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变频器初级培训教材 MDI产品部 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了解变频器的市场竞争状态 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EMERSON公司产品情况变频器应用简介变频器选型中国市场竞争情况 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 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 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 pn 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 VariableVoltageVariableFrequency 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 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 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 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 PulseWidthModuration 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 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380V50Hz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 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 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380V3PH 220V3PH220V1PH 制动电阻 直流电抗器 三相交流电机 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 EMERSON公司产品情况 产品系列 MDI 经济型 通用 TD900 TD1000 TD2000 TD3000 TD2100供水 TD3100电梯 TD3200门机 TD3300张力 TD3400注塑机 低 高 EV3100电梯 多 EV1000 EV2000 经济实用型V F控制 多功能V F控制 电流矢量 多功能 矢量控制 功能 少 全面支持MODBUS PROFIBUS 性能 EMERSON公司产品情况 产品系列 TD900 少 多 低 高 EV1000EV2000 TD3000TD3100TD3300 成本 功能 TD2100供水专用 TD3200 0 4 315KW 0 4 5 5KW 2 2 75KW 门机 EMERSON公司产品情况 系列命名规则 EMERSON公司产品情况 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 EMERSON公司产品情况 控制回路关键器件 DSP 电机控制专用CPUTI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 EMERSON公司产品情况 关键器件使用情况 EMERSON公司产品情况 TD900系列规格 注 2T系列产品对于单相220V电源的条件也可适用 但要降额使用2S系列产品可以平滑接入3相220V电源 选型无需降额 EMERSON公司产品情况 TD900关键技术指标 EMERSON公司产品情况 EV1000系列规格 注 EV1000 2SXXXX可平滑接入3相220V电源 变频器无需降额使用 EMERSON公司产品情况 EV1000关键技术指标 G和P的差别就在于两种机型的过载不一样 P型机同样可以用于恒转矩场合 EMERSON公司产品情况 EV2000系列规格 注 对于G P合一机型 由功能码F0 08决定实际应用型号 0 G型 1 P型对于型号后坠为G1的变频器 主要是将缓冲接触器替换成可控硅 EMERSON公司产品情况 EV2000系列规格 注 75G以上产品标准配置直流电抗器 EMERSON公司产品情况 EV2000关键技术指标 EMERSON公司产品情况 TD3000系列规格 EMERSON公司产品情况 TD3000关键技术指标 EMERSON公司产品情况 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 EMERSON公司产品情况 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 EMERSON公司产品情况 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 EMERSON公司产品情况 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 EMERSON公司产品情况 功能介绍 EMERSON公司产品情况 通用产品功能对照表 EMERSON公司产品情况 供水专用变频器 TD2100系列规格 EMERSON公司产品情况 供水专用变频器 TD2100系列关键技术指标 TD2100系列主要功能可灵活配置常规泵 消防泵 排污泵 休眠泵 最大实现7台变频固定泵和4台循环泵方式变频固定泵方式 有且只有一台泵变频运行 其他泵只能工频运行循环泵方式 所有的泵都可以根据需求变频或工频运行支持6段压力运行 并能指定节假日压力 以适应供水压力的变化需求优化工频休眠泵和零流量停机功能 不用水自动停机 最大限度地节水节电内置时钟芯片 可实现泵定时启停和轮换 均衡工作时间 防止泵锈死内置消防控制功能 即使变频器故障时 仍能自动启动消防泵自带管网超 欠压 火警 水池缺水等多种保护 保障供水安全 故障自动电话拨号功能 实现泵房无人职守运行 EMERSON公司产品情况 供水专用变频器 EMERSON公司产品情况 电梯专用变频器 EV3100系列规格 EMERSON公司产品情况 电梯专用变频器 EV3100系列关键技术指标 EMERSON公司产品情况 电梯专用变频器 主要特点采用TI公司最新DSP 工作时钟50MHz 高速处理丰富灵活的可编程接口14路开关量输入 2路集电极开路输出 3路继电器输出2路模拟输入 分别作为速度源和称重输入内置编码器和分频接口 最大分频128内置双PG接口和双编码器电源 12V 5V 支持业界常用编码器 异步 集电极开路 推挽 差动编码器同步 不带串行通讯的SINCOS编码器和带UVW位置信号的正交增量型编码器内置同步机和异步机矢量控制算法支持距离控制 多段速控制及模拟速度控制 自带楼层自学习功能内置接触器抱闸功能内置停电应急运行功能 EMERSON公司产品情况 电梯门机专用变频器 TD3200系列规格和技术指标 TD3200系列特点 高性能 精确控制速度和转矩 防止频繁跳闸内置完整的门机解决方案和逻辑控制内置距离控制和速度控制两种控制算法内置门机自学习功能和门机演示功能自带光幕 触板检测信号以及阻转矩检测功能 确保异常状态下的人身安全先进的系统配置 DSP PIM16K载频 实现全面静音运行提供两种人机界面 优化系统成本键盘 可读写 监控各项参数状态显示板 只显示变频器的状态 故障 运行 不能读写任何参数符合GB7588 1995电梯制造和安全规范 EN81 1 1998 EMERSON公司产品情况 电梯门机专用变频器 EMERSON公司产品情况 张力控制专用变频器 TD3300变频器主要特点 硬件配置 功率等级与TD3000完全相同 在其基础上增加了张力控制功能内置卷径计算功能 支持三种卷径计算方法线速度计算绕圈算法外接卷径传感器内置三种张力控制方式开环张力模式 变频器工作在转矩模式下 必须选用编码器闭环张力模式 变频器工作在转矩模式下 必须选用编码器闭环张力速度模式 变频器工作在速度模式下 编码器可选内置张力锥度控制内置断带检测功能 EMERSON公司产品情况 选配件 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总线适配器 远程控制盒 EMERSON公司产品情况 选配件 注 表示该系列变频器支持或有对应选配件 表示该系列变频器不支持或没有对应选配件 EMERSON公司产品情况 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 EV200075G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 EMERSON公司产品情况 选配件 PROFIBUS总线适配器TDS PA01作用通过TDS PA01现场总线适配器能将艾默生变频器无缝接入任意支持PROFIBUSDP现场总线网络中 此时变频器作为一个从站 只被动接收主站命令 不能访问其他任何站点 允许主站对变频器进行如下操作 向变频器发送控制命令 如 启动 停止 故障复位等修改变频器的输出频率 读取变频器的各种运行和状态参数修改变频器的功能码适用机型TD2100 EV1000 EV2000 EV3100 TD3000 TD3300关键技术指标24VDC供电 最高波特率12MBPS EVO RC03远程控制盒作用我司独有通讯主站 支持MODBUS协议 可和我司多台变频器组网使用 组网的变频器台数不超过32台主要控制功能向变频器发送控制命令 如 启动 停止 故障复位等 修改变频器的输出频率 读取变频器的各种运行和状态参数修改变频器的功能码特点 较少的投入就可替代昂贵的PLC实现常用的通讯控制适用机型EV1000 EV2000 EV3100关键技术指标24VDC供电 最高波特率38400bps 最大距离1000m EMERSON公司产品情况 选配件 EMERSON公司产品情况 选配件 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 中国市场竞争情况 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 中国市场竞争情况 重点行业需求 重点行业情况 单位 亿元 总计 31 6亿 中国市场竞争情况 竞争品牌 红色 主要对手蓝色 需关注的对手 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