电动机的外壳防护等级为IP4 4,也可以按用户需要制成IP54: 电动机的冷却方式分为全封闭外表轴向自扇冷却（IC411）及全封闭带单独轴流 风机的外表轴向风机冷却（IC416）两种，也可以按需要制成其他冷却方式；电 动机的结构及安装形式为 LMB3、LMB

26、5、LMB35，并可在这三种基本安装形式 的基础上派生其它安装型式。根据用户要求可带电磁式制动器，齿轮减速机等附件。IC416系列可根据用户要求带各种高分辨率的传感器（光电编码器、旋转变 压器及测速发电机）。4）主要技术数据YTSP100L1-4变频调速三相异步电动机主要技术数据见表3-1 ；表 3-1 YTSP100L1-4 参数表型号功率/KW额定电流/A额定电压/V最大转矩额定转矩/倍转差率（%）重量/KgIC416IC411YTSP100L1-42.25.214.02.54.233303. 2主要计算数据1. 调速范围由式（1-15）得：W 二匸错误！未找到引用源2. 负载转矩（1）恒

27、转矩区由式（1-1 ）得：:.二二二i工!：二.错误！未找到引用源。(2) 在各档转速下的负载转矩见表3-2 (负载功率按错误！未找到引用源。)表3-2各档转度下的负载转矩档次123456转速 /（r/mi n ）801202505008001200转矩/(N.m)76.476.476.438.223.915.9(3) 电动机额定转矩错误！未找到引用源。.八m 1二;:.3.3变频调速方案1. 要求(1) 转速档次及控制方式不变，即仍有手柄的八个位置来控制6档转速。(2) 在高速区，过载能力不低于1.8(3) 尽可能不更换电动机。2. 确定恒转矩区为了使低频运行时能够稳定可靠，赢尽量提高最低转

28、速时的工作频率。具体方法是见效恒转矩区，取 错误！未找到引用源。，从而：(1) 恒转矩区的调速范围业。=200/801 = 2.5(2) 最低工作频率错误！未找到引用源。3. 确定频率范围(1)恒功率区的调速范围- 二 一 一 :错误！未找到引用源。 频率范围 采用两档传动比方案，由式(1-18 )得： 错误！未找到引用源。(3) 中间速的大小nLraid = 1200r/min/2.4 = 500r/min 错误！未找到引用 源。由于中间速错误！未找到引用源。在低速档与电动机的最高工作频率 错误! 未找到引用源。相对应，而最高工作频率 错误！未找到引用源。不宜超过额定频 率错误！未找到引用源。的两倍，故取： ；-二错误！未找到引用源。4. 确定传动比表3-3拖动系统的工作区传动比档次低速档低速档高速档高速档电动机工作区恒转矩区恒功率区恒转矩区恒功率区负载转速氾围80200200400400100010001440工作频率范围205050100305050100(2) 低速档传动比 = 1200/200=6取昆Y错误！未找到引用源。(3) 高速档传动比入 h = 1200/1000 = 1.2