交流调速系统及应用

交流调速系统及应用交流调速系统及应用无锡职业技术学院无锡职业技术学院 黄黄 麟麟模块二模块二 通用变频器使用及变频器通用变频器使用及变频器 典型调速系统典型调速系统 项目二项目二 通用变频器使用通用变频器使用 项目三项目三 学会通用变频器典型调速系统学会通用变频器典型调速系统项目二项目二 通用变频器使用通用变频器使用模块二模块二:通用变频器使用及变频器典型调速系统通用变频器使用及变频器典型调速系统变频器简介变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。变频器的问世，使得交流调速在很大程度上取代了直流调速。变频器的基本类型变频器的基本类型变频器交-交变频器单相交-直-交变频器有环流按输出波形分按储能方式分按调压方式分电压型按相数分按环流情况分脉幅调制脉宽调制三相无环流正弦波方波电流型1、按变频的原理分类 变频器的工作原理变频器的工作原理A 交-交变频器B 交-直-交变频器变频器简单工作原理图 交交-交变频器的主电路结构交变频器的主电路结构交交变频器是将恒压频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成 通常用于大功率（500kw或1000kw以上）、低速（600r/min以下）的场合，如扎钢机、球磨机、水泥回转窑等交交-直直-交变频器的结构交变频器的结构基本构成框图是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经过逆变电路将直流变换成调压调频的交流电中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压 恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交直交电压型变频器中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流 可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直交电流型变频器 变频器对输出波形的调制既要变频，又要变压，变频是由逆变器完成的。而变压按输出电压调节方式不同，变频器有PAM、PWM和SPWM等多种方式变频器电压调节方式PAM 方式方式-脉冲幅脉冲幅值调节值调节方式方式是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现PWM 方式方式-脉冲宽度调节方式脉冲宽度调节方式变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器PWM方式调节。PWM信号作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断。SPWM 方式方式-正弦正弦脉冲宽度调节脉冲宽度调节方式方式用可控整流器调压、逆变器调频用斩波器调压的交直交变频器用PWM逆变器同时调压调频 变频器电压调节方式调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调 整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频 用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值2、按变频器的控制方式分类（2 2）SFSF控制变频器（转差频率控制）控制变频器（转差频率控制）变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。在S很小的范围内，电动机的转矩近似地与转差角频率成正比。控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。（3 3）VCVC变频器（矢量控制）变频器（矢量控制）将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量和与其垂直的产生转矩的电流分量，并分别加以控制。矢量控制从原理上说可以得到与直流电动机相同的控制性能，但是矢量控制的运算中要使用电动机的参数。（1 1）U/fU/f控制变频器（控制变频器（压频比控制压频比控制）对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性变频器的基本类型变频器的基本类型3、按变频器的用途分类通用变频器通用变频器专用变频器专用变频器基本上采用电路结构简单的U/f控制方式分为高性能变频器（采用VC控制方式）、高频变频器和高压变频器交-直-交变频器的内部结构简介V1V3V5V4V6V2M逆变逆变逆变逆变可调可调整流整流整流整流一、变压器中的半导体开关器件一、变压器中的半导体开关器件 1、晶闸管（、晶闸管（SCR）属于半控型电力电子器件，在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，使晶闸管导通，一旦导通，门极即失去控制作用。特点是耐压高，电流大，抗冲击能力强 2、门极可关断晶闸管（、门极可关断晶闸管（GTO）属于全控型器件，开通和关闭都可以由脉冲实现。无须强迫换相装置，损耗小，装置效率高，易于实现PWM控制。3、电力晶体管（、电力晶体管（GTR）又称双极型晶体管，目前常用的GTR有单管、达林顿管和GTR模块3大系列。缺点是耐冲击能力较差，易受二次击穿而损坏。4、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管IGBT是场效应管（MOSFET）和电力晶体管（GTR）的产物。当栅极加正向电压时，IGBT导通；当栅极加负电压时，IGBT关断。二、逆变电路二、逆变电路 以IGBT为逆变器件的逆变电路。其主要特点如下：1 1、载波频率高、载波频率高 大多数变频器的载波频率可在315kHz的范围内任意可调。2 2、电流波形大为改善、电流波形大为改善 载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接近正弦波，故电磁噪声减小，而电动机的转矩增大。3 3、控制功耗减小、控制功耗减小 IGBT的驱动电路取用电流极小，几乎不损耗功率。4 4、瞬间停电可以不停机、瞬间停电可以不停机这是因为IGBT的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减较慢，IGBT不会立即进入放大状态。变频器的控制方式U/f控制方式转差率频率控制矢量控制方式直接转矩控制方式对变频调速的基本要求（1 1）主）主）主）主磁磁磁磁通通通通 保持不变保持不变保持不变保持不变（2 2）过载能力保持不变）过载能力保持不变）过载能力保持不变）过载能力保持不变铁心过饱和铁心过饱和不变不变绕组过热绕组过热带负载能力不变带负载能力不变（1 1）主）主）主）主磁磁磁磁通保持不变通保持不变通保持不变通保持不变（2 2）过载能力保持不变）过载能力保持不变）过载能力保持不变）过载能力保持不变与负载性质有关U/f U/f 控制原理控制原理若若，为恒磁通控制方式或恒恒磁通控制方式或恒转矩矩调速。速。若若，为恒功率恒功率调速。速。U/f控制方式不变不变不变不变从基频向下调，属于恒转矩调速方式；从基频向下调，属于恒转矩调速方式；从基频向下调，属于恒转矩调速方式；从基频向下调，属于恒转矩调速方式；从基频向上调，属于恒功率调速方式。从基频向上调，属于恒功率调速方式。从基频向上调，属于恒功率调速方式。从基频向上调，属于恒功率调速方式。对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性当当f 较低时，较低时，r1不能忽略不能忽略通常通常 以以保持保持 不变（电压补偿）不变（电压补偿）完整的恒压频比的SPWM变频调速系统电路框图脉宽调制技术脉宽调制技术在控制电路中采用载频信号与参考信号相比较的方法产生基极驱动信号。这里采用单极性等腰三角形；采用可变的直流电压。在与波形的交点处发生调制信号PWMPWM逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形当三角波幅值一定，改变参考信号的大小，输出脉冲宽度就随之改变，从而可以改变输出基波电压的大小。当改变载频三角波的频率，并保持每周期输出的脉冲数不变时，就可以改变基波电压的频率。参考信号改为正弦波信号当改变参考信号的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变的频率时，输出电压频率即随之改变。SPWMSPWM逆变器输出电压波形逆变器输出电压波形负载的机械特性及变频系统的节能运行电机与拖动理论将电动机负载分成三种形式：恒转矩负载恒功率负载二次方率负载负载形式不同，采用变频器调速后，节能效果也不一样恒转矩负载恒转矩负载典型的恒转矩负载带式输送机负载转矩与转速无关在调速过程中负载转矩TL保持不变负载功率PL与转速成正比 传输带与滚筒的摩擦力滚筒半径TL=常数恒转矩负载在额定频率以下运行时，其功率消耗会下降，仅从这一点来看，恒转矩负载采用变频器控制在额定频率以下运行时具有节能效果，且消耗功率与转速成正比关系；但从另一方面考虑，当采用机械手段或其他非电气手段进行调速时，也具有节能效果，所以从节能效果来看，采用变频器并没有优势。因此，恒转矩负载在采用变频器进行调速时，节能并非变频应用的主要理由，改善设备工艺特性、提高产品质量才是变频器应用的主要目的恒功率负载恒功率负载典型的恒功率负载卷绕机械 特点是：在卷绕过程中，为了保持卷装不变形（松卷或表面不平整），被卷物的张力F以及线速度V保持恒定，因此卷绕辊的转速n随着卷装直径D（半径r）的变化而变化。负载功率为：PL=Fv=常数 负载转矩为：TL=Fr PL=常数在调速过程中负载功率PL保持不变负载转矩TL与转速成反比由于恒功率负载的输出功率是常数，因此采用变频器调速运行的目的绝不是节能。在卷绕控制系统中，采用的是具有转矩控制的高性能变频器，它可以直接将变频器的给定值设定为转矩。在转矩控制方式下，电动机的转速大小取决于给定转矩与负载转矩比较的结果，而该结果只能决定拖动系统是加速运行还是减速运行，变频器的输出频率是不能调节的。要使系统能稳定运行在某一线速度下，需要由设备的主令电动机完成线速度的闭环控制，卷绕电机跟着主令电机稳定运行，且保持恒张力控制要求。转矩随转速n的降低而增大（其实是随卷装半径的增加而增大），因此要控制好这种系统，卷装直径的计算就显得非常重要，并且一般转矩给定的方式为通讯给定，在纺织印染行业的卷染机就是这一应用的代表。二次方率负载二次方率负载典型的二次方率负载典型的二次方率负载离心式风机和水泵离心式风机和水泵多用于控制流体（气体和液体）的流量，其负载的阻转矩与转速的平方成正比关系，即：二次方率负载二次方率负载变频运行及节能 由于风机、水泵等负载的功率消耗与电动机转速的三次方成正比，因此当负载的转速小于电动机额定转速时，其节能潜力比较大。变频器节能应用案例一变频器节能应用案例一 短纤牵伸短纤牵伸(短纤生产线的后道工序)变频器节能应用案例二变频器节能应用案例二 132kW132kW热油输送高温屏蔽泵变频传动系统的改造热油输送高温屏蔽泵变频传动系统的改造本系统的改造思路是将电动机的传动方式改成变频器传动，以形成恒压供油系统 根据生产要求，该屏蔽泵需每天24小时不间断运行，在改造前，实测每小时电能消耗约为100kWh，采用以上方法改造后，实测每小时电能消耗约为65 kWh，每月节电约2.5万千瓦时。该企业在不到九个月的时间内就收回了改造成本约9.5万元。了解交流调速实训室实训台的组成（主电路、电机负载、实验台面板组成等）。读懂实训台的电路图，并与实训台上元器件对应。对实训台上的两台变频器一一通电，调阅并设定两台变频器功能码。ATV31、ATV71变频器功能熟悉一、实训目的一、实训目的合上Q1，ATV31变频器得电，操作面板上数码管显示，对该台变频器进行参数检查及参数修改。合上Q2，ATV71变频器得电，操作面板上数码管显示，对该台变频器进行参数检查及参数修改。本次实训不要求接电机负载，因此变频器的主回路输出端不接线。1：2：（2）用于控制电机停车红色LED，表示“直流母线有电”四个7段显示器，显示变频器的运行及参数情况进入下一菜单或参数，或减小显示值返回以前的菜单或参数，或增大显示值给定电位计，如果CtL菜单中的Fr1参数设置为AIP时激活RUN按钮，电机正向接通控制，如果I-O菜单中的tCC参数设置为LOC时激活2个CAN总线接通状态LED退出菜单或参数，或清除显示值以恢复以前的存储值进入某一菜单或参数，或对显示参数或显示值进行存储（1）用于故障恢复ATV71变频器的数字设定器二二 实训内容及步骤实训内容及步骤1.合上实训台电源总开关，通过实训台上的电压表观察进线电压，转动线电压选择按纽，确认Uab,、Ubc、Uca三相电压基本平衡对称，记录线电压值。2.将ATV31变频器上电，读出ATV31变频器内SET、DRC菜单组中所有参数的工厂设定值，将读出的内容填入自行设计表格内。3.改变ATV31变频器中drC菜单组中的UnS、nCr、nSP、COS的值，具体改变如下功能码出厂设定值修改值UnS400380nCr1.2nSP14201400COS0.760.824.完成上述设定后，在drC菜单中，找到FCS菜单，恢复到出厂设定并关闭ATV31变频器电源。5.将ATV71变频器上电，读出ATV71变频器内SET、drC、FUN菜单组中的工厂设定值，将读出的内容填入自行设计表格内。6.思考附录表中有些参数为什么不能显示。7进入FCS菜单组，按照说明书要求，进行恢复出厂设定操作三三 实训报告实训报告1.自行设计表格，读出ATV31、ATV71变频器菜单组中的工厂设定值，将内容填入表格内。2.写出ATV31、ATV71变频器恢复出厂设定值步骤。了解一般通用变频器速度给定的方式。掌握通用变频器本机模拟量速度给定方式的实现。掌握通用变频器外部模拟量速度给定方式的实现。了解在模拟量速度给定方式时，模拟量给定值与变频器运行速度之间的关系。ATV31变频器控制普通异步电动机、多种控制命令实现一、实训目的一、实训目的在变频器上确认及设定如下参数：在变频器上确认及设定如下参数：参数组SET参数变频器出厂设定值本实训设定值ACC3S15SDEC3S15SLSP0HZ0HZHSP50HZ50HZITH1.5倍电机铭牌电流参数组CtL参数变频器出厂设定值本实训设定值LACL1L1FR1AI1AI1参数组drC参数变频器出厂设定值本实验设定值BFR50HZ50HZUnS400V380VFrS50HZ电动机铭牌频率nCr电动机铭牌电流nSP电动机铭牌转速COS电动机铭牌功率因数UFTNLTFr60HZ50HZ通用变频器的参数设定及意义通用变频器的参数设定及意义一、通用变频器的参数一、通用变频器的参数现代通用变频器由于其内部的CPU的位数较多，可以完成很多的功能。而功能的完成就需要通过设定变频器内部的参数来实现。（通常我们所说的会使用变频器，就是会根据不同的设备、电动机的运行条件、负载形式、工艺过程等特点会设定变频器的内部参数。1 1、内部参数的管理、内部参数的管理现代通用变频器随着功能的越来越强大，其内部参数也越来越多。一般参数的管理均采用子目录的方式（分组）实现。如ATV31、ATV71内部SET、DRC组等；安川则采用A1、B1、C1、C2等目录形式出现。ATV31变频器的数字设定器ATV71变频器的数字设定器2 2、参数设定器、参数设定器通用变频器一般均待用参数设定器。当然不同型号的变频器其参数设定器也不完全相同。安安川川6 61 16 6G G7 7变变频频器器的的参参数数设设定定器器华为华为TDTD21002100恒压供水变频器的操作面板恒压供水变频器的操作面板二、通用变频器的参数功能二、通用变频器的参数功能 1 1、运行频率指令的输入方法（频率给定方法）、运行频率指令的输入方法（频率给定方法）变频器的运行频率给定有以下可能数字设定器给定来自模拟量输入端子的模拟量给定（需定义模拟量最小值、最大值的相对应的频率）来自通讯（在这种情况下，需要有能输出给定值的上位主站机）脉冲序列输入ATV31ATV31变频器的频率命令设定变频器的频率命令设定ATV71ATV71变频器的频率命令功能设定变频器的频率命令功能设定安川安川616-G7616-G7变频器的频率输入方法变频器的频率输入方法频率命令为模拟量的情况频率命令为模拟量的情况2 2、使变频器运行的运行控制命令、使变频器运行的运行控制命令变频器运行的控制命令有以下来源数字式操作面板控制回路端子通讯的上位机给定ATV31ATV31变频器的控制通道功能设定变频器的控制通道功能设定ATV71ATV71变频器的控制命令设定变频器的控制命令设定安川安川616-G7616-G7变频器的相关参数变频器的相关参数两线制、三线制两线制、三线制 控制运行控制运行两线制控制运行两线制控制运行三线制控制运行三线制控制运行多段速度运行的情况多段速度运行的情况变频器的停车模式设定变频器的停车模式设定ATV31ATV31变频器的停车模式设定变频器的停车模式设定自由停车（相当于将电动机的电源切断，电机自由停车）斜坡停车（严格按照减速时间停车，变频器处于能耗制动）直流制动停车变频器的停止方式变频器的停止方式减速停车减速停车自由停车自由停车加、减速时间设定加、减速时间设定加、减速时间的设定值一般有一个与所设定值所对应的频率值。如ATV31、ATV71的设定值与HSP（最高频率输出值）对应。因此在实际运行频率值与最高频率值不一样时，若希望得到受控的加、减速时间值，需要按比例进行计算。S曲曲线线加加、减减速速的的实实现现安川安川616616G7G7变频器的变频器的S S曲线实现曲线实现跳跃频率（跳跃频率（jump)的设定的设定跳跃频率值的跳跃频率值的设定主要为了设定主要为了避免在启动、避免在启动、停止时的机械停止时的机械共振现象发生，共振现象发生，特别是电动机特别是电动机转速比较高的转速比较高的机械负载机械负载转矩补偿功能的实现转矩补偿功能的实现启动力矩的补偿启动力矩的补偿载波频率的设定载波频率的设定PTC热敏元件及保护热敏元件及保护V/F曲线的设定曲线的设定V/F（电压频率比）曲线在变频器中是非常重要的参数，特别设对应于比较特殊的电动机，若该参数设定有问题，将导致变频器不能启动及运行。V/F曲线参数在不同的型号、规格的变频器中可能有不同的表现形式，如ATV31、ATV71变频器以电动机的额定频率、电动机额定电压出现，在日资品牌中一般以基准频率、基准电压的方式出现。V/F曲曲线线的的设设定定风风机机、水水泵泵型型负负载载恒恒转转矩矩负负载载恢复工厂设定恢复工厂设定一般的，任何一台通用变频器在出厂时均在内部固化了可适应普通应用功能的参数值。当遇到参数设定比较乱的情形式，可对变频器的参数值进行恢复工厂设定，以便从头重新开始。ATV31ATV31变频器的恢复工厂设定功能变频器的恢复工厂设定功能变频器数字设定器的显示信息变频器数字设定器的显示信息一般通用变频器能通过操作显示设定单元显示如下信息频率指令（输入频率）频率指令（输入频率）输出频率输出频率输出电流（电动机电流）输出电流（电动机电流）电动机转速电动机转速输出功率输出功率有些变频器还能显示其他信息如：直流主回路电压、交流输入线直流主回路电压、交流输入线电压、输入、输出端子的状态电压、输入、输出端子的状态等。一般地，当变频器运行过程中发生故障时，均能显示当前发生故障的代码。ATV31ATV31变频器的变频器的SUPSUP显示信息菜单显示信息菜单ATV71ATV71变频器的映射逻辑输入状态（变频器的映射逻辑输入状态（SUPSUP菜单组）菜单组）A AT TV V7 71 1可可以以显显示示的的信信息息安安川川G G7 7变变频频器器的的显显示示信信息息（共共4 45 5种种）故障管理故障管理所谓故障管理就是通过功能码的设定，确定当变频器发生某种故障时变频器的处理方法如变频器是否继续运行等。当有些故障发生时，变频器自动将停止运行。ATV31、ATV71专门有一组参数对故障进行管理。如电动机缺相、进线电源缺相是否忽略、变频器过载时的停车方式等。自动重新启动自动重新启动电机、线路缺相时的故障处理电机、线路缺相时的故障处理当变频器在运行过程中发生故障，变频器将自动显示当前发生的故障信息，便于技术人员进行维护。故障信息显示故障信息显示以上为以上为ATV31的故障显示信息及可能的故障原因。一般的故障显示信息及可能的故障原因。一般变频器的说明书均提供这一部分信息，同学们在以后的变频器的说明书均提供这一部分信息，同学们在以后的工作中使用变频器时要好好的消化这一部分内容。工作中使用变频器时要好好的消化这一部分内容。