变频调速技术及应用复习提纲概要.docx
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变频调速技术及应用复习提纲概要
复习提纲
1、根据公式,说明交流异步电动机和同步电动机调速的方法各有哪些?
交流电机同步转速
交流感应电机转速
交流异步电动机调速的方法:
(1)变频调速
(2)变极调速(3)变转差率调速
第一:
改变感应电机的极对数p,从而改变电动机的转速。
这种方法只能一级一级地调速,不能平滑调节,而且电机体积较大,接线复杂,电机运行性能较差;
第二:
改变感应电机转差率s。
绕线式感应电动机通过在转子中外加调速电阻,实现改变转差率,使得转速改变。
缺点是调速电阻需要消耗一定能量,绕线式电动机结构较复杂,适用于中小容量电动机;
第三:
改变电源频率f1。
通过改变电源频率来改变交流电动机转速。
是当前应用最广泛的交流调速技术。
既适用于同步电机,也适用于感应电机。
交流同步电机转速只有变频调速
根据交流异步电机的转速公式
n=n1(1-s)=60f1/p(1-s)
可知:
交流异步电动机有以下三种基本调速方法:
(1)改变定子极对数p调速。
(2)改变电源频率f1调速。
(3)改变转差率s调速。
2、按电动机能量类型可将异步电机调速分为几种类型?
(1)转差功率消耗型调速系统
(2)转差功率馈送型调速系统
(3)转差功率不变型调速系统
3、现代交流调速系统由哪些部分组成?
现代交流调速系统的组成
4、目前应用最多、最广泛的交流调速方法是哪种?
主要应用于哪些场合?
变频调速:
改变电源频率f1。
通过改变电源频率来改变交流电动机转速。
是当前应用最广泛的交流调速技术。
既适用于同步电机,也适用于感应电机。
5、叙述异步电动机工作原理、铭牌的意义、旋转方向等
工作原理:
三相交流异步电动机工作原理:
(1)当三相异步电机接入三相交流电源时,三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势(定子旋转磁动势)并产生旋转磁场。
(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。
(3)根据电磁力定律,载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用,形成电磁转矩,驱动转子旋转,当电动机轴上带机械负载时,便向外输出机械能。
电机的转速(转子转速)小于旋转磁场的转速,从而叫为异步电机。
它和感应电机基本上是相同的。
s=(ns-n)/ns。
s为转差率,ns为磁场转速,n为转子转速。
三相异步电动机的转速永远低于旋转磁场的同步转速,使转子和旋转磁场间有相对运动,从而保证转子的闭合导体切割磁力线,感生电流,产生转矩。
转速的差异是异步电机运转的必要条件。
在额定情况下,转子转速一般比同步转速低2-5%。
旋转方向:
电磁转矩Tem及转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向相同。
铭牌的意义
(1)额定功率PN
(2)额定电压UN
(3)额定电流IN
(4)额定频率fN
(5)额定转速nN
(6)额定功率因数cosN
(7)绝缘等级与温升
6、异步电动机提高动态性能的关键是什么?
从运动方程式可以看出,提高动态性能的关键有两条:
减小转动惯量和控制动态转矩。
7、如何根据负载性质选择调速方式?
恒转矩负载配合恒转矩调速方式
恒功率负载配合恒功率调速方式
8、电动机能够长期稳定运行的条件是什么?
9、电流互感器利用什么原理测量电流?
(电磁感应原理)
电流互感器(Currenttransformer简称CT)的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流,用来进行保护、测量等用途.
电流互感器原理是依据电磁感应原理的。
电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。
它的一次绕组匝数很少,串在需要测量的电流的线路中,因此它经常有线路的全部电流流过,二次绕组匝数比较多,串接在测量仪表和保护回路中,电流互感器在工作时,它的2次回路始终是闭合的,因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小,电流互感器的工作状态接近短路。
电流互感器是把一次大电流转换成二次小电流来使用,二次不可开路。
10、光电编码器的测速原理是什么?
用什么方法测高速?
用什么方法测低速?
光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器,是目前应用最多的传感器。
一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置组成。
在伺服系统中,由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转.经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出,根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。
根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式3种。
M法测高速T法测低速
11、异步电动机变频调速的原则是什么?
电机调速时,希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。
如果磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;如果过分增大磁通,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。
对于直流电机,励磁系统是独立的,只要对电枢反应有恰当的补偿,m保持不变是很容易做到的。
在交流异步电机中,磁通m由定子和转子磁势合成产生,要保持磁通恒定就需要费一些周折了。
三相异步电动机定子每相电动势
由式(6-1)可知,只要控制好Eg和f1,便可达到控制磁通m的目的,对此,需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。
12、根据异步电动机闭环调速系统结构图,说明异步电动机闭环调速系统的工作原理。
ASR-速度调节器;TG-测速发电机;AT-触发装置
速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理:
将速度给定值与速度反馈值进行比较,比较后经速度调节器得到控制电压,再将此控制电压输入到触发装置,由触发装置输出来控制晶闸管的导通角,以控制晶闸管输出电压的高低,从而调节了加在定子绕组上的电压的大小。
因此,改变了速度给定值就改变了电动机的转速。
由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。
同时当负载发生变化时,通过速度负反馈,能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小,由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移,使调压器的输出电压提高,导致电动机的输出转矩增大,从而使速度回升,接近给定值。
这种调速方法既不是恒转矩调速,也不是恒功率调速。
如果拖动恒转矩负载,而转速又较低时,损耗将增加,不宜于长期低速运行。
如果拖动风机类负载,随着转速的降低负载转矩减小,电动机输出转矩也相应减小,从而减小了损耗,所以这种调速方法更适合于与风机类负载相配合。
异步电动机调压调速通常适用于绕线型异步电动机。
13、异步电动机变频调速时为什么要进行电压补偿?
由式(6-1)可知,只要控制好Eg和f1,便可达到控制磁通m的目的,对此,需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。
基频以下调速
采用恒电动势频率比的控制方式
由式(6-1)可知,要保持m不变,当频率f1从额定值f1N向下调节时,必须同时降低Eg,使
采用恒压频比的控制方式
由于绕组中的感应电动势难以直接控制,当电动势值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压Us≈Eg,则得
在低频时Us和Eg都较小,定子阻抗压降所占的份量就比较显著,不再能忽略。
这时,需要人为地把电压Us抬高一些,以便近似地补偿定子压降。
带压降补偿的恒压频比控制特性
14、教材P217:
6-1、6-2、6-3、6-4、6-6、
6-1.简述恒压频比控制方式。
在额定频率以下,如果电压一定而只降低频率,那么气隙磁通就要过大,造成磁路饱和,严重时烧毁电动机。
因此为了保持气隙磁通不变,就要求在降低供电频率的同时降低输出电压,保持u/f=常数,即保持电压与频率之比为常数进行控制。
这种控制方式为恒压频比控制方式,又称恒磁通控制方式。
6-2简述异步电动机在下面四种不同的电压—频率协调控制时的机械特性并进行比较;
(1)恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性;
(2)基频以下电压—频率协调控制时异步电动机的机械特性;
(3)基频以上恒压变频控制时异步电动机的机械特性;
(4)恒流正弦波供电时异步电动机的机械特性;
答:
(1)恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性:
当s很小时,转矩近似与s成正比,机械特性是一段直线,s接近于1时转矩近似与s成反比,这时,Te=f(s)是对称于原点的一段双曲线。
(2)基频以下电压—频率协调控制时异步电动机的机械特性:
恒压频比控制的变频机械特性基本上是平行下移,硬度也较好,当转矩增大到最大值以后,转速再降低,特性就折回来了。
而且频率越低时最大转矩值越小,能够满足一般的调速要求,但低速带载能力有些差强人意,须对定子压降实行补偿。
恒Eg/⎤1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准,可以在稳态时达到√rm=Constant,从而改善了低速性能,但机械特性还是非线性的,产生转矩的能力仍受到限制。
恒Er/⎤1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性,按照转子全磁通√rm恒定进行控制,而且,在动态中也尽可能保持√rm恒定是矢量控制系统的目标,
(3)基频以上恒压变频控制时异步电动机的机械特性:
当角频率提高时,同步转速随之提高,最大转矩减小,机械特性上移,而形状基本不变。
基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。
(4)恒流正弦波供电时异步电动机的机械特性:
恒流机械特性的线性段比较平,而最大转矩处形状很尖。
恒流机械特性的最大转矩值与频率无关,恒流变频时最大转矩不变,但改变定子电流时,最大转矩与电流的平方成正比。
6-3如何区别交—直—交变压变频器是电压源变频器还是电流源变频器?
它们在性能上有什么差异?
答:
根据中间直流环节直流电源性质的不同,直流环节采用大电容滤波是电压源型逆变器。
它的直流电压波形比较平直,理想情况下是一个内阻为零的恒压源,输出交流电压是矩形波或梯形波。
直流环节采用大电感滤波是电流源型逆变器。
它的直流电流波形比较平直,相当于一个恒流源,输出交流电流是矩形波或梯形波。
在性能上却带来了明显的差异,主要表现如下:
(1)无功能量的缓冲在调速系统中,逆变器的负载是异步电机,属感性负载。
在中间直流环节与负载电机之间,除了有功功率的传送外,还存在无功功率的交换。
滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用,使它不致影响到交流电网。
因此,两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件(电容器或电感器)来缓冲无功能量。
(2)能量的回馈用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征,就是容易实现能量的回馈,从而便于四象限运行,适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。
(3)动态响应正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变,所以动态响应比较快,而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。
(4)输出波形电压源型逆变器输出的电压波形为方波,电流源型逆变器输出的电流波形为方波。
(5)应用场合电压源型逆变器属恒压源,电压控制响应慢,不易波动,所以适于做多台电机同步运行时的供电电源,或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。
采用电流源型逆变器的系统则相反,不适用于多电机传动,但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。
6-4电压源变频器输出电压是方波,输出电流是近似正弦波;电流源变频器输出电流是方波,输出电压是近似正弦波。
能否据此得出电压源变频器输出电流波形中的谐波成分比电流源变频器输出电流波形中的谐波成分小的结论?
在变频调速系统中,负载电动机希望得到的是正弦波电压还是正弦波电流?
答:
在电流电机中,实际需要保证的应该是正弦波电流,因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值,不含脉动分量。
因此,若能对电流实行闭环控制,以保证其正弦波形,显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。
6-6.如何改变由晶闸管组成的交—交变压变频器的输出电压和频率?
这种变频器适用于什么场合?
为什么?
答:
正、反两组按一定周期相互切换,在负载上就获得交变的输出电压 u0,u0的幅值决定于 各组可控整流装置的控制角,u0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。
如果控 制角一直不变,则输出平均电压是方波,一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统,供电给 低速电机直接传动时,可以省去庞大的齿轮减速箱。
15、教材P185:
图6-37的工作原理、结构、组成和各部分功能
1.数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图如下,综述分析其主电路,控制电路,检测与保护电路,信号设定等工作原理及特点?
答:
主回路:
由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成,一般都是电压源型的,采用大电容C滤波,同时兼有无功功率交换的作用。
特点:
为了避免大电容在合上电源开关K1后通电的瞬间产生过大的充电电流,由R0限制充电电流,延时后经开关K2将R0短路,以免长时间接人R0时影响变频器的正常工作,并产生附加损耗。
控制电路:
现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路.特点:
接受各种设定信息和指令,在根据要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。
检测与保护电路:
电压,电流,温度等检测信号处理电路进行分压,光隔离,滤波,放大等综合处理,在进入A/D转换器,输入给GPU作为控制算法的依据,并同时用作显示和故障保护。
特点:
能够对电压,电流,温度等检测信号进行分压,光隔离,滤波,和放大。
信号设定:
除了PWM生成,给定积分和压频控制等主要功能外,还包括信息采集,故障分析,键盘及给定电位器输入显示和通信。
特点:
可设定或修改的参数数百个,有多组压频比曲线可供选择。
16、异步电动机动态数学模型的性质是怎样的?
异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
17、异步电动机矢量控制时,为什么要进行坐标变换?
矢量控制是模拟直流电机的方式而来的,直流电机的控制是磁场和电枢电流垂直,而交流电机是三相旋转磁场,可以将其总磁势分解成:
励磁分量和力矩分量,励磁分量相当于直流电机磁场控制,力矩分量相当于电枢电流,所以必须要进行坐标变换。
18、什么是Clarke变换?
什么是Park变换?
Clarke变换:
首先是将基于3 轴、2 维的定子静止坐标系的各物理量变换到2 轴的定子静止坐标系中。
该过程称为 Clarke 变换,
Park变换:
从两相静止坐标系α、β到两相旋转坐标系M、T变换称作两相静止—两相旋转变换,简称2s/2r变换。
19、矢量控制系统的基本思路是怎样的?
矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机的转矩控制规律。
20、
说明教材P207中图6-53的原理。
给定和反馈信号经过控制器。
产生励磁电流给定信号im*和电枢电流给定信号it*,经过反旋转变换得到iα*和iβ*,再经过2/3变换得到iA*、iB*、iC*。
把这三个电流给定信号和由控制器得到的频率给定信号ω1一起施加到电流控制变频器上,变频器即可为异步电动机输出所期望的具有适当电压、频率、相位的驱动电流。
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