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1、变频器初级培训教材 MDIMDI产品部产品部 培训目标 n了解电气传动的基本概念 n掌握变频器的基本工作原理 n能初步理解变频器宣传资料 n能向用户进行简单的技术交流和宣传性介绍 n了解变频器的基本应用和选型原则 n了解变频器的市场竞争状态 目录 n电气传动基础知识 n通用变频器的构成 n通用变频器保护功能 nEMERSON公司产品情况 n变频器应用简介 n变频器选型 n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
2、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 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 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 lT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
3、行 l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 l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 电气传动基础知识 电气传动系统工作原理 l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 l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
4、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 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 l生产流水线 l起重行走 速度 T负载转矩 势能恒转矩 l电梯 l起重机提升 恒功率 速度越低 负载转矩越大 l机床 l开卷机 收卷机 变转矩 速度越低 负载 转矩越小 l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 l控制对象 直流电动机 l控制原理简单 一种调速
5、方式 l性能优良 对硬件要求不高 l电机有换向电刷 换向火化 l电机设计功率受限 l电机易损坏 不适应恶劣现场 l需定期维护 交流电气传动系统特点 l控制对象 交流电动机 l控制原理复杂 有多种调速方式 l性能较差 对硬件要求较高 l电机无电刷 无换向火化问题 l电机功率设计不受限 l电机不易损坏 适应恶劣现场 l基本免维护 l70年代以前直流占统治地位 l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
6、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 n0 负载1负载2 T 电机力矩 同步机机械特性 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 l在变频器出现前同步电机无法实现调
7、速功能 因此只能在定速传动领域使用 l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 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
8、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 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 SCRGTR 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
9、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 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 l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 l常用设计功率在315KW
10、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 S4 S2 S3 Ed 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 l通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率 l通过改变开关管导通顺序改变
11、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 l输出电压的谐波分量太大 l电机谐波损耗增加 发热严重甚至烧坏电机 l转矩脉动较大 低速运行时影响转速的平稳 l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
12、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 载波 PWM Pulse Width
13、 Moduration 调制 lPWM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 lSPWM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 l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 lGTR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
14、泛 l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 l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 l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 项目通用变频器高性能变
15、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 1 401 100 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 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
16、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 43256 7 8 适用于小功率 5 5KW 适用于中大功率 5 5KW以上 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
