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1、变频器培训教材,EMERSON 行业项目部 孟耀权 0755-86010900 13316899080,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,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,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
2、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
3、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
4、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
5、流异步电机的机械特性公式,n60f (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,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,n60f/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,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
6、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,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 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
7、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
8、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,6
9、12,123,234,345,456,561,612,三相逆变电路,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,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
10、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
11、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： 50/60Hz5 输出侧 额定
12、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
13、 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 380V 3PH/220V 3PH 220V 1PH,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 公司产品情况主回路关键器件,IPM （智能功率模块）,PIM（功率集成模块）,目前以I
14、GBT 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,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
15、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,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
16、 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,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,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,功能介绍,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
