变频器周边设备选择教学课件PPT.ppt

第4章 变频器及周围设备的选择,4.1 生产机械的负载特性,一、机械负载与转矩关系1.运动方程2.负载的分类：正确地把握变频驱动的机械负载对象的转速转矩特性，是选择电动机及变频器容量、决定其控制方式的基础。机械负载包罗万象，但归纳其转速转矩的特性，主要有以下三大类：恒转矩负载，平方降转矩负载，恒功率负载。,二、机械负载与电动机的特性1.恒转矩负载对于传送带、搅拌机、挤压成形机等摩擦负载，吊车或升降机等重力负载，无论其速度变化与否，负载所需要的转矩大体上是一个定值，称此类负载为恒转矩负载。例如，吊车所吊起的重物，无论升降速度大小，其重量在地球引力的作用下而产生的重力是永远不变的，即为恒转矩负载。电动机的功率可以表达为P=Tn/9550其中T为转矩，n为转速，转速和转矩之积为功率，那么恒转矩特性负载消耗的能量与转速成正比。,2.平方降转矩负载风扇、风机、泵等流体机械(风机水力机械)，在低速时由于流体的流速低，所以负载只需很小的转矩，而随着电动机转速的增加流速加快，所需转矩越来越大，转矩大小以转速的平方成比例增减，这样的负载特性称之为平方降转矩负载。在这种场合，因为负载所消耗的能量正比于转速的三次方，所以通过变频器控制流体机械的转速可以得到显著的节能效果。,3.恒功率负载机床的主轴驱动，造纸机、塑料胶片生产机械的中央传动部分，卷扬机等输出功率为恒值，与转速无关，这样的负载特性称之为恒功率负载。例如，卷纸机要求以一定的速度和相同的张力卷取纸张。在卷取初期由于纸卷的直径较小，所以为保持恒速纸卷必须以较高速度旋转，转矩较小；但随着纸卷直径的逐渐变大，纸卷的转速也应随之变低，转矩则必须相应增大。,4.电动机的转矩特性 普通异步电动机在Vf控制方式变频器驱动下，由于变频器的输出电压不能高于电网电源电压，电动机在50Hz以上运转时，Vf比值减小并造成输出转矩变小。当变频器的输出频率低于50Hz(或60Hz)时，可以按原来的恒转矩特性考虑，但由于转速的降低将导致电机冷却能力的下降，所以可允许的连续运转转矩也将下降。但转速较低时，电动机冷却能力下降，而且电动机定子线圈的阻抗压降的相对影响增大，使得连续运转转矩大幅度下降。此时，运转频率越低变频器输出电压越低，电动机内部压降的影响越大，转矩急剧减小。,三、变频器驱动不同负载时需要注意的问题1.驱动恒转矩负载采用变频器驱动普通异步电动机的场合，由于高次谐波的原因，电机的温升要有些增大，此外低速时风扇的冷却效果变差，在选择电机时，根据频率的不同，转矩要作相应的折扣，因此电动机容量要适当增大。由于是恒转矩负载，即使转速变化，电动机的电流也基本不变，若电机构造为全封闭外扇型，则低速运转时电机的冷却能力下降，会发生过热现象，为此要注意：(1)考虑为恒转矩负载选用变频器专用电机；(2)加装专用冷却风扇；(3)增大一档电机容量，降低负载率。,2.驱动平方降转矩负载平方降转矩负载随着转速的降低，转矩以平方的比例下降，所以低频时的负载电流很小，即使选用普通异步电动机也不会发生过热现象，因此一般的风机水力机械很适合由Vf控制的变频器进行驱动。一般的Vf控制变频器都预先设置了平方降转矩负载用的Vf特性。由于机械种类不同飞轮转矩有很大不同，如负载的GD2很大，必须设定很长的加速时间。当电动机以超过基频转速以上的速度运转时，负载所需功率随转速的提高而急剧增加，极易超出电机和变频器的容量，所以应避免这类负载超过工频运行。,3.驱动恒功率负载在基频转速以上，采用普通异步电动机和通用 变频器，能满足象机床主轴那样高速时转矩变小的特性。在基频转速以下的范围内，由于变频器采用Vf恒值控制，电机的输出功率与转速成正比，电机产生的转矩与负载所需转矩相反。电动机产生的转矩为(磁通)(转子电流)，所以，在驱动恒功率负载时，为了确保低速高转矩，需要加大磁通量和电机转 子电流(当然也要加大电机的定子电流)，这就必须大大增加电机和变频器的容量。,4.2 异步电动机的选择,电动机的选择，应根据生产机械的情况恰当地选择其容量，还应根据用途和使用环境选择适当的结构形式、通风方式和防护等级等。通用的标准电动机，用于变频调速时，由于变频器的性能和电动机自身运行工况的改变等原因，确定电动机的容量时还必须考虑一些恒速运行时从未考虑过的一些新问题。为生产机械选择合适的电动机，包括确定电动机的额定电压、额定转速、结构型式和额定容量等,一.异步电动机类型与容量的选择1.类型的选择电动机形式的选择除了根据使用状况和被传动机械的要求合理选择结构形式、安装方式以及与传动机械的连接方式（直接连接、齿轮箱、带轮、链条传动）外，还应根据温升情况和使用环境选择合适的通风方式和防护等级等。防护方式：开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。电机的防护等级见国家标准。电机外壳防护分级GB4942.1-1985,2.电动机容量的选择电动机的容量必须与生产机械的负载大小相匹配，同时要考虑生产机械的工作性质与其持续、间断的规律相适应。选小了，不能保证生产机械的正常工作，对电动机来说，将使它的各部分过载、过热，温度上升超过允许的限度而过早损坏。选大了，则增加设备的投资费用，电动机容量不能充分利用，而且使效率和功率因数降低。,2.电动机容量的选择容量选择步骤：第一步：计算负载功率 P L；第二步：根据第一步结果，预选电动机额定功率；第三步：校核预选电动机。一般先校核发热温升，再校核过载能力，必要时校核起动能力。校核过载能力是指：电动机最大转矩 T m 是否比负载可能出现的最大转矩大，而且需考虑到电网可能出现电压向下波动，按向下波动 10 计算。校核起动能力主要指电动机是否能可靠起动。校核发热经常是最重要的。,二.负载功率的计算1.重力负载 起重机、提升机等负载作垂直移动的设备所需的功率：式中 P电动机功率（kW）；W额定载荷重力、吊钩重力和钢绳重力之和（N）；提升速度（ms）；机械效率。,2.摩擦负载 起重机的平移机构、轨道上移动的水平台车等搬送机械，功率计算中需要考虑摩擦系数：式中 P电动机功率（kW）；W负载重力（N）；负载移动速度（ms）；摩擦系数；机械效率。,3.离心泵负载 所需的驱动功率，即电动机功率为式中 P电动机功率（kW）；流体密度（kgm3）；Q泵的流量（m3s）；H水头（m）；H主管损失水头（m）；泵的效率，一般取0.60.84；c传动效率，如果与电动机直接连接则c=1；k裕量系数，常取 1.051.7，功率越小，该数应取得越大。,4离心式风机 功率计算式为式中 P电动机功率（kW）；Q送风量（m3s）；H空气压力（Pa）；风机效率 0.40.75；c传动效率，直接传动时了c=1；k裕量系数，容量为 5kW以上k取 1.151.10;5kW以下取1.251.2。,5离心式压缩机 功率计算式为式中 P电动机功率（kW）；Q压缩机生产率（m3s）；Ad压缩1m3空气至绝对压力 pl的等温功（Nm）；Ar压缩1m3空气至绝对压力pl的绝热功（Nm）；压缩机总效率，约0.620.8。,三.选用异步电动机时的注意事项1谐波的影响 采用通用PWM变频器对笼型异步电动机供电时，定子电流中不可避免地含有高次谐波，电动机的功率因数和效率都会变差。2散热能力的影响 通用的标准箱型异步电动机的散热能力，是按额定转速下且冷却风扇是装在电动机轴上的（即自扇式）冷却风量考虑的。当调速运行时，速度降低的情况下冷却风量将变小，散热能力变差。,4.3 变频器的选择,通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。应按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。一、变频器控制方式的选择下表综述了各种变频器控制方式的性能特点。,变频器控制方式的性能特点,变频器控制方式的性能特点,二、变频器防护结构的选择 变频器的防护结构要与其安装环境相适应，这就要考虑环境温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与变频器能否长期、安全、可靠运行关系重大。开放型封闭式密封式密闭式,思考题：（1）变频器的选用原则是什么？（2）采用矢量控制后，在0HZ时也能产生转矩吗？（3）哪些情况下不能使用矢量控制方式？,三、变频器容量的选择,变频器的输出指标有：额定输出电流：逆变器中半导体开关器件所能承受的电流耐量，以连续运行总电流不超过变频器额定电流。可用电动机的功率：以电动机的额定功率（kW）表示。为原有电动机选配变频器时，不可仅看kW值是否一致。选用时主要应考察额定电流。额定容量：是指额定输出电流与电压下的三相视在功率。变频器的输出电压:通常等于电动机的工频额定电压。瞬时过载能力:电流瞬时过载能力常设计成150额定电流、lmin或120额定电流、lmin。与标准异步电动机相比较，变频器的过载能力较小，允许过载时间亦很短。,1 连续恒载运转时所需的变频器容量（kVA）的计算式：k电流波形修正系数，PWM方式时取1.051.1,2 一台变频器传动多台电动机并联运行，变频器容量的计算：当变频器短时过载能力为150、lmin时，电动机加速时间在lmin以内：nT并联电动机的台数ns同时起动的电动机台数Ks电动机起动电流与电动机额定电流的比值,当电动机加速时间在lmin以上时：,3 大惯性负载起动时变频器容量的计算,不同的产品有不同的订货号，通过定货号可以了解变频器的基本信息：,选型示例：恒压供水系统，电机30kW，380V，57A恒压供水系统，负载类型为变转矩负载，可选用MM430，30kW，380V480V，额定输出电流62A；MM430具有PID控制器、多泵切换、节能模式等功能可方便地实现恒压供水等系统的应用；无内置滤波器：6SE64302UD330DA0带A级内置滤波器：6SE64302AD330DA0皮带传送系统，电机7.5kW，380V，14.3A皮带传送系统为恒转矩负载，根据功率大小可选用MM420 及MM440；MM420/MM440，7.5kW，380V480V，额定输出电流18.4A/19A；MM420无内置滤波器：6SE64202UD275CA1MM440无内置滤波器：6SE64402UD275CA1,提升机，电机37kW，380V，68A，2.5倍过载提升机在下降时，由于电机运行在发电状态下，将有能量回馈至变频器，须加装制动电阻，故应选用MM440；（若所选变频器功率大于90kW，还需另外增加制动单元）首先计算变频器电流，因MM440最大过载能力为2倍，故变频器额定电流应大于：68X2.5/2=85A，37kW MM440额定输出电流为75A，故应放大一档，即选用45kW MM440，380V480V，90A，这样就可以满足电机过载要求；制动电阻需根据制动功率及制动周期选择；MM440无内置滤波器：6SE64402UD345FA1MM440带内置滤波器：6SE64402AD345FA1,4.4 变频器外围设备及其选择,变频器的运行离不开某些外围设备。选用外围设备的目的是：提高变频器的某种性能。变频器和电动机的保护。减小变频器对其他设备的影响等。,变频器的外围设备如下图所示:,图4-50 变频器周边设备1-变压器；2-线路用断路器；3-电磁接触器；4-无线电噪声滤波嚣；5-输入电抗器；6-输出电抗器；7-电网电源切换电路,1.电源变压器功能：将电网电压转换为变频器所需的电压一般说来，变压器的容量可以选为变频器容量的1.5倍左右。在进行变压器容量的具体计算时可以参考下式：变频器输出功率(被驱动电机的总容量)，kW；变频器的输入功率因数(无输入电抗器时为0.6-0.85，有输入电抗器时为0.8-0.85)；变频器效率(约为0.95，PWM控制变频器的场合)。,2.线路用断路器和接触器（1）断路器作用：空气断路器的作用有以下两个方面：（1）隔离作用，变频器长期不用或维修时，切断电源；（2）过流保护作用，当出现过载和短路等故障时将变频器电源切断，以防止事故进一步扩大。在正常情况下，因为变频器本身在不断地对输出电流进行检测，并在出现因过载或短路等原因造成的大电流时启动其保护功能，停止变频器的输出，切断电源和负载的联系，所以并不需要专门设置线路用断路器。当变频器内部发生故障时，变频器本身有时将不能自行切断输出电流，而必须由接在线路上的线路断路器来切断变频器与电源的联系，以达到防止事故进一步扩大的目的。,选择：线路断路器需要考虑三个方面的因素：额定电流、动作特性、额定断路电流。断路器的额定电流大于变频器的额定电流是选择断路器的基本条件。在进行具体的容量选择时，可以参考下式进行计算。式中 P变频器的额定输出功率；线路断路器的额定电流，A；V 额定电压，V；变频器的输入功率因数(无输入电抗器时约为0.6-0.85，有输入电抗器时约为0.8-0.85)；变频器效率(约为0.95)。一般按（1.31.4）IN（电动机额定电流）,（2）电磁接触器电磁接触器是一种用来自动接通或断开大电流电路的电器。它可以频繁地接通或分断交、直流电路，并可以实现远距离控制。(1)输入接触器（1KM)功能：可以通过按钮方便地控制变频器的通电与断电；当变频器发生故障时，可自动切断电源。选择：由于电磁接触器自身无保护功能，不存在误动作的问题。故选择的原则是，主触点的额定电流只需不小于变频器的额定电流即可，即：,(2)输出接触器(2KM)功能：当变频器用于工频-变频切换时，变频器输出端接输出侧交流接触器实现切换。选择：由于变频器的输出电流中含有较强的谐波成分，其有效值略大于工频时的有效值，故主触点的额定电流的选择应满足：,(3)工频接触器(3KM)功能：(1)用于工频-变频切换，以工频运行时起节能作用；(2)变频器发生故障时的备用手段。选择：工频接触器的选择应考虑到电动机在工频下的启动情况，其触点电流通常可按电动机额定电流再加大一档选择。,3.电抗器、滤波器变频器输出电压和电流不是标准的正弦波，包含较强的高次谐波，将对同一电网上的其他用电设备产生很强的干扰，甚至造成其不能使用。同时其他设备启动或工作时会对电网造成冲击，或电网自身出现的电压波动、浪涌也会对变频器产生干扰，影响其正常工作，甚至造成其损坏。为了减小变频器对其他设备和电网的干扰，同时防止电网和其他设备对变频器的干扰，在变频器的输入、输出端配置电抗器和滤波器等抗干扰设备。,(1).交流电抗器交流电抗器实际上是一个带铁心的三相电感器。功能：(a)输入电抗器抑制谐波电流，提高变频器的电能利用效率（可将功率因数提高至0.85以上）；由于电抗器对突变电流有一定的阻碍作用，故在接通变频器瞬间，可降低浪涌电流大小，减小对变频器的冲击；可减小三相电源不平衡的影响。,选择：在选择电抗器的容量时，一般可以根据下式进行计算。式中：V交流输入额定相电压，V I电抗器额定电流，A；f最大频率，Hz。,输入交流电抗器不是变频器必用的外部设备，可根据实际情况考虑使用。变频器和电源不匹配，会使变频器输入电流的峰值显著增加并对变频器内部电路产生不良影响，下面情况应设置输入电抗器。(1)电源容量500kVA以上，并且为变频器的容量的10倍以上时。(2)和采用了晶闸管换流的设备接在同一变压器上时。(3)和弧焊设备等畸变波发生源接在同一电源系统上时。(4)存在大的电压畸变时(例如，当电路中接有改善功率因数用的电容器时，将变频器接入电源时电容的充电电流将引起电压畸变，而这种电压畸变将有可能使运行状态中的变频器出现过电流现象并烧坏主电路二极管)。(5)电源电压不平衡时。,(b)输出电抗器当变频器和电动机之间的接线较长时，随着变频器输出长度的增加，其分布电容明显增大，从而造成变频器逆变输出的容性尖峰电流过大而引起变频器保护动作。输出电抗器串联在变频器输出端和电动机之间，用于限制电动机连接电缆的容性充电电流和电动机绕组的电压上升率，减小变频器功率器件动作时产生的干扰和冲击。在变频器与电动机之间的连接电缆超过50米时，应配置输出电抗器。,(2).直流电抗器 功能：削弱变频器开机瞬间电容充电形成的浪涌电流；提高功率因数。直流电抗器体积小，结构简单，可将功率因数提高到0.9以上，故不少变频器已将其直接装在变频器内。如果将交流电抗器和直流电抗器同时配用的话，功率因数可达0.95以上。变频器的功率大于30kW是才考虑配置直流 电抗器。,(3).滤波器功能：抑制由变频器带来的无线电电波干扰，即电波噪声,也可以抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰。,4.制动电阻当直流中间回路的电压上升到一定值时，制动三极管将会导通，使直流电压通过制动电阻放电，将馈还给直流回路的能量以热能的形式消耗掉。,(1）制动转矩计算 式中 电动机的 负载折算到电动机轴上的 负载转矩 n1减速开始速度r/min n2减速完毕速度r/min tB减速时间s,(2）制动电阻阻值计算 式中 TMN电动机额定转矩 Ud直流回路电压V可按下式计算 粗略估算 式中 IMN电动机额定电流A,(3）制动时平均消耗功率的计算：(4）电阻器额定功率的计算 式中 m制动电阻允许功率增加系数，根据制动时间以及两次制动间隔时间选择大小。,思考题：,1.变频器主电路外围有哪些设备？2.变频器系统中断路器的作用？3.变频器系统中输入侧接触器的作用？4.变频器系统中输入交流电抗器的作用？5.变频器系统中直流电抗器的作用？,