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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，世纪末发明了三相交流电和三相异步电动机，6070%的电能被各种电动机所利用，其中的电能被各种电动机所利用，其中80%的的电能被交流电动机所利用，电能被交流电动机所利用，20%的电能被直流电动的电能被直流电动机所利用。机所利用。 直流电动机直流电动机结构复杂，用电刷导电结构复杂，用电刷导电，但，但调速性能调速性能良好良好，在近百年间直流电动机在调速领域一统天下。，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
2、三相异步电动机结构简单，工作可靠结构简单，工作可靠，但，但调速困调速困难难。第一单元第一单元 变频调速相关知变频调速相关知识识2 人们早就知道交流电动机改变频率可以调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。进入速，但因技术问题难以实现。进入20世纪世纪70年年代，电力电子和微电子技术有了突飞猛进的发代，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，展，为变频器的诞生奠定了基础。就在此时，中东战争爆发，一场石油危机席卷全球，节约中东战争爆发，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能源成了当务之急。人们首先发现风机和泵
3、类是用异步电动机恒速拖动，用阀门和挡板控制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，大节约电能。由于有了物质基础和社会需要，第一代第一代模拟控制模拟控制变频器诞生了。用在风机和水变频器诞生了。用在风机和水泵上，节能高达泵上，节能高达20%40%。2.现代变频器的特点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算机控制，而计算机控制可以进行功能预功能预置、联网控制，置、联网控制，使它的应用范围越来越广。使它
4、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；组成柔性控制系环调速系统；联网控制；组成柔性控制系统等。它是目前统等。它是目前最好的异步电动机调速系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统，目前还没有任何一种交流调速系统能取代变频器。取代变频器。它在很多应用领域已经取代它在很多应用领域已经取代了直流电动机，使控制系统的可靠性大大了直流电动机，使控制系统的可靠性大大提高提高。43.3.变频器应用变频器应用节能应用节能应用：仍然是变频器应用的目的之一，主要：仍然是变频器应用的目的之一，主要应用于应用于风机和泵类负
5、载风机和泵类负载。在其他应用领域，当。在其他应用领域，当输输出电压比额定电压低时，出电压比额定电压低时，也具有节能效果。也具有节能效果。工艺控制应用工艺控制应用： 为了满足负载的调速要求而采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。度、提高生产效率和成品率。柔性控制应用柔性控制应用：在复杂的传动流水线上，多台电：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。成无人操作的自动化流水线。54.4.变频器的发展趋
6、势变频器的发展趋势1）向专用型方向发展）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。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）向多用途方向发展优化控制技术：变频器已由最初的优化控制技术：变频器已由最初的U/f模拟控制模拟控制 ，发展为转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制发展为转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制 等等多种控制方式，应用更加方便。多种控制方式，应用更加方便。向高压、大容量方向发展向高压、大容量方向发展 大容量、高耐压开关器大容量、高耐压开关器件的开发
7、，为高压变频器奠定了基础。发电厂、炼件的开发，为高压变频器奠定了基础。发电厂、炼钢，供排水公司等，所用的钢，供排水公司等，所用的10kV高压变频器，容量高压变频器，容量有的已超过几千有的已超过几千KVA。63）向智能化、个性化方向发展向智能化、个性化方向发展智能智能IC卡参数的存取方式；卡参数的存取方式；PDA（个人数字助理）界面，采用（个人数字助理）界面，采用PDA界面的变界面的变频器，省去了变频器与计算机之间的布线，可直频器，省去了变频器与计算机之间的布线，可直接在接在PDA上进行参数编程、故障诊断和数据监视。上进行参数编程、故障诊断和数据监视。如施耐德的如施耐德的ATV71变频器。变频器
8、。高功率变频器模块的立体封装形式，立体封装形高功率变频器模块的立体封装形式，立体封装形式已能将式已能将IGBT、电流电压温度传感器、保护回路、电流电压温度传感器、保护回路、直流回路、散热装置和强制风冷的电路组合在一直流回路、散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。起。冷却效果好，功率密度高。5.5.本课程的任务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：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、）根据本企业的要求能正确的设计、选用、安装、调试变频器；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）能正确使用变
9、频器，能进行日常的变频器维护维修工作。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）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障范围，并能排除变频器的非硬件故障和外围电路故障。路故障。第二节第二节 电动机与变频器电动机与变频器 变频器与电动机的关系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；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，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。控制电动机工作。变频器是电动机和电源之间的一个变频器是电动机和电源之间的一个中间控制环节中间控
10、制环节，变频器和电动机要匹配，变频器和电动机要匹配，变频器的输出特性和功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吻合。能参数必须与电动机的工作特性相吻合。三相异步感应交流电动机的工作原理三相异步感应交流电动机的工作原理 1.旋转磁场现象：现象：用手转动马蹄形磁铁笼型转子就会跟着一起旋转。用手转动马蹄形磁铁笼型转子就会跟着一起旋转。 原理：原理：在转动马蹄形磁铁时，磁铁和笼型转子有了相对运在转动马蹄形磁铁时，磁铁和笼型转子有了相对运动，笼型转子动，笼型转子导线切割磁力线产生感应电流；该电流又和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，该电磁力使转子产旋转磁
11、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生电磁转矩，随着磁场的转动方向而转动。，随着磁场的转动方向而转动。2.2.转速差转速差n n 转子要想随着旋子要想随着旋转磁磁场一起一起转动，转子和旋子和旋转磁磁场必必须维持一定的持一定的转速差，速差，转子子导线中才能中才能产生感生感应电流，由流，由感感应电流流产生生电磁磁转矩，矩，转子才能子才能转动。转速差是速差是电动机机正常工作的保正常工作的保证。实验证明，在明，在额定定转矩情况下，矩情况下，转速差速差n 和和转矩矩T成正比。即成正比。即 n T转速差速差为：式中，式中， n 转速差，速差，单位位r/min n1 旋旋转磁磁场转速，速，
12、单位位r/min n 电动机机转子子转速，速，单位位r/min电动机的旋转磁场3.3.电动机旋转磁场与转速电动机旋转磁场与转速1）旋转磁场）旋转磁场2）旋转磁场的转速）旋转磁场的转速即即p=1：电流变化一个周期，旋转磁场正好在空间转过一：电流变化一个周期，旋转磁场正好在空间转过一周。对周。对50Hz工频交流电而言，旋转磁场每秒在空间旋转工频交流电而言，旋转磁场每秒在空间旋转50周，周， n1=60f1=6050r/min=3000r/min。 p=2 ：电流变化一周，旋转磁场只转过：电流变化一周，旋转磁场只转过0.5周，比磁极对周，比磁极对数数p=1情况下的转速慢了一半，即情况下的转速慢了一半
13、，即n1=60f1/2=1500r/min。 p=3：电流变化一周，旋转磁场仅旋转了：电流变化一周，旋转磁场仅旋转了1/3周，即周，即n1=60f1/3=1000r/min。以此类推，当旋转磁场有。以此类推，当旋转磁场有p对磁对磁极，旋转磁场的转速为极，旋转磁场的转速为式中，式中， f1电源频率，单位电源频率，单位Hz, P 磁极对数，磁极对数，P=1,2,3. 4. 转差率转差率s转速差是一个绝对差值（在额定状态），对于一台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，有一个确定的具体的电动机，有一个确定的n。为了表示了表示转速速差和同步差和同步转速的关系，我速的关系，我们取比取
14、比值 S = n/n1=S转差率，是分析差率，是分析电动机机转速和速和转矩的一个重要矩的一个重要公式。公式。5.转子子转差差频率率f2转子子转差差频率也是感率也是感应电流的流的频率，其率，其值为案例：有一高炉上料小案例：有一高炉上料小车，为了防止停止了防止停止时小小车下滑，下滑，采用机械抱采用机械抱闸机构。机构。该系系统采用采用4极极电动机：机：n1=1500r/min，n=1460r/min； 设置置为变频器松器松闸频率率为3Hz，电动机起机起动过流跳流跳闸，抱，抱闸频率率设置置为0.5Hz,制制动时有小范有小范围溜溜钩现象。象。案例分析：案例分析： 电动机电动机额定额定转速差：转速差：额定
15、额定转差频率转差频率f2： 变频器的器的输出出频率率为1.33Hz时电动机达到机达到额定定转矩，矩，应该松松闸，当，当变频器器输出出频率率为3Hz时，电动机的机的转矩大矩大大高于了大高于了额定定转矩，因矩，因为电动机的机的输出出转矩和矩和电动机的机的定子定子电流成正比，故引起流成正比，故引起过流跳流跳闸。当。当频率低于率低于1.33Hz，电动机力矩已小于机力矩已小于额定定转矩，矩，产生溜生溜钩。电动机如果有抱机如果有抱闸系系统，抱，抱闸(松松闸)频率率应等于等于转差差频率，抱率，抱闸频率率设置高，起置高，起动过流，松流，松闸频率率设置低，停置低，停机有溜机有溜钩现象。象。 三相异步电动机的电磁
16、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给三相异步电动机的定子绕组加上电源电压U1后，绕组后，绕组中便产生感应电动势中便产生感应电动势E1，根据电动机理论，根据电动机理论，E1的表达的表达式为：式为： E1=4.44K1N1f1m 式中式中,E1定子绕组的感应电动势有效值。定子绕组的感应电动势有效值。 K1定子绕组的绕组系数，定子绕组的绕组系数，K1 低电平有效低电平有效1 PNP 方式方式= 高电平有效高电平有效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。介绍一下介绍一下PWM
17、控制变频器运行控制变频器运行 西门子西门子MM440变频器不具备该项功能，松下变频器其中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有一个数字量输入端子可接入PWM波，根据占空比实现对变波，根据占空比实现对变频器输出频率的控制。频器输出频率的控制。频率指令值（频率指令值（Hz）=ON时间时间最大输出频率最大输出频率Hz/PWM周期周期 任务要求任务要求：通过转速按钮控制电动机的速度，按住增速按钮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不放时转速会以每秒0.5Hz0.5Hz的加速变化，反之按住减速按钮不的加速变化，反之按住减速按钮不放时转速将会以每秒放时转速
18、将会以每秒0.5Hz0.5Hz的减速变化。的减速变化。任务四任务四 带式传送机的无极调速带式传送机的无极调速要求：利用要求：利用PLC及变频器实现传送机的模拟量无级调速控制。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，电动机以每秒增加以每秒增加0.1Hz的速度运行，直到最大输出频率的速度运行，直到最大输出频率50Hz后停止后停止运行。在运行过程中按下停止按钮，电动机将会停止。运行。在运行过程中按下停止按钮，电动机将会停止。变频器传送带传送带交流电动机交流电动机系统示意图系统示意图PLC主令控制单元
19、UVWRSTM3变变频频器器U V W N562892134MM4401M西门子s7-200CPU224XPPORT11M1L+Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.42M2L+Q0.5VML+PORT2I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.72MI1.0I1.1I1.2ML+SB124VDACSB2M任务四系统接线图任务五：采用任务五：采用PLC控制的多级调速控制控制的多级调速控制任务要求：任务要求： 传送带由两个按钮控制，他们分别控制电动机起动与停止。传送带由两个按钮控制，他们分别控制电动机起动与停止。按下起动按钮后，电动机开始以按下起动按钮后，电动机开始以5Hz的
20、频率运行，每经过的频率运行，每经过5S就自动增加就自动增加5Hz，总共有八个速度段，运行完八个速度段后自，总共有八个速度段，运行完八个速度段后自动停止。动停止。变频器传送带传送带交流电动机交流电动机系统示意图系统示意图PLC主令控制单元UVWRSTM3变变频频器器U V W N5628987330429MM4401M西门子s7-200CPU224XPPORT11M1L+Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.42M2L+Q0.5VML+PORT2I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.72MI1.0I1.1I1.2ML+24V DCSB1SB224VDACM任务五采用PLC
21、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）多速段控制原理（一）任务五例程.mwp参数设定参数设定P0700 选择命令源选择命令源 本例程本例程2（端子）（端子）P0701 数字输入数字输入 1 的功能的功能 缺省值缺省值1 本例程本例程16P0702 数字输入数字输入 2 的功能的功能 缺省值缺省值12 本例程本例程16P0703 数字输入数字输入 3 的功能的功能 缺省值缺省值9 本例程本例程16P0704 数字输入数字输入 4 的功能的功能 缺省值15 本例程本例程16P1000 频率设定值的选择频率设定值的选择 缺省值缺省值2 本例程本例程3P1001 固定
22、频率固定频率1 缺省值缺省值0.00 本例程本例程5HzP1002 固定频率固定频率2 缺省值缺省值5.00 本例程本例程10HzP1003 固定频率固定频率3 缺省值缺省值10.00 本例程本例程15HzP1004 固定频率固定频率4 缺省值缺省值15.00 本例程本例程20HzP1005 固定频率固定频率5 缺省值缺省值20.00 本例程本例程25HzP1006 固定频率固定频率6 缺省值缺省值25.00 本例程本例程30HzP1007 固定频率固定频率7 缺省值缺省值30.00 本例程本例程35HzP1008 固定频率固定频率8 缺省值缺省值35.00 本例程本例程40Hz任务六：采用任
23、务六：采用PLC、拨码开关拨码开关调速控制调速控制任务要求：利用拨码开关将任务要求：利用拨码开关将0 0至至50Hz50Hz要求频率送入要求频率送入PLCPLC，实现，实现控制变频器速度的控制要求。按钮控制变频器速度的控制要求。按钮SB1SB1按动一次变频器按输入按动一次变频器按输入频率正向运行，按钮频率正向运行，按钮SB1SB1再按动一次变频器停止运行。再按动一次变频器停止运行。变频器传送带传送带交流电动机交流电动机系统示意图系统示意图PLC主令控制单元拨码开关UVWRSTM3变变频频器器U V W N562892134MM4401M西门子s7-200CPU224XPPORT11M1L+Q0
24、.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.42M2L+Q0.5VML+PORT2I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.72MI1.0I1.1I1.2ML+SB124VDACM个位十位任务六系统接线图参数设定参数设定P0700 选择命令源选择命令源 本例程本例程2（端子）（端子）P0701 数字输入数字输入 1 的功能的功能 缺省值缺省值1 本例程本例程1P1000 频率设定值的选择频率设定值的选择 缺省值缺省值2 本例程本例程2任务七：采用任务七：采用文本显示器控制变频器文本显示器控制变频器任务要求：任务要求： 传送带由文本显示器传送带由文本显示器F1、F2、F3按键控制，它们
25、分别控制按键控制，它们分别控制电动机起动与停止。按下电动机起动与停止。按下F1按键后，电动机开始按照文本显按键后，电动机开始按照文本显示器设定频率正向运行，按下示器设定频率正向运行，按下F2按键后，电动机开始按照文按键后，电动机开始按照文本显示器设定频率反向运行，按本显示器设定频率反向运行，按F3按键后停止。按键后停止。变频器传送带传送带交流电动机交流电动机系统示意图系统示意图PLC文本显示器UVWRSTM3变变频频器器U V W N5628921330429MM4401M西门子s7-200CPU224XPPORT11M1L+Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.42M2L+Q0.5VML+PORT2I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.72MI1.0I1.1I1.2ML+24VDACMTD400CPPI通信任务七系统接线图参数设定参数设定P0700 选择命令源选择命令源 本例程本例程2（端子）（端子）P0701 数字输入数字输入 1 的功能的功能 缺省值缺省值1 本例程本例程1P0702 数字输入数字输入 2 的功能的功能 缺省值缺省值12 本例程本例程2P1000 频率设定值的选择频率设定值的选择 缺省值缺省值2 本例程本例程2
