1、1.11.1电气传动系统的工作原理电气传动系统的工作原理 电气传动系统概述电气传动系统概述 1.21.21.31.31.41.4电气传动系统的负载特性电气传动系统的负载特性 变频器及其特点变频器及其特点 1.51.5变频器的分类变频器的分类 1.61.6通用变频器的结构和工作原理通用变频器的结构和工作原理第第1章章 电气传动基础知识电气传动基础知识1.1 电气传动系统概述电气传动系统概述 电气传动产生于第二次工业革命时期，一直沿用至今电气传动产生于第二次工业革命时期，一直沿用至今初期是直流电气传动，后来出现了交流电气传动初期是直流电气传动，后来出现了交流电气传动早期的交流电气传动主要用于恒速拖
2、动早期的交流电气传动主要用于恒速拖动直流电气传动主要用于高性能调速直流电气传动主要用于高性能调速高性能变频器出现以后，交流电气传动也可用于高性高性能变频器出现以后，交流电气传动也可用于高性 能调速能调速目前交流电气传动占据电气传动的主导地位目前交流电气传动占据电气传动的主导地位第一次工业革命（产业革命）第一次工业革命（产业革命）第一次工业革命是从第一次工业革命是从1818世纪世纪6060年代开始的，年代开始的，标志是瓦特改良蒸汽机，蒸汽机的广泛使用标志是瓦特改良蒸汽机，蒸汽机的广泛使用使人类由工场手工业过渡到大机器生产，从使人类由工场手工业过渡到大机器生产，从此进入了此进入了“蒸汽时代蒸汽时代
3、” 第二次工业革命第二次工业革命第二工业革命是从第二工业革命是从1919世纪世纪7070年代开始的，它年代开始的，它以电力的广泛运用为显著特点，使人类从此以电力的广泛运用为显著特点，使人类从此进入了进入了“电气时代电气时代” 第二次工业革命第二次工业革命18661866年德国人西门子制成了自激式直流发电机。年德国人西门子制成了自激式直流发电机。但这种发电机还不够完善，经过许多人的努力，但这种发电机还不够完善，经过许多人的努力，发电机逐步得到改进发电机逐步得到改进1919世纪世纪7070年代，自激式直流发电机终于可以投年代，自激式直流发电机终于可以投入实际运行，产生了直流电能入实际运行，产生了直
4、流电能第二次工业革命第二次工业革命18821882年，法国学者德普勒发明了远距离送电年，法国学者德普勒发明了远距离送电的方法的方法同年，美国发明家同年，美国发明家爱迪生爱迪生在纽约建立了美国在纽约建立了美国第一个火力发电站，把输第一个火力发电站，把输电线电线联接成联接成网络网络。第二次工业革命第二次工业革命18851885年意大利科学家法拉里提出的年意大利科学家法拉里提出的旋转磁场旋转磁场原理，对交流电机的发展有重要的意义原理，对交流电机的发展有重要的意义1919世纪世纪8080年代末年代末9090年代初，人们创造出三相年代初，人们创造出三相异步电动机异步电动机18911891年以后，较为经济
5、、可靠的三相制交流年以后，较为经济、可靠的三相制交流电得以推广，电力工业的发展进入新阶段。电得以推广，电力工业的发展进入新阶段。 第三次工业革命第三次工业革命第三次工业革命是从第三次工业革命是从2020世纪世纪4040年代开始的，年代开始的，它是以计算机技术的广泛运用为显著特点，它是以计算机技术的广泛运用为显著特点，使人类从此进入了使人类从此进入了“信息时代信息时代” ” 电气传动的概念电气传动的概念电气传动又称电机拖动，是以电动机作为原电气传动又称电机拖动，是以电动机作为原动机驱动各种生产机械的系统总称。国际电动机驱动各种生产机械的系统总称。国际电工委会员（工委会员（IECIEC）将电气传动
6、控制归入）将电气传动控制归入“运动运动控制控制”范畴范畴 电气传动的特点电气传动的特点功率范围极大，单个设备的功率可从几毫瓦功率范围极大，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦；到几百兆瓦；调速范围极宽，在无变速机构的情况下调速调速范围极宽，在无变速机构的情况下调速范围可达范围可达1 1：1000010000；适用范围极广，可适用于任何工作环境与各适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。种各样的负载。 电气传动的应用电气传动的应用电气传动系统的用电量占我国总发电量的电气传动系统的用电量占我国总发电量的60%60%以上以上 ；用于矿山、冶金、机械、轻工、港口、石化、用于矿山、冶金、机械、
7、轻工、港口、石化、铁路运输、航空、航天以及日常生活之中铁路运输、航空、航天以及日常生活之中 ；比如矿井提升、矿山机械、轧钢机、起重机、比如矿井提升、矿山机械、轧钢机、起重机、泵、风机、精密机床、电气化列车、空调、泵、风机、精密机床、电气化列车、空调、电冰箱、洗衣机等等电冰箱、洗衣机等等 。 电气传动的类型电气传动的类型交流电气传动交流电气传动 直流电气传动直流电气传动 步进电气传动步进电气传动 电气传动的组成结构电气传动的组成结构电气传动的电源装置电气传动的电源装置电源装置分母线供电装置、机组变流装置和电源装置分母线供电装置、机组变流装置和电力电子变流装置三大类电力电子变流装置三大类母线供电装
8、置包括交流母线和直流母线供电母线供电装置包括交流母线和直流母线供电机组变流装置包括直流发电机组和变频机组机组变流装置包括直流发电机组和变频机组电力电子变流装置包括整流装置、交流调压电力电子变流装置包括整流装置、交流调压装置和变频器装置和变频器电气传动的控制装置电气传动的控制装置电器控制：又称继电器电器控制：又称继电器- -接触器控制，与母接触器控制，与母线供电装置配合使用线供电装置配合使用电机扩大机和磁放大器控制：与机组供电装电机扩大机和磁放大器控制：与机组供电装置配合使用，在置配合使用，在2020世纪世纪30306060年代盛行，随着年代盛行，随着电子技术的发展，已逐步被淘汰电子技术的发展，
9、已逐步被淘汰电子控制装置：与电力电子变流装置配合使电子控制装置：与电力电子变流装置配合使用用电气传动的控制装置分类电气传动的控制装置分类模拟控制模拟控制数字控制数字控制模拟模拟/ /数字混合控制数字混合控制电气传动的控制装置工作原理电气传动的控制装置工作原理 逻辑控制：通过电气控制装置控制电动机逻辑控制：通过电气控制装置控制电动机启动，停止，正反转或有级变速，控制信号来启动，停止，正反转或有级变速，控制信号来自主令电器或可编程序控制器自主令电器或可编程序控制器 连续速度调节：与机组或电力电子交流装连续速度调节：与机组或电力电子交流装置配合使用，连续改变电动机转速。这类系统置配合使用，连续改变电
10、动机转速。这类系统按控制原则分开环控制，闭环控制及负荷控制按控制原则分开环控制，闭环控制及负荷控制三类三类 1.2 电气传动系统的工作原理电气传动系统的工作原理 电气传动的工作原理电气传动的工作原理电气传动系统的工作模式电气传动系统的工作模式 速度工作模式。以保持电动机轴上输出转速速度工作模式。以保持电动机轴上输出转速恒定为目的，自动调整电动机的输出转矩以适恒定为目的，自动调整电动机的输出转矩以适应外部负载的变化。电梯，生产线应外部负载的变化。电梯，生产线 转矩工作模式。以保持电动机轴上输出电磁转矩工作模式。以保持电动机轴上输出电磁转矩恒定为目的，自动调整转速以适应外部负转矩恒定为目的，自动调
11、整转速以适应外部负载的变化。开卷载的变化。开卷/ /收卷控制收卷控制1.3 电气传动系统的负载特性电气传动系统的负载特性 任何机械在运行过程中，都有阻碍其运动的任何机械在运行过程中，都有阻碍其运动的力或转矩，称之为阻力或阻转矩。负载转矩在力或转矩，称之为阻力或阻转矩。负载转矩在极大多数情况下，都呈阻转矩性质极大多数情况下，都呈阻转矩性质 电气传动系统的负载特性包括负载机械特性电气传动系统的负载特性包括负载机械特性和负载功率特性和负载功率特性负载机械特性和负载功率特性的概念负载机械特性和负载功率特性的概念 负载机械特性通常是指负载阻转矩与负载轴负载机械特性通常是指负载阻转矩与负载轴上转速之间的关
12、系上转速之间的关系 负载功率特性通常是指负载消耗的功率与负负载功率特性通常是指负载消耗的功率与负载轴上转速之间的关系载轴上转速之间的关系负载特性的类型负载特性的类型 恒转矩负载特性恒转矩负载特性 恒功率负载特性恒功率负载特性 二次方律负载特性二次方律负载特性 恒转矩负载特性恒转矩负载特性 恒转矩负载机械特性的特点恒转矩负载机械特性的特点 由于由于F F和和r r的大小都和转速的快慢无关，所以在的大小都和转速的快慢无关，所以在调节转速的过程中，负载的阻转矩保持不变，调节转速的过程中，负载的阻转矩保持不变，即即 恒转矩负载功率特性的特点恒转矩负载功率特性的特点 在负载转矩不变的情况下在负载转矩不变
13、的情况下 ，在调节转速的过程，在调节转速的过程中，负载消耗的功率与转速成正比中，负载消耗的功率与转速成正比 恒功率负载特性恒功率负载特性 恒功率负载功率特性的特点恒功率负载功率特性的特点 恒功率负载机械特性的特点恒功率负载机械特性的特点 由于负载消耗的功率保持不变，所以负载阻转由于负载消耗的功率保持不变，所以负载阻转矩与转速的关系成反比矩与转速的关系成反比 二次方律负载特性二次方律负载特性 二次方律负载机械特性的特点二次方律负载机械特性的特点 负载阻转矩与负载轴上的转速平方成正比负载阻转矩与负载轴上的转速平方成正比 二次方律负载功率特性的特点二次方律负载功率特性的特点 负载消耗的功率与负载轴上
14、的转速立方成正比负载消耗的功率与负载轴上的转速立方成正比 1.4 变频器及其特点变频器及其特点 变频器的概念变频器的概念：利用电力电子器件的通断作用：利用电力电子器件的通断作用将电压和频率固定的工频交流电源变换成电压和将电压和频率固定的工频交流电源变换成电压和频率可变的交流电源，频率可变的交流电源， 供给交流电动机实现软供给交流电动机实现软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流过流/过压过压/过载保护等功能的电能变换控制装置过载保护等功能的电能变换控制装置称作变频器，其英文简称为称作变频器，其英文简称为VVVF ( Variable Vol
15、tage Variable Frequency)。 变频器的控制对象变频器的控制对象 三相异步电动机三相异步电动机同步电动机同步电动机 单相交流电动机单相交流电动机标准适配电机极数是标准适配电机极数是2/4极极 变频电气传动的优势变频电气传动的优势 平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全占有量，确保电机安全在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度频率提高工作速度无级调速，调速精度大大提高无级调速，调速精度大大提高电机正反向无需通过接触器切换电机正反向无需通过接触器切换方便接入通
16、讯网络控制，实现生产自动化控制方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制 变频器的发展特点变频器的发展特点 功率器件不断更新换代功率器件不断更新换代应用范围不断扩大应用范围不断扩大 控制理论不断成熟完善控制理论不断成熟完善功率器件的发展功率器件的发展 20世纪世纪80年代初的年代初的GTO，开关频率低，变频器，开关频率低，变频器的调速性能较差的调速性能较差20世纪世纪80年代后期的年代后期的GTR，其开关频率一般在，其开关频率一般在2kHz以下，难以得到较为理想的以下，难以得到较为理想的SPWM波形，波形，并使异步电机在变频调速时产生噪声并使异步电机在变频调速时产生噪声20世纪世纪90年代以后的
17、年代以后的IGBT和和IGCT，其开关频，其开关频率达到率达到20kHz以上，变频器的调速性能更优。以上，变频器的调速性能更优。 变频器的应用范围变频器的应用范围 在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造纸、食品、装卸搬运、铁路运输等行业都有着广纸、食品、装卸搬运、铁路运输等行业都有着广泛应用泛应用随着各种专用变频器的出现，变频器的应用领随着各种专用变频器的出现，变频器的应用领域将会进一步扩大域将会进一步扩大可以说有交流电动机的地方就会有变频器可以说有交流电动机的地方就会有变频器 变频器控制理论的发展变频器控制理论的发展 早期的变频器主要采用恒压频比（早
18、期的变频器主要采用恒压频比（V/F）控制）控制SPWM控制控制矢量控制矢量控制直接转矩控制直接转矩控制随着控制理论的发展，交流变频调速的机械特随着控制理论的发展，交流变频调速的机械特性可以和直流调压调速的机械特性相媲美性可以和直流调压调速的机械特性相媲美矢量控制矢量控制通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，二者相互垂直，分成转矩分量和励磁分量，二者相互垂直，分别用来控制电机的转矩和磁通。由于这种控别用来控制电机的转矩和磁通。由于这种控制必须同时控制定子电流的幅值和相位即定制必须同时控制定子电流的幅值和相位即定子电流矢量，所以称为矢量控
19、制子电流矢量，所以称为矢量控制矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图 控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反馈信号异步电动机给定信号 直接转矩控制直接转矩控制通用变频器的未来发展趋势通用变频器的未来发展趋势 低电磁噪音、静音化低电磁噪音、静音化 专用化：风机水泵空调专用型、起重机专用型专用化：风机水泵空调专用型、起重机专用型 系统化：集通讯、设计和数据管理三者于一体系统化：集通讯、设计和数据管理三者于一体的的“全集成自动化全集成自动化”网络化，网络化，操作傻瓜化
20、操作傻瓜化 内置式应用软件：内置式应用软件：PID控制、张力控制软件控制、张力控制软件参数自调整参数自调整 ，功能设置软件化，功能设置软件化 1.5 变频器的分类变频器的分类 常用的分类方法：常用的分类方法：按供电电源电压等级分类按供电电源电压等级分类按控制算法分类按控制算法分类 按用途分类按用途分类 按变换方法分类按变换方法分类 按供电电源电压等级分类按供电电源电压等级分类 低压变频器：主要电压等级有低压变频器：主要电压等级有220V/1PH、220V/3PH、380V/3PH 高压变频器：主要电压等级有高压变频器：主要电压等级有3000V/3PH、6000V/3PH、10000V/3PH
21、按控制算法分类按控制算法分类 普通型变频器普通型变频器 ：一般只内置：一般只内置V/F控制方式，调控制方式，调速性能差。如：康沃速性能差。如：康沃CVFG1、G2，森兰，森兰SB40、SB61，英威腾，英威腾INVTG9等等高性能变频器：一般内置高性能变频器：一般内置V/F控制和矢量控制控制和矢量控制两种方式，调速性能好。如：康沃两种方式，调速性能好。如：康沃CVFV1，森兰森兰SB80，英威腾，英威腾CHV，艾默生，艾默生VT3000，富士，富士5000G11S，安川，安川CIMRG7，西门子，西门子MM440等等 按用途分类按用途分类 通用变频器通用变频器 ：其功能不是针对某些特定负载设：
22、其功能不是针对某些特定负载设计的，因此具有通用性和灵活性，适用范围更广计的，因此具有通用性和灵活性，适用范围更广 。如西门子如西门子MM420，MM440专用变频器专用变频器 ：针对某些特定负载设计的变频器，：针对某些特定负载设计的变频器，操作更简单，性能更好。风机水泵专用变频器有操作更简单，性能更好。风机水泵专用变频器有三菱三菱FRA140，西门子，西门子MM430。张力控制变频。张力控制变频器有艾默生器有艾默生TD3300，三垦，三垦SAMCOvm05 按变换方法分类按变换方法分类 交交-直直-交变频器交变频器 ：包括电压型和电流型两种，：包括电压型和电流型两种，其中交其中交-直直-交电压
23、型变频器因结构简单，功率因交电压型变频器因结构简单，功率因数高，目前广泛使用数高，目前广泛使用 交交-交变频器交变频器 ：直接把频率固定的交流电源变换：直接把频率固定的交流电源变换成频率可调的交流电，其输出频率一般不高于成频率可调的交流电，其输出频率一般不高于20Hz 主要用于大功率、低速传动领域主要用于大功率、低速传动领域 1.6 通用变频器的结构和工作原理通用变频器的结构和工作原理通用变频器的结构组成：通用变频器的结构组成：整流电路：通常采用三相不可控整流电路整流电路：通常采用三相不可控整流电路 中间直流电路：通常采用电容或电感电路中间直流电路：通常采用电容或电感电路 逆变电路：通常采用逆
24、变电路：通常采用SPWM逆变电路逆变电路 控制电路：用来产生逆变电路所需要的各种控制电路：用来产生逆变电路所需要的各种驱动信号驱动信号 通用变频器的基本结构图通用变频器的基本结构图 逆变器的驱动信号波形逆变器的驱动信号波形 单相逆变工作原理单相逆变工作原理 单相逆变改变输出交流电频率的原理单相逆变改变输出交流电频率的原理 三相逆变工作原理三相逆变工作原理 1800导电方式导电方式逆变电路逆变电路 SPWM逆变电路逆变电路 Ou t若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。OutSPWM波OutOutSPWM调制原理调制原理 SPWM单极性调制原理单极性调制原理 SPWM双极性调制原理双极性调制原理 三相逆变器输出的三相逆变器输出的SPWM脉波脉波 作业作业 2、4、6、7
