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1、变频器知识,主讲人：刘长利,二零一二年三月十九日,学习目标,了解电气传动的基本概念掌握变频器的基本工作原理了解变频器的基本应用和选型原则,目录,电气传动基础知识通用变频器的构成通用变频器保护功能变频器应用简介变频器选型,电气传动基础知识电气传动系统概述,定义 以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统构成,中间传动机构,交流电源输入,终端机械,交流电机,直流调速装置,直流输出,皮带轮、齿轮箱等,风机、泵等,直流电机,交流调速装置,交流输出,执行机构,变频器,电气传动基础知识电气传动的目的和意义,目的 根据设备和工艺的要求通过
2、改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输 出转矩,意义,注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能,电气传动基础知识电气传动系统基本工作原理,电力传动系统运动方程式,T电机转矩T负载转矩加速运行 T电机转矩T负载转矩减速运行 T电机转矩T负载转矩恒速运行,电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关,T电机转矩T负载转矩,电气传动基础知识电气传动系统工作原理,速度模式：以保持转速恒定为目的，如常规调速系统（电梯、各类生产线）。控制设 备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，恒速时电机转矩 肯定等于负载转矩转矩模式 以
3、控制电机转矩恒定为目的，如：开卷/收卷，恒速时电机转矩肯定等于 负载转矩，但电机的运转速度不确定。如果电机转矩始终大于负载转矩，则速度持续上升直至设备限速或损坏 如果电机转矩始终小于负载转矩，则速度为0或最低（下限）速度 为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护,T电机转矩T负载转矩,电气传动基础知识电气传动系统负载特性,传动机构,电动机,生产机械,负载特性,摩擦恒转矩生产流水线起重行走,速度,T负载转矩,势能恒转矩电梯起重机提升,恒功率（速度越低，负载转矩越大）机床开卷机/收卷机,变转矩（速度越低，负载转矩越小）风机水泵,负载转矩大小于与转速无关,电气传动基础知识交（直）流电气传动系统的特
4、点,直流电气传动系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，一种调速方式性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护,交流电气传动系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂，有多种调速方式性能较差，对硬件要求较高电机无电刷，无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏，适应恶劣现场基本免维护,70年代以前直流占统治地位交流调速只在大功率电机调速上使用,变频器基础知识交流电气传动系统的发展历程,交流异步电机的机械特性公式,n60f/p(1-s)n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数 s：转差率,T：电机力矩,N：速度,
5、n0,负载1,异步机机械特性,负载2,交流同步电机的机械特性公式,n60f/p n：电机转速 f：给电机供电的交流电频率 p：电机极对数,n0,负载1,负载2,T：电机力矩,同步机机械特性,早,晚,发 展 时 间,变频器基础知识交流电气传动系统的发展历程,在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉 还是在一些性能较低的传动现场使用,变频器基础知识变频器及其特点,变频器 变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可 变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF(Varia
6、ble Voltage Variable Frequency）变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极,变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）,变频器基础知识变频调速的发展历程,电机控制算法,功率半导体技术,V/F控制,SCR,GTR,矢量控制,IGBT,计算机技术,单片机DSP,IGBT大容量化,更高速率和容量,如：矩阵式变频器,大功率传动使用变频器，体积大，价格高,未来发展方向完美无谐波,PWM技术,SPWM技术,PWM优化新一代开关技术,无速度矢量控制电流矢量V/F,70年代,80年代,60年代,90年代,高速DSP专用芯片,2000年代,超
7、静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流,算法优化,更大容量 更高开关频率,PWM技术,空间电压矢量调制技术,变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用,变频器基础知识变频器分类,注：交直交电压型变频器因结构简单，功率因素高，目前广泛使用常用设计功率在315KW,变频器基础知识简要工作原理,整流部分,储能环节,逆变部分,M,控制系统,交流,交流低压交直交通用变频器系统框图,直流,直流,交流,整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近
8、似正弦,变频器基础知识简要工作原理,单相逆变电路工作原理,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,f1,f2,Ed,U1,逆变器的功能：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序,变频器基础知识简要工作原理,S1,S4,S5,S2,S3,S6,U,V,Ed,W,561,UUV,UVW,UVW,612,123,234,345,456,561,612,三相逆变电路,Ed,缺点：输出电压的谐波分量太大电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳直到从通信技术中采用PWM调制才
9、大大的缓解了以上问题,电机,变频器基础知识简要工作原理,调制解调器 调制解调器 的英文是MODEM，其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。电子信号分两种，一种是“模拟信号”，一种是“数字信号”。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时，就必须使用调制解调器来“翻译”两种不同的信号。连入Internet后，当PC机向Internet发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号“翻译”成模拟信号，才能传送到Internet上，这个过程叫做“调制”。当PC机从Internet获取信息时，
10、由于通过电话线从 Internet传来的信息都是模拟信号，所以PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译”,这个过程叫作“解调”。合起来就是“调制解调”。,变频器基础知识简要工作原理,SPWM调制,PWM（Pulse Width Moduration）调制PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频 率可变的电压脉冲列。SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得 到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获 得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同GT
11、R变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题,变频器基础知识控制算法,交流调速的控制核心是：只有保持电机磁通恒定才能保证电机出力，才能获得理想的调速效果V/F控制简单实用，性能一般，使用最为广泛只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定 例:对于380V 50Hz电机，当运行频率为40HZ时，要保持V/F 恒定，则 40HZ时电机的供电电压:380（40/50)304V低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高,矢量控制性能优良，可以与直流调速媲美，技术成熟较晚模仿直流电机的控制方法，采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电 流分量和转矩电流
12、分量的解耦控制，保持电机磁通的恒定，进而达到良好的 转矩控制性能，实现高性能控制。性能优良，控制相同复杂，直到90代计算 机技术迅速发展才真正大范围使用,变频器基础知识控制算法,变频器基础知识变频器关键技术指标,输入侧 额定工作电压：给变频器供电的额定工作电压，各国家不完全一样。中国是220V/单相/50HZ或380V/3相/50HZ电压允许波动：限制变频器的最高和最低工作电压，避免损坏变频器 当电压超过最高值时变频器并没有保护能力频率波动范围：50/60Hz5输出侧 额定输出电压：变频器的最大输出电压，由额定工作电压决定额定电流：变频器能够长期输出的最大电流过载能力：变频器的输出电流允许超过
13、额定电流的倍数和时间，由逆变 模块决定最大输出频率：变频器能够输出的最大工作频率频率精度：输出频率的准确度（相对于设定频率）频率分辩率：指给定运行频率的最小改变量防护等级 IP20(不防水）,变频器的构成实用原理框图,1,4,3,2,5,6,7,8,适用于小功率（5.5KW),适用于中大功率(5.5KW以上）,变频器的构成实用原理框图,变频器的构成实用原理框图,变频器的构成用户接口,主回路接口,控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口,控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口,变频器的构成主回路接口,工频电网输入380V 3PH/220V 3PH220V 1PH,制动电阻,直流电抗器,三相交
14、流电机,变频器的构成控制回路接口,以上端子均可自由编程,变频器保护功能,由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等，要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重 新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。,主回路关键器件,IPM（智能功率模块）,PIM（功率集成模块）,目前以IGBT 和PIM使用较多,控制回路关键器件,DSP 电机控制专用CPU TI公司产品 实时控制，快速处理数据 同一机器周期同时处理多条指令 CPLD 大规模可编程逻辑振列，XILINX产品 系
15、统逻辑构成和保护电路 简化数字逻辑 MCU 单片机 ATMEL公司产品 显示与键盘,功能介绍,加减速时间（S/min),频率,时间,Fmax最大输出频率,加速时间,减速时间,功能介绍,点动,注：一般在调试时使用，如：确定运转方向、反向倒车等,变频器应用简介变频器运行的两大要素,运行给定,运行命令,决定速度大小（直接速度给定、多段速、PID结果）,决定电机的运行方向决定变频器是启动还是停止,一个状态正常的变频器要运行，以下两个要素条件必须满足：,变频器应用简介键盘控制,工频电源,外部延长电缆,特点：运行命令由键盘上的RUN和STOP决定运行方向一般由变频器内部参数决定运行给定由键盘修改特定功能码
16、完成方便快捷适用场合在设备调试时广泛使用应用在简单且实时性不强的单机场合,变频器应用简介外部端子控制（单机）,工频电源,特点：运行命令由外部启停按钮决定，通过变 频器外部端子FWD/REV决定运行方向运行给定一般由外部模拟端子决定：PLC 模拟输出电位器常与外部逻辑电路或PLC共同控制变频器适用场合应用在实时性较强独立系统使用范围最广,启动,停止,开关量端子模拟量端子,变频器应用简介外部端子控制（多机）,工频电源,启动,停止,工频电源,速度给定,使用场合：各类小型生产线或系统特点：实时性好 调试维护方便 线路复杂，抗干扰 能力差,开关量端子模拟量端子,开关量端子模拟量端子,变频器应用简介通讯控
17、制,工频电源,启动,停止,工频电源,速度给定,使用场合：各类中大型生产线或系统特点：所有控制均通过通讯电缆线路相对简单，自动化 水平高，信息交换量大实时性好，抗扰能力强为防止网络故障，特设独立急停功能投入大，调试维护困难,通讯接口,通讯接口,单根电缆,人机界面,通讯接口,变频器选型选型原则,考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。要准确选型，必须要把握以下几个原则：充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要 求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型了解所用电机主要铭牌参
18、数：额定电压、额定电流。确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该 电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素，如 选用的是通用变频器，则可以选择P型机以下情况要考虑容量放大一档：1、长期高温大负荷 2、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场 3、目标负载波动大 4、现场电网长期偏低而负载接近额定 5、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）,变频器选型选型原则,充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则：以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上
19、电网品质恶劣或容量偏小的场合如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机以下情况要选用交流输出电抗器变频器到电机线路超过100米（一般原则）以下情况一般要选用制动单元和制动电阻提升负载频繁快速加减速大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）,变频器选型选型原则,中国变频器市场主要品牌,欧美品牌西门子、科比、伦茨、施耐德、ABB 丹佛斯、ROCKWELL、VACON、AB、西威 日本品牌富士、三菱、安川、三垦、日立、欧姆龙 松下电器、松下电工、东芝、明电舍国产品牌安邦信、佳灵、森兰、英威腾、康沃、科姆龙、惠丰港台品牌台达、普传、台安、东元、美高韩国品牌LG、现代、三星、收获,
