变频器(培训讲稿)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,变频器简介,一、变频器的概念,变频器（,英文简称VVVF,）是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。,二、变频器的基本构成,变频器的基本构成如上图所示，由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。,三、变频器的调速原理,电动机的转速：n=60f(1-s)/p,其中n为转速，f为频率，s为滑差率，p为电机的极对数。,交流电机转速的方法有三种即：,变频调速,变极调速,变转差率调速,其中变转差率调速主要包括调压调速、串极调速和滑差电机调速，这些调速方式调速范围窄、效率低，对电网污染较大，不能满足交流调速应用的广泛需求。而电机的极数一般是不变的，因此变频调速是一个最好的选择。,三、变频器的种类,按直流电源的性质分类,电流型变频器,电压型变频器,按输出电压调节方式分,PAM方式,PWM方式,调载波频率的PWM方式,V/f控制,转差频率控制,矢量控制,按主开关器件分类：,如以IGBT、BJT、GTO和SCR分类,按控制方式分类,四、变频器的优点,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。,五、变频器的应用,变频器除了可以用来改变交流电源的频率之外，还可以用来改变交流电动机的转速和扭矩。,变频器广泛应用于机械、石化、水泥、纺织、印染、造纸、塑胶、供水等行业的各级变速驱动装置。,1、OMRON变频器应用（以3G3MZ为例）,1）,涤纶短丝纤维纺织机应用,通过DeviceNet现场总线通信，3G3MZ可以实现多台变频器与上位机的通信，纺织机的各个工序能轻松实现工艺要求。,2）远距离操作应用,3G3MZ的操作器可以轻松拆卸，再加上一根电缆即自由移出或安装在控制盘上。,3）,送风机信号叠加应用,3G3MZ可以轻松实现2路信号的叠加，从而实现远程/本地设备操作的无缝切换。,4）恒压供水系统应用,通过内置的PID，无需再另外加控制器。,六、变频器的型号和接线说明,以OMRON的3G3MZ变频器为例,型号说明,3G3MZ,-,A, , ,系列名 无,3G3MZ ZV2(制动单元全型内置）,002:0.2KW 015:1.5KW 055:5.5KW,004:0.4KW 022:2.2KW 075:7.5KW,007:0.75KW 037:3.7KW 110:11KW,B:单相AC200V（200V级）,2:三相AC200V（200V级）,4:三相AC400V（400V级）,保护构造：柜内安装型（IP20）/挂壁安装型,接线说明,七、变频器的主要品牌,1、国产变频器,：,ACI变频器、Qma变频器、TE变频器、阿尔法变频器、安邦信变频器、安圣变频器、百德福变频器、贝西变频器、,2、台湾变频器,：,爱德利变频器、东达变频器、东力变频器、台达变频器、东菱变频器、富华变频器、凯奇变频器、利佳变频器、,3、日本变频器,：,欧姆龙变频器、富士变频器、安川变频器、东芝变频器、松下变频器、三菱变频器、日立变频器、三垦变频器、,4、韩国变频器,：,LG变频器、大宇变频器、三星变频器、现代变频器,5、美国变频器,：,AB变频器、EMERSON、艾默生变频器、安萨尔多变频器、罗宾康变频器,6、西欧变频器,：,ABB变频器、西门子变频器、施耐德变频器、丹佛斯变频器、科比变频器、G.E.变频器、BARMAG、CT变频器、,欧姆龙变频器系列：,D&A、SYS、IND,D&A系列：,3G3MZ：开环矢量0.211kW。,3G3JV： 简易小型变频器，0.13.7kW,3G3MV：0.17.5kW（开环矢量控制）,3G3RV： 0.4160kW高性能通用变频，可以实现闭环矢量。,3G3EV： 简单紧凑型，输入电源为3相AC200V、单/三相 AC200V、单相AC110V等。,西门子变频器系列：,MM4、G110、LD、BA,MM4系列,：,MM410：0.12至0.75 kW “廉价型”,MM420：0.12 至11 kW “通用型”,MM430：,7.5至250 kW “风机和水泵专用型”,Altivar 440：0.12至250 kW 适用于一切传动装置的 (0.16至300 HP) “矢量型”,富士变频器系列：,E1S、G11、MULTI、OPTION、VP、P11、MINI、P11S、G11S、VG7,FUJI变频器的返修率低，质量可靠。有恒力矩用变频以及风机水泵用变频器。,FRENIC-VP:风机水泵专用变频器，型号为FRN*F1S-2/4C,范围为0.75220kW,施耐德变频器系列：,VSD_S、VSD_E、TEVSDS6106、TEVSDS7106、TEVSDS3106,ATV31：适用于 0.18 至 15 kW 的三相异步电动机，变频器体积减小，并且集成了 EMC 滤波器。集成 Modbus 和CANopen通讯方便连接至自动化系统。典型运用旋切机。,ATV21/61：风机水泵类，如暖通、恒压供水等,Altivar 61：0.37 至630 kW Altivar 21：0.75 至30 kW,ATV71：0.75至500 kW,高性能，几乎可以用于所以场合，可以实现无速度反馈的矢量控制和有速度反馈的矢量控制。,台达变频器系列：,INV、HMI,三菱变频器系列：,INV、PLC,ABB变频器系列：,ABBV、PLC,1、控制方式的选择,通用性变频器基本的几种控制方式：V/F：可以设置为一次方和二次方两种控制方式（一般在使用在不会在低速运行、风机水泵类等负载）,八、变频器的选型,FCC: Flux current control,（磁通电流控制）控制系统内部有一精确的电流监控系统，可以精确测量参考电机电压的输出电流。因此，可以把总的输出电流分解为磁通分量和转矩分量。磁通分量可控，因此电机的磁通可以优化，适合各种应用场合。其控制性能很高，一般使用在电梯等场合。,SLVC: sensor less vector control (,无速度传感器的矢量控制,),矢量控制需观测转子位置及磁通,才可以把电流分解为两部分,再分别控制。无速度传感器的矢量控制可以自己计算出磁通位置，使用范围广。,矢量控制：,能够独立控制异步电动机的磁场分量和转矩分量，以便得到精确的转矩和电源输出控制。,调节器，逻辑控制回路和整流桥触发电路,电枢回路,磁场回路,电枢,磁场,转矩电流,磁场电流,直流驱动,3相交流输入,调节器，逻辑控制回路和整流桥触发电路,逆变器,定子绕组,磁场和转矩电流,交流驱动,3相交流输入,2、,变频器的功率,电机的功率是最主要的选型依据，同时要注意使用所在地的海拔高度，以及使用环境温度。,海拔越高，则功率要适当放大，大部分的变频器不允许在3000m海拔的地方使用，在1000米的则每升高100米则功率放大2%左右。,现场的环境温度越高也需要适当放大功率使用，变频器一般不允许在60度的环境使用，50度，每升高1度则需要放大2%左右的功率。,3、外围设备的选型,1）电抗器：电抗器分为进线（输入）电抗器和输出电抗器两种，主要作用有： A、提高功率因素 B、限制尖峰电流产生高次谐波的不良影响 C、降低噪音（输出电抗器）,在以下情况需加电抗器： A、主电源受到严重干扰或过电压 B、主电源的相间电压不平衡度大于额定电压的1.8 C、变频器的进线阻抗非常低 D、同一条线路上连接多台变频器,2）滤波器：滤波器一般称为信号滤波器，同样分为输入滤波器和输出滤波器两种，安装位置不同以外，功能均为抑制变频器本身产生的噪声信号，降低对周围电器设备的干扰影响 ，一般控制设备如PLC或者仪表安装在附件的时候建议配置。,3）制动电阻制动单元：用于释放紧急停车时变频器出线端产生的再生电，一般在行车中的卷扬中、大惯性需要在短时间内停止等场合要使用。,4）速度闭环卡：当需要进行编码器速度闭环的时候，需要选购速度闭环卡。一般在需要有精确速度控制的场合使用，还有矢量变频器需要在0转速输出满力距的时候也需要使用。,5）其他附件，如通讯卡，I/O卡，编码器反馈卡等等,选型举例1（富士）,要求选择一风机水泵类的变频器，功率为220kW,选型举例2（欧姆龙）,要求旋切机上使用，功率5.5kW,4、变 频 器 选 型 注 意 事 项,：,1) 根 据 负 载 特 性 选 择 变 频 器 。,2) 选 择 变 频 器 时 应 以 实 际 电 机 电 流 值 作 为 变 频 器 选 择 的 依 据 ， 电 机 的 额 定 功 率 只 能 作 为 参 考 。另 外,应 充 分 考 虑 变 频 器 的 输 出 含 有 丰 富 的 高 次 谐 波 ，会 使 电 动 机 的 功 率 因 数 和 效 率 变 坏 。,3) 变 频 器 若 要 长 电 缆 运 行 时 ，此 时 应 该 采 取 措 施 抑 制 长 电 缆 对 地 耦 合 电 容 的 影 响 ，避 免 变 频 器 出 力 不 够 。,4) 对 于 一 些 特 殊 的 应 用 场 合 ， 如 高 环 境 温 度 、 高 开 关 频 率、高 海 拔 高 度 等 ，此 时 会 引 起 变 频 器 的 降 容 ，变 频 器 需 放 大 一 档 选 择 。,5) 当 变 频 器 用 于 控 制 并 联 的 几 台 电 机 时 ，一 定 要 考 虑 变 频 器 到 电 动 机 的 电 缆 的 长 度 总 和 在 变 频 器 的 容 许 范 围 内。,6) 使 用 变 频 器 控 制 高 速 电 机 时 ，由 于 高 速 电 动 机 的 电 抗 小 ，会 产 生 较 多 的 高 次 谐 波 。而 这 些 高 次 谐 波 会 使 变 频 器 的 输 出 电 流 值 增 加。因 此 ， 选 择 用 于 高 速 电 动 机 的 变 频 器 时 ，应 比 普 通 电 动 机 的 变 频 器 稍 大 一 些 。,7) 变 频 器 用 于 变 极 电 动 机 时 ，应 充 分 注 意 选 择 变 频 器 的 容 量 ，使 其 最 大 额 定 电 流 在 变 频 器 的 额 定 输 出 电 流 以 下。,8) 驱 动 防 爆 电 动 机 时 ，变 频 器 没 有 防 爆 构 造 ，应 将 变 频 器 设 置 在 危 险 场 所 之 外。,9) 使 用 变 频 器 驱 动 齿 轮 减 速 电 动 机 时 ， 使 用 范 围 受 到 齿 轮 转 动 部 分 润 滑 方 式 的 制 约 。,10) 变 频 器 驱 动 绕 线 转 子 异 步 电 动 机 时 ，大 多 是 利 用 已 有 的 电 动 机 。绕 线 电 动 机 与 普 通 的 鼠 笼 电 动 机 相 比 ，绕 线 电 动 机 绕 组 的 阻 抗 小 。,11) 对 于 压 缩 机、振 动 机 等 转 矩 波 动 大 的 负 载 和 油 压 泵 等 有 峰 值 负 载 情 况 下，如 果 按 照 电 动 机 的 额 定 电 流 或 功 率 值 选 择 变 频 器 的 话 ，有 可 能 发 生 因 峰 值 电 流 使 过 电 流 保 护 动 作 现 象 。,12) 变 频 器 驱 动 潜 水 泵 电 动 机 时 ，因 为 潜 水 泵 电 动 机 的 额 定 电 流 比 通 常 电 动 机 的 额 定 电 流 大 , 所 以 选 择 变 频 器 时 ，其 额 定 电 流 要 大 于 潜 水 泵 电 动 机 的 额 定 电 流 。,13) 选 择 变 频 器 时，一 定 要 注 意 其 防 护 等 级 是 否 与 现 场 的 情 况 相 匹 配 。,16) 单 相 电 动 机 不 适 用 变 频 器 驱 动。,17) 电 机 负 载 非 常 轻 时 ，即 使 电 机 负 载 电 流 在 变 频 器 额 定 电 流 之 内 ，亦 不 能 使 用 比 电 机 容 量 小 很 多 的 变 频 器。,18) 如 果 变 频 器 的 供 电 电 源 是 自 备 电 源 ，最 好 加 上 进 线 电 抗 器 。,九、PID控制,1 、,自动调节的控制过程,本文的所谓自动调节控制，是指在生产过程中，对于某一个或若干个物理量进行自动调节的控制。在多数情况下，常常是恒值控制，如恒压控制、恒温控制等。,2 、PID,控制系统的含义与构成,(1) PID调节的含义,PID调节的全称是比例、积分、微分调节，是闭环控制中一种重要的调节手段，目的是使被控物理量迅速而准确地无限接近于控制目标。从根本上说，是使空气压缩机产生压缩空气的能力(在本系统中，取决于电动机的转速nM)和用户用气量之间保持平衡。,(2) PID调节的控制信号,在实行PID调节时，必须至少有两种控制信号:,目标信号,通常也称为目标值或目标给定信号, 是与被控物理量的控制目标(如图中之pT)对应的信号, 用XT表示。在图中, XT的大小由电位器RP根据实际要求给定, 接至变频器的给定输入端VRF(当变频器的PID功能有效时, VRF端的作用将自动地由原来的频率给定转变为目标值给定);,反馈信号,也称为当前值，是通过传感器SP测得的与被控物理量的实际值对应的信号，用XF表示，接至变频器的反馈输入端VPF。,PID调节功能将随时对XF与XT进行比较，以判断是否已经达到预定的控制目标。具体地说，它将根据两者的差值(XT-XF)，利用比例()、积分()、微分()的,手段对被控物理量进行调整，,直至反馈信号与目标信号基,本相等(XTXF)，达到预定,的控制目标为止。,3 、P,(比例)、I(积分)、D(微分)的控制作用,(1) 比例控制,为了减小静差，应尽量增大比例增益，但由于系统有惯性，因此，KP太大了，当XF随着用户用气量的变化而变化时，XGKP(XT-XF)有可能一下子增大(或减小)了许多，使变频器的输出频率很容易超调(调过了头)，于是又反过来调整，引起被控量(压力)忽大忽小，形成振荡。,(2) 积分与微分控制,(a) 积分控制,为了消除系统的振荡，引入了积分环节，其目的是:,使给定信号XG的变化与乘积KP(XT-XF)对时间的积分成比。意思是说，尽管KP(XT-XF)一下子增大(或减小)了许多，但XG只能在“积分时间”内逐渐地增大(或减小)，从而减缓了XG的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，XG的变化越慢。只要偏差不消除(XT-XF0)，积分就不停止，从而能有效地消除静差，如图(a)所示。但积分时间(I)太长，又会发生当用气量急剧变化时，被控量(压力)难以迅速恢复的情况。,(b) 微分控制,微分控制是根据偏差变化率的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点，如图(b)所示。,4、 P、I、D功能应用举例,风机调速的恒温控制,空调机产生的冷空气，由鼓风机,经通风管道吹入会议室，使会议,室降温，并要求保持恒温状态。,图中，RT是测温电阻，TC是温,度控制器。,(1) 主要特点,会议室的温度越高, 要求进一步降温, 变频器的输出频率(风机的转速)应上升，所以，是正反馈。,变频器有PID调节功能，温度控制器也有PID调节功能，两者都可用，但控制方法稍有区别。,(2) 方案1采用变频器的PID功能,电路构成,温度控制器仅仅将测温电阻的信号转换成电流信号，作为变频器的反馈信号，接至C1端。温度控制的目标信号由变频器外接的电位器RP给定，从端子12输入。温度控制器的PID功能不用，或只用P功能，如图所示。,工作特点,因为当变频器的PID功能有效时，其“加速时间”和“减速时间”功能将失效，电动机的加、减速过程是由PID调节功能控制的，而鼓风机的惯性较大。所以，在起动过程中容易因过电流而跳闸。但在恒温过程中，由于温度本身的变化比较缓慢，运行是正常的。因此，须注意预置加速过程的“防跳闸”功能。,(3) 方案2由温度控制器进行PID调节,即变频器的PID功能预置为无效，PID调节由温度控制器来实现。,电路构成,因为温度控制的目标值以及P、I、D的具体设置，都通过温度控制器TC的面板进行给定。所以，温度控制器TC输出的电流信号将直接作为变频器的频率给定信号，如图所示。,工作特点,变频器可根据鼓风机惯性大的特点来预置加、减速的时间和方式。但变频器加、减速时间的加入，相当于延长了积分时间。因此，温度控制器的积分时间可以设置得短一些。,这种方法因为加、减速时间是固定的, 无法与温度控制器的比例增益进行有机的配合，故灵敏度稍低。但由于温度本身的变化比较缓慢， 在实际使用中, 并不存在问题。,温度控制器中“P”的概念与变频器不同；,变频器中的“P”，就是比例增益，或称放大倍数，用KP表示；,但温度控制器中的“P”, 通常是指比例带, 意思是按比例变化的区域，数值上与KP正好互为倒数。,十、变频器基础问答,1、什么是变频器？,变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。,2、PWM和PAM的不同点是什么？,PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。,PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。,3、电压型与电流型有什么不同？,变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。,4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？,异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。,5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加;对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？,频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。,6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？,采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为67倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.21.5倍，起动转矩为70%120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。,7、V/f模式是什么意思？,频率下降时电压V也成比例下降。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。,8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？,频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。,9、在说明书上写着变速范围606Hz，即10:1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗？,在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.53Hz。,10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？,通常情况下时不可以的。在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。,11、所谓开环是什么意思？,给所使用的电机装置设速度检出器(PG)，将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。,12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办？,开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内(1%5%)变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器(选用件)。,13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？,具有反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的值取决于本身的精度和变频器输出频率的分辨率。,14、失速防止功能是什么意思？,如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。,15、 有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？,加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。,16、 什么是再生制动？,电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。,17 、是否能得到更大的制动力？,从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%20%。如采用选用件制动单元，可以达到50%100%。,18 、转矩提升问题,自控系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化，控制工艺指标，如在烟草行业的糖料、香料工序，可由皮带称的流量信号来控制变频器频率，使泵的转速随流量信号自动变化，调节加料量，均匀地加入香精、糖料。也可利用生产线起停信号通过正、反端子控制变频器的起、停及正、反转，成为自动流水线的一部分。此外在流水生产线上，当前方设备有故障时后方设备应自动停机。变频器的紧急停止端可以实现这一功能。在SANKEN、MF、FUT和FVT系列变频器中可以预先设定三四个甚至多达七个频率，在有些设备上可据此设置自动生产流程。设定好工作频率及时间后，变频器可使电机按顺序在不同的时间以不同的转速运行，形成一个自动的生产流程。,