第4章 变频拖动系统及其应用.ppt
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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作点有效转矩线,6,2.5 变频调速
2、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PCu由于电动机允许长时间通过的电流(额定电流)
3、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
4、。,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
5、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
6、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
7、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
8、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: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
9、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
10、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,
11、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
12、.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 nLnLmax960 r/minPL TLmin nLmax/9550 1kW最低转速时
13、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
14、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
15、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。,5
16、5,4.7 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
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