变频调速应用技术

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1、第一讲  百年期待盼变频(上)1 望眼欲穿近百年1.1结构简单价低廉三相交流异步电动机的发明在电力拖动史上有着十分重要的意义。因为它的转子电路不需要和外电路相联接，转子绕组由两侧端部互相短接的铜条或铝条(俗称鼠笼条)构成，可以自成回路，形状象个“鼠笼”，故常称为笼形电动机，如图1-1所示。图1-1   异步电动机的构造在所有电动机中，这种结构在简单、坚固方面是首屈一指的。这带来了使用寿命长、易于维修、以及价格低廉等极为突出的优点，使它在整个电力拖动领域独占鳌头。在20世纪80年代以前，约占工农业生产机械中电动机总量的85％以上。1.2生产要求转速变    图1-2    刨台的原拖动系统

2、随着各种加工技术的不断进步，许多生产机械对无级调速的要求也越来越迫切。以50年代龙门刨床刨台的拖动系统为例，其拖动系统采用Ｇ-Ｍ(发电机-电动机组)调速系统，如图1-2所示。图中，直接拖动刨台的是直流电动机DM，DM由直流发电机G1提供电源，G1又由交流电动机AM来带动，AM在带动G1的同时，还带动一台励磁发电机G2。G2发出的电，一方面为DM和G1提供励磁电流，同时也为控制电路提供电源。除此以外，为了改善DM的机械特性，还采用了一台结构复杂、价格昂贵的交磁放大机DMA。可见，为了实现无级调速，简直已经到了不惜工本的地步。这充分说明了:生产机械对电动机进行无级调速的要求是多么地迫切！1.

3、3变频难产失欢颜 (1)异步电动机的转速公式三相交流电动机中，一个十分重要的“角色”便是旋转磁场，它是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场的特点是:l 产生磁场的交变电流在时间上互差三分之一周期(T/3)，这由三相交流电源本身的特点所决定;l 三个磁场的轴线在空间位置上互差2π/3电角度，这可以通过三相绕组在定子铁心中的安排来实现。旋转磁场的转速称为同步转速，由下式决定: (1-1)式中，n0—同步转速，r/min;    f—电流的频率，Hz;    p—旋转磁场的磁极对数。而异步电动机之所以被冠以“异步”二字，是因为其转子的转速nM永远也跟不上旋转磁场的转速n0。两者之差称为转差:

4、Δn＝n0－nM(1-2)式中，Δn—转差，r/min;    nM—电动机的转速，r/min。转差与同步转速之比，称为转差率: (1-3)式中，s—转差率。由式(1-1)和式(1-3)，可以推导出:  (1-4)(2)异步电动机的调速方案式(1-4)表明，要改变异步电动机的转速，除了改变频率以外，只有两种办法:l 、改变磁极对数 　这可以通过改变定子绕组的接法来实现，如图1-3(a)所示。图1-3　 异步电动机的调速方法这种方法的缺点是十分明显的:一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以，最多只能得到4种转速，与无级调速相去甚远。l 改变转差率  这种方法适用于

5、绕线转子异步电动机，通过滑环与电刷改变外接电阻值来进行调速，如图1-3(b)所示。显然，这是通过改变在外接电阻中消耗能量的多少来调速的，不利于节能。此外，由于增加了滑环与电刷，从而增加了容易发生故障的薄弱环节。1.4变频调速难实现式(1-4)是在发明异步电动机的当时就知道了的，所以，变频可以调速是和异步电动机“与生俱来”的。一方面，生产机械迫切地要求无级调速，另一方面，改变频率可以实现无级调速的原理又是如此明明白白地摆在那儿。而变频调速装置却如此地难产，成为了人们翘首以盼地期待着的技术！变频调速技术真正地进入到能够推广普及的实用阶段，已经是20世纪80年代了。人们企盼了将近一个世纪！是什

6、么原因使变频调速技术如此地姗姗来迟呢？2 开关器件最关键目前应用得最为广泛的是交－直－交变频器，今通过其基本结构，来看看要实现变频调速需要解决哪些问题。图1-4     交-直-交变频器的主电路框图交－直－交变频器的基本框图如图1-4所示，其工作过程是:先将电源的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电。其中，变频的核心部分是“逆变电路”，其构成和原理如下述。2.1变频核心是逆变图1-5    单相逆变桥及其工作过程首先从比较简单的单相逆变桥入手，其构成及工作过程如图1-5所示。图1-5中，V1、V2、V3、V4为开关器件，组成单相逆

7、变桥，接至直流电源P(＋)与N(－)之间，电压为UD;ZL为负载。逆变电路的工作情况如下:(1)前半周期  令V1、V2导通;V3、V4截止。则负载ZL中的电流从a流向b，ZL上得到的电压是a“＋”、b“－”，设这时的电压为“＋”。(2)后半周期  令V1、V2截止;V3、V4导通。则负载ZL中的电流从b流向a，ZL上得到的电压是a“－”、b“＋”，这时的电压为“－”。上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载ZL上所得到的便是交变