培训手册-电磁、变频器基本原理.doc

前言深圳市汇川技术股份有限公司在2004 年相继推出了MD320、MD300、MD330、MD280等矢量型高性能变频器，市场反应强烈。我们通过对MD系列变频器销售、使用情况的调查了解，以及在技术支持过程中对用户遇到的问题的总结，编写了这本手册。手册共分四篇：基础篇、技术篇、应用篇、方案篇。该手册的前两篇由浅入深，逐步介绍变频器的基础知识、变频器及其周围相关设备选择等通用知识。第三篇着重于MD系列 变频器特点、应用，提供了丰富的常见问题解答，以支持销售工程师和用户在接触MD系列变频器时，能在短时间内自我解决所遇到的一些常见问题。第四篇通过应用方案举例，可以了解MD系列变频器的部分应用、灵活的特点，其适应复杂、高级应用的能力。该手册可以和MD系列模块化矢量型变频器使用手册以深圳市汇川技术股份有限公司提供的相关资料配合使用。手册力求通俗易懂，没有深奥的理论，可适用于初次使用的用户、尤其是不太熟悉汇川MD系列变频器的销售工程师和用户，也适用于深入了解汇川MD系列变频器的用户。 感谢在本手册编辑过程中提供大量应用指导和应用方案的一线人员。由于时间仓促，书中若有不当之处，敬请广大读者谅解，并给予指正。 深圳市汇川技术股份有限公司客户服务中心BBASIC 基础篇1.1 磁场 交流变频器是用于驱动交流电动机的设备，通过变频器，可实现对交流电机的平滑调速。电动机是通过磁场将电能转化为机械能的一种设备。 1.1.1 永磁体的磁场： 图 1 磁力线从永磁体的N极发出，流向S极 自然界存在磁性材料。永磁体可以吸附像钉子、螺丝等金属物品。异极相吸引 同极相排斥 两块磁铁之间会产生力的作用 1.1.2 通电导体产生的磁场：通电导体可以在导体周围产生磁场，其产生的磁场符合左手定则（左手拇指指向电流方向，其余四指环绕的方向就是产生的磁力线方向）见图2： 图 2 通电的导体产生环绕导体的磁场 图3：将通电导体绕成一个线圈，各段通电导体形成的磁场就结合成一个环绕线圈的磁场。 图3 通电线圈中的磁场 图4 线圈中电流方向改变，同时也改变磁力线的方向 图5 若在线圈中增加铁芯，将会产生更强的磁场 图6 如果线圈匝数增加，磁场也增强 1.1.3 右手定则： 通电导体会在其周围产生磁场。通电导体在磁场中也会受力，（Lorentz force洛伦茨力）： iF = ilB(l = wire length) 图7 右手定则 磁力线穿过手心，四指指向电流方向，拇指所指就是受力方向。同样，磁力线穿过手心，拇指指向切割磁力线方向，四指所指方向就是电流的方向。 F = BLI F = 导体受力大小 B = 磁通密度 L = 导体有效长度 I = 导体中的电流值在磁场中，一根导体切割磁力线，会在导体中产生电势（法拉利电磁感应定律）。v+ + +l- - -eind E = BLV E = 感应电压值 B = 磁场密度 L = 导体有效长度 V = 导体切割速度 以上阐述了磁场（特别是电磁感应）的概念，这些概念都有助于我们了解电动机的工作原理，从而明白如何去控制电动机。1.2 直流电动机直流电动机调速简单，特性硬，广泛应用于各种工业场合。由于维护费用较高，再加上交流驱动的兴起，直流电动机的用量正在减少。首先看一下直流电动机调速原理。1.2.1 直流电动机由转子、定子、换向器、电刷等结构组成。 图9 直流电动机结构图 图10 直流电动机转子、定子结构 图11 直流电动机转子结构1.2.2 直流电动机原理直流电动机的定子一般是永磁体或者通过给定子上的绕组通电产生磁场。然后在转子绕组中通入电流，在转子中产生了磁场，在与定子磁场的相互作用下，电动机就旋转起来。 N （转速）= 60*Es/Z Es = 转子电压 Z = 转子导体总数 = 每极磁通量直流电动机定子磁场：直流电动机转子电流：直流电动机转子产生的力：直流电动机转子力矩：直流电动机运行图示：TIPS: 直流电动机产生磁场和产生力矩的电流是互相独立且正交的，可以通过调节定子绕组电流和转子绕组电流的大小来改变励磁和力矩的大小，从而容易实现调速。 直流电动机励磁方式及转矩速度曲线：永磁电动机复励电动机并励电动机串励电动机1.3 通用交流电动机三相鼠笼式交流电机是感应电机中最常见的一种，其构造及特性如下：1.3.1 感应电机的构造示意图：1.3.2 交流感应电动机原理： 1.3.2.1 定子、转子构造 图12 交流电机定子和转子定子构造： 图13 交流感应电机定子绕组 图14 定子硅钢片截面三相交流感应电动机由定子和转子构成。转子由铸铝等铁磁材料整体铸造而成，绕组首尾短路。定子由很多铁磁性硅钢片组成磁极，磁极旁边的卡槽里安装绕组。 转子结构： 图15 交流感应电机转子结构 图16 转子剖面图 图17 转子硅钢片剖面 1.3.2.2 交流电动机原理： 三相交流电动机的运行基于法拉第电磁感应定律和罗伦茨力的原理。假设有一组长度为L的导体，头尾短路，一个永磁体放在这些导体的上方，永磁体以速度V向右快速的移动，接下来会发生以下事件： 1 每根导体中都会因为切割了磁力线产生了感生电压 E = BLV；2 感生电压马上产生一个电流，从导体出发，再回到导体；3 这些带电的导体因为处在磁场中，所以，导体受到力的作用；4 在力的作用下，导体被磁场“拖着”运动。如果把这些导体组成一个圆圈，运动的永磁体换成一个旋转的磁场，我们就建立了一个简化的交流电动机的模型。 1.3.2.3 旋转磁场的建立 如果在定子三相绕组中通入三相交流电，则会在气隙中产生一个同步旋转的磁场。 以下图示显示了同步旋转磁场的建立过程： 起始阶段当给三相交流感应电动机的定子接通三相交流电时，会在气隙中产生一个同步旋转的磁场，此时相对于不动的转子，转子绕组正在切割磁力线。由此产生了转子电流，此电流又形成了转子磁场。在磁场的相互作用下，转子就旋转起来了。由于转子中的电流是感生出来的，所以这种电机也叫做感应电动机。 图11 旋转磁场示意图磁场同步转速： 转差率：由于异步电动机必须形成转子和同步磁场的速度差才可以运行，所以形成了转差。异步交流电动机的转子速度与同步速度之差占同步速度的百分比被称为转差率。当电机理想空载时，电机转子速度与同步速度相同，此时转差为0。 三相交流感应电动机中，由于产生磁场和力矩都是由定子电压完成的，互相很难解藕，又不能独立控制，所以，交流传动比直流传动更加复杂。但是交流电动机制造简单，维护简单，耐用而且成本低，得到了广泛的应用。交流电动机小常识：电机铭牌对交流调速系统的控制非常重要，其中电机额定电压、额定频率尤其重要。电机的接线方式有Y和两种方式，对部分小功率电机而言，Y接法额定电压为380V，接法额定电压为220V，两种接法额定功率不变。电机额定转速是指在电机输入额定频率和额定电压情况下，额定负载时电机转子的转速。该速度单位为RPM。如果电机负载小于额定负载，则电机转子的转速要略高于额定转速。1.3.3 感应电机一相等效电路：励磁电流用来产生磁通，励磁电流一般为电机额定电流的30%左右，功率小的电机励磁电流相对偏大一些。励磁电流（磁通）与反电动势E成正比，与频率F成反比 。转子回路的电流是用来产生转矩的，该电流的大小与负载大小有关，负载越大该电流越大。定子电流是励磁电流与转子回路电流的矢量和。 1.3.4 电机的特性：f 为供电频率，s 为滑差率 由此可以看到，若改变电动机的转速，可以改变滑差、改变极对数、改变供电频率等方法。其中，通过改变频率来调节转速的方法可以最平滑的调节转速。变频器由此而生。 电机特性：电机额定频率以下区域为电机的恒转矩工作区，在电压与频率比值为常数的情况下，电机磁通恒定，此时电机可以输出额定转矩。电机额定频率以上区域为恒功率工作区，此时电机的输出转矩能力下降，一般应用于负载转矩不大的场合。 2.1 变频器2.1.1 变频原理变频器是能够简单、自由地改变交流电机转速的一种控制装置。使用变频器来进行电动机调速可以减小启动电流对设备的冲击，在风机和水泵等设备的控制上可以节能，还可以提升设备控制系统的性能（同步、多点传动）。 转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 2.2.2 变频器分类 （1）按逆变过程： A：交交型变频器 （缺点：只能降频到1/21/3） B：交直交型变频器 （调速范围宽，主流） （2）按滤波方式： A：电压源型变频器 储能原件是电容，利用电容提供电压支撑B：电流源型变频器 储能原件为电感，利用电感提供电流支撑2.2.3 变频器内部构成 整流单元整流单元由六只二极管组成三相整流桥，将电源的三相交流全波整流成直流。若电源的线电压为UL，则三相全波整流后平均直流电压UD的大小为：UD=1.35UL我国三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压： UD=1.35380V=513V。（有效值） 经整流桥整流过的直流电压波形如下图所示。由于在一个周期之内有6个直流脉动电压波形，整流过程又称为六脉动整流：滤波电容器C1、C2滤波电容的功能是：滤平全波整流后的电压纹波；当负载变化时，使直流电压保持平稳。缓冲电阻R1与接触器触点开关J1在变频器上电的瞬间，滤波电容C1、C2上的充电电流比较大。过大的冲击电流将可能导致三相整流桥损坏；同时，也使输入电源电压瞬间下降而畸变。为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源的一段时间里，电路内串入缓冲电阻R1，形成RC电路，以使电容器C1、C2上的冲击电流得到缓冲。当滤波电容器C1、C2充电电压达到一定程度时（80），令J1接通，将R1短路掉。逆变单元逆变单元由六只IGBT管和六只续流二极管组成。通过控制IGBT管的开关顺序和开关时间，变频器将直流电逆变成频率、电压可调的交流电，电压波形为脉宽调制波。IGBT IGBT(insulated gate bipolar transistor) 是绝缘栅双极晶体管的英文简写。IGBT是一种可进行高速开关的开关器件，开通时间少于400纳秒，关断时间不大于500纳秒。通常在数字电路中，我们用三极管来进行开关的操作，你可以把IGBT理解为一个三极管，只不过它可以流过更高的电流，承受更高的电压，以及可以更快速的进行开关操作。 当在门极上加一个正向电压（一般为15V DC），IGBT就导通。将此正向电压取消，IGBT就关断。一般来说，在关断状态下，一般保持门极电压在-15VDC，防止IGBT误动作。运用开关组合形成交流电压：以下图示说明了如何运用开关组合将直流电压转换为交流电压（一相），IGBT用开关来替代：在阶段1和2，A+ 与 B- 闭合，A 与B之间的电压是正向的。在阶段3，A+ 与 B+ 闭合，A与B之间的电压为0。在阶段4，A- 与 B+ 闭合，A与B之间的电压为反向的。通过改变A与B的开关组合，AB之间就形成了如图所示的交流电压输出。AB之间的电压值由直流母线电压值决定，频率值由IGBT开关的速度决定。 PWM： PWM （Pulse width modulation）是脉冲宽度调制的英文缩写。 脉宽调制用于决定IGBT何时开通，何时关断，已达到我们所需要的输出电压频率和幅值（上一小节看到，可以通过改变IGBT的开关组合获得所需的交流电压）。一般来说，我们选用三角波作为载波，用一个同步于供电电压的正弦波信号与之比较，当正弦信号幅值大于三角波的幅值时，控制IGBT开通，当正弦信号幅值低于三角波的幅值时，控制IGBT关断。载波的频率是可以调节的。载波型PWM方法的调制思路是利用每载波周期内的伏-秒平衡原理。即每载波周期内，期望输出电压在时间上的积分等于输出调制脉冲与其作用时间的乘积。从PWM方法的实现角度来看，载波型PWM是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法。信号波并不一定为正弦波，它可以是预畸变的信号，正弦波是最通俗的调制信号，但决不是最优信号。 PWM输出： 当IGBT导通时，就将电机连接到正电压上，产生电流。IGBT短暂的开通允许电机中流过较小的电流，然后关断。当IGBT开通时间较长，会让电机中的电流逐步增大直到峰值电流，这时，就要减小IGBT的开通时间，以使电流下降。负半周的情况与此一样，只是IGBT导通，将电机连接到负电压上。 PWM输出电压与电流：线电压：由于直流母线电压是固定的，当需要输出频率较低时，输出电压也相对较低，这时可以将IGBT的开通时间减小；当需要较高输出频率，输出电压也相对较高，这时可以将IGBT的开通时间增加。制动回路异步电动机在再生制动区域使用时(转差率为负)，再生能量存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统(含电动机)惯量积累的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路(开关和电阻)把再生功率消耗掉，以免直流母线电压上升。 2.2.4 变频器控制模式变频器综合了电子技术、电机控制、计算机技术、控制技术等多种技术为一体。是一种广泛应用于各行各业的电力电子设备，它通过控制电机的旋转速度来满足各行业的需求，因此它的英文缩写为 MDI：MOTOR DRIVE INVERTER。控制模式：变频器一般有三种基本方式可选择：1）V/F控制2）无速度传感器矢量控制，开环矢量3）有速度传感器矢量控制，闭环矢量 V/F控制：V/F控制属于速度开环控制，本质上讲VF控制的变频器是一种简易的逆变电源。VF控制的基本思路是通过使 V/F = 常数，来保证电机磁通基本恒定，达到变频变压控制电机转速。 V/F控制的要点：1 电机的额定电压和电机的额定频率是至关重要的两个 参数，因为VF控制中要保证 V / F =V_rate / F_rate;2 VF曲线：直线VF、多点VF、平方VF。其中多点VF多用在中频场合或离心机场合;3 转矩提升：用于补偿定子电阻压降。定子电阻不同则需要的补偿电压不同;4 抑制震荡：V/F属于开环控制，容易产生机电系统的共振，造成电机震荡，故变频器需要增加抑制机电震荡的处理5 失速控制：过流失速与过压失速V/F控制的优点：l 控制简单、可靠，使用方便；l 速度稳定度好；l 可以用于一台变频器拖动多台电机的场合；l 可以用于大变频器拖动很小电机的场合。V/F控制的缺点： 1 稳速精度低：加载情况下，电机速度随负载的增加而降低，降低的值与电机的额定转差有关；2 调速范围小：相对矢量控制而言，VF的低频转矩小，一般在3-5HZ以上运行，3-5HZ以下的带载能力回很差。增大转矩提升的效果很有限；3 容易与机械系统发生共振而出现系统的振荡；4 动态性能差。 矢量控制：矢量控制是“磁通定向矢量控制”的简称。矢量控制中经过电机数学模型的变换，将多变量强耦合的交流电机等效成简单的直流电机，期间用到了数学的矢量变换，故而得名经过矢量变换，交流电机的控制可以象控制直流电机那样，对磁通和力矩分别控制，实现了强耦合系统的解耦。矢量控制可以直接控制电机输出转矩的大小，实现所谓的力矩控制，而VF控制方法是不行的。矢量控制是电机速度（或者转矩）的闭环控制方法。无速度传感器矢量控制：SVC：sensorless vector control，无速度传感器矢量控制，与其对应的是有速度传感器矢量控制，两者的区别在于是否有速度传感器；无速度传感器矢量控制的速度反馈，需要根据变频器输出电压、电流等并利用电机的数学模型进行计算获得；无速度传感器矢量控制的关键问题在于电机速度的获取方法，目前已经有很多种不同的方法。SVC优点：1 稳速精度比V/F好；2 调速范围比V/F宽，MD系列变频器的调速范围为1：100，额定频率为50HZ的电机在0.5HZ时可以输出150%的额定力矩；3 比FVC少速度传感器，成本与可靠性有一定优势；4 动态性能比V/F好；SVC控制的缺点：1 比VF控制要复杂，不如V/F使用方便；2 速度波动比V/F大；3 不能拖动多个电机，电机与变频器的容量相差不能太 大稳速精度没有FVC好；4 调速范围没有FVC宽。有速度传感器矢量控制 FVC：FVC：flux vector control，为有速度传感器矢量控制FVC控制的优点： 1 稳速精度比V/F、SVC都好；2 调速范围比V/F、SVC都宽，MD系列变频器的FVC调速范围为1：1000， 0HZ时可以输出150%的额定力矩；3 可以实现转矩控制。FVC控制的缺点：1 增加速度传感器，成本和可靠性上不利； 2 速度波动比VF大；3 不能拖动多个电机，电机与变频器的容量相差不能太大。 2.2 变频器传动的功能 1) 变频器的应用目的及用途变频器和交流电机构成的可调速传动称为变频器传动，其功能用途如下。其中可能互为关连，实际上无明确分类，此表仅作参考。2) 调速的应用2.3 使用变频器的优点附录UL Underwriters Laboratories (UL) is a private company that is nationally recognized as an independent testing laboratory. UL tests products for safety and products that pass UL tests can carry a UL mark. Siemens motor control centers are designed to UL 845 standards.NEMA The National Electrical Manufacturers Association (NEMA) is an organization that, among other things, develops standards for electrical equipment. NFPA The Nationa