变频器的原理及其应用ppt课件.ppt

1 变频器的原理及其应用 2 一 变频器的结构及原理二 变频器的控制方法三 变频器在风机负载和泵类负载中的应用四 变频调速系统接电抗器的作用五 变频器的抗干扰六 变频器的功能七 变频器的选择八 变频器的运行九 变频器的调试与维护 提纲 3 一 变频器的结构及原理 4 变频器的调速原理 改变输入频率 无级调速 变频器 N 60F P P 极对数 F 频率 N 转速 改变极对数 有级调速 5 交 直 交变频器的主要结构框图 6 交 直 交变频器原理图 7 变频器主电路图 8 整流和滤波电路 9 充电过程的限流电路 合上电源时的充电过程 10 变频器制动方式 能耗制动 1 能耗制动 在一些惯性较大 且需急降速或刹车的场合均可使用能耗制动 例如离心机 工业洗衣机 行车 电梯等 11 变频器制动方式 能量回馈制动 2 能量回馈制动 对于大容量的传动系统来说 希望能把这部分再生回馈电能进行回收 因此多采用交流回馈制动 如大型轧钢生产线传动系统 最常见应用是油田磕头机 12 逆变电路的基本结构 a 逆变电路b 输出电压波形c 输出电压等效波形 13 三相逆变桥示意图 14 PWM 脉宽调制 PWM是英文PulseWidthModulation 脉冲宽度调制 缩写 按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度 以调节输出量和波形的一种调值方式 15 正弦脉宽调制 SPWM 16 二 变频器的控制方法 17 变频器的控制方法 恒U F控制 1 恒U F控制 属于标量控制 定子电动势有效值为 E 4 44 F 电动机气隙磁链F 电动机工作频率 为避免电动机因频率的变化而导致磁路饱和引起励磁电流增大 功率因数和效率降低 需要维持气隙磁通 所以在调节F时 E也回相应地变化 即 E F K 恒定值 18 通常的电机是按50Hz电压设计制造的 其额定转矩也是在这个电压范围内给出的 因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速 磁通不变 变频器输出频率大于50Hz频率时 电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降 要防止电机输出转矩的不足 举例 电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1 2 因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速 P Ue Ie 因为P wT w 角速度 T 转矩 因为P不变 w增加了 所以转矩会相应减小 19 低频电压补偿 图电压补偿原理 20 负载变动时不能始终工作在最佳状态 即轻载时磁路易饱和 电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加 这就导致由于励磁不足 而使电机不能获得足够的旋转力 为了补偿这个不足 变频器中需要通过提高电压 来补偿电机速度降低而引起的电压降 这个功能即为转矩提升 转矩提升功能提高变频器的输出电压 然而即使提高很多输出电压 电机转矩并不能和其电流相对应的提高 电压补偿的特性 21 变频器的控制方法 矢量控制 2 矢量控制 基于转子磁链定向 控制思想 交流电机等效为直流电机来控制 分别对速度 磁场两个分量进行独立控制 使用矢量控制 可以使电机在低速 如 无速度传感器时 1Hz 对4极电机 其转速大约为30r min 时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩 最大约为额定转矩的150 22 变频器的控制方法 矢量控制 矢量变换 数学运算 此功能对改善电机低速时温升也有效 由于转子磁链难以准确观测 系统特性受电动机参数的影响较大 且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂 使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果 23 三 变频器在风机负载和泵类负载中的应用 24 直流传动和交流传动的比较 电机 25 直流传动和交流传动的比较 应用 26 直流传动和交流传动的比较 应用 27 风机负载和泵类负载的负载特性 由此可知二次方律负载遵循如下规律 n 转速 流量Q n扬程H n2功率P n3 也可以转化为 PL KFP0 KF3PN 空载转矩 转矩系数 工作与额定F的比值 28 用三台变频器控制三台风机 其中两用一备 电机的功率P 55KW 设计风量为Q 空载损耗为10 转速1250转 分 若风机正常在970转 分以下连续可调 每天所需的供风量为1 5Q 1 一台工频运行 一台变频运行 则全速P0 55 10 5 5KWP1 55KW由PL P0 KPnL3得 KP 55 5 5 49 5KWP2 5 5 49 5 50 3 11 7KW总消耗的功率为55 11 7 67KW 风机的节电率统计举例 29 风机的节电率统计举例 2 两台变频运行时每台的平均供风量为75 QP1 P2 5 5 49 5 75 3 26 4KW总消耗的功率为P1 P2 52 8KW 3 三台变频运行时 每台的平均供风量为50 QP1 P2 P3 5 5 49 5 50 3 11 7KW总消耗的功率为P1 P2 P3 35 1KW可见三台风机全投入变频运行时效果最好 假定每月工作30天 每天工作24小时 按每度0 7元计 则方案三可以比其他两个方案多节省电费8000元左右 两台工作时最多可节能30 24 0 7 111 52 8 29332 8元三台工作时最多可节能30 24 0 7 111 35 4 38102 4元 30 潜水泵起动时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂甚至损坏 电机起动 停止时需开启 关闭阀门来减小水锤的影响 如此操作一方面工作强度大 且难以满足工艺的需要 在潜水泵安装变频调速器以后 可以根据工艺的需要 使电机软启 软停 从而使急扭及水锤现象得到解决 而且在流量不大的情况下 可以降低泵的转速 一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态 造成电机过早的老化 而且变频的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击 并且具有明显的节电效果 变频器在潜水泵上的应用 泵类负载和风机负载都属于二次方律 所以节能效果相同 31 系统应用效果 使用了变频器以后 不但免去了许多繁琐的人工操作 消除了许多不安全隐患因素 并使系统始终处于一种节能状态下运行 合理地轮换使用电机延长了设备的使用寿命 更好的适应了生产需要 而且变频器丰富的内部控制功能可以很方便地与其他控制系统或设备实现闭环自动控制 这在实现自动控制的同时 提高了控制精度 从而提高了产品质量 在污水处理厂或相似的系统中使用变频器应具有很好的推广价值 32 四 变频调速系统接电抗器的作用 33 1 变频器输出端接入电抗器的场合 图需要接入电抗器的场合 a 电机与变频器距离远b 小变频器带轻载大电机 34 输出电抗器作用 抑制变频器电磁幅射干扰抑制电动机电压谐振 35 2 输入交流电抗器 作用 1 提高功率因数2 抑制高次谐波3 削弱电流浪涌 36 3 接入交流电抗器的场合 图6 3接入交流电抗器的场合 a 多台变频器接同一电源b 同一电源上接有大容量晶闸管设备 c 变压器容量超过变频器容量十倍以上d 电源电压不平衡度 3 37 4 直流电抗器 安装在变频器整流电路后 做用 1 提高功率因数2 拟制电流尖峰 38 五 变频器的抗干扰 39 1 变频器的干扰源 图7 1变频器的电压 电流波形 40 2 电路耦合干扰 电路传播 1 电源线2 地线 措施 1 隔离变压器2 光耦隔离3 正确接地 41 3 感应耦合干扰 电磁感应 静电感应 1 电磁感应是电流干扰传播方式2 静电感应是电压干扰传播方式 42 4 抗干扰措施 远离 相绞 屏蔽 不平行 图7 4绞线抗干扰 43 5 空中幅射干扰 图7 5空中幅射与接地 电磁幅射 44 6 抗干扰措施1 准确接地2 接入滤波器 图7 6接入滤波器抑制电磁幅射 45 六 变频器的功能 46 CVF G3 V VI1 VI2 I1 X7 V UF GND CM 脉冲信号 RS485 RP RP1 0 20mA 1 外接给定端 1 电压信号给定端 2 电流信号给定端 3 脉冲给定 A B 47 2 外接输入控制端子 图外控输入电路 48 3 外接输出控制端子 图外接输出控制端 1 故障输出端2 模拟量输出端3 通讯接口4 状态信号输出端 Ta Tb Tc OC1 OC2 CM AM AO AM 49 4 V F控制设定功能 图基本频率Fb 电机额定频率FN 基本频率 最大频率 特点 U F增大 磁通量 增大 磁路饱和 转矩增大 50 5 基本频率 电机额定频率 特点 电机带载的能力减小 51 6 基本频率与最大频率 图9 6基本频率与最大频率 380V 380V 最高频率是变频器 电动机系统可以运行的最高频率 基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线 应按电动机的额定电定电压设定 52 7 上限频率和下限频率频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出故障 而引起输出频率的过高或过低 以防损坏设备的一种保护功能 此功能还可作限速使用 图9 7上限频率和下限频率 a 搅拌机b 上 下限频率 53 8 跳跃频率 特点 变频器所带负载 在某一频率点发生机械共振 使用跳跃频率回避共振点 54 9 加速时间与电流加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间 特点 加速时间过短易出现过电流 55 启动频率配合转矩提升功能 最佳调整启动转矩特性 设定值过大 会出现过电流故障 加速时间设定要求 将加速电流限制在变频器过电流容量以下 不使过流失速而引起变频器跳闸 起动特性 56 10 升速方式通常大多选择线性曲线 非线性曲线适用于变转矩负载 如风机等 S曲线适用于恒转矩负载 其加减速变化较为缓慢 图9 19升速方式 57 11 降速时间与直流电压减速时间是指从最大频率下降到0所需时间 特点 减速时间过短 直流电压升高 58 加减速时间 减速时间设定要点是 防止平滑电路电压过大 不使再生过压失速而使变频器跳闸 加减速时间可根据负载计算出来 但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间 通过起 停电动机观察有无过电流 过电压报警 然后将加减速设定时间逐渐缩短 以运转中不发生报警为原则 重复操作几次 便可确定出最佳加减速时间 59 12 直流制动 图9 22直流制动的原理 a 刨床示图b 直流制动原理c 直流制动功能 刨台 床身 60 直流制动的特性 1 准确停车变频器给电动机输入直流电 在电机定子上产生静止恒定磁场 使电机快速停止 可与能耗制动联合使用 一般 20Hz时用直流制动 61 13 停机功能 图9 23停机方式 a 预置时间减速停机b 自由停机c 直流制动停机 62 14 控制电路 图9 24正转控制电路 a 变频器电路b 控制电路 63 15 脉冲启动 图9 25脉冲启动电路 a 三线控制接线b 电源控制电路 64 AM AM 16 两地控制 图9 26两地升降速控制 65 17 频率到达与频率检测 图9 27频率到达与频率检测 a 频率到达b 频率检测 66 18 过流保护由于逆变器的过载能力很差 大多数变频器的过载能力都只有150 允许迟续时间为1min 图9 29变频器过流保护 67 19 过流故障的原因 图9 30过流故障原因 a 负载堵转b 输出短路c 内部直流短路 68 20 其他原因引起的过流 a 加速过快b 电动机磁饱和c 内部采样误差 69 21 过电压原因电动机处于再生制动状态 若减速时间设置得太短 或是由于电源系统的浪涌电压都可以引起的过电压 a 电源电压过高b 减速过快c 电容补偿器引起 70 22 欠电压原因当电网电压过低时 会引起变频器中间直流电路的电压下降 从而使变频器的输出电压过低并造成电动机输出转矩不足和过热现象 a 线流电路断路b 电源缺相c 大功率晶闸管设备干扰 71 储气罐 压力传感器 23 PID自动闭环调节 图9 34PID自动闭环控制 VI1 V 72 储气罐 压力传感器 24 外界PID调节器 图9 35外界PID闭环控制 II GND 73 七 变频器的选择 74 变频器的选择 变频器的拖动对象是电动机 变频器的选择与电动机的结构形式及量有关 还与电动机所带负载的类型特性相关 笼型电动机1 依据负载电流选择变频器2 考虑低速转矩特性3 考虑短时最大转矩4 考虑容许最高频率范围绕线式异步电动机绕线式异步电动机采用变频器控制运行 大多是对老设备进行改造 利用已有的电机 改用变频器调速时 可将绕线式异步机的转子短路 去掉电刷和起动器 考虑电机输出时的温度上升的问题 所以要降低容量的10 以上 应选择比通常容量稍大的变频器 75 变频调速系统的主电路及电器选择 变频调速系统的主电路是指从交流电源到负载之间的电路 76 1 断路器 变频调速系统的主电路是指从交流电源到负载之间的电路 1 断路器的功能1 隔离作用 2 保护作用2 断路器的选择低压断路器的额定电流IQN应选 IQN 1 3 1 4 IN式中IN 变频器的额定电流 在电动机要求实现工频和变频的切换控制的电路中 断路器应按电动机在工频下的起动电流来进行选择 IQN 2 5IMN式中IMN 电动机的额定电流 77 2 电磁接触器 电磁接触器的功能是在变频器出现故障时切断主电源 并防止掉电及故障后的再起动 1 输入侧接触器的选择IKN IN2 输出侧接触器的选择IKN 1 1IMN3 工频接触器的选择工频接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况 其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个挡次来选择 78 3 输入交流电抗器 输入交流电抗器可抑制变频器输入电流的高次谐波 明显改善功率因数 输入交流电抗器为另购件 在以下情况下应考虑接入交流电抗器 变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10 1以上 同一电源上接有晶闸管变流器负载或在电源端带有开关控制调整功率因数的电容器 三相电源的电压不平衡度较大 3 变频器的输入电流中含有许多高次谐波成分 这些高次谐波电流都是无功电流 使变频调速系统的功率因数降低到0 75以下 变频器的功率 30kW 79 4 无线电噪声滤波器 滤波器就是用来削弱这些较高频率的谐波电流 以防止变频器对其他设备的干扰 滤波器主要由滤波电抗器和电容器组成 a 输入侧滤波器b 输出侧滤波器c 滤波电抗器的结构图8 30无线电噪声滤波器各相的连接线在同一个磁心上按相同方向绕4圈 输入侧 或3圈 输出侧 构成 需要说明的是 三相的连接线必须按相同方向绕在同一个磁心上 这样 其基波电流的合成磁场为0 因而对基波电流没有影响 80 5 制动电阻及制动单元 制动电阻及制动单元的功能是当电动机因频率下降或重物下降 如重机械 而处于再生制动状态时 避免在直流回路中产生过高的泵生电压 1 制动电阻计算方法 制动力矩制动电阻92 R 780 电动机KW100 R 700 电动机KW110 R 650 电动机KW120 R 600 电动机KW注 电阻值越小 制动力矩越大 流过制动单元的电流越大 不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流 否则要损坏器件 制动时间可人为选择 小容量变频器 7 5KW 一般是内接制动单元和制动电阻的 当在快速制动出现过电压时 说明电阻值过大来不及放电 应减少电阻值 81 5 制动电阻及制动单元 2 电阻功率计算方法 制动性质电阻功率一般负荷W Kw 电阻KW 10 频繁制动 1分钟5次以上 W Kw 电阻KW 15 长时间制动 每次4分钟以上 W Kw 电阻KW 20 82 6 直流电抗器 直流电抗器除了提高功率因数外 还可削弱在电源刚接通瞬间的冲击电流 如果同时配用交流电抗器和直流电抗器 则可将变频调速系统的功率因数提高至0 95以上 图直流电抗器的外形 83 八 变频器的运行 84 变频器的程序控制 变频器的程序控制方式主要有两种 1 用变频器的编程功能进行程序控制 1 基本要求的预置以森兰SB60系列变频器为例 有 1 程控功能选择 F700 0 程控功能无效 1 循环N个周期后停止 2 循环N个周期后 以第15挡频率运行 3 连续循环运行 4 程序控制优先 2 计时单位选择 F701 0 计时单位为s 1 计时单位为min 2 各程序段的预置1 运行时间功能码如F703 F705 F707 等 2 运行频率第一程序的频率为多挡转速的第一挡运行频率 F616 第二程序的频率为多挡转速的第二挡运行频率 F617 以此类推 3 运行方向及加减速时间功能码如F704 F706 F708 等 2 多挡转速控制电路几乎所有的变频器都具有多挡转速的功能 各挡转速间的转换是由外接开关的通断组合来实现的 三个输入端子可切换8挡转速 包括0速 85 1 变频器的操作与运行 变频器的操作面板及显示图森兰SB60系列变频器的操作面板1 变频器操作面板显示状态1 停机状态2 运行状态3 故障状态 86 2 按键功能说明 87 3 操作面板的使用 1 变频器运行时显示内容切换 F800 0 如图所示 图变频器运行时显示内容切换 F800 0 88 3 操作面板的使用 2 变频器运行时显示内容切换 F800 1 如图所示 图变频器运行时显示内容切换 F800 1 89 3 操作面板的使用 3 变频器参数设定操作 将F009第一加速时间设定为20S 如图所示 图变频器参数设定操作 90 3 操作面板的使用 3 变频器运行操作 如图所示 图变频器运行操作 91 九 变频器的调试与维护 92 9 1变频器系统的调试 9 1 1通电前的检查 1 外观 构造检查 2 绝缘电阻的检查1 主电路 用万用表检查 必须用兆欧表时 应按图连接 图用兆欧表测试主电路的绝缘电阻2 控制电路不能用兆欧表对控制电路进行测试 只能用高阻量程万用表 全部卸开控制电路端子的外部连接 进行对地之间电路测试 测量值若在1M 以上 就属正常 用万用表测试接触器 继电器等控制电路的连接是否正确 93 9 1 2通电检查 1 观察显示情况 2 观察风机 3 测量进线电压 4 进行功能预置 5 观察显示内容 94 9 1 3空载试验 将变频器的输出端与电动机相接 电动机不带负载 主要测试以下项目 1 测试电动机的运转对照说明书在操作面板上进行一些简单的操作 如启动 升速 降速 停止 点动等 观察电动机的旋转方向是否与所要求的一致 控制电路工作是否正常 通过逐渐升高运行频率 观察电动机在运行过程中是否运转灵活 有无杂音 运转时有无振动现象 是否平稳等 2 电动机参数的自动检测对于应用矢量控制功能的变频器 应根据说明书的指导 在电动机的空转状态下测定电动机的参数 有的新型系列变频器也可以在静止状态下进行自动检测 95 9 1 4带负载测试 将电动机与负载连接起来进行试车 测试的内容如下 1 低速运行试验低速运行是指该生产机械所要求的最低转速 电动机应在该转速下运行1 2小时 测试内容 1 生产机械的运转是否正常 2 电动机在满负荷运行时 温升是否超过额定值 2 全速启动试验将给定频率设定在最大值 按 启动按钮 使电动机的转速上升至生产机械所要求的最大转速 测试内容 1 启动是否顺利 2 启动电流是否过大 3 观察整个启动过程是否平稳 4 停机状态下是否旋转 3 全速停机试验 1 直流电压是否过高 2 拖动系统能否停住 4 高速运行试验 1 电动机的带载能力 2 机械运转是否平稳 96 9 2变频器的维护与检查 9 2 1维护注意事项 1 只有受过专业训练的人才能拆卸变频器并进行维修和器件更换 2 维修变频器后不要将金属等导电物遗漏在变频器内 否则有可能造成变频器损坏 3 进行维修检查前 为防止触电危险 请首先确认以下几项 变频器已切断电源 主控制板充电指示灯熄灭 用万用表等确认直流母线间的电压已降到安全电压 DC36V以下 4 对长期不使用的变频器 通电时应使用调压器慢慢升高变频器的输入电压直至额定电压 否则有触电和爆炸危险 97 9 2 2日常检查与维护 在变频器的日常维护项目 1 变频器的运行参数是否在规定范围内 电源电压是否正常 2 变频器的操作面板显示是否正常 仪表指示是否正确 是否有振动 震荡等现象 3 冷却风扇部分是否运转正常 有无异常声音 4 变频器和电机是否有异常噪音 异常振动及过热的迹象 5 变频器及引出电缆是否有过热 变色 变形 异味 噪声等异常情况 6 变频器的周围环境是否符合标准规范 温度和湿度是否正常 98 9 2 3定期检查 定期检查项目有 1 输入 输出端子和铜排是否过热变色 变形 2 控制回路端子螺钉是否松动 用螺丝刀拧紧 3 输入R S T与输出U V W端子座是否有损伤 4 R S T和U V W与铜排连接牢固否 用扳手拧紧 5 主回路和控制回路端子绝缘是否满足要求 6 电力电缆和控制电缆有无损伤和老化变色 7 污损的地方 用抹布沾上中性化学剂擦 除粉尘 保持变频器散热性能良好 9 对长期不使用的变频器 应进行定期充电试验 9 变频器的绝缘测试 99 9 2 4零部件更换 冷却风扇使用3年应更换 直流滤波电容器使用5年应更换 电路板上的电解电容器使用7年应更换 其化零部件根据情况适时进行更换 100 9 2 5变频器基本检测和测量方法 由于变频器输入 输出电压或电流中均含有不同程度的谐波分量 用不同类别的测量仪器仪表会