1变频器产品培训教材

Click to edit Master title style,*,Click to edit Master title style,*,变频器培训教材,EMERSON,行业项目部,0,1,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,了解变频器的基本应用和选型原则,2,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,3,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,4,电气传动基础知识,电气传动的目的和意义,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,改善工作环境,电梯、中央空调,目的,根据设备和工艺的要求通过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,5,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,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,6,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,M,T,电机转矩,T,负载转矩,中间传动机构,终端机械,7,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,8,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,9,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,n,60f (1-s) /p,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,n,0,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,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,n,0,负载,1,负载,2,T,：电机力矩,同步机机械特性,10,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,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,11,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 ( 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）,12,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,GTO,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,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,13,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,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,14,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,流近似正弦,15,变频器基础知识,简要工作原理,单相逆变电路工作原理,S1,S4,S2,S3,E,d,U1,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,16,变频器基础知识,简要工作原理,S1,S4,S5,S2,S3,S6,U,V,Ed,W,561,U,UV,U,VW,U,VW,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,调制才大大的缓解了以上问题,电机,17,变频器基础知识,简要工作原理,SPWM,调制,载波,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,GTR,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,18,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,19,变频器基础知识,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,20,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）,21,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）,22,类别,作用,主要构成器件,主,回,路,整流部分,1,将工频交流变成直流，输入无相序要求,整流桥,逆变部分,2,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,3/4,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,6,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,5,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,7,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,8,交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护,DSP(,或两个,MCU,）,变频器的构成,实用原理框图,23,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,变频器的构成,实用原理框图,24,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,25,变频器的构成,主回路接口,工频电网输入,380V 3PH/220V 3PH,220V 1PH,制动电阻,直流电抗器,三相交流电机,26,变频器的构成,控制回路接口,接口类型,主要特点,主要功能,开关量输入,无源输入，一般由变频器内部,24V,供电，,启,/,停变频器，接收编码器信号、多段速、外部故障等信号或指令,开关量输出,集电极开路输出、继电器输出,变频器故障、就绪、达速等，参与外部控制,模拟量输入,0-10V/4-20mA,频率给定,/PID,给定、反馈，接收来自外部的给定或控制,模拟量输出,0-10V/4-20mA,运行频率、运行电流的输出，用于外界显示仪表和外部设备控制,脉冲输出,PWM,波输出,功能同模拟量输出（只有个别变频器提供）,通讯口,RS485/RS232,组网控制,以上端子均可自由编程,27,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。,28,EMERSON,公司产品情况,主回路关键器件,IGBT,驱动电路,过流保护,过热保护,欠压保护,IPM,（智能功率模块）,PIM,（功率集成模块）,目前以,IGBT,和,PIM,使用较多,29,EMERSON,公司产品情况,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,机器时钟,MCU,DSP,指令,1,指令,2,指令,3,指令,4,指令,1,指令,2,指令,3,指令,4,指令,5,指令,6,指令,7,指令,8,30,功能介绍,启动方式,从启动频率启动,变频器输出由,0,直接变化为启动频率对应的交流电压，而后在此基础上按照,加速曲线逐步提高输出频率和输出电压直到设定频率到达。,注：启动频率不宜过大，否则会造成启动冲击或过流,先制动后从启动频率再启动,变频器先给电机通脉冲直流，使电机保持在停止状态，然后再按照从启动,频率方式直接启动。,注：一般应用在负载初始状态不确定的场合,转速跟踪启动,直接将正在自由旋转的电机或负载由当前速度驱动到预定速度,注：非常适用于水泵的工频变频切换或重要设备的异常停机后的快速恢复,31,功能介绍,停车方式,减速停车,变频器接到停止命令后按照减速时间对应曲线逐渐减小输出频率，到,0,后停机。,注：这种方式最常用，当直流母线电压过高时会自动启动能耗制动，此时需,配置制动单元，否则会报减速过电压,自由停车,变频器接到运行停止命令后，立刻中止输出，负载靠自然阻力停止。,注：变频器故障时的停车方式就是自由停车,减速直流制动停车,变频器接到运行停止命令后，按照减速时间对应曲线逐渐减少输出频率，当,到达某一预设频率，即开始直流制动（通脉冲直流）停车，防止电机爬行,注：对于大惯量负载或有定位要求的场合非常适用,32,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,33,点动,注：一般在调试时使用，如：确定运转方向、反向倒车等,功能介绍,34,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、增强,V/F,控制、矢量控制,多段速,用外部端子组合选择多个内部已预设的频率作为运行频率,内置,PID,闭环控制必选功能,PLC,运行,由用户自由编程的多段定时自动变速功能,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,转速跟踪,直接将正在自由旋转的电机由当前速度驱动到预定速度,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,功能介绍,35,定义,由于不同客户对变频器都有各自独特的要求，鉴于成本和体积，不可能把这些功,能全部做到变频器中去，因此变频器厂家将这些常用的功能分类做成独立于变频,器并能和变频器配合使用的可选配设备,分类,调试,LCD,键盘，中文显示,抑制电网谐波交流输入电抗器，直流电抗器、输入滤波器,抑制输出谐波交流输出电抗器、输出滤波器,快速刹车用制动单元、制动电阻，两者必须配合使用,通讯选配件,PROFIBUS,等总线适配器,选配件,36,选配件,交流输入电抗器,/,直流电抗器作用,高次谐波电流抑制,抑制合闸等浪涌电压，保护变频器的输入电路,抑制变频器上电时的尖峰电流,抑制三相电压不平衡对变频器产生的影响（交流输入电抗器效果最好）,提高功率因素（交流输入电抗器：,0.9,，直流电抗器：,0.95,），提高,供电变压器的利用率,注：,EV2000 75G,以上变频器产品标准配置直流电抗器,交流输出电抗器作用,高次谐波电流抑制,漏电流抑制,降低电机噪声,37,选配件,制动单元型号,适配制动电阻,适配变频器,备注：,TDB-4C01-0150,TDB-R01-0015-0400,22KW,超过,90KW,，请用,TDB-4C01-0550KW,制动单元直接并联,TDB-4C01-0300,TDB-R01-0030-0200,30KW/37KW,TDB-4C01-0550,TDB-R01-0050-0100,55KW/75KW,项目,TDB-4C01-,输入电压及波动范围,560V,直流（,50,50,）,动作电压,660V,和,710V,（出厂）,制动使用率,四种，通过拨码选择，,10,（出厂）,/25%/75%/100%,最大持续使用时间,10s,环境,环境温度,-10,40,安放地点,室内，无尘埃、腐蚀性和可然性气体、油雾、水蒸汽,防护,IP20,38,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,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,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：,39,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,40,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,41,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,42,变频器应用简介,通讯控制,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,43,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）,44,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）,45,变频器选型,选型原则,46,市场需求,剔除,690V,以上高电压等级产品,剔除设备成套进口,剔除交直交以外型式变频器（如：交交、电流型）,高防护等级（如：,IP65/,防爆）,总容量 （亿元）,有效容量 （亿元）,47,重点行业需求,重点行业情况（单位：亿元）,总计：31.6亿,48,