变频器应用基础.ppt

（内部资料 注意保存）中国工业自动化培训网,变频器原理应用维修,AC Inverter Application Technology,主讲:骆建方 Mobile：E-mail：课间欢迎学员随时提出疑问讨论问题,变频器原理应用维修,讲课内容,前言 变频器发展简介第1章变频器应用基础第2章 变频器内部结构第3章变频器基本功能第4章工程应用第5章变频器安装及接线第6章变频器故障诊断第7章变频器测量与维修,前言-变频器发展简介,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，6070%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。直流电动机主要用于高性能的变速传动中。三相异步电动机结构简单，工作可靠；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。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，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。第一代变频器出现以后，可以进行调速控制，节能20%30%。,前言-变频器发展简介,2.现代变频器的特点变频器因为是由计算机控制，使它的控制性能大大提高，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系统能取代变频器。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提高。,前言-变频器发展简介,3.变频器应用节能应用：风机、水泵、变频空调、变频冰箱。工艺控制：提高工艺控制水平、提升产品质量、减轻人工劳动强度、提高生产效率和成品率。如同步控制、多段速运行控制、PID控制、纺织机械控制、机床主轴控制、定长定位控制等。柔性控制系统：实现精确速度控制、多单元同步传动或比例同步传动，整条生产线的协调控制，实现无人车间。,前言-变频器发展简介,4.变频器的发展趋势1）向专用方向发展专用变频器是变频器的发展方向，是针对某种应用专门设计的。如丹佛斯无负压供水专用变频器、菱科空压机专用变频器、富士电梯专用变频器、德力西注塑机专用变频器、雕刻机专用变频器、春日织机专用变频器、丹佛斯空调专用变频器等。专用变频器是为具体的应用而设计，使用、安装方便，具有更加良好的控制特性。,前言-变频器发展简介,2）向多用途、智能化方向发展优化控制技术：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，供排水系统等，所用的10kV高压变频器，容量有的已超过几千KVA。减小体积：智能功率模块及复合集成功率模块的发展，开关器件、驱动电路和保护电路制造在同一封装内，实现了变频器的高性能、高可靠性和小型化。减小噪声和电磁污染：在变频器主回路串入各类电抗器。,前言-变频器发展简介,3）向个性化方向发展智能IC卡参数的存取方式；,前言-变频器发展简介,3）向个性化方向发展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、AB PowerFlex 70等变频器,前言-变频器发展简介,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。,前言-变频器发展简介,4）向绿色方向发展“绿色”变频器的概念：具有处理再生能量功能；使用可回收利用的绿色器件；变频器产生的谐波分量小，造成的电压、电流畸变小，产生的干扰小。如安川公司的矩阵变频器，具有体积小，再生能量处理功能，产生的谐波分量小。施耐德和东芝合作的ATV71变频器，85%属于可回收利用的绿色器件，解体后对环境的冲击小；ABB公司将采用先进的AFE技术，大大降低变频器产生的谐波分量。,变频器按其供电电压分为低压变频器(110V 220V 380V)、中压变频器(500V660V 1140V)和高压变频器(3KV 3.3KV 6KV 6.6KV 10KV)。按供电电源的相数分为：单相输入变频器和三相输入变频器。变频器按其功能分为恒转矩（恒功率）通用型变频器、平方转矩风机水泵节能型变频器、简易型变频器、迷你型变频调速器、通用型变频器、纺织专用型变频器、高频电主轴变频器、电梯专用变频器、直流输入型矿山电力机车用变频器、防爆变频器等。（1）P型机变频器适用于变转矩负载的变频器。（2）G型机变频器适用于恒转矩负载的变频器。（3）P/G合一型变频器同一种机型既可以使用变转矩负载，又可以适用于恒转矩负载；同时在变转矩方式下，其标称功率大一档。,变频器分类,变频器按直流电源的性质分为电流型变频器和电压型变频器。1）电压型变频器 电压型变频器的储能元件为电容器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。（2）电流型变频器电流型变频器的储能元件为电感线圈，因此其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流型变频器。变频器按输出电压调节方式分为 PAM 输出电压调节方式变频器和 PWM 输出电压调节方式变频器。（1）正弦波脉宽调制（SPWM）变频器 正弦波脉宽调制变频器是指输出电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，且载频信号用等腰三角波，而基准信号采用正弦波。中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。（2）脉幅调制（PAM）变频器 脉幅调制变频器是指将变压与变频分开完成，即在把交流电整流为直流电的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变为交流电时改变交流电频率的变压变频控制方式。,变频器分类,变频器按控制方式分为 U/f 控制方式和转差频率控制方式两种。变频器按主开关器件分为IGBTGOTBJT三种。变频器按机壳外型分为塑壳变频器、铁壳变频器和柜式变频器。变频器按其输出功率大小分为小功率变频器、中功率变频器和大功率变频器。变频器接其商标所有权分为国产变频器、香港变频器、台湾变频器和进口变频器。日系 欧系等。,变频器分类,根据系统应用分类 1）部件级变频器又称元器件级变频器。如ABB的ACS400系列变频器，能够非常方便地当作电气元器件来实现其调速功能。（2）工程型变频器又称自动化级变频器。如西门子的6SE70系列、ABB的ACS800系列、AB的powerflex7系列。,变频器分类,第一章：变频器应用基础,第一章：变频器应用基础,1.1.2 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吻合。电动机要求：电动机要调速；在起动、制动时电流大；频率改变时电压也必须随之改变，闭环控制要求：速度精度高、快速性好，控制方便。,第一章：变频器应用基础,1.1.3 三相异步感应交流电动机的工作原理1.旋转磁场 在一个可旋转的马蹄型 磁铁中间，放置一只可 转动的笼型短路线圈。当转动马蹄形磁铁时，笼型转子就会跟着一起 旋转。这是因为当磁铁转动时，其磁感线(磁通)切割笼型转子的导体，在导体中因电磁感应而产生感应电动势，由于笼型转子本身是短路的，在电动势作用下导体中就有电流流过。该电流又和旋转磁场相互作用，产生转动力矩，驱动笼型转子随着磁场的转向而旋转起来，这就是异步电动机的简单旋转原理。,第一章：变频器应用基础,电动机的旋转磁场,第一章：变频器应用基础,2.旋转磁场的转速在以上的分析中，旋转磁场只有一对磁极，即p=1，当电流变化一个周期，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=6050r/min=3000r/min。若磁场有两对磁极，p=2，则电流变化一周，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。同理，在3对磁极p=3情况下，电流变化一周，旋转磁场仅旋转了1/3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,第一章：变频器应用基础,3.转速差n 转速差是电动机正常工作的保证，电动机只有存在转速差，才能产生电磁转矩，在额定转速情况下，转速差n 和额定转矩TN成正比（在非额定转速下，不成正比，如启动时或大于了最大转矩后）。当电动机工作时输出转矩发生变化，转速差n亦发生变化，即电动机的转速在工作时要随着转矩的变化而变化。当电动机制造完以后，额定转速差是一常数。如4极电动机：n1=1500r/min，n=1440r/min；n=60r/min。,第一章：变频器应用基础,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，不管n1大还是小，其值不变。如 n1=1500r/min，n=1440r/min；n=60r/min。当 n1=750r/min，n=690r/min；n1=60r/min,n=0。为了表示转速差和同步转速的关系，我们取比值 S=n/n1=S转差率，是分析电动机转速和转矩的一个重要公式。,第一章：变频器应用基础,转差率是分析异步电动机运行情况的一个重要参数。如起动瞬间n=0，s=1，转差率最大；空载时s很小,在0.005以下；异步电动机工作时，转差率在10之间变化。电动机型号不同，额定转差率不同。对于某台确定的电动机，其额定转差率是一定的。如nN=1440转/分，s=0.04；nN=1480转/分，S=0.0133.就异步电动机的总体而言，其额定转差率范围在：sN=0.0 10.07之间。,第一章：变频器应用基础,1.1.4 三相异步电动机的电磁特性与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=4.44K1N1f1m 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，K11。N1定子每相绕组的匝数。f1定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率。m旋转磁场的主磁通电压平衡方程式：U1=U+E1,第一章：变频器应用基础,由于R1很小，当忽略电阻上电压U，有 E1=4.44K1N1f1m U1式中，K1、N1为常数，m正比于电动机额定电流，正常工作时为一定值；我们把上式改写为 为了保持等式右边为常数，如果改变f1，U1也必须同时改变。U1上升，f1上升，U1下降，f1下降，即U1/f1=常数，这就是变频器的基本U/f控制模式。,第一章：变频器应用基础,1.1.5 三相异步电动机变频调速1.基频以下的恒磁通变频调速电动机的额定频率称为基频（50Hz），即在基频以下调速时，为了保持主磁通m恒定，须保持E1/1恒定，由于E1难以直接控制，保持U1/1恒定，即可近似地保持主磁通m恒定，使电磁转矩TM恒定，电动机带动负载的能力不变，属于“恒转矩”调速。,第一章：变频器应用基础,保持U1/1恒定控制的缺点：当1较低时，U1亦较低，电阻R1上的电压已不可 忽略，它使定子电流下降，从而使m减小，这将引起低速时的输出转矩减小（见图）。转矩补偿：为补偿低速时转矩不足，在低频时提升定子电压U1，补偿曲线如下图中曲线“2”。,第一章：变频器应用基础,2基频以上的弱磁变频调速当电动机工作在基频（50Hz）以上时，由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率在额定值以上升高时，定子电压已不再升高，只能保持额定值（380V）。这样必然会使m随着1的升高而下降，类似于直流电动机的弱磁调速。由于TMU1/1，保持U1恒定时，TM随着1的升高而下降，电动机带动负载的能力减小；随着1的升高，m下降，输出转矩T下降，但输出功率不变，属于“恒功率”调速。在基频以上调速属于电动机超频工作，一般应用在中小功率的变频调速中。,第一章：变频器应用基础,1.1.6 电动机的机械特性1.电磁转矩与转差率之间的关系式中，K 比例系数 CT 电动机常数 S 转差率转矩大，转差率大；转矩小，转差率小。由TS曲线可见，S有一点变化，T就有较大的变化，即异步电动机的转速较稳，机械特性较硬。,TS曲线,第一章：变频器应用基础,2.机械特性1）起动转矩Tst在n=0(s=1),T=Tst点，这点的转矩称为起动转矩Tst，也称为堵转转矩。当电动机的负载转矩大于Tst 时，电动机将不能起动。2）额定转矩TN 在n=nN(s=sN),T=TN点，这点的转矩称为额定转矩TN。当电动机工作在额定转矩TN时，sN转速在很小的范围内变化时，转矩即可在很大的范围内变化，即工作于额定转矩TN时，电动机具有较硬的机械特性。,第一章：变频器应用基础,3）最大转矩TM在n=nL，T=TM，这点的转矩称为最大转矩TM。TM的大小象征着电动机的过载能力，用过载倍数表示，=TM/TN。在任何情况下，电动机的负载转矩都不能大于TM，否则，电动机转速将急剧下降，致使电动机堵转停止，因此这一点称为临界转速点。,第一章：变频器应用基础,3.机械特性的意义1)由于机械特性较硬，在速度要求不太严格的场合下，可以采用开环控制。2）当要求速度控制精度很高的场合，因为T变化，n变化，使转速不稳，需采用闭环控制；当要求速度控制精度和快速性很高的场合，要求变频器采用矢量控制；3）当电动机为瞬时冲击性负载，电动机可按平均功率选择容量，而变频器要按瞬时功率选择容量。,第一章：变频器应用基础,1.2.电动机的起动、制动及调速 1.2.1 电动机起动直接起动：起动电流大，约为IN的47倍,适用于小容量电动机（变频器直接起动电流要为电动机额定电流的47倍）。降压起动：自耦变压器降压起动；串电阻或电抗器降压起动；Y-降压起动；低频起动：降低电动机的起动频率（变频器）。低频起动的优点：转速差n被限制在一定的范围，起动电流也被限制在一定范围内，动态转矩T很小，起动过程平稳。变频器的加减速时间由此而设。,第一章：变频器应用基础,1.2.2 电动机的制动1.直流制动 在制动时给电动机的定子绕组加上直流电压，使定子产生固定磁场，转子导线在切割磁场时产生感应电流，这个电流使转子产生制动力矩，使转子转动停止。实质：将转子中储存的机械能转换成电能，并消耗在转子电阻上（制动时转子发热）。该制动方法适应变频器应用，制动时由变频器输出直流电。,第一章：变频器应用基础,2变频器制动电阻制动变频器在输出频率下降时电动机变为发电机，向变频器回馈电能，给滤波电容充电，当电容上的电压上升到700V左右，制动单元BV导通，制动电阻RB放电制动（见下图）。,第一章：变频器应用基础,制动电阻的计算：制动电阻的精确计算比较麻烦，也没必要。粗略计算法：一般制动电阻中的电流为额定电流的一半，制动转矩等于电动机的额定转矩。当取制动转矩等于电动机的额定转矩时，有,第一章：变频器应用基础,3.回馈制动回馈制动是将电动机的再生电能回馈到电网的制动方法。变频器通过回馈制动单元，将电动机的再生电能反馈到电网中，从而使整个调速系统处于回馈制动状态。多用于频繁制动的大、中型变频控制系统。,第一章：变频器应用基础,1.2.3 变频器专用电动机1.普通电动机变频调速出现的问题变频器在进行变频调速时，电动机的转速有时很低。因为电动机是通过自身风冷散热，低速时因电流不减，发热量不减，电动机发热严重。由于变频器输出的是PWM波，对电动机的耐压有更高要求。,第一章：变频器应用基础,变频电动机发热原因变频电机发热，其中一个重要原因是电动机的自给风扇吹风不足。当变频器的输出频率下降为40Hz时，风扇输出功率下降为原来的51.2%，电动机的冷却效果也下降为原来的51.2%。因为电动机转速下降时电流不减，发热量不减，但冷却效果下降，故电动机发热。,第一章：变频器应用基础,2.变频电动机的特点采用笼型结构，装有专用轴流风机，保证电动机在不同转速下均有较好的冷却效果；电动机经过抗环境腐蚀设计能够保持较长寿命；配置深沟槽滚球轴承使得电动机寿命大大延长。,第一章：变频器应用基础,1.3 变频器的控制模式变频器的控制模式已经商品化了的共有4种，1.U/f 控制模式 2.转差频率控制模式（PID控制）3.矢量控制模式4.直接转矩控制模式,第一章：变频器应用基础,1.3.1 U/控制模式 控制特点：通过压频变换器使变频器的输出电压与输出频率成比例的改变，即U/=常数 性能特点：性价比高，输出转矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。适用于以节能为目的和对速度精度要求较低的场合。低频稳定性较差：在低速运行时，会造成转矩不足，需要进行转矩补偿。该变频器为开环控制，安装调试方便。,第一章：变频器应用基础,1.3.2 转差频率控制（又称U/f闭环控制、PID闭环控制）模式1.问题的提出：在过程控制中，需要电动机的转速与电动机的控制物理量成比例。如恒压供水控制，为了保证水泵的压力恒定，当水泵的压力下降时，要控制水泵加速；当水泵的压力升高时，要控制水泵减速。通过闭环反馈控制，使水泵压力保持恒定。由此可见，变频器要想达到以上控制目的，必须采取闭环控制，即变频器要设闭环反馈输入端子。,第一章：变频器应用基础,2.转差频率控制原理电动机由于存在转速差n，且转速差n和转矩T成正比，当改变变频器的输出频率，使变频器的转差n改变时，电动机的输出转矩T改变，电动机的输出转速改变。就是通过控制变频器的转差n，来控制电动机的转矩，达到控制电动机转速的目的。这就是转差频率控制原理。在变频器内部，我们就是通过给定信号和反馈信号的比较差值，来控制变频器的n，即控制变频器的输出频率。,第一章：变频器应用基础,3.PID控制转差频率控制内设比较电路和PID控制电路，处理目标信号和反馈信号。控制系统工作时为闭环控制。我们给定变频器一个目标量，从变频器的控制量中取回反馈量，反馈量和目标量进行比较：当反馈量小于目标量，变频器控制 n上升，转矩随之上升，电动机的转速随之上升；反之，n下降，转矩随之下降，电动机的转速随之下降。使电动机的实际转速按给定目标量的要求转动。,第一章：变频器应用基础,4.转差频率控制和U/控制功能上的区别U/控制变频器内部不用设置PID控制功能，不用设置反馈端子。而转差频率控制在变频器的内部要设比较电路和PID控制电路。如果用U/F控制变频器实现闭环控制，要在变频器之外配置PID控制板。要说明的是：进行PID闭环控制时，目标信号虽然还是加在变频器的频率控制端，但变频器输出频率已不再和目标信号成正比，输出频率由反馈量决定。,第一章：变频器应用基础,矢量控制模式1.问题的提出U/F控制变频器，电动机转速的控制精度不高，而且控制的快速性差，在转差较大时，电动机的输出转矩和电源的电压也不成正比。虽然转差频率控制使控制精度提高，但电动机的快速性不理想。在造纸、轧钢、机床等自动控制系统中，对变频器反映的快速性有较高的要求。快速性：就是电动机速度的变化跟随控制信号变化的程度。,第一章：变频器应用基础,2.直流电动机和交流电动机的比较 在过去要求调速精度高和快速性好的调速系统中，都采用直流电动机。因为：直流电动机的励磁和电枢两个绕组分开控制，磁场正交，分别调整两个绕组都可以调速，互不干扰。转子转矩和电枢电流成正比，有着良好的调速性能和快速性以及很好的机械硬度。转矩公式为式中：T转矩，CT电动机常数，磁通，Ia电枢电流。当CT和 一定，T和Ia成正比。,第一章：变频器应用基础,交流电动机的励磁和转子电流只有一个，不能分开控制，转子的转矩和定子电流不成正比，控制特性复杂，远不如直流电动机。转矩公式为式中：CT电机常数，定子磁通，I2转子电流，cos 转子功率因数。由式中可见，异步电动机的转矩与转子电流和转子功率因数乘积成正比，而转子电流和转子功率因数都是来自定子电流，它们与定子电流并不成正比，即转子转矩并不和定子电流成正比。这是异步电动机难于控制的根本原因。,第一章：变频器应用基础,3.矢量控制变频器的控制方法矢量控制是交流电动机用模拟直流电动机的控制方法来进行控制的一种模式。1）将控制信号按直流电动机的控制方法分解为励磁信号 和电枢信号 2）再将 和 信号按三相交流电动机的控制要求变换为三相交流电控制信号，驱动变频器的输出逆变电路输出三相交流电。3）变频器控制方式：分为无传感器（开环）和有传感器（闭环）两种控制方式。无传感器控制方式是通过变频器内部的反馈形成闭环。,第一章：变频器应用基础,第一章：变频器应用基础,4.控制特点1）矢量控制是对电动机的转速（转矩）进行控制，不能对电动机的间接控制量进行控制（即不能进行PID控制）。2）一台变频器只能控制一台电动机。如控制多台电动机，则多台电动机必须有相同的工况和相同的特性。3）矢量控制既能控制电动机的电流幅值，同时又能控制电流的相位，因此，将这种控制模式称为矢量控制。4）矢量控制因为要满足电动机的快速性，所以相同功率的变频器要比其它控制模式输出功率大，过载能力强，价格高。5）可从零转速进行控制，调速范围宽；可设置为转速控制或转矩控制，系统响应速度快，速度转矩控制精度高。,第一章：变频器应用基础,1.3.4 直接转矩控制方式变频器 直接转矩控制技术，英语称为DSC或DTC控制，是继矢量控制技术之后又一种具有高控制性能的交流调速技术。直接转矩控制是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band-Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的转差范围内，转差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。直接转矩控制完成了交流调速的又一次飞跃。直接转矩控制也是一对一控制，不能一台变频器控制多台电动机，且不能用于过程控制。,第一章：变频器应用基础,敬请提出建议，谢谢！,