变频器产品初级培训

变频器初级培训 技术支持部 培训目标 了解电气传动的基本概念 掌握变频器的基本工作原理 能初步理解变频器宣传资料 能向用户进行简单的技术交流和宣传性介绍 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 变频器基础知识 变频器基本功能 变频器应用 变频器选型 我司产品情况 中国市场竞争情况 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 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 变频调速在电气传动上的目的和意义 序号 意义 有代表意义的行业或设备 1 节能 风机、水泵、注塑机 2 提高产品质量 机床、印刷、包装等生产线 3 提高环境质量 电梯、中央空调 目的 根据设备和工艺的要求通过改变电机速度或输出转矩改变终端设备的速度或转矩 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 交流电机的机械特性 交流异步电机的机械特性公式 n 60f/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 n0 额定 异步机机械特性 最大 交流同步电机的机械特性公式 n 60f/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 额定 最大 T：电机力矩 同步机机械特性 交流异步电机广泛应用在传动系统中 交流同步电机目前已开始在纺织行业广泛使用 调速方式名称 控制对象 特点 变极调速 交流异步电动机 有级调速，系统简单，最多 4段速 调压调速 无级调速，调速范围窄 电机最大出力能力下降，效率低 系统简单，性能较差 转子串电阻调速 变频调速 交流异步电动机 交流同步电动机 真正无级调速，调速范围宽 电机最大出力能力不变，效率高 系统复杂，性能好 可以和直流调速系统相媲美 早 晚 发 展 时 间 电气传动基础知识 交流电机调速方式 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 dnT 电机力矩 T负载阻力 dtJ T电机转矩 T负载转矩 P电机功率 T电机转矩 N电机速度 K常数 M T电机转矩 T负载转矩 中间传动机构 终端机械 电气传动基础知识 电气传动系统工作原理 速度模式： 以控制转速恒定为目的，控制设备根据设定速度要求自动调整电机转矩适 应外部的负载变化，达速时电机转矩等于负载转矩 应用： 如常规调速系统（电梯、各类生产线）， 转矩模式 以控制电机转矩恒定为目的，达速时电机转矩等于负载转矩，但电机的运 转速度不确定，如果控制不当可能会引起传动设备超速损坏等事故 为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护 应用：如：开卷 /收卷 dnT 电机力矩 T负载阻力 dtJ T电机转矩 T负载转矩 M T电机转矩 T负载转矩 中间 传动 机构 终端机械 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 目前交流调速已经占统治地位 变频器基础知识 变频器定义及其特点 变频器 变频器是将电压和频率固定不变的交流电源转换成电压、频率均可变的交流 电的电力电子变换装置，英文简称 VVVF ( Variable 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 序号 优点 1 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 2 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 3 无级调速，调速精度大大提高 4 电机正反向无需通过接触器切换 5 非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制 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 变频技术发展历程 控制算法 功率半 导体技术 V/F控制 SCR GTR 矢量控制 IGBT IPM 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 00年代 超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 供电电源 低压 220V/1PH、 220V/3PH、 380V/3PH 高压 3000、 6000、 10000V/3PH 控制算法 通用 内置 V/F控制方式，简单，性能一般 高性能 内置矢量控制方式，复杂，高性能 变换方法 （拓朴结构 ） 交直交 电压型（储能环节为电解电容） 电流型 (储能环节为电抗器） 交交 无储能环节，矩阵变换 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 变频器基础知识 基本工作原理 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 流近似正弦 类别 作用 主要构成器件 主 回 路 整流部分 将工频交流变成直流，输入无相序要求 整流桥 逆变部分 将直流转换为频率电压均可变的交流电，输出无相序要求 IGBT 制动部分 消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值 单管 IGBT 和制动电阻,大功率制动单元外置 上电缓冲 降低上电冲击电流，上电结束后接触器自动吸合，而后变频器允许运行 限流电阻和接触器 储能部分 保持直流母线电压恒定，降低电压脉动 电解电容和均压电阻 控 制 回 路 键盘 对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态 MCU(单片机） 控制电路 交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护 CPU 变频器基础知识 各部分构成及作用 类别 作用 结 构 件 散热器 将整流桥、逆变器产生的热量散发出去 温度传感器 检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下 风扇 配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种 变频器基础知识 各部分构成及作用 变频器基础知识 核心控制算法 交流调速的控制核心 ： 在预定的频率（速度范围内）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 核心控制算法 项目 通用变频器 高性能变频器 控制算法 V/F控制转矩提升 同步机异步机控制算 法基本相同 开环矢量控制（无速度传感器矢量控制） 闭环矢量控制（有速度传感器矢量控制） 异步机和同步机需要不同的控制算法 调速范围 1:40 1:100（开环矢量 ),1:1000(闭环矢量 ) 启动转矩 无要求 180% 0.5Hz（开环矢量 )， 200% 0速 (闭环矢量 ) 稳速精度 与转差有关（ 2-3%) 0.5%(开环矢量 )， 0.05%(闭环矢量 ) 转矩控制 无 有 控制算法 简单 复杂 电机参数 不依赖电机参数，支 持同时驱动不同类型 不同功率的电机 电机参数对控制性能的影响较大，一般只 能驱动一台电机 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 频率波动范围： 50/60Hz 5 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 一般是 IP20 第一位固体物防护， “ 2”防护大于 12mm固体导物 第二位液体物防护， “ 0”代表无防护 变频器基本应用功能 启动方式 起动频率起动 先直流制动再起动 转速跟踪起动 t f t f f 起动 频率 1、起动频率不易过高 否则容易过流或损 伤设备 2、如电机未停止，采用 该模式可能导致过流 或过压 1、制动频率、电压不易 过高，则容易过流或 损伤设备 2、常用于风机 1、电机运行频率自学习 2、常用于水泵和大惯量 负载（离心机），可 降低故障影响 变频器基本应用功能 转速跟踪 电源 ON OFF ON 电机转速 零速 输出频率 变频器运行方向 功能定义：对旋转的电机实施启动时，需要平稳不跳闸启动 功能特点：变频器先检测当前电机转速和方向后以该速度为起点平滑再启动 适用： 风机、水泵 变频器基本应用功能 停车方式 减速停车 减速直流制动 自由停车 t f t f f 按照预设的减速时间 降低输出频率一直到 0 如果时间太短，会造 成泵升电压，需配置制 动单元和电阻 在制动频率前动作和 减速停车完全相同 制动起始频率、电压 时间要合理选定，由小到大 逐渐变化 停车时间取决与 负载阻力，和减速 时间没有关系 制动频率 变频器基本应用功能 加减速时间 频率 时间 Fmax 最大输出频率 加速时间 减速时间 变频器基本应用功能 点动运行 点动命令 点动命令 f 1 t 1 t 3 t 2 时间 频率 时间 点动间隔时间 一般在调试时使用，如：确定运转方向、反向倒车等 变频器基本应用功能 多段速运行 时间 频率3 K 1 K 2 K 3 频率1 频率2 频率5 频率4 由普通运行决定 频率6 频率7 通过外部端子实现 8段不同的速度 电梯、起重、洗衣机等常用 变频器基本应用功能 PLC功能 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 循环完成指示 阶段完成指示 PLC运行 由用户自由编程的多段定时自动变速功能 变频器基本应用功能 通讯控制 通过一根二芯 /四芯电缆，遵守公共的通讯协议，可任意读取控制网上设备的状态 ，可以实现启停、参数设置、报警、复位、方向设置等操作， 节省了大量的连线 RS485（ MODBUS) 上位机或 PLC 变频器 变频器 变频器 变频器 变频器基本功能 功能 功能简介 控制算法 交流电机的控制方案，包括 V/F控制、矢量控制 内置 PID 过程闭环控制 加减速曲线 确定目标设备的加减速时间，有直线和 S曲线两种 跳跃频率 为避免机械谐振特设的变频器不能长期稳定运行的指定频率带 AVR 根据电网电压自动调整输出电压 自动限流 电流超过预设值后变频器自动调整输出频率和电压防止跳闸 过压失速 加减速过程中直流母线电压过高后变频器自动停止加减速 过流失速 加减速过程中电流超过预设值后变频器自动停止加减速 载频自动调整 变频器根据噪声和自身温度自动调整载频到最佳值 音调调整 改变电机发出的声音以适应现场要求 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。 保护类型 原因 缺相 SP1 SP0 输入缺相 输入电压值相差超过允许值 输出缺相 输出电流三相不平衡 过流 OC 加速 /减速 /恒速 超过变频器允许的最大电流（ 2倍额定） 过载 OL 超过变频器允许的过载范围 过压 OU 加速 /减速 /恒速 直流母线电压超过允许值 过热 OH 散热器温度超过允许值 欠压 UU 电网电压过低 变频器应用 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 序号 运行命令 运行给定 变频器状态 1 无运行命令 停机 2 有正向或反向运行命令 给定为 0 零速运行 3 有正向运行命令 有非 0给定 正向运行 4 有反向运行命令 有非 0给定 反向运行 5 有正向或反向运行命令 给定由非 0变为 0 减速而后保持零速运行 4 运行中直接方向命令切换 有非 0恒定给定 减速到 0后反向运行 变频器运行的两大要素 变频器应用 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 键盘 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 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 使用通用变频器的行业和设备 使用高性能变频器的行业和设备 纺织绝大多数设备 纺织有张力控制场合需使用 冶金 辅助风机水泵、辊道、高炉卷扬 冶金 各种主轧线、飞剪 石化用 风机、泵、空压机 电梯门机、起重行走 电梯、起重提升 供水 油田用 风机、水泵、抽油机、空压机 电厂风机水泵、传送带 市政 锅炉、污水处理 部分拉丝机牵引 拉丝机的收放卷 凹版印刷 水泥、陶瓷、玻璃生产线全线 传送带矿山风机泵 矿山提升机 卷烟制丝 卷烟成型包装 低速 造纸 及配套风机水泵、制浆 高速造纸、切纸机、复卷机