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变频器讲座 主讲人 张斌怀化工业学校机电教研室 变频器的基本构成 变频器的基本构成如图2 7所示 由主回路 包括整流器 中间直流环节 逆变器 和控制回路组成 如上图所示 变频器的种类 按直流电源的性质分类 电流型变压器 电压型变压器 按输出电压调节方式分 PAM方式 PWM方式 调载波频率的PWM方式 按控制方式分类 U f控制 转差频率控制 矢量控制 按主开关器件分类 如以IGBT BJT GTO和SCR分类 国内流行的几种品牌 松下变频器 富士变频器 欧姆龙变频器 西门子变频器 霍尼威尔变频器等 VF0变频器简介 为了满足各类机器小型化的需要 实现了同类产品中最小型化的目标 0 2KW和0 4KW型 宽78mm 高110mm 体积仅松下公司过去产品的40 50 可与PLC直接调节频率 直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率 采用了新设计的调频电位器 用操作盘就可容易地操作正转 反转 内装8段速控制制动功能 0 2KW无制动功能 再试功能等 VF0系列变频器通用规格 VF0系列变频器通用规格 变频器VF0全貌 操作板 警告标签 显示部位 频率设定钮 SET设定键 模式键 运行键 停止键 上升键 下隆键 关于各部件说明 主电路接线图 控制电路接线图 端子罩内部说明 关于制动电阻连接端子的说明 制动电阻连接端子用于连接0 4KW带制动功能型号的制动电阻器 0 75 1 5KW带制动功能型号已连接完毕 连接电阻器时先要把电源切断 经过5分钟后再连接 在端子No 8 9处可用PWM信号控制运行频率 No 8 频率设定信号切换输入端子 SW2 OFF PWM信号 ON 用P09的参数的设定信号进行控制 用PWM信号进行输出频率控制时 必须设定P22 23 24的参数PWM信号用晶体管 Tr 请使用具有如下能力的晶体管 最大额定电压 DC50V以上额定电流 50mA以下 利用操作面板设定频率及正 反转功能 在操作面板上设定频率和正转 反转功能有两种方式 设定频率 电位器设定方式 数字设定方式 正 反转运行 正转运行 反转运行方式 运行 停止 旋转方向模式设定方式 设定频率 电位器设定方式 将参数P09设定为 0 旋转操作板上的频率设定钮的角度进行设定 Min的位置是停止 Max的位置是最大设定频率数字设定方式 将参数P09设定为 1 按下操作面板上的MODE键 选择频率设定模式 Fr 按下SET键之后 显示出用上升键或下降键所设定的频率 按下SET键进行设定确定 另外 在运行过程中可以通过持续按着上升键或下降键而改变频率 而称为MOP功能 但是 当参数P08为 1 时 MOP功能不能使用 正转 反转功能 正转运行 反转运行方式 将参数P08设定为 1 按下操作面板上的键 正转 或 反转 来选择旋转方向 按下RUN键则开始运行 按下STOP键为停止运行仅按下RUN键时不会运行当频率设定为数字设定方式 MOP功能不能使用运行 停止 旋转方向模式设定方式 参数P08设定为 0 最初按两次MODE键使其变为旋转方向设定模式 用SET键显示旋转方向数据 用上升键或下降键改变旋转方向 用SET键进行设定 然后 按下RUN键使用开始运行 按下STOP键使用停止运行 正转 反转功能 运行 停止 旋转方向设定模式的设定 参数P08 0 频率设定 电位器设定 参数P09 0 正转 反转功能 正转运行 反转运行 参数P08 1 频率设定 电位器设定 参数P09 0 正转 反转功能 运行 停止 旋转方向模式设定 参数P08 0 频率设定 数字设定 参数P09 1 运行频率为50HZ时的逆转运行示例 各种模式的关系 VF0由下列四种模式构成 输出频率 电流显示模式频率设定 监控模式旋转方向设定模式功能设定模式 通常情况下使用输出频率 电流显示模式 施加电源时即是这种模式 功能设定及变更方法 运行过程中的功能设定 第一加速时间 可设定从0 5Hz到最大输出频率的加速时间 0 04秒显示为 000 最大输出频率可由参数P03 P15进行设定 第一减速时间 可设定从最大输出频率到0 5Hz的减速时间 0 04秒显示为 000 最大输出频率可由参数P03 P05进行设定 V F方式 参数P03 在最大输出频率 50 250Hz 之中 可单独任意设定50 60Hz和50 250Hz的V F方式 V F曲线 参数P04 可选择恒定转矩模式和平方转矩模式 力矩提升 参数P05 可设定与负荷特性相应地的力矩提升 选择运行指令 参数P08 可选择操作面板 面板操作 或用外控操作的输入信号来进行运行 停止和正转 反转 频率设定信息 参数P09 可选择利用板前操作或用遥控操作的输入信号来进行频率设定信号的操作 使用4 20mA信号时 在端子No 2 3之间必须接上 200 电阻 在数据设定为1以外的模拟信号的情况下 变频器在这个输入信号全刻度的约1 100的条件下进行运行 停止操作 最大输出频率 基底频率 参数P15 P16 可设定最大输出频率和基底频率 仅在P03设定FF时有效 参数P15 设定最大输出频率 参数P16 设定基本频率 SW1 2 3功能选择 参数P19 P20 P21 设定SW1 2 3 控制电路端子No 7 8 9 的控制功能 多速SW功能 将SW功能设定为多速功能时的SW输入组合动作如下表所示 速度设定 第1速为用参数P09所设定的频率设定信号的指令值第2 8速为用参数P32 P38所设定的频率异常跳闸时 一旦使SW信号进入ON状态 然后OFF既可解除异常跳闸状态 例1速为50Hz 2 8速频率为出厂数据的情况 PWM频率信号选择 平均次数 周期 参数P22 23 24 VF0可由PLC等的PWM信号而控制运行频率 周期为0 9ms 1100ms以内 参数P22 PWM频率信号选择 控制电路端子的连接和功能说明 选择PWM频率信号时 SW2 端子No 8 和SW3 端子No 9 的功能将强制性变为PWM控制专用 端子No 8 频率信号切换输入端子ON 用参数P09设定的信号OFF PWM频率信号端子No 9 PWM频率信号输入端子最大额定电压 电流 请用DC50V 50mA以上能力的开路式集电极信号输入 PWM信号与频率指令值之间的关系 端子No 9 3之间的电压波形 频率指令值 Hz ON时间 PWM周期 最大输出频率 Hz x 最大输出频率是参数P03的设定值为 50时的50Hz 60时的60Hz FF时的参数P15的值 参数P23 PWM的信号平均次数 变频器在每个PWM周期中进行ON时间和OFF时间的测量和计算 作为其频率指令 利用这一参数来设定要把上述每个PWM周期的指令进行多少次平均才能决定最终输出频率指令的平均次数平均次数多次进行则频率指令稳定 但响应速度会变慢 参数24 PWM信号周期 利用这一参数设定PWM输入信号周期 请以PWM输入信号周期的 12 5 以内的值定数据 选择模拟 PWM输出功能 参数P58 可设定由控制电路端子No 4输出的 0 5V电压信号 和由端子No 10 11输出的 输出状态信号 PWM 的功能 0 5V电压信号和输出频率 输出电流的关系 PWM输出信号和输出频率 输出电流的关系 变频器的外围设备及其选择 选择目的 提高变频器的某种性能变频器和电动机的保护减小变频器对其他设备的影响等 变频器外围设备的种类与用途 变频器的外围设备如下图所示 电源变压器T 电源侧断路器QF 电磁接触器1KMEM 无线电噪声滤波器FIL 电源侧交流电抗器1ACL 2ACL 制动电阻R 电动机侧电磁接触器2KMEM I频电网切换用接触器3KM 电动机侧交流电抗器2ACL 1 电源变压器T电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级 考虑到变频器的输入电流有一定量的高次谐波 使电源侧的功率因数降低 加上变频器运行效率的影响 变压器的容量按如下式考虑 变压器的容量 kVA 变频器的输出功率 变频器输入功率因数X变频器效率 其中变频器的功率因数在有输入交流电抗器1ACL时取0 8 0 85 无输入电抗器1ACL时则取0 6 0 8 变频器效率可取0 95 变频器输出功率应为所接电动机的总功率 变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值 常取变频器容量的130 左右 变频器的外围设备及其选择 电源变压器 变频器的外围设备及其选择 2 电源侧断路器QF用于电源回路的开闭 并且在出现过流或短路事故时自动切断电源 以防事故扩大 如果需要进行接地保护 也可以采用漏电保护式断路器 使用变频器无例外地都应采用QF 3 电磁接触器1KMEM用于电源的开闭 在变频器保护功能起作用时 切断电源 对于电网停电后的复电 可以防止自动再投入以保护设备的安全及人身安全 4 无线电噪声滤波器FIL用于限制变频器因高次谐波对外界的干扰 可酌情选用 5 交流电抗器1ACL和2ACL1ACL用于抑制变频器输入侧的谐波电流 改善功率因数 选用与否视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网电压允许的畸变程度而定 2ACL用于改善变频器输出电流的波形 减低电动机的噪声 6 制动电阻单元R用于吸收电动机再生制动的再生电能 可以缩短大惯量负载的自由停车时间 还可以在位能负载下放时 实现再生运行 7 电磁接触器2KMEM和3KM用于变频器和工频电网之间的切换运行 在这种方式下2KMEM是必不可少的 它和3KM之间的联锁可以防止变频器的输出端接到工频电网上 一旦出现变频器输出端误接到工频电网的情况 将损坏变频器 如果不需要变频器 工频电网的切换功能 可以不要2KMEM 变频器的外围设备及其选择 制动电阻的计算 在异步电动机因设定频率下降而减速时 如果轴转速高于由频率所决定的同步转速 则异步电动机处于再生发电运行状态 运动系统中所存储的动能经逆变器回馈到直流侧 中间直流回路的滤波电容器的电压会因吸收这部分回馈能量而提高 如果回馈能量较大 则有可能使变频器的过压保护功能动作 利用制动电阻可耗散这部分能量 使电动机的制动能力提高 制动电阻的选择 可按如下步骤进行 1 制动转矩的计算制动转矩TB可由下式算出 GD2M GD2L n1 n2 375ts TL TB 式中GD2M 电动机的GD2 N m N m2 TL 负载转矩 N m GD2L 负载折算到电动机轴上的GD2 n1 减速开始速度 r min N2 减速完了速度 r min ts 减速时间 s 2 制动电阻阻值的计算 在附加制动电阻进行制动的情况下 电动机内部的有功损耗部分 折合成制动转矩 大约为电动机额定转矩的20 考虑到这一点 可用下式来计算 RBO U2C1 04 TB 0 2TM n1 UC 直流回路电压 V TB 制动转矩 N m TM 电动机额定转矩 N1 开始减速时的速度 如果系统所需制动转矩TB 0 2TM 时 系统就有需要另外的制动电阻 仅电动机内部的有功损耗的作用 就可使中间直流回路电压限制在过压保护的动作水平以下 由制动晶体管和制动电阻构成的放电回路中 其最大电流受制动晶体管的最大允许电流IC的限制 制动电阻的最小允许值为Rmin Rmin UCIC 式中UC 直流回路电压 V 因此选用制动电阻RB应按 Rmin RB RBO 3 制动时平均消耗功率的计算 如前所述 制动中电动机自身损耗的功率相当于20 额定值的制动转矩 因此制动电阻器上消耗的平均功率Pro KW 可以求出 Pro 1 047 TB 0 2TM N1 n22 X10 3 KW 4 电阻器额定功率的计算 电阻器额定功率的计算 应视电动机是否重复减速 制动电阻器额定功率的选择是不同的 根据电动机的运行的模式 可以确定制动时的平均消耗功率和电阻器的允许功率增加系数 据此可以求出制动电阻器的额定功率Pr Pr Prom KW 举例说明 设所选电动机为45KW 额定转矩TM 238 75 N m 电压 440V 极数 4 飞轮惯量GD2M 12 74N m2 负载 速度范围1800 0r min 惯量GD2L 98N m2 负载静阻转矩TL 4 9N m 重复减速 T 100s Ts 3s 制动电阻使用率D ts T 3 100 0 03 求制动电阻 制动电阻的计算 1 制动转矩 TB GD2M GD2L n1 n2 375ts TL 12 74 98 X 1800 0 375X3 4 9 172 284N m 2 制动电阻 RBO U2C1 04 TB 0 2TM n1 76021 047 172 284 0 2X238 75 X1800 24 7 其中直流电压UC 对于200V级变频器来说 取UC 380V 400级取UC 760V 根据上讲中所要示的Rmin RB RBO关系表达式为12 8 RB 24 7 选择条件1 3 制动中的平均消耗功率 Pro 1 047 TB 0 2TM N1 n22 X10 3 KW 1 047 172 284 0 2X238 75 1800 02 X10 3 11 7KW 4 制动电阻额定功率根据D 0 03 由图3 30a 查得m 2 6 所以 Pr Prom 11 72 6 4 5kW选择条件2 由以上计算选择的制动电阻器如下 Pr 600WX8 只 4 8kW 4 5kW RB 8 X 4串联2并联 16 即选8只8 600W电阻 4个串成一组 两组再并联起来 变频器的应用 实例一 变频器无塔供水中的应用 变频器在电梯中的应用 PLC与变频器布线的规范 信号线与动力线必须分开走线信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线 电线规格为0 5 2mm2 为了提高接线的简易性和可靠性 推荐信号线上使用压线棒端子 接地问题 变频器的接地应该与PLC控制回路单独接地 在不能够保证单独接地的情况下 为了减少变频器对控制器的干扰 控制回路接地可以浮空 但变频器一定要保证可靠接地 在控制系统中建议将模拟量信号线的屏蔽线两端都浮空 同时由于在机组上PLC与变频器共用一个大地 因此建议在可能的情况下 将PLC单独接地或者将PLC与机组地绝缘开来 变频器的接地400V级 C种接地 接地电阻10 以下 接地线切勿与焊机及动力设备共用 接地线请按照电气设备技术基准所规定的导线线径规格 如35KW的变频器接地线线径推荐为22mm2 87KW的接地线线径推荐为50mm2 接地线在可能范围内尽量短 由于变频器产生漏电流 与接地点距离太远则接地端子的电位不安定 使用两台以上变频器的场合 请勿将接地线形成回路 变频器基础问答 1 什么是变频器 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置 2 PWM和PAM的不同点是什么 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 PAM是英文PulseAmplitudeModulation 脉冲幅度调制 缩写 是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度 以调节输出量值和波形的一种调制方式 3 电压型与电流型有什么不同 变频器的主电路大体上可分为两类 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器 直流回路的滤波是电容 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器 其直流回路滤波石电感 4 为什么变频器的电压与电流成比例的改变 异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的 在额定频率下 如果电压一定而只降低频率 那么磁通就过大 磁回路饱和 严重时将烧毁电机 因此 频率与电压要成比例地改变 即改变频率的同时控制变频器输出电压 使电动机的磁通保持一定 避免弱磁和磁饱和现象的产生 这种控制方式多用于风机 泵类节能型变频器 5 电动机使用工频电源驱动时 电压下降则电流增加 对于变频器驱动 如果频率下降时电压也下降 那么电流是否增加 频率下降 低速 时 如果输出相同的功率 则电流增加 但在转矩一定的条件下 电流几乎不变 6 采用变频器运转时 电机的起动电流 起动转矩怎样 采用变频器运转 随着电机的加速相应提高频率和电压 起动电流被限制在150 额定电流以下 根据机种不同 为125 200 用工频电源直接起动时 起动电流为6 7倍 因此 将产生机械电气上的冲击 采用变频器传动可以平滑地起动 起动时间变长 起动电流为额定电流的1 2 1 5倍 起动转矩为70 120 额定转矩 对于带有转矩自动增强功能的变频器 起动转矩为100 以上 可以带全负载起动 7 V f模式是什么意思 频率下降时电压V也成比例下降 这个问题已在回答4说明 V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的 通常在控制器的存储装置 ROM 中存有几种特性 可以用开关或标度盘进行选择 8 按比例地改V和f时 电机的转矩如何变化 频率下降时完全成比例地降低电压 那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变 将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向 因此 在低频时给定V f 要使输出电压提高一些 以便获得一定地起动转矩 这种补偿称增强起动 可以采用各种方法实现 有自动进行的方法 选择V f模式或调整电位器等方法 9 在说明书上写着变速范围60 6Hz 即10 1 那么在6Hz以下就没有输出功率吗 在6Hz以下仍可输出功率 但根据电机温升和起动转矩的大小等条件 最低使用频率取6Hz左右 此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题 变频器实际输出频率 起动频率 根据机种为0 5 3Hz 10 对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定 是否可以 通常情况下时不可以的 在60Hz以上 也有50Hz以上的模式 电压不变 大体为恒功率特性 在高速下要求相同转矩时 必须注意电机与变频器容量的选择 11 所谓开环是什么意思 给所使用的电机装置设速度检出器 PG 将实际转速反馈给控制装置进行控制的 称为 闭环 不用PG运转的就叫作 开环 通用变频器多为开环方式 也有的机种利用选件可进行PG反馈 12 实际转速对于给定速度有偏差时如何办 开环时 变频器即使输出给定频率 电机在带负载运行时 电机的转速在额定转差率的范围内 1 5 变动 对于要求调速精度比较高 即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合 可采用具有PG反馈功能的变