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1、2012自动化技术培训 之变频器基础知识 首席操作师工作站 第一节 变频器的发展史 1 变频器的发展历程 19世纪末发明了三相交流电和三相异步电动机 60 70 的电能被各种电动机所利用 其中 80 的电能被交流电动机所利用 20 的电能被 直流电动机所利用 直流电动机结构复杂 用电刷导电 但调速性 能良好 在近百年间直流电动机在调速领域一统 天下 三相异步电动机结构简单 工作可靠 但调速 困难 第一单元 变频调速相关知识 2 人们早就知道交流电动机改变频率可以调 速 但因技术问题难以实现 进入20世纪70 年代 电力电子和微电子技术有了突飞猛进 的发展 为变频器的诞生奠定了基础 就在 此时
2、中东战争爆发 一场石油危机席卷全 球 节约能源成了当务之急 人们首先发现 风机和泵类是用异步电动机恒速拖动 用阀 门和挡板控制流量 浪费极大 如果采用调 速控制 可以大大节约电能 由于有了物质 基础和社会需要 第一代模拟控制变频器诞 生了 用在风机和水泵上 节能高达20 40 2 现代变频器的特点 现在的变频器早已经由模拟控制发展为计 算机控制 而计算机控制可以进行功能预 置 联网控制 使它的应用范围越来越广 已经由最初的单机调速 发展为现在的 闭环调速系统 联网控制 组成柔性控制 系统等 它是目前最好的异步电动机调速 系统 目前还没有任何一种交流调速系统 能取代变频器 它在很多应用领域已经取
3、 代了直流电动机 使控制系统的可靠性大 大提高 4 3 变频器应用 节能应用 仍然是变频器应用的目的之一 主要 应用于风机和泵类负载 在其他应用领域 当输 出电压比额定电压低时 也具有节能效果 工艺控制应用 为了满足负载的调速要求而采 用变频调速 他可提升产品质量 减轻人工劳动 强度 提高生产效率和成品率 柔性控制应用 在复杂的传动流水线上 多台电 动机由变频器驱动 而变频器由上位机控制 组 成无人操作的自动化流水线 5 4 变频器的发展趋势 1 向专用型方向发展 专用变频器是变频器的发展方向 是根据某种具 体应用专门设计 具有安装调试方便 成本低等 优点 2 向多用途方向发展 优化控制技术
4、变频器已由最初的U f模拟控制 发展为转差频率控制 矢量控制 直接转矩控制 等多种控制方式 应用更加方便 向高压 大容量方向发展 大容量 高耐压开关 器件的开发 为高压变频器奠定了基础 发电厂 炼钢 供排水公司等 所用的10kV高压变频器 容量有的已超过几千KVA 6 3 向智能化 个性化方向发展 智能IC卡参数的存取方式 PDA 个人数字助理 界面 采用PDA界面的 变频器 省去了变频器与计算机之间的布线 可 直接在PDA上进行参数编程 故障诊断和数据监 视 如施耐德的ATV71变频器 高功率变频器模块的立体封装形式 立体封装形 式已能将IGBT 电流电压温度传感器 保护回 路 直流回路 散
5、热装置和强制风冷的电路组合 在一起 冷却效果好 功率密度高 5 本课程的任务 我们工作在现场的变频器技术人员主要任务是 1 根据本企业的要求能正确的设计 选用 安 装 调试变频器 2 能正确使用变频器 能进行日常的变频器维 护维修工作 3 能根据故障现象分析确诊变频器控制系统的 故障范围 并能排除变频器的非硬件故障和外围 电路故障 第二节 电动机与变频器 变频器与电动机的关系 变频器从输入端看 输入的是工频三相交流电 从输出端看 输出的是频率和电压可调的交流电 控制电动机工作 变频器是电动机和电源之间的一个中间控制环节 变频器和电动机要匹配 变频器的输出特性和 功能参数必须与电动机的工作特性相
6、吻合 三相异步感应交流电动机的工作原理 1 旋转磁场 现象 用手转动马蹄形磁铁笼型转子就会跟着一起旋转 原理 在转动马蹄形磁铁时 磁铁和笼型转子有了相对 运动 笼型转子导线切割磁力线产生感应电流 该电流 又和旋转磁场相互作用 产生感应电磁力 该电磁力使 转子产生电磁转矩 随着磁场的转动方向而转动 2 转速差 n 转转子要想随着旋转转磁场场一起转动转动 转转子和旋转转磁场场 必须须维维持一定的转转速差 转转子导线导线 中才能产产生感应电应电 流 由感应电应电 流产产生电电磁转转矩 转转子才能转动转动 转转速 差是电动电动 机正常工作的保证证 实验证实验证 明 在额额定转转矩 情况下 转转速差 n
7、 和转转矩T成正比 即 n T 转转速差为为 式中 n 转转速差 单单位r min n1 旋转转磁场转场转 速 单单位r min n 电动电动 机转转子转转速 单单位r min 电动机的旋转磁场 3 电动机旋转磁场与转速 1 旋转磁场 2 旋转磁场的转速 即p 1 电流变化一个周期 旋转磁场正好在空间转过一 周 对50Hz工频交流电而言 旋转磁场每秒在空间旋 转50周 n1 60f1 60 50r min 3000r min p 2 电流变化一周 旋转磁场只转过0 5周 比磁极对 数p 1情况下的转速慢了一半 即 n1 60f1 2 1500r min p 3 电流变化一周 旋转磁场仅旋转了1
8、 3周 即 n1 60f1 3 1000r min 以此类推 当旋转磁场有p对 磁极 旋转磁场的转速为 式中 f1 电源频率 单位Hz P 磁极对数 P 1 2 3 4 转差率s 转速差是一个绝对差值 在额定状态 对于一台 具体的电动机 有一个确定的 n 为为了表示转转 速差和同步转转速的关系 我们们取比值值 S n n1 S 转转差率 是分析电动电动 机转转速和转转矩的一个重 要公式 5 转转子转转差频频率f2 转转子转转差频频率也是感应电应电 流的频频率 其值为值为 案例 有一高炉上料小车车 为为了防止停止时时小车车下 滑 采用机械抱闸闸机构 该该系统统采用4极电动电动 机 n1 1500
9、r min n 1460r min 设设置为变频为变频 器松 闸频闸频 率为为3Hz 电动电动 机起动过动过 流跳闸闸 抱闸频闸频 率 设设置为为0 5Hz 制动时动时 有小范围围溜钩现钩现 象 案例分析 电动机额定转速差 额定转差频率f2 变频变频 器的输输出频频率为为1 33Hz时电动时电动 机达到额额定转转矩 应该应该 松闸闸 当变频变频 器输输出频频率为为3Hz时时 电动电动 机 的转转矩大大高于了额额定转转矩 因为电动为电动 机的输输出转转 矩和电动电动 机的定子电电流成正比 故引起过过流跳闸闸 当 频频率低于1 33Hz 电动电动 机力矩已小于额额定转转矩 产产 生溜钩钩 电动电动
10、 机如果有抱闸闸系统统 抱闸闸 松闸闸 频频率应应等于转转差 频频率 抱闸频闸频 率设设置高 起动过动过 流 松闸频闸频 率设设置 低 停机有溜钩现钩现 象 三相异步电动机的电磁特性与基本U f控 制 给三相异步电动机的定子绕组加上电源电压U1后 绕 组中便产生感应电动势E1 根据电动机理论 E1的表 达式为 E1 4 44K1N1f1 m 式中 E1 定子绕组的感应电动势有效值 K1 定子绕组的绕组系数 K1 低电平有效 1 PNP 方式 高电平有效 NPN 端子5 6 7 8 16 17 必须通过端子28 OV 连接 PNP 端子5 6 7 8 16 17 必须通过端子9 24V 连接 介
11、绍一下PWM控制变频器运行 西门子MM440变频器不具备该项功能 松下变频器其中 有一个数字量输入端子可接入PWM波 根据占空比实现对变 频器输出频率的控制 频率指令值 Hz ON时间 最大输出频率Hz PWM周期 任务要求 通过转速按钮控制电动机的速度 按住增速按钮 不放时转速会以每秒0 5Hz的加速变化 反之按住减速按钮不 放时转速将会以每秒0 5Hz的减速变化 任务四 带式传送机的无极调速 要求 利用PLC及变频器实现传送机的模拟量无级调速控制 由两个按钮控制电动机的启动与停止 按下启动按钮 电动机 以每秒增加0 1Hz的速度运行 直到最大输出频率50Hz后停止 运行 在运行过程中按下停
12、止按钮 电动机将会停止 变 频 器 传送带 交流电动机 系统示意图 PLC 主令控制单元 U V W R S T M 3 变频器 U V W N 5 6 28 9 2 1 3 4 MM440 1M 西门子 s7 200 CPU224XP PORT1 1M 1L Q0 0 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 2M 2L Q0 5 V M L PORT2 I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 I0 6 I0 7 2M I1 0 I1 1 I1 2 M L SB1 24VDAC SB2 M 任务四系统接线图 任务五 采用PLC控制的多级调速控制 任务要求 传送带由两个按钮控
13、制 他们分别控制电动机起动与停止 按下起动按钮后 电动机开始以5Hz的频率运行 每经过 5S就自动增加5Hz 总共有八个速度段 运行完八个速度段 后自动停止 变 频 器 传送带 交流电动机 系统示意图 PLC 主令控制单元 U V W R S T M 3 变频器 U V W N 5 6 28 9 8 7 3 30 4 29 MM440 1M 西门子 s7 200 CPU224XP PORT1 1M 1L Q0 0 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 2M 2L Q0 5 V M L PORT2 I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 I0 6 I0 7 2M I1 0
14、I1 1 I1 2 M L 24V DC SB1 SB2 24VDAC M 任务五采用PLC控制系统的多级调速接线 MM440变频器方框图 pdf 多速段控制原理 一 任务五例程 mwp 参数设定 P0700 选择命令源 本例程2 端子 P0701 数字输入 1 的功能 缺省值1 本例程16 P0702 数字输入 2 的功能 缺省值12 本例程16 P0703 数字输入 3 的功能 缺省值9 本例程16 P0704 数字输入 4 的功能 缺省值15 本例程16 P1000 频率设定值的选择 缺省值2 本例程3 P1001 固定频率1 缺省值0 00 本例程5Hz P1002 固定频率2 缺省值
15、5 00 本例程10Hz P1003 固定频率3 缺省值10 00 本例程15Hz P1004 固定频率4 缺省值15 00 本例程20Hz P1005 固定频率5 缺省值20 00 本例程25Hz P1006 固定频率6 缺省值25 00 本例程30Hz P1007 固定频率7 缺省值30 00 本例程35Hz P1008 固定频率8 缺省值35 00 本例程40Hz 任务六 采用PLC 拨码开关调速控制 任务要求 利用拨码开关将0至50Hz要求频率送入PLC 实现 控制变频器速度的控制要求 按钮SB1按动一次变频器按输入 频率正向运行 按钮SB1再按动一次变频器停止运行 变 频 器 传送带
16、 交流电动机 系统示意图 PLC 主令控制单元 拨码开关 U V W R S T M 3 变频器 U V W N 5 6 28 9 2 1 3 4 MM440 1M 西门子 s7 200 CPU224XP PORT1 1M 1L Q0 0 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 2M 2L Q0 5 V M L PORT2 I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 I0 6 I0 7 2M I1 0 I1 1 I1 2 M L SB1 24VDAC M 个位十位 任务六系统接线图 参数设定 P0700 选择命令源 本例程2 端子 P0701 数字输入 1 的功能 缺省值1 本例程1 P1000 频率设定值的选择 缺省值2 本例程2 任务七 采用文本显示器控制变频器 任务要求 传送带由文本显示器F1 F2 F3按键控制 它们分别控制 电动机起动与停止 按下F1按键后 电动机开始按照文本显 示器设定频率正向运行 按下F2按键后 电动机开始按照文 本显示器设定频率反向运行 按F3按键后停止 变 频 器 传送带 交流电动机 系统示意图 PLC 文本显示器 U V W R S
