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1、,变频调速技术,北京天华博实电气技术有限公司刘宏伟 联系电话：2010/06,内容,电力拖动的基本概念变频调速系统的组成、特点6SE70变频器的使用变频调速系统常见的故障与维护变频器现场应用实例,第一部分 电力拖动的基本概念,异步电机的结构和原理异步电机的调速变频调速的优点,异步电动机的结构和原理,异步电动机的结构,异步电动机的结构定子转子风扇机壳接线盒轴伸,定子铁心与绕组,定子铁心均布的槽中嵌有三相对称绕组。,铁心,绕组,转子铁心和绕组,铸铝转子,绕线转子,旋转磁场的产生,在定子三相对称的定子绕组中通入对称三相电流即在气隙中产生旋转磁场：,同步转速,定子旋转磁场的转速记为n1，又称为同步速:
2、式中：n1的单位为每分钟的转数（rpm）f为电源的频率p为绕组磁场的极数例如，对工频50Hz电源，2极，4极，6极，8极电机的同步转速分别为：3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等,转子是怎样转起来的？,转子导体横切气隙旋转磁场产生感应电势（右手定则）感应电势在闭合的转子绕组中产生感应电流转子导体中的电流与气隙旋转磁场作用产生电磁力（左手定则）电磁转矩驱动转子转动，与气隙旋转磁场的方向相同,转子电流也产生旋转磁场该磁场的转速与所产生的旋转磁场转速一样，都是同步速在稳态情况下，转子所产生的磁场与定子是相对静止的实际上，气隙磁场是定子与转子绕组产生的电流之和。,异步电动
3、机的转速,异步电动机的转速可表示为：式中S称为滑差率；当电机刚刚开始起动时，n=0，s=1；若电机处于理想空载，n=n1,s=0，转子与定子旋转磁场同步，故n1称为同步转速；额定负载情况下，s为25%，所以异步电机的额定转速nN总是接近同步速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。滑差率的大小反映了电机的不同运行状态。,复习转速的公式,电机和负载的转速与频率，电机的极数和滑差率有关。,变频调速,转速与频率成正比能够连续调速操作方便，噪声低调速范围宽，调速精度高效率高，功率因数高（采取措施）可以控制起动，运行，停止（锁定输出，线性制动或软停止）可靠性高，易于维护起动电
4、流和运行电流小，过载能力大,什么是变频器定义：把工频交流电（或直流电）变换为电压和频率可变的交流电的电气设备称为变频器。变频器的主要用途是用于交流电动机的调速控制。变频器应用：通过对电动机的调速控制，达到节能、提高工作效率、实现自动控制等目的。在钢铁、石油、石化、化纤、纺织、机械、电力、电子、建材、煤炭、医药、造纸、注塑、卷烟、吊车、城市供水、中央空调及污水处理等行业得到普遍应用。现在我国能用变频器的地方都在采用变频器。,第二部分 变频调速系统的组成、特点,变频器与电动机的关系,变频器从输入端看：输入的是工频三相交流电，从输出端看：输出的是频率和电压可调的交流电。控制电动机工作变频器是电动机和
5、电源之间的一个中间控制环节，变频器和电动机要匹配，变频器的输出特性和功能参数必须与电动机的工作特性相吻合。电动机要求：电动机要调速；在起动、制动时电流大；频率改变时电压也必须随之改变，闭环控制要求：速度精度高、快速性好，控制方便。,电动机的起动、制动及调速,电动机起动 起动要求：有不太大的起动电流；足够大的起动转矩；动态转矩T要小 但实际情况恰恰相反，起动电流大，动态转矩T也大。起动方法：直接起动：起动电流大，约为IN的47,适用于小容量电动机。降压起动：自耦变压器降压起动；串电阻或电抗器降压起动；Y-降压起动；低频起动：降低电动机的起动频率（变频器）。,电动机的起动、制动及调速,低频起动的优
6、点：转速差n被限制在一定的范围，起动电流也被限制在一定范围内，动态转矩T很小，起动过程平稳。变频器的加减速时间由此而设。电动机的制动 电动机的制动状态是指电磁转矩T与转子转速n方向相反的状态。制动方式：直流制动：又称能耗制动，制动目的是使电动机停止转 动，可用于变频调速系统；回馈制动：又称再生制动，制动目的是使电动机在制动过程中将能量 回馈到电网。可用于变频调速系统；反接制动：可使电动机快速停车，通常不用于变频调速系统；,变频器主电路,515V,输入380V,整流电路,起动保护,滤波电路,制动单元,制动电阻,逆变IGBT,续流二极管,变频器系统构成,输入控制端子和输出控制端子,模拟量输入端子：
7、模拟电压控制端子：010V，05V，模拟电流控制端子：020mA,420mA主要功能：给定变频器输出频率，PID控制目标信号给定；辅助功能：叠加到主给定信号的附加信号，PID反馈信号。开关量输入控制端子：接受外部输入的各种开关信号。基本输入端子：正转（FWD），反转（REV）,点动（JOG）,复位（RST）等可编程多功能端子：端子功能通过预置来决定，如多段速控制、多段速升降速时间控制、可编程序控制等。输出控制端子报警输出：当变频器因故障而跳闸时，报警输出端动作，发出报警信号。测量信号输出：向外接仪表输出运行模拟或数字信号。状态信号输出：输出变频器各种运行状态信号。如“频率到达”“频率检测”、“
8、运行中”等。,U/控制模式变频器,控制特点：通过压频变换器使变频器的输出电压与输出频率成比例的改变，即U/=常数 性能特点：性价比高，输出转矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。适用于以节能为目的和对速度精度要求较低的场合。低频稳定性较差：在低速运行时，会造成转矩不足，需要进行转矩补偿。该变频器为开环控制，安装调试方便。,矢量控制变频器,矢量控制是交流电动机用模拟直流电动机的控制方法来控制。直流电动机的特点励磁绕组和电枢绕组分开，互不影响，改变任意一个电流都可以调速，并且两个磁场正交，调速非常方便。交流电动机特点电动机的定子和转子都取自定子电流，两个电流既不独立磁场更不正交，调速难以控制。
9、转速和定子电流并不成正比，简单改变定子电流的大小并不能得到良好的调速性能。,思路：设法将交流电动机的定子电流分解为定子励磁电流和转子电枢电流，用控制直流电动机的方法控制交流电动机。变频器控制方式：分无传感器（开环）和有传感器（闭环）两种控制方式。,矢量变频器的特点,控制特点：既能控制电流的幅值，同时控制电流的相位，还可通过软件来设定这种控制方式。性能特点：可从零转速进行控制，调速范围宽；可对转矩进行精确控制；系统响应速度快，速度控制精度高。,变频器组成部分照片展示及介绍,见照片,第三部分 6SE70变频器的使用,一 概述,MASTERDRIVES 产品系列中提供了下列各种控制方式：矢量控制(V
10、C)带编码器的矢量控制应用于需要高度精确转矩和动态响应，无编码器的矢量控制在水泵、风机的简单应用和V/f 控制。Motion 控制(MC)矢量控制用于伺服系统，用于可选的高级工艺功能。,系统说明矢量控制功能是与传动系统要求相适应。矢量电流控制能快速地将电流以最短的采样时间接入到电机绕组中。转矩的相对高的动态上升率是高水平的闭环控制回路一个很好的基础。可以选择电流控制型式和V/f 控制型式。V/f 控制型式可用于同步电机和异步电机的运行。电流控制型式用于带有或不带用于异步电机的速度检测的各种不同编码器。如果用于特殊场合，用于外部励磁的同步电动机则可以工作在带编码器的速度控制型式(电流控制型式)。
11、矢量控制功能可用于电源电压范围为380V15%到480V+10%的变频器和逆变器的模块上。如果需要，可以用软件或硬件选件的扩大的工艺功能和通讯功能加以扩展。使装置能够适应于各种不同的服务条件。所有闭环控制功能采用随心所欲地搭接的自由功能模块来实现，软件便能灵活地适应各种应用场合。存储在装置软件中的菜单结构可简化启动和观察同各种操作面板相连接的传动系统。PC 辅助工具能保证有效的参数设定和数据安全。,性能特点,具有矢量控制功能的装置具有下列性能特点：可以作为一个变频器模块或一个逆变器模块 功率范围从0.55kW2300kW 有用于多轴传动系统的各种配置 集成的直流母线模块和熔断器 集成的“安全停
12、车”功能(装置专有)控制功能：V/f 特性曲线 纺织工业应用的U/f 特性曲线 带编码器的速度控制 带编码器的转矩控制 无编码器的速度控制 集成的USS 接口，用于配置简单总线系统 各种现场总线接口：PROFIBUS CAN 总线 通过SIMOLINK 可以带到200 个节点的传动系统网络 启动和诊断功能 综合的变频器功能：菜单的即时行动 通过集成的简单的操作面板，舒适型操作面板或PC 的分级操作控制和观察 统一的PC 的可编程软件(SIMOVIS),二、连接,三 启动和参数设置,参数复位到工厂设置,系统设置,参数识别,第四部分 变频调速系统常见的故障与维护,变频器使用理念 勤养少修，延长使用
13、寿命变频器使用过程中的几个主要方面 1.过热及散热 过热：变频器容量选择留出余量，制动电阻选择留出余量；散热：运行过程中积聚的灰尘、油腻及冷却风机故障；2.振动振动会使变频器的接插件和接线端子产生松动，引起接触不良，造成各种运行故障。电源线掉落：主回路直流电压偏低，出现低压报警停机；电源线掉落后与另一相短路：电源短路；输出线掉落：输出缺相，电动机运行不平稳，报警停机；输出短路：损坏变频器逆变模块电路。,3.元器件老化电容老化：容量下降到85%以下时，会影响变频器正常工作，认为寿命终止；开关电源滤波电容老化：控制电路及驱动电路无法正常工作；主电路电容老化：充放电量不足，带载不能正常运行。4.线路
14、老化电路绝缘老化：易引起短路。屏蔽层老化：易串入干扰。5.气体腐蚀6.运行过程中的过电压及过电流雷击、电网不正常波动。,定期检修1.时间间隔：1年一次；2.检修方式：停机检修、运行检修；3.停机检修：停机检修参考数据,将接线端子全部断开；清洗 用吸尘器或吹风机去尘；拆卸较大部件擦拭、擦洗；尤其是冷却风机。主回路检修 滤波电容容量监测，外观检查，寿命大约为5年，接近寿命时半年一次。制动电阻阻值测量及外观检查；继电器触点、外观及导线检查，动作是否失灵；整流模块内部元件检查：检查二极管正、反向电阻，正向电阻在几十欧姆，反向电阻为；逆变模块内部元件检查：二极管的测量：开关元件测量：删源之间有无击穿；器
15、件的一致性情况,注意：测定时，滤波电容一定要放电。主回路绝缘测定：用绝缘电阻表，绝缘值大于5M；保护电路的检修主要是取样电路元件和接线的检查。电压互感器：接线 电流互感器：接线 电压分压电阻：阻值、外观 压敏电阻：外观 热敏电阻：外观 冷却风机检修 运行时间：一般23年，时间长会使风力减弱；运行状况：轴及扇叶有无异常；接线加固；控制、驱动电源电路检查 目测元件、线路板有无异常：锈蚀、发霉等要清除，必要时明线搭桥；电解电容老化：一般使用1年左右更换1次；检查插件有无松动及短线。接线点的加固及接触处理。,4.通电运行检查经过定期维护的变频器控制系统，必须进行通电试运行检查。接好线路；变频器接通电源
16、 测量输入电压是否正常(交流侧、直流侧)测量输出电压应不超过40V(变频器还未运行)给运行指令测量输出电压时不能用普通万用表，速度上升时过电流：延长上升时间；停机时过电压：制动电阻问题，经常过电压的考虑逆变模块故障或载波频率；压频比不合适：U/f曲线选择。,变频器维护注意事项,变频器内部有大电解电容,切断电源后,电容器上仍有残存电压,因此应在断开电源约10分钟后,“充电”指示灯彻底熄灭或确认正、负母线电压在36V以下时才能进行维护操作。必须是专业人员才能更换零件,严禁将线头或金属物遗留在变频器内部,否则会导致设备损坏。维修前最好记录保留变频器内部的关键参数。更换主控板后,必须在上电运行前进行参
17、数的修改,否则可能会导致相关设备的损坏。,在通电状态下不得进行接线或拔插连接插头等操作。不得将变频器的输出端子(U、V、W)接在交流电网电源上。变频器出厂前已经通过耐压实验,用户不必再进行耐压测试,否则会损坏器件。,变频器常见故障及处理,变频器的保护性故障，可通过变频器的面板故障提示加以解决；若是硬件问题，则需由专业人员进行修理。参数设置类故障 1.确认电动机参数：功率、电流、电压、转速、最大频率等；2.确认变频器的控制方式并进行静、动态辨识：转矩控制、PID控制或其他；3.设定变频器的起动方式：键盘控制、外端子控制或通信方式；4.给定频率控制方式：面板、外端子、外部电压或电流、通信方式；参数
18、设置类故障处理：根据说明书修改，或恢复出厂设定重新设置。,过流故障,加速、减速、恒速过电流原因：加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均、输出短路等。处理方法：延长加减速时间，减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查；若断开负载，变频器还过流，说明逆变电路损坏，检查逆变模块。,过压故障,直流侧过电压：正常值Ud=1.35U线=513V;过电压后可上升至760V左右。原因：1.输入交流电源过压：断电检查元件有无损坏；2.发电类过电压：概率较高 一般是由于负载惯性大，减速时间短。使电动机处于发电状态,而变频器又没有安装制动单元。多个电动机拖动同一个负载时,也可能出现这一
19、故障,主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例,当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时,则转速高的电动机处于电动状态,转速低的电动机处于发电状态,这就会引起过电压故障,欠电压故障,变频器电源输入部分的问题,过载故障,包括变频器过载和电动机过载 原因：加速时间太短、直流制动量大、电网电压太低、负载过重。处理方法：延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压，负载问题可能因变频器与电动机不匹配或负载机械润滑问题引起。,变频器过热故障,1.环境温度过高：增设冷却电动机加大空气流量；2.负载大，变频器容量小：加大变频器容量。,西门子6SE70变频器故障,第五部分 变频器现场应用
20、实例,详情见照片及录像展示,变频器主从控制在回转窑控制系统的应用,主从控制原理 主从应用中主传动是典型的速度控制，而从传动是速度或者转矩控制，一般情况下可分为：当主传动和从传动的电机轴通过齿轮或链条相互固定地连接时，从传动与主传动之间不能有速度差，从传动使用转矩控制，其工作时只负责输出一定比例的转矩以减少主传动的负荷，整个传动的速度控制由主传动来完成。当主传动和从传动的电机轴通过传输带等设备柔性地连接时，从传动与主传动之间允许有细微的速度差，从传动使用速度控制。在一些特殊应用中从传动既需要速度控制，也需要转矩控制，原因是两个电机轴工作时有的时候是硬性连接，有的时候是柔性连接，一般有主从控制性能
21、的变频器都有自由切换这两种控制方式的功能。,主从控制实现方法,主从控制的关键技术问题是如何把主传动的速度信号或转矩信号（K153或K165A或K168）高速和精确地传送到从传动变频器，实现方法因产品规格型号不同会有所差别，并且在各种应用场合中由于传动控制精度的要求不同也可以通过不同的方法来实现，西门子的SIMOVERTMASTERDRIVERS系列6SE70型变频器为例说明主从控制的几种实现方法及其控制特点,第一种方法,通过模拟量输入输出口（AI/AO）连接实现主从控制6SE70变频器的CUVC控制板上集成有可编程的两个回路的AI(模拟量输入口)和两个回路的AO(模拟量输出口)，在主从应用中主
22、传动的速度或转矩信号可以通过AO口转换成标准的420mA信号输出,而从传动则是通过AI口接收主传动发来的速度或转矩给定值，这样就可以实现经济实用的主从控制应用。在主传动中可以应用6SE70书本型变频器中的自由模块对D/A转换后的速度或转矩值进行运算之后再把结果当作从传动的给定值连接到P0640.1中，在从传动中若其是作为速度控制则把模拟输入口的A/D转换值K0011连接到速度给定连接量P0443.1中，若其是作为转矩控制则把K0011连接到转矩给定连接量P0486.1中，或者也可以应用自由模块先对K0011进行处理后再连接到相应的连接口，至于变频器的运行命令或连锁控制则可以通过变频器的数字量输
23、入/输出接口来实现，从而完成简单实用的主从控制。,第一种方法的特点,控制特点：简单实用，不需要投入其他的硬件设备就可以实现两个变频器间的主从控制，模拟量的输出口分辨率为10bit+sign,输入口分辨率为11bit+sign，响应时间为5mS左右，若是增加软件滤波时间则响应时间也会跟着增加，此方法对于速度较低、控制精度要求不是很高的主从控制来说相当方便实用，其主要的缺点是模拟信号较容易受电磁干扰，并且A/D和D/A转换器也会有零点漂移，在实际应用中要特别注意。,第二种方法,通过ProfiBUS通讯模块连接实现主从控制6SE70书本型变频器的CUVC控制板上两个有用于扩展的插口，ProfiBUS
24、通讯模块CBP可以直接插在上面使用，变频器通过CBP模块可以作为从站和PLC等主站进行数据交换，通过PLC完成两台变频器的主从控制。其接线原理图如下图所示：,第二种方法的特点,在该应用中主从传动的速度或转矩分配是由PLC来完成，PLC根据两个传动的控制特点把计算好的速度或转矩值周期性地发送给变频器，变频器根据接收到的控制命令和给定值进行高精度的速度或转矩控制。控制特点：ProfiBUS(ProcessFieldBus)是一个功能强大、开放、耐用的现场总线系统，数据的传送速率可达到12Mbit/S,6SE70变频器通过通讯方式可以进行32位的数据处理，通过PLC的控制两台变频器可以实现高精度的主
25、从控制，为了提高控制精度和响应速度可以选用西门子的S7-300系列的PLC来控制，S7-300PLC可以通过ProfiBUS通讯方式中的同步功能使两台变频器的运行命令和速度或转矩给定值实现同一时间接收，从而实现高精度和响应快的主从控制。该种控制方式要求为每台变频器配置一块ProfiBUS通讯模块，并且需要对PLC等上位机进行软件编程才能实现控制，所以特别适合在已经配置有ProfiBUS通讯网络的中大型传动中使用。,第三种方法,通过SIMOLINK通讯模块连接实现主从控制SIMOLINK通讯接口可实现两个（或多个）传动设备之间的数据快速交换，其通讯板SLB板可以直接插在6SE70变频器的CUVC
26、控制板的扩展槽上，然后通过光纤线来连接成闭合环形回路。在主从应用中可以把主传动的SLB板设置成主站，其余的设置成从站，主从传动的速度或转矩分配是由主站的变频器来完成；或者用一个带有SIMOLINK通讯接口的PLC等上位机作为主站，而变频器的SLB板设成从站，主从传动的速度或转矩分配则由PLC来完成，以前者为例描绘其接线原理图如下图所示：,第三种方法特点,SIMOLINK(SiemensMotionLink)是以光纤电缆位传输介质的通讯方式，其特点是响应速度快捷，抗干扰能力强，在每一个周期内依靠其精确的时间间隔和无偏差的同步功能使所连接的变频器在极快的数据传输中保持高性能的适时性和同步性，SIM
27、OLINK有11Mbit/S的数据传输速率，可以传输32位的数据，总线循环周期为0.26.5Ms。在主从控制中通过SIMOLINK通讯方式可以使得两台电机的控制精度和响应速度方面都达到很高的性能,采用第三种方法的系统配置及主从控制的实现,主要配置为：西门子变频器，附件为SLB（SIMOLINK）板，光纤等。本系统是采用的SIMOLINK通讯模块连接实现主从控制SIMOLINK通讯接口可实现两个（或多个）传动设备之间的数据快速交换，实现主从控制，使两台电机同步。两台电动机的同步运行通过应用西门子变频器的主/从控制程序而实现，主机采用速度控制（speed control)，从机采用转矩控制(tor
28、que control)，从机的控制和运转命令由主机通过光导纤维向从机发送，数据传送速度为2M bit/秒，从而保证了从机准确、迅速的跟踪主机运行状态。,系统工作原理,当变频器准备就绪，由机旁操作箱发出可以启动变频器信号，PLC将可以启动变频器的状态送至计算机操作站，控制系统备妥。当启动命令发出后，PLC将启动命令和电动机转速给定发送给主机变频器，主机变频器按给定的转速运转，同时主机变频器将根据负载情况向从机变频器发出运转命令和转矩给定，主从电动机开始拖动大窑运转，当主机接到停车命令时，主机停车，同时将送给从机的转矩给定置零，从机同时跟随主机停车，从而保证了主从电机的同步运转。运行中无论主机还是从机出现故障时，该信息都送至PLC，PLC接到故障信息后，立即封锁PLC的输出，使变频器停车。,系统实现和参数设置,系统首先需要SIMOLINK板,用于将传动装置链接到SIMOLINK上。每块板为SIMOLINK上的一个站。选件板提供3个LED显示做为当前操作信息的显示。,主传动控制系统图,主传动是速度控制，而从传动为力矩控制，从传动和主传动之间不能有速度差。其实现方法如下图：其主传动装置系统控制图如下图：主传动和从传动之间利用SIMOLINK来实现数据的传送，可以将P486设为K7003（给定值）,从传动装置系统控制图,从传动装置系统控制图如下所示,
