变频器(项目二 变频与变压)

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项目三 变频调速的机械特性
1、变频调速与直流调速的区别？ 答：变频器用于控制交流电动机的，直流调速器用于直流电动机 的；直流电机的优势在于输出功率大、运行稳定、调速性能好。 目前交流变频调速的输出和调速性能得到大幅度提升，性能上已 基本可以取代直流调速器+直流电机模式，变频器+交流电机价格 远低于直流调速器+直流电机价格，交流电机价格较低。所有现在 很多企业都运用交流电机配备变频器，达到企业的需求 。
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3.3 定子绕组串电阻起动
1、异步电动机的启动 异步电动机的起动主要目 的就是降低启动电压或降低 启动电流的方式。 目前主流方法有：自耦变压 器减压起动、Y-三角起动、 定子串电阻起动等。 右图为定子绕组串电阻起动， 也是最简单的一种起动方式， 但能耗较大。
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3.3 电动机的起动和制动
1、异步电动机的启动 异步电动机的起动主要 目的就是降低启动电压或 降低启动电流的方式。 目前主流方法有：自耦变 压器减压起动、Y-三角起 动、定子串电阻起动等。 2、右图为Y-三角起动，起 动时通过接触器转Y形连接， 降低启动电流根号3倍，起 动完成后接触器转换成三 角形连接。
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单极性SPWM脉宽调制 当Ura>Ut，V1导通，V2截止，Zl端输出脉冲波形。 当Ura<Ut，V1截止，V2截止，Zl端输出为零。 由上可见，当Ura>Ut的时间决定了SPWM的宽度，大于的时间越 长，波形的宽度就越大，反之波形的宽度就越小；Ura<Ut的时间 决定了零值时间间隔的宽度，越长则间隔越大，频率f也就越小。 结论：SPWM的电压和频率均有调制电压Ur来控制的。
t1 t1 t 2
输出平均电压与占空比成正比关系，调节输出电压实际就是 调节占空比的宽度，因此叫脉宽调制；原理看视频演示。
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SPWM脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation）
u
由于变频器输出的电压时正 弦交流电，电压的幅值是根据正 弦波的规律来变化的，因此在一 个周期内的占空比也必须变化， 比如在峰值部位（红色部分）， 电压很大，占空比也要取大一些， 在零点位置时，电压很小，占空 比也应取很小。
当电动机起动状态时，这时电机速度n=0，因此产生的感应电 动势Ea=0，此时：
U Ra I a
而电动机的内阻Ra是很小的，因此电流很大。
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3.3 定子绕组串电阻起动
1、异步电动机的启动 异步电动机的起动主要目 的就是降低启动电压或降低 启动电流的方式。 目前主流方法有：自耦变压 器减压起动、Y-三角起动、 定子串电阻起动等。 右图为定子绕组串电阻起动， 也是最简单的一种起动方式， 但能耗较大。
DC
C
SPWM 逆变器
AC ~ 50Hz
AC
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SIMMV系列中压变频器照片
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变频变压的实现方法
PWM脉宽调制 PWM脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲，只需要控 制脉冲的宽度和脉冲之间的间隔时间就可以控制输出电压的幅 值。 脉冲的宽度T1越大，脉冲的间隔T2就越小，输出电压的平均 值就越大。引入“占空比”：指脉冲宽度和一个脉冲周期的比 值。
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双极性SPWM脉宽调制 双极性脉宽调制与单极性的 区别在于其调制波信号和载 波(基准信号)均是双极性的， 其规律在于： 不分正负： Ura>Ut,Uao输出为正， Ura<Ut,Uao输出为负。 最后计算Uab=Uao-Ubo得到 正弦波变化的SPWM脉冲波 形。 结论：变频器输出的电压、 电流是频率很高的高频输出 量，而且调制的脉冲宽度基 本是正弦分布的，而且谐波 成分较少。
2：变频的同时我们需要变压，有哪些方法实现？
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三相异步电动机的电磁关系
感应电动势
异步电动机的三相定子绕组通入三相交流电后，即产生旋转磁 场，此旋转磁场在不动的定子绕组中产生感应电动势，三相异 步电动机的工作原理和变压器类似，产生的感应电动势大小为：
E1 4.44 f1 N1kw1m
E20 4.44 f1 N2kw2m
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单极性SPWM脉宽调制 调制波：也就是基频信号， 我们需要调制的原始波形， 比如我们需要将正弦波调 制成PWM波形，则改正弦 波就是调制波。 载波：与基频信号相比较 的基准信号，如在图中的 等腰三角形波Ut，单极性 SPWM中载波也为单极性 的。 单极性：即PWM脉宽调制 只有单一极性，只正或只 负调制。
nmax K st Tst / TN nL max
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项目三 变频调速的机械特性
在电机拖动中，存在两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩， 一个是电动机的电磁转矩。 3、临界点 临界点K是一个非常重要的点， 此时的电动机的电磁转矩最大， 如果拖动负载的的转矩T大于Tk， 则电动机将会一直减速，直至停 止。 电动机正常运行时，过载能力 用β表示，过载能力即超载能力， β越大，电机的超载能力越强。
异步电动机的转矩
T2 T T0
在上式中，T为异步电动机的总转矩；T2为电动机转子输出的机 械转矩，也就是我们所说的负阻转矩；T0为电动机的空载转矩， 其值等于电动机的固有阻力矩。 异步电动机电磁转矩计算
PM T 9550 n
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异步电动机电磁转矩计算
PM T 9550 n
在上式中，Pm为电动机的额定功率，N为电动机的额定转速，T 为电动机能获得的电磁转矩的大小；在异步电动机的功率、转 矩场合会经常应用。
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3.3 电动机的起动和制动
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3.3 自耦变压器降压启动
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3.3 自耦变压器降压启动
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异步电动机的制动
1、在电机工作过程中， 电磁转矩的方向和转子 的实际旋转方向相反， 称为制动状态。 2、再生制动：当转子的 速度超过旋转磁场的速 度时，电机处于发电状 态，能量回馈电网中。 举例：降低频率F，旋转 磁场转速下降，小于实 际转速，这时电机处于 再生制动状态。
E1 为定子绕组感应电动势的有效值， 上式中， E20 为转子不动 时转子绕组的感应电动势（此时S=1）， f1 为定子绕组感应电动 势的频率， m 为旋转磁场每极的磁通，也是电动机的主磁通，K 为绕组系数。
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三相异步电动机的电磁关系
感应电动势（等效电路）
由等效电路图中我们可知，电源电压等于感应电动势加上绕组 本身的压降；实际上定子绕组本身的阻抗是很小的，造成的阻 抗压降也比电源电压要小很多，可以忽略，因此电源电压可近 似认为等于感应电动势：
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V/F控制
V/F控制：变频器的输出频率和输出电压的比值为恒定值或正比 关系，比如50HZ时电压输出为380V，当频率降为25HZ时电压输出 为190V，即恒磁通控制；电磁转矩则是不可控的，电机只是以转 速一个物理量做闭环的单闭环的控制系统，只能控制电机的转速。 完全补偿：无论f调多小，通过提高U能使得最大转矩Tx与额定频 率时的最大转矩Tmax相等，从而保证电动机的过载能力不变。 过分补偿：如果变频时V/F比值太大，补偿过多，在变频时*U变化 速率快，导致电流Io增加。 结论：低频时V/F比值不可盲目取大。
0
u
(a) 正弦波波形
ωt
0
(b) 等效SPWM波形
ωt
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图
与正弦波等效的等幅不 等宽的矩形脉冲波形
SPWM脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation）
VT1 Us/2 O’ VT3 VT5 U V M W VT4 Us/2 VT6 VT2
3~
图
SPWM变压变频器主电路原理图
TL T TL' n T T TL'
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3.3 电动机的起动和制动
1、异步电动机的启动 电动机从静止状态一直加速到稳定速状态的过程称为起动过程， 起动中电流为额定电流的5~7倍，对电网造成冲击，会本身使用 寿命也有影响；主要原因看下面说明： 电机定子电枢绕组方程：
U Ea Ra I a
m Tk / TN
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3.2 电动机的稳定运行
1、电动机的稳定运行状态 当电动机的负载转矩T在额定转 矩附近变化时，我们近似的看成：
T TN
2、电动机的动态调整过程 电动机的负载拖动是会变化的， 当负载转矩增大时，此时电机电 磁转矩小于负载转矩，电机减速， 减速后电磁转矩增大达到动态平 衡。
E1 4.44 f1 N1kw1m
f1 m
因此：我们在调节频率f1的同时要保证磁通不变，即实现恒磁 通调速。
E1 U 1 m 常数 f1 f1
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在额定频率以上变频也要变压吗？
电动机工作在额定频率时，定子的电压也是工作在额定电压， 在额定频率以上的变频，电压U1则不能往上调节，否则电动机 将过电压。 由公式可知，频率f1往上调节将导致磁通减小，也称为弱磁调 速，会引起电动机的电磁转矩变小，但不会引起电动机的跳闸。
U1 E1 I 0 r1 jI 0 x1 E1 I 0 Z1 I 0
r1 x１
rm
当阻抗压降忽略不计时，电源电 压在数值上约等于感应电动势， 因此，U1不变，E1也可认为基本 不变。
U1 E1


xm
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U1 E1
在额定频率以下变频也要变压
由公式可知，假如没有调压，即U1不变，E1也不变，f1减小， 将导致磁通变大，但是电动机在设计在额定工作时，磁通已处 于临界饱和状态，磁通变大将使铁芯深度饱和，铁芯损耗急剧 上升导致过流损坏。
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项目三 变频调速的机械特性
在电机拖动中，存在两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩， 一个是电动机的电磁转矩。 1、机械特性 理想空载点：n=n0；此时的电机 转速最大同步状态，s=0，T=0。 2、起动点 此时电机从0速度开始起动，n=0， 对应为起动转矩Tst，起动带动负 载的能力一般用起动倍数来表示：
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V/F曲线功能的选择
曲线分类： 1、基本V/F曲线：Ku=Kf时称为基本U/F曲线，如图中的0曲线表 明没有补偿时的电压和频率之间关系。 2、转矩补偿曲线：当Kf=0时补偿一定的电压值Ux，使其获得一 定的转矩，则有不同的V/F曲线，如图中的1-5曲线。 3、负补偿曲线：在低速时候减小电压来获取减小转矩，主要用 于风机、泵类二次方率负载，如01、02曲线。 4、分段补偿：自行给定。
项目二：变频与变压
——电气学院 ——刘海龙
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课前复习
1：变频的本质是什么？ 2：通用型变频器是由哪些部分组成的？ 3：变频器一般应用在哪些领域？
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思考问题
1：从三相异步电动机旋转磁场的公式 n 0 60 f1 / p 中 我们得知改变电源频率f1就能改变旋转磁场的速度，但在 实际电动机调速中，在额定频率以下，改变频率的同时我 们还需调压，即采用变频变压的方式才能实现调速，为什 么？
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异步电动机的能量关系 能量传递过程：定子向电源吸收电功率，经过电磁感应传给转 子，称为电磁功率，该功率使转子转动产生电磁转矩，从而转 换为机械功率，最后带动负载转矩。
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异步电动机的能量关系 由上图可知：电动机损耗首先为定子绕组的铜损耗——定子绕 组电磁感应造成的铁耗——电磁感应通过气间隙损耗——转子 绕组的铜损耗——转子的机械损耗+附加损耗。
选择方法： 1:将拖动系统连接好，带以最重的负载。 2:先选择较小的U/F曲线，在低速时观察电机的运行情况，如果 达不到负载能力则需要将U/F曲线提高一档，以此类推。
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选择V/F曲线方法
1:离心浇铸机，用户注入铁水后的负载较重，结果启动时就因为 过电流而跳闸，分析原因？ 分析如下：离心浇铸机在低速运行过程中，电机处于空载状态， 并不需要补偿，导致过电流而跳闸。 2:传输带的变频器换到风机中，因过流而跳闸，分析原因？ 分析如下：传输带是恒转矩特性，低频时负载重，低频需要电压 补偿；风机是二次方率负载，低频时负载非常轻，处于过分补偿， 导致磁路饱和而过流跳闸。
E1 U 1 m f1 m f1 f1
结论：1、额定频率以下的变频同时需要变压，需保证V/F成正 比关系。2、额定频率以上的变频不需要变压，但会减弱磁通， 减小电磁转矩。
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变频变压的实现方法
电压型变频器的结构模型：
恒压恒频 (CVCF) 中间直流环节
变压变频 (VVVF)