变频器基本原理讲座

1、丹佛斯（上海）自动控制有限公司丹佛斯（上海）自动控制有限公司传动与控制部传动与控制部 培训专员培训专员沈沈 绍绍 炎炎地址地址 上海市宜山路上海市宜山路900号号C楼楼20层层电话电话机手机频器驱动基本知识变频器驱动基本知识可调频率驱动器可调频率驱动器 Adjustable Frequency Drive (AFD)频率转换器频率转换器 Frequency Converter (FC)可变频率驱动器可变频率驱动器 Variable Frequency Drive (VFD)逆变器逆变器 Inverter (to most motor man

2、ufactures)可变速度驱动器可变速度驱动器 Variable Speed Drive可调速度驱动器可调速度驱动器 Adjustable Speed Drive变频器的不同名称变频器的不同名称为什么要用为什么要用？变频器变频器输入电压输入电压（V, f)恒定速度恒定速度应用对象应用对象输出输出用市电供电的电机驱动用市电供电的电机驱动斜坡斜坡/上升，下降上升，下降在启动和停止的过程中，在启动和停止的过程中，速度急剧变化会造成物体失去速度急剧变化会造成物体失去平衡，解决办法采用平衡，解决办法采用斜坡升，降曲线斜坡升，降曲线输入电压输入电压（V, f)变化的电压变化的电压和变化的频率和变化的频率

3、速度控制速度控制应用对象应用对象输出输出由变频器供电的电机驱动由变频器供电的电机驱动转矩转矩加速加速同步同步位置位置整体性能整体性能节能，省钱节能，省钱提高质量和产量提高质量和产量使用变频器的好处使用变频器的好处变频器还控制变频器还控制应用对象应用对象输出输出输入电压输入电压（V, f)变频器应用变频器应用提水站提水站泵曲线显示了压力和流量的关系泵曲线显示了压力和流量的关系系统曲线显示了系统的要求系统曲线显示了系统的要求设计的工作点显示了最大的系统要求下的最大流量要求设计的工作点显示了最大的系统要求下的最大流量要求(gpm ：加仑：加仑/分钟，流量单位分钟，流量单位 gallons per m

4、inute,1GPM=4.5461*60/1000 m3/hr ) 假定每小时假定每小时1英寸英寸的雨水对应的最大的雨水对应的最大流量是流量是360gpm通常情况下只需要通常情况下只需要 200gpm就可以维就可以维 持提水战的工作要持提水战的工作要 求。泵控制采用求。泵控制采用 ON/OFF策略策略,用液用液 位开关提供通位开关提供通/断信断信 号号ON/OFF策略造成策略造成 泵过度磨损泵过度磨损每次启动都有每次启动都有5-7倍倍 电流电流传统的办法是在泵传统的办法是在泵下游安装阀下游安装阀 结果结果控制了流量控制了流量泵全速工作泵全速工作压力上升压力上升浪费浪费能量能量需要得需要得能量能

5、量安装阀门控制安装阀门控制需要需要能量能量节约节约能量能量安装变频器安装变频器液位传感器监视水位，液位传感器监视水位， 信号送给变频器信号送给变频器变频器控制泵电机速度变频器控制泵电机速度工作在新的位置工作在新的位置同时改善性能和效率同时改善性能和效率阀门控制阀门控制消耗功率消耗功率kW扬程扬程流量流量%H2H1Q2Q1O水泵水泵特性特性H = f(Q)管阻管阻特性特性H = f(Q)节约能量节约能量 kW流量流量%消耗功率消耗功率kW变频控制变频控制扬程扬程H2H3Q2OQ1变频器控制水泵变频器控制水泵/ /水流量的好处水流量的好处显而易见，使用变频器调节显而易见，使用变频器调节流量有着更好

6、的节能效果！流量有着更好的节能效果！控制流量的好处控制流量的好处节约能量和资金节约能量和资金延长设备使用寿命延长设备使用寿命电动机结构组成电动机结构组成定子定子转子转子切割磁力线切割磁力线电流电流磁场磁场右手定则右手定则电磁感应原理电磁感应原理(发电机发电机)dtdNe 磁通量磁通量e 感应电动势感应电动势N 线圈匝数线圈匝数切割磁力线切割磁力线电流电流磁场磁场左手定则左手定则电动机原理电动机原理LIBFF 安培力安培力B 磁感应强度磁感应强度I 电流电流L 导体长度导体长度磁通磁通旋转磁场旋转磁场旋转导条旋转导条轴轴 电动机运行原理电动机运行原理电动机的同步转速和转差率电动机的同步转速和转差

7、率pf60n0n0 同步转速同步转速 rpmf 频率频率 Hzp 电机极对数电机极对数00nnnSS 转差率转差率no 同步转速同步转速n 轴转速轴转速速度速度(RPM)100%转矩转矩同步转速同步转速AM最大最大M启动启动三相交流电动机机械特性三相交流电动机机械特性转矩转矩-速度曲线和负载曲线速度曲线和负载曲线电机电机应用对象应用对象速度速度速度速度转矩转矩转矩转矩速度速度转矩转矩恒转矩（恒转矩（CT)恒功率（恒功率（CP)变转矩（变转矩（VT)电机负载特性及应用实例电机负载特性及应用实例速度速度速度速度转矩转矩功率功率启动转矩大，静态时恒转矩运行。启动转矩大，静态时恒转矩运行。物料传送带物

8、料传送带转矩转矩恒转矩曲线恒转矩曲线速度速度(RPM)100%同步转速同步转速额定转矩额定转矩变频器对传送带的控制变频器对传送带的控制速度速度(RPM)转矩转矩100%160%恒转矩曲线恒转矩曲线最大转矩最大转矩A转矩短时可达转矩短时可达160%CT特性的例子特性的例子搅拌机搅拌机提升机提升机电梯电梯灌瓶机灌瓶机传送带传送带送料机送料机螺杆压缩机螺杆压缩机速度速度(RPM)转矩转矩(T)100%恒转矩恒转矩恒功率恒功率基频基频高频高频CP特性曲线特性曲线CP特性应用实例特性应用实例速度速度速度速度转矩转矩功率功率Tn2Pn3离心机，离心泵转矩正比于离心机，离心泵转矩正比于速度平方速度平方离心泵

9、离心泵速度速度(RPM)转矩转矩100%A变转矩曲线变转矩曲线 (VT)VT特性曲线特性曲线变频器的基本功能变频器的基本功能和可选功能和可选功能斜坡上升斜坡上升/下降下降改变速度改变速度启动启动/停止停止维持速度维持速度自由趟车自由趟车限制保护限制保护基本功能基本功能启动启动/停止停止三线启三线启/停采用按钮停采用按钮 启动绿接启动绿接18号端子号端子 停止红接停止红接19号端子号端子二线启二线启/停采用开关停采用开关 接接18号端子号端子启启/停也可通过操作面板实停也可通过操作面板实现现通讯方式通讯方式改变速度设定方法改变速度设定方法电位器电位器电压电压电流电流通讯通讯脉冲列脉冲列也可通过操

10、作面板实现也可通过操作面板实现速度设定和改变速度设定和改变速度改变的例子速度改变的例子-传送带，水泵传送带，水泵斜坡斜坡/上升，下降上升，下降在启动和停止的过程中，在启动和停止的过程中，速度急剧变化会造成物体失去速度急剧变化会造成物体失去平衡，解决办法采用平衡，解决办法采用斜坡升，降曲线斜坡升，降曲线上升时间上升时间速度速度时间时间参考值参考值实际上升时间：实际上升时间：20（25/50）=10秒秒斜坡：上升斜坡：上升/下降时间下降时间下降时间下降时间上升上升/下降时间的设定下降时间的设定以最高频率为基准以最高频率为基准设定举例设定举例1. 最高频率最高频率50HZ2. 上升时间上升时间 20

11、 秒秒 3. 频率设定频率设定25HZ限制保护限制保护电流电流速度速度转矩转矩反馈值反馈值限制保护作用限制保护作用保护电机和变频器保护电机和变频器安全考虑安全考虑转矩极限和电流极限转矩极限和电流极限变频器监视电机转矩和电流变频器监视电机转矩和电流如果象传送带这样的装如果象传送带这样的装置由于负载过重或其他置由于负载过重或其他原因，超过了转矩极限原因，超过了转矩极限和电流极限，变频器就和电流极限，变频器就会跳闸，避免事故发生。会跳闸，避免事故发生。自由趟车自由趟车自由趟车的触发自由趟车的触发自由停车触发两种途径自由停车触发两种途径人为方式，断开人为方式，断开37或或27号端子和号端子和 12号间

12、的连接号间的连接变频器过载或过压，跳闸以保护变频器过载或过压，跳闸以保护 变频器变频器速度维持速度维持为了保持电机在恒定的速度上运行，为了保持电机在恒定的速度上运行，变频器会根据负载变频器会根据负载轻重补偿频率，象传送带那样，无轻重补偿频率，象传送带那样，无论箱包多少，轻重如何，传送带以论箱包多少，轻重如何，传送带以设定的速度运行。设定的速度运行。制动制动负载维持负载维持夹持夹持点动点动改变方向改变方向可选功能可选功能负载维持功能负载维持功能冷却塔冷却塔冷却器冷却器第一泵第一泵第二泵第二泵变频器跟踪监视变频器跟踪监视1. 电流电流2. 电压电压3. 频率频率4. 功耗功耗 估计负载，优化估计负

13、载，优化运行速度运行速度制动功能制动功能由于惯性大，传送带的停止过程由于惯性大，传送带的停止过程 要比设定的时间长要比设定的时间长电机运行处在发电机状态，电机速度比同电机运行处在发电机状态，电机速度比同 步转速快步转速快能量反馈到电机能量反馈到电机变频器会报过电压报警变频器会报过电压报警电机随后处在自由趟车状态电机随后处在自由趟车状态制动功能制动功能解决方案：解决方案：1. 采用带有制动单元的变频器，制动采用带有制动单元的变频器，制动单元连接制动电阻，电能转化成热单元连接制动电阻，电能转化成热能释放。能释放。2. 向交流电机注入直流电会产生制动向交流电机注入直流电会产生制动力力3. 直流母线并

14、联，实现负载共享是另直流母线并联，实现负载共享是另一种解决方案一种解决方案4. 交流制动交流制动夹持功能夹持功能-提升机提升机传统的方法是采用机械抱闸，传统的方法是采用机械抱闸，主要缺点是变速箱的齿轮易主要缺点是变速箱的齿轮易磨损，甚至断裂。过程不是磨损，甚至断裂。过程不是平稳的。平稳的。夹持功能夹持功能-提升机提升机采用变频器方案采用变频器方案首先变频器速度降至零，然后制首先变频器速度降至零，然后制动。动。过程平稳，齿轮不会磨损和断裂过程平稳，齿轮不会磨损和断裂变频器在变频器在0速时有速时有160%制动转矩制动转矩在在0速时，电机仍有电流流过，速时，电机仍有电流流过，产生热量，由于风扇停止，

15、热量产生热量，由于风扇停止，热量难以散发。难以散发。短期使用短期使用如果需要较长时间制动，仍需使如果需要较长时间制动，仍需使用机械制动用机械制动改变方向改变方向改变方向改变方向传统的方法：传统的方法：改变电机三相输入中改变电机三相输入中 任意两相的接线即可任意两相的接线即可通常通过继电器通常通过继电器-接触器接触器 实现实现改变方向改变方向变频器有此功能，无需接触变频器有此功能，无需接触器。器。实现方法：实现方法：改变参数，将运行方向改成双向改变参数，将运行方向改成双向连接连接12号和号和19号端子（出厂设定为号端子（出厂设定为反转）反转）点动功能点动功能速度速度时间时间参考值参考值点动斜坡点

16、动斜坡点动功能有特殊的使用场点动功能有特殊的使用场合合点动频率和点动上升时间点动频率和点动上升时间可通过参数设定可通过参数设定12号和号和29号端子接通号端子接通 变频器按变频器按点动频率运行点动频率运行变频器基本结构与原理变频器基本结构与原理,变频器的选择变频器的选择主电源主电源整流整流中间回路中间回路逆变器逆变器控制回路控制回路电机电机负载负载变频器结构组成变频器结构组成PWM变频器常用的主回路结构变频器常用的主回路结构整流单元整流单元交流输入交流输入中间直流中间直流中间回路中间回路DC电流电流DC电流电流整流整流逆变逆变DC电抗电抗电容电容 平滑平滑DC脉动电压脉动电压 储能储能 DC电

17、抗减少谐波畸变电抗减少谐波畸变400V565V整流整流中间回路中间回路逆变器逆变器控制回路控制回路电机电机负载负载中间回路电压中间回路电压UDC=1.35 ULine主电源主电源整流整流逆变器逆变器中间回路中间回路控制回路控制回路电机电机负载负载DC电压电压三相交流电压三相交流电压逆变器部分逆变器部分IGBTDC link六个六个IGBT集成模块或独立安装集成模块或独立安装IGBT安装方式安装方式IGBT控制线路控制线路PWM频率3.5到15KHz调节PWM波形波形 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）VLT变频器控制原理变频器控制原理异步电动机的滑差异步电动机的滑差-1500-1000-5

18、00050010001500200005101520253035Speed RPMTorque NmCalculated torque curves for1.5kW ATB 380V/50Hz, Type VAV 90L/4C-11目标运行(理想速度控制)实际运行(负载，速度)电动机等效电路图电动机等效电路图Rs, Rr:代表定子和转子电阻Rfe:铁损 (电阻十分简单地表示了这些损耗）Ls :定子漏抗Lr:转子漏抗LM:励磁电抗: 代表机械负载的附加电阻RsLsLrRr1ssRrRfeLM定子转子气隙s1_ rRss1标量控制标量控制RsLsLrRr1ssRrRfeLMIm通过维持恒定的激磁

19、电流获得最佳性能在忽略定子压降的前提下，通过电压和频率的比值控制Im ,即“ V/F控制” 。Xm= Lmw= Lm2pfIm V/Xm Im _V_V_2pfLm f KV/F 曲线电压V和频率F的额定值通常用Vmax 和Fnom 表示，驱动器的Vmax 值受到供电电压的限制. 而频率则不受限制.在FFnom 的情况下 V/F 的比值由于受到电压的限制是下降的，频率越高， V/F 的比值越低，这种情况称为V/F 的比值“弱磁控制”补偿定子电压跌落FVVmaxFmon典型值 50Hz, 400V 或 60 Hz, 460V带补偿的标量控制带补偿的标量控制 (VLT 2800)3=fsetInputNo load volt