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1、第六章 变频调速系统设计及选型,主讲:杨 涟,中原工学院电子信息学院 自动化系统集成课程组,本章内容 电动机选择 变频器选择 变频器外围主电路和元器件选择,1.电动机的选择 主要内容：电动机类型，额定功率。电动机类型的选择 原则：在满足生产机械对拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。,若生产机械对拖动系统无过高要求，应优先考虑选用交流电动机。笼型异步电动机：结构简单，运行可靠，维护方便。如对起动性能无过高要求时，优先采用笼型异步电机。绕线转子异步电动机：对反复短时工作制的机械，起动/制动频繁，要求电机有较大起动、制动转矩时，选用绕线转子异步电动机。,工
2、程设计中大都选择笼型异步电动机，通过合理选择控制方式和设置变频器参数，可以得到希望的启动、制动转距和调速性能，没有必要采用绕线转子异步电动机。,电动机容量选择 电动机容量、起动转矩必须大于负载所需要的功率和起动转矩；电源电压下降1015的情况下，转矩仍能满足起动或运行的需要。电动机温升必须在绝缘限制的范围内。如电动机在低频时连续长时间运行，则电动机的容量应提高一挡。,2.变频器的选择和容量计算 选择内容：类型 容量,1）变频器类型选择,变频器类型（控制方式）的选择 Uf控制方式 普通功能型 恒功率控制型 具有转矩提升功能的高性能型 转差频率控制方式 矢量控制方式 不带反馈型 带反馈型 直接转矩
3、控制方式,控制方式的选择原则 根据负载的类型、调速范围、静态调速精度、动态响应性能、起动转矩的要求来选择。,Uf控制方式 风机和泵类负载，强调节能；基频以下调速时负载转矩小，对过载能力、调速精度要求不高。选用普通功能型 Uf 控制变频器。,具有恒转矩特性的机械，只对静态调速性能要求较高、对动态性能要求不高时，采用具有转矩提升功能的高性能 Uf型变频器。,转差频率控制方式 负载波动时，要求对电机速度变化响应快，静态调速性能好，应选用有转差频率控制功能的变频器。,不带反馈的矢量控制接法,矢量控制方式,带速度反馈的矢量控制,编码器模板,注意：矢量控制的适用范围 用于一台变频器驱动一台电动机时。当一台
4、变频器驱动多台电动机时，只能选择 Uf控制方式。,用于电动机实际容量与变频器要求配用电机容量之间，最多只能相差一个档次。磁极数一般以、极为宜。特殊电动机不能使用矢量控制功能。,直接转矩控制方式 对于电力机车、交流伺服系统、起重机等要求系统具有良好的静态、动态性能，选用具有直接转矩控制功能的专用变频器。,恒功率控制方式用于恒功率负载 在基频以下调速时，采用恒转矩控制；在基频以上调速时，采用恒功率控制,2）变频器容量的选择 容量选择的基本原则 以负载特性和电动机额定电流为依据，选择通用变频器的额定容量。主要考虑因素：电动机容量 电动机额定电流 电动机加速时间,2变频器容量选择的内容 变频器额定输出
5、电压选择 变频器额定输出电压=电动机额定电压 变频器额定输出电流选择 变频器的过载能力通常只有150，1min.,电机运行过程中，变频器额定输出电流必须大于等于电动机可能出现的最大电流。,变频器容量选择 考虑过载能力和起动能力。根据电动机选择变频器容量时，以电动机额定运行电流为依据，电动机功率作为参考，以不超出变频器功率单元输出电流为宜。,变频器容量的选择方法（1）按照运行特性选择 一台变频器驱动一台电动机时 用变频器供电时电动机运行电流,变频器供电时，电动机在额定状态下运行时的电流比工频电网供电时要大，故选择变频器的额定电流和功率时要比电动机大一个等级。,满足电动机容量要求：,变频器容量,电
6、动机额定线电压,电动机额定线电流,电流波形补偿系数,对于连续恒定的负载，变频器容量选择必须同时满足两项要求：,满足电动机电流要求：,PWM 控制方式时：电流波形补偿系数 k=1.051.1,变频器额定电流,电动机额定电流,电流波形补偿系数,一台变频器驱动多台电动机时,多台电动机同时启动和停止时,变频器容量选择：,变频器额定电流,电动机额定电流,变频器额定输出功率所接电动机总功率,变频器输出电流所有电机额定电流的和,电流波形补偿系数,多台电动机分别启动、制动时,变频器短时过载能力为150、1 min时,电动机加速时间在 1min以内：满足驱动容量要求,电动机并联台数,电动机同时启动台数,电动机启
7、动电流倍数,连续容量,变频器容量选择必须考虑启动电流的影响：,满足电动机电流要求,变频器输出电流,电动机并联台数,电动机额定电流,电动机启动电流倍数,电机同时启动台数,并联的电动机额定电流总和,多台电动机启动引起的电流增加值,电机加速时间在 1min以上时：满足驱动时容量要求,满足电动机电流要求,连续容量,大惯性负载启动时变频器的容量选择,也可以根据变频器厂家提供的变频器容量匹配表选择变频器，安全性较大。,电动机额定转速,电动机加速时间,MM440 变频器容量选配表,MM440 变频器容量及订货号表,（2）按变频器指定加速时间选择 对大惯性负载，变频器容量与加速时间有关，对加速时间有特殊要求时
8、，应增大变频器容量。否则会启动变频器保护。过流保护会停止逆变器输出;防失速保护会减缓升速过程，使实际加速时间加长。,防失速功能的作用，使实际加速时间加长.,设备对加速时间有特殊要求时，必须核算变频器的容量是否满足要求。,电动机额定转速,电动机加速时间,电压型变频器减速时，通过能耗制动电路来释放电机的再生能量。减速效果取决于制动电流大小。,（3）按变频器指定减速时间选择,先计算需要的制动力矩,折算后负载转动惯量,电动机转动惯量,减速开始速度,减速结束速度,减速时间,可根据减速时间来选择制动电阻，步骤,估算制动电阻的阻值 能耗制动时，电动机内部的部分铜耗被转换为制动转矩，约占额定电磁转矩的20；制
9、动电阻的预选值：,直流回路电压,制动转矩,电动机额定转矩,减速开始速度,直流回路电压取值：对200V级变频器，Uc380V 对400V级变频器，Uc760V,如（TB-0.2TM)0，可以不加制动电阻。,能耗制动电路中：放电回路最大允许电流 IC=功率管允许通过的电流,制动电阻的最小值为：,直流回路电压,功率管允许通过的电流,制动电阻 RB 的阻值：,计算制动电阻的平均消耗功率,制动电阻最小值,制动电阻预选值,电机内部铜耗转换成制动转矩,第四步，计算制动电阻的额定功率 制动电阻额定功率与电机减速模式有关:非重复减速 重复减速,连续工作制的电阻器，用于间歇工作制时，电阻的允许功率将增加。电阻功率
10、增加率特性图,电动机在不同减速模式时，制动电阻额定功率计算步骤：求功率增加率 m；,对于非重复减速模式，根据减速时间ts,从右图中查出功率增加率(系数)m；,对于重复减速，求出制动电阻使用率:D=tst0,根据制动电阻使用率D 值，据图查出功率增加率 m,每次降速所需时间,每个降速周期所需时间,根据求得的阻值 RBO和额定功率 PO,可选用相应的变频器选配件，或在市场上选择符合要求的标准电阻器。,求出制动电阻的额定功率 PO,制动电阻平均功率,功率增加率,电源变压器,电源侧电抗器,变频器的外接主电路,断路器,接触器,电源侧滤波器,输出侧滤波器,输出侧电抗器,3.变频器外围主电路的设计及设备选择
11、,l）电源变压器 T 作用：将高压电源变换成通用的变频器所需的电压等级(200V 或 400V)。电源变压器选择：,变频器输入侧功率因数：无交流输入电抗器时取0.60.8 有交流输入电抗器时取0.80.85 变频器效率取 0.95 变频器输出功率=所接电动机的总功率 也可从变频器厂家推荐的容量参考值中选,2）简单的变频器输入主电路,断路器,接触器,快速熔断器,电源侧断路器额定电流：,断路器额定电流,变频器额定输出电流,没有工频电源切换电路时,电源侧断路器 QF 及选择,接通变频器进线电源，并进行短路保护（隔离和保护作用）,有工频电源切换电路时,工频电网供电时，电机可能直接启动，断路器选择应考虑
12、电机起动电流,断路器额定电流：过电流脱扣器额定电流：,K 为安全系数，取1.5 1.7,电机额定电流,电源侧接触器QA1及选择,电源侧接触器额定电流：,接触器额定电流,变频器额定输出电流,用于接通/切断变频器电源；,3）简单变频器输出主电路,变频器输出主电路,一台变频器控制一台电动机时，变频器输出直接接电动机。变频器输出与电机间不要接接触器；变频器输出与电机间不要热继电器，电机的过载保护由变频器完成。,电机需要变频工频电源切换时,变频供电和工频供电必须互锁。,变频器供电时，QA1、QA2分别接通变频器电源和负载；工频电源供电时，QA3接通工频电源，由热继电器进行过载保护；,输出主电路接触器选择
13、,工频切换接触器QA3：,输出接触器QA2选择：,电动机额定电流,通过输出接触器控制各台电动机的启动停止；电动机的过载保护需通过热继电器实现。,一台变频器控制多台电动机时,热继电器 FR的选择 一台变频器控制一台电机时，电动机过载保护由变频器完成；具有工频/变频电源供电的电路中，电机工频运行时用热继电器进行过载保护；一台变频器驱动多台电动机时，用热继电器对各自的电动机进行过载保护；,热继电器 FR 的选择 50Hz时热继电器的设定值：,60Hz时热继电器的设定值：,热元件额定电流,电动机额定电流,4）变频调速系统中的电抗器 输入电抗器 1ACL 作用：增加电源阻抗，限制电网电压突变、操作过电压
14、引起的冲击电流，保护变频器；改善变频器输入侧的功率因素；抑制变频器输入电网的谐波电流。,输入电抗器接法:串接在电源和变频器功率输入端之间。如果使用了滤波器FIL，进线电抗器应串接在滤波器之前。,输入电抗器,安装输入电抗器的场合：电源容量在500kVA以上，并且为变频器的容量的10倍以上时；多台变频器接在同一电源系统上时；变频器和具有大容量晶闸管的设备接在同一电源系统上时；变频器和焊接设备等畸变波发生源接在同一电源系统上时；三相电源电压不平恒率3 时；,输入电抗器容量的选择,变频器额定输出电压,变频器额定电流,变频器最大频率,三相电源电压不平恒率:,根据变频器生产商推荐值选择进线电抗器,变频调速
15、系统中配备了输入侧电抗器后，输入侧功率因素可提高 无输入电抗器时功率因素0.60.8 有输入电抗器时功率因素0.80.85,直流电抗器DCL 接在变频器整流环节与逆变环节之间。,作用：补偿电源侧功率因素，补偿后功率因素可以达到0.900.95。,减小输入电流的高次谐波成分，限制逆变侧短路电流。,直流电抗器体积较小，许多变频器配备有内置直流电抗器。,直流电抗器可根据变频器生产商提供的选型表选择,常用直流电抗器的规格,DCL系列直流电抗器选型表（续表1）,DCL系列直流电抗器选型表（续表2）,变频器输出侧需要接电抗器的场合,输出侧交流电抗器 2ACL,输出电抗器 的作用 抑制变频器输出谐波电流，延
16、长电机电缆的长度。有效降低电动机噪声，将噪声由7080dB 降至 5dB 左右。,小容量变频器配用轻载大容量电机时 大容量电机较之小容量电机等效电感小，电流峰值大，有可能损坏变频器。接输出电抗器，可削减输出电流峰值，保护变频器。,交流输出侧电抗器的接线 交流输出电抗器接于变频器的输出端，最靠近变频器处，以抑制变频器输出谐波电流。,根据厂商提供的选配表选择交流输出电抗器,交流输出侧电抗器的选择,5）滤波器,频率很高的谐波电流分量具有向空中辐射电磁波的能力，对其他设备形成干扰。,有效削弱电磁辐射的方法：1）准确接地 2）接滤波器,滤波器的作用 抑制具有辐射能力的高频谐波电流，串联在变频器的输入、输
17、出回路中。,输入侧滤波器 1FIL 输入侧滤波器由高频线圈和电容器组成。安装在输入电源（电抗器之后）与变频器之间。,外接输入滤波器,输出侧滤波器 2FIL 输出侧滤波器由高频线圈和电容器组成，电容器只能接在电动机侧，且应串入电阻，以防止逆变管因电容器的充、放电而受到冲击。,外接输出滤波器,有些型号的变频器内接有滤波器,内接输出滤波器,内接输入滤波器,选型：选用变频器厂家推荐的规格型号。,第六章小结,电动机类型及容量选择方法 变频器类型及容量选择方法 按照运行特性选择 按照要求的启动时间选择 按照要求的停止时间选择 变频器外围主电路的设计、各元件功能 变频器外围设备的选择方法,全部课程结束,谢谢
18、大家的支持！,周二下午考试：考试形式：现场出题，上机实际操作 一人一台机器独立完成，分批进行。每批上机时间20分钟 要求：根据控制要求画出电路图 根据电路图完成接线 设置参数，完成调试。回答老师提出的问题,题目有难易之分，大家可以根据自己的程度选择：A 包含的内容最多（独立）B 中等难度（独立）C 一般难度（独立）D 最基本应用（可以2人一组）把做过的实验及讲过的例题好好复习一下，怎样根据控制要求完成变频器的接线、参数设置及变频器的调试。,变频器的输出端为什么不能接电容器来改善电动机的电流波形？答：因为变频器的输出电压是矩型脉冲序列，含有很多高次谐波成分。电容器在高次谐波下的容抗较小，高次谐波电流很大，这一方面加重了逆变管的负担，另一方面电容器本身也容易因过热而损坏。,
