哈工大变频器原理与运用课件

哈工大变频器原理与运用课件第一页，共73页。第2章通用变频器的功能本章主要内容：介绍通用变频器的主要功能

2.1频率控制功能2.2

U/f控制功能2.3矢量控制功能2.4

运行控制与保护功能2.5

变频器的闭环运行2.6

变频器的外部接线

学时：4第二页，共73页。§2.1频率控制功能本节主要内容：频率给定极限频率加、减速时间和曲线回避频率多段速控制功能频率增益与频率偏置载波频率的设定第三页，共73页。1.频率给定操作面板上的功能键设置频率功能参数码进行预置操作面板上的电位器设定频率外端子控制频率模拟量开关量网络图2-1操作面板变频器的输出频率可通过下述方式设定第四页，共73页。2.极限频率

最高频率fmax变频器允许输出的最高频率，一般为电动机的额定频率。基本频率fb

又称基准频率或基底频率，只有在U/f模式下才设定。它是指当输出电压U=UN时，f达到的值fN，一般为额定频率。

图2-2频率、电压关系设定变频器输出电压和频率的关系。第五页，共73页。上限频率fH允许变频器输出的最高频率下限频率fL允许变频器输出的最低频率图2-3上限和下限频率限制变频器的输出频率范围，从而限制电动机的转速范围，防止由于错误操作造成事故。第六页，共73页。3.加速时间和减速时间加、减速时间的定义加速时间：变频器输出频率从0上升到基本频率fb所需要的时间减速时间：变频器输出频率从基本频率fb下降至0所需要的时间。图2-4加减速时间设定为了保证电动机正常起动而又不过流，变频器须设定加速时间。电动机减速时间与其拖动的负载有关，有些负载对减速时间有严格要求，变频器须设定减速时间。第七页，共73页。实际的加减速时间变频器的实际加减速时间与工作频率有关。一般小于等于理论设定的加减速时间。图2-5实际加减速时间加速时间的设定加速时间设定原则：兼顾起动电流和起动时间，一般情况下负载重时加速时间长，负载轻时加速时间短加速时间设置方法：用试验的方法，使加速时间由长而短，一般使起动过程中的电流不超过额定电流的1.1倍为宜。第八页，共73页。

减速时间设定必要性：

例1：重负载制动时，制动电流大可能损坏电路，设置合适的减速时间，可减小制动电流。

例2：水泵制动时，快速停车会造成管道“空化”现象，损坏管道。减速时间的设定原则：兼顾制动电流和制动时间，保证无管道“空化”现象。多种加减速时间变频器可设置多种不同的加减速时间。以适应不同工况下的要求。第九页，共73页。4.加速曲线和减速曲线加速曲线（3种）线性上升方式：频率随时间呈正比的上升，适用于一般要求的场合。S型上升方式：先慢、中快、后慢，起动、制动平稳，适用于传送带、电梯等对起动有特殊要求的场合。半S型上升方式：正半S型适用于大惯性负载，反半S型适合于风机、泵类负载。图2-6加速曲线第十页，共73页。减速曲线与加速曲线类似图2-7S区曲线加速和减速曲线的组合根据不同的机型可分为三种情况：只能预置加、减速的方式，曲线形状由变频器内定，用户不能自由设置。可为用户提供若干种S区（如0.2S、0.5S、1S等）用户可在一定的非线性区内设置时间的长短。第十一页，共73页。5.回避频率回避频率的概念变频器跳过而不运行的频率一般情况下可设置三个以上。图2-8回避频率为避免传动系统共振，应设置回避频率。第十二页，共73页。设置回避频率的方法设定回避频率的上端和下端频率：

如43Hz、39Hz，则回避39Hz～43Hz；设定回避频率值和回避频率的范围：

如41Hz、2Hz，则回避39Hz～43Hz；只设定回避频率：

回避频率范围由变频器内定。图2-8回避频率第十三页，共73页。6.多段速控制功能段速控制功能指不同时间段对应的输出频率不同。图2-9工业洗衣机速度轨迹第十四页，共73页。段速功能的设置与执行按程序运行

利用变频器内部的简易PLC功能编制段速控制程序。由端子控制

设置控制端子，使之的具有段速选择功能。图2-10多段速控制第十五页，共73页。本讲学习了§2.1频率控制功能频率给定极限频率加、减速时间和曲线回避频率多段速控制功能下一讲继续学习频率增益与频率偏置载波频率的设定第十六页，共73页。7.频率增益和频率偏置功能图2-10频率偏置频率给定来自模拟控制端子输入的信号，如：

电压0~5V，0~10V；电流4~20mA。为了使模拟信号与频率给定相匹配，需设置频率增益和频率偏置。频率偏置当模拟控制信号为0时的频率频率给定值第十七页，共73页。图2-11频率增益频率增益频率给定（标幺值）变化范围与

模拟控制信号（标幺值）变化范围的比率，

即f/X。第十八页，共73页。8.载波频率设置应用脉宽调制技术控制逆变电路时，载波频率（三角波频率）可以在一定的范围内进行调整。载波频率对应着功率器件的开关频率载波频率过高会导致功率器件过热载波频率过低则输出电压畸变较大变频器在出厂时都设置一个较佳的载波频率，没有必要时可以不作调整。第十九页，共73页。小结

重点：与频率控制相关的功能难点：频率增益与偏置§2.1频率控制功能

频率给定方式通过操作面板模拟输入端子：频率增益与偏置

开关输入端子：多段速控制功能保护功能

上、下限频率、回避频率

加、减速时间和曲线第二十页，共73页。§2.2

U/f

控制功能本节主要内容：

U/f控制方式的含义

完善U/f

控制方式的措施

转矩补偿节能运行控制转差补偿本节将介绍与上述优化措施对应的控制功能。变频器调速系统的控制方式基本方式：U/f控制高级方式：矢量控制第二十一页，共73页。1.U/f

控制方式图2-12U/f控制曲线

U/f控制方式在变频调速过程中为了保持主磁通的恒定而使U/f=常数的控制方式这是变频器的基本控制方式。第二十二页，共73页。2.

转矩补偿功能

转矩补偿在U/f控制方式下，利用增加输出电压来提高电动机转矩的方法。

转矩补偿的原因在基频以下调速时，须保持E1/ƒ1恒定，即保持主磁通Φm恒定。

ƒ1较高时，保持U1/ƒ1恒定，即可近似地保持主磁通Φm恒定。

ƒ1较低时，E1/ƒ1会下降，导致输出转矩下降。

提高变频器的输出电压即可补偿转矩不足不同工作场合对转矩补偿的要求不同第二十三页，共73页。

常用的补偿方法线性补偿起动电压从0提升到最大值的某一比例，

U/f

仍保持线性关系。图2-13线性补偿第二十四页，共73页。分段补偿起动过程中分段补偿，有正补偿、负补偿两种。正补偿：补偿曲线在标准U/f曲线的上方，适用于高转矩起动运行的场合。负补偿：补偿曲线在标准U/f曲线的下方，适用于低转矩起动运行的场合。图2-14分段补偿第二十五页，共73页。平方率补偿补偿曲线为抛物线。低频时斜率小（U/f比值小）高频时斜率大（U/f比值大）多用于风机和泵类负载的补偿，达到节能目的图2-14平方率补偿第二十六页，共73页。3.

节能运行控制功能节能运行控制功能变频器将检测到的电动机运行状态，与变频器中储存的标准电动机的参数进行比较，从而自动给出最佳工作电压的过程。变频器预置为节能运行时，必须满足的条件变频器中已储存有实际电动机的参数。变频器节能运行时，动态性能较差，因此多用于转矩较稳定的负载中。节能运行只能用于U/f控制方式下，不能用于矢量控制方式。第二十七页，共73页。4.

转差补偿功能转差补偿当电动机转速随着负载转矩增加(降低)而

下降(升高)时，变频器的输出频率自动升高(降低)，以补偿电动机转速变化的过程。转差的含义第二十八页，共73页。转差补偿的目的提高电动机的转速控制精度。转差补偿只能用于U/f控制方式下，不能用于

矢量控制方式。转差补偿的设定范围：一般为0～10Hz。第二十九页，共73页。小结

重点：转矩补偿、转差补偿功能难点：转矩补偿的原因§2.2

U/f

控制功能

U/f

控制方式该方式下的特殊控制功能转矩补偿功能节能运行控制功能转差补偿功能U/f=常数的控制方式第三十页，共73页。§2.3矢量控制功能矢量控制是变频器的一种高性能的控制方式，其控制原理类似于直流电动机。本节主要内容：

他励直流电动机的调速原理

三相异步电动机的矢量控制原理变频器的矢量控制功能第三十一页，共73页。1.他励直流电动机的调速原理直流电动机的转矩表达式他励直流电动机调速的优点Φ、Ia为相互独立的变量，分别由励磁绕组、电枢绕组控制。电动机的转矩控制方便，调速特性好，精度高。第三十二页，共73页。他励直流电动机调速的缺点直流电动机结构复杂、换向过程复杂；且电动机的容量、最高转速受到限制；换向器和电刷装置的事故率较高，需要定期维护和更换，维护费用高。第三十三页，共73页。2.三相异步电动机的矢量控制原理三相异步电动机的转矩表达式三相异步电动机转矩控制的难点式中的Φm、I2、cosφ2都影响转矩T；且Φm与I2都由定子电流控制，两者不独立。难于直接实现转矩控制。第三十四页，共73页。矢量控制的原理将定子电流人为分解为两个相互垂直的矢量；即励磁电流和转子电流；然后用他励直流电动机的控制方式去控制交流异步电动机。解决思路：将定子电流人为的分解为两个相互垂直的矢量并解释为励磁电流和转子电流交流异步电动机的控制就会变得很方便。第三十五页，共73页。3.变频器的矢量控制功能矢量控制的实现过程

首先检测并计算三相输出电压和电流矢量；然后将电流矢量分解为两个相互垂直的电流矢量：励磁电流和转子电流；通过运算调节器对这两个信号分别控制，从而控制逆变电路的输出。具有该功能的变频器工程上称为矢量型变频器。第三十六页，共73页。设置矢量控制功能时应符合的条件变频器只能连接一台电动机；运行前应对电动机进行自动测试，并对变频器的进行自整定操作；所配备电动机的容量比应配备电动机的容量最多小一个等级；变频器与电动机之间的电缆长度应不大于50m。变频器与电动机之间接有电抗器时，应使用变频器的自整定功能修改控制参数。第三十七页，共73页。小结

重点：矢量控制的原理难点：矢量控制时应满足的条件§2.3矢量控制功能

矢量控制的原理将定子电流人为分解为两个相互垂直的矢量；（即励磁电流和转子电流）；然后用他励直流电动机的控制方式去控制交流异步电动机。采用矢量控制时应满足的条件第三十八页，共73页。§2.4

运行控制与保护功能本节主要内容：启停和反转控制功能

点动控制制动控制瞬时停电再起动功能过载保护功能第三十九页，共73页。1.启停和反转控制功能启停功能利用指令控制变频器启动和停止。反转功能交流异步电动机的转向与交流电的相序有关，正转与反转控制只是相对而言。控制方法由操作面板上的启停键及反转键来控制由外端子来控制。第四十页，共73页。2.点动控制（寸动控制）点动控制

点一下按键或按钮，电动机在某一频率下运行的控制方式。点动控制功能的设定设置点动频率设定端子的点动控制功能第四十一页，共73页。3.制动控制制动控制功能

用于电动机运行过程中迅速停止或准确定位。制动控制功能分类回馈制动直流制动：需设置制动频率、制动时间、制动力等。第四十二页，共73页。4.瞬时停电再起动功能瞬时停电再起动功能电源瞬间停电又很快恢复供电的情况下变频器是继续停止输出，还是自动重起。功能设置瞬时停电后不起动

瞬时停电后停止输出，并发出报警信号。

电源正常后，输入复位信号才会重新起动。瞬时停电后再起动

瞬间停电又很快恢复供电后，变频器自动重起。第四十三页，共73页。图2-15瞬时停电再起动功能第四十四页，共73页。5.过载保护功能保护的对象电动机变频器对电动机的过热保护功能电子热继电器，监视变频器的输出电流；只能接一台电动机；应用时可以设置功能是否有效，再设置具体参数。第四十五页，共73页。对变频器自身的保护功能过流、过压、过功率、断电、其他故障等均可进行自动保护并发出报警信号，甚至自动跳闸断电。变频器在出现过载及故障时，一方面由显示屏发出文字报警信号，一方面由接点开关输出报警信号；当故障排除后，要由专用的复位控制指令复位，变频器方可重新工作。第四十六页，共73页。小结

重点：运行控制功能及保护功能难点：直流制动和再启动功能§2.4运行控制与保护功能运行控制点动控制：正向点动，反向点动长动控制：启动，停止，反转制动方式：回馈制动、直流制动保护功能瞬时停电再起动功能过载保护功能第四十七页，共73页。§2.5

变频器的闭环控制功能闭环运行：在变频器控制的拖动系统中引入负反馈，进行反馈控制，以提高传动精度。反馈器件：主要有脉冲编码器(实现转速反馈)、压力传感器、速度传感器等。本节主要内容：变频器的转速闭环控制功能变频器的PID控制功能第四十八页，共73页。1.变频器的转速闭环控制功能转速闭环控制的优点：提高速度控制的精度。测速元件：光电编码器（简称PG）图2-16光电编码器图2-17转速闭环控制系统第四十九页，共73页。各种速度控制方案的比较表2-1控制精度比较表有PG的矢量控制方式调速范围最大，调速精度最高。无PG的矢量控制方式调速范围及精度适中。U/F控制方式调速精度及范围较差，但价格较低。第五十页，共73页。2.变频器的PID控制功能PID调节器比例(P)、积分(I)、微分(D)调节器的总称。比例调节器：用于提高响应速度，但存在静差。积分调节器：无静差，但使系统响应滞后。微分调节器：补偿系统的滞后特性。三者结合，取长补短就构成了PID调节器。采用PID调节器闭环控制系统变频器的PID功能一般内置在变频器中。PID调节器的反馈信号：来自压力传感器、速度传感器、流量传感器等的测量信号。PID的输出信号：用来控制变频器的速度等变量。第五十一页，共73页。PID控制举例：储气罐压力闭环控制系统图2-18压力闭环控制系统第五十二页，共73页。小结

重点：各种速度控制方案的比较难点：PID调节器的原理§2.5变频器的闭环控制功能变频器的转速闭环控制功能变频器的PID控制功能第五十三页，共73页。§2.6

变频器的外部接线本节主要内容：

主电路的端子模拟量控制端子开关量控制端子通信接口第五十四页，共73页。1.主电路的端子交流电源输入端子R、S、T按变频器应用电压的不同，分为220V和380V两种。单相为220V，只接R、S、T中的两个端子。三相为380V，R、S、T分别接3相交流电。图2-19主电路的接线第五十五页，共73页。逆变输出端子U、V、W由于输出是经过调制的高频脉冲波，使用时应注意：变频器的输出端不能连接电容或电涌吸收器；变频器与电动机之间的连线不能很长；变频器与电动机之间不能连接开关。图2-19主电路的接线第五十六页，共73页。直流电抗器和制动电阻连接端子用于外接直流电抗器和制动电阻。接地端子接地线要粗而短，接点接触良好。必要时采用专用接地线。图2-19主电路的接线第五十七页，共73页。2.模拟量控制端子模拟量输入端子信号类型：电压输入、电流输入作用：输入频率给定量或PID调节器的反馈量。相关参数：频率增益、频率偏置。图2-20模拟量控制端子第五十八页，共73页。模拟量输出端子信号类型：电压输出、电流输出作用：指示输出频率、输出电流、输出电压等变量相关参数：由功能参数来决定所输出的变量图2-20模拟量控制端子第五十九页，共73页。上一讲学习了§2.6变频器的外部接线

主电路的端子模拟量控制端子本讲继续学习开关量输入端子开关量输出端子第六十页，共73页。3.开关量输入端子开关量输入端子的种类独立功能控制端子：

主要有正转、反转、点动、运行停止、复位等端子，其功能固定。多功能控制端子：

一般有3~5个，可根据需要实现不同功能。通过功能参数预置来确定其具体功能。图2-21开关量输入端子第六十一页，共73页。独立功能控制端子（1）主要有:正转（FWD)、反转(REV)、点动(JOG)、运行停止(STOP)、复位(RST)等端子。其控制方式有两种，开关控制和脉冲控制。图2-22运行端子的控制方式第六十二页，共73页。独立功能控制端子（2）紧急停止端子ES：

用于控制变频器紧急停止。接于此端子的信号一般为保护信号或限位信号。报警复位端子RST：

故障报警后，先解除故障，再给复位端子与公共端之间加正脉冲，变频器才可重新起动。图2-21开关量输入端子第六十三页，共73页。多功能控制端子（1）多段速控制端子：用端子状态的的不同组合来控制不同段速的运行。表2-2多段速控制功能第六十四页，