企业培训_工人培训之自动控制元件的应用交流变频器

中级电工培训 目录 常用传感器P3软启动器P70交流变频器P122三菱E700变频器P170光电编码器P200 2020 2 22 216 3 第七章自动控制元件的应用 交流变频器 定义 变频器是交流电气传动系统的一种 是将交流工频电源转换成电压 频率均可变的适合交流电动机调速的电力电子变换装置 英文简称VVVF VariableVoltageVariableFrequency 中国市场变频器品牌 欧美品牌 西门子 科比 伦茨 施耐德 ABB 丹佛斯 ROCKWELL VACON AB 日本品牌 富士 三菱 安川 三垦 日立 欧姆龙 松下电器 松下电工 东芝国产品牌 安邦信 佳灵 森兰 英威腾 康沃 科姆龙 惠丰港台品牌 台达 普传 台安 东元 美高韩国品牌 LG 现代 三星 收获 变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机 标准适配电机极数是2 4极 变频器通常包含2个组成部分 整流器和逆变器 其中 整流器将输入的交流电转换为直流电 逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电 除了这2个部分之外 变频器还有可能包含变压器和电池 其中 变压器用来改变电压并可以隔离输入 输出的电路 电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失 变频器的组成 整流部分 储能环节 逆变部分 M 控制系统 交流 直流 直流 交流 交流低压交直交通用变频器系统框图 变频器的构成 变频器主要是由主电路 控制电路组成 主电路是给电动机提供调压 调频电源的电力变换部分 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 其直流回路滤波是电感 主电路由三部分构成 1 将工频电源变换为直流功率的 整流器 2 吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的 平波回路 3 将直流功率变换为交流功率的 逆变器 1 整流器 近年来大量使用的是二极管变流器 它把工频电源变换为直流电源 也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器 由于其功率方向可逆 所以可以进行再生运转 2 平波回路 在整流器整流后的直流电压中 含有电源六倍频率的脉动电压 此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动 为了抑制电压波动 采用电感和电容吸收脉动电压 电流 装置容量小时 如果电源和主电路构成器件有余量 可以省去电感采用简单的平波回路 3 逆变器 同整流器相反 逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率 以所确定的时间使六个开关器件导通 关断就可以得到三相交流输出 控制电路的组成 控制电路是给电动机供电 电压 频率可调 的主电路提供控制信号的回路 它有频率 电压的 运算电路 主电路的 电压 电流检测电路 电动机的 速度检测电路 将运算电路的控制信号进行放大的 驱动电路 逆变器和电动机的 保护电路 组成 1 运算电路 将外部的速度 转矩等指令同检测电路的电流 电压信号进行比较运算 决定逆变器的输出电压 频率 2 电压 电流检测电路 与主回路电位隔离检测电压 电流等 3 驱动电路 驱动主电路器件的电路 它与控制电路隔离使主电路器件导通 关断 4 速度检测电路 以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号 送入运算回路 根据指令和运算可使电动机按指令速度运转 5 保护电路 检测主电路的电压 电流等 当发生过载或过电压等异常时 为了防止逆变器和异步电动机损坏 使逆变器停止工作或抑制电压 电流值 变频器的构成 用户接口 主回路接口 控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口 控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口 变频器的构成 主回路接口 工频电网输入380V3PH 220V3PH220V1PH 制动电阻 直流电抗器 三相交流电机 3phase三相电源 变频器的构成 控制回路接口 以上端子均可自由编程 变频器保护功能 由于变频器大量的使用了各种半导体器件 如整流桥 IGBT 电解电容等 要想保证变频器长期稳定工作 则必须保证各器件工作在其允许条件下 超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作 待异常条件消失后才能重新开始工作 如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害 变频器在应用中是三类负载 恒转矩负载恒功率负载变转矩负载 摩擦恒转矩生产流水线起重行走 速度 T负载转矩 势能恒转矩电梯起重机提升 恒功率 速度越低 负载转矩越大 机床开卷机 收卷机 变转矩 速度越低 负载转矩越小 风机水泵 负载转矩大小与转速无关 恒转矩负载 负载转矩与转速无关 任何转速下负载转矩总保持恒定或基本恒定 例如传送带 搅拌机 挤压机等摩擦类负载以及吊车 提升机等位能负载都属于恒转矩负载 变频器拖动恒转矩性质的负载时 低速下的转矩要足够大 并且有足够的过载能力 如果需要在低速下稳速运行 应该考虑标准电动机的散热能力 避免电动机的温升过高 恒功率负载 机床主轴和轧机 造纸机 塑料薄膜生产线中的卷取机 开卷机等要求的转矩大体与转速成反比 这就是所谓的恒功率负载 负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的 当速度很低时 受机械强度的限制 负载转矩不可能无限增大 在低速下转变为恒转矩性质 负载的恒功率和恒转矩区别 负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响 电动机在恒磁通调速时 最大容许输出转矩不变 属于恒转矩调速 而在弱磁调速时 最大容许输出转矩与速度成反比 属于恒功率调速 如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时 即所谓 匹配 的情况下 电动机的容量和变频器的容量均最小 风机 泵类负载 在各种风机 水泵 油泵中 随叶轮的转动 空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度的二次方成正比 随着转速的减小 转矩按转速的二次方减小 这种负载所需的功率与速度的三次方成正比 当所需风量 流量减小时 利用变频器通过调速的方式来调节风量 流量 可以大幅度地节约电能 由于高速时所需功率随转速增长过快 与速度的三次方成正比 所以通常不应使风机 泵类负载超工频运行 变频器的应用 变频器除了可以用来改变交流电源的频率之外 还可以用来改变交流电动机的转速和扭矩 在该应用环境下 最典型的变频器结构是三相二级电压源变频器 该变频器通过半导体开关和脉冲宽度调制 PWM 来控制各相电压 变频调速技术因具有显著的节电效果 方便的调速方式 较宽的调速范围 运行可靠 完善的保护功能等优点而被广泛应用 从启动频率启动变频器输出由0直接变化为启动频率对应的交流电压 而后在此基础上按照加速曲线逐步提高输出频率和输出电压直到设定频率到达 注 启动频率不宜过大 否则会造成启动冲击或过流 先制动后从启动频率再启动变频器先给电机通脉冲直流 使电机保持在停止状态 然后再按照从启动频率方式直接启动 注 一般应用在负载初始状态不确定的场合 转速跟踪启动直接将正在自由旋转的电机或负载由当前速度驱动到预定速度 注 非常适用于水泵的工频变频切换或重要设备的异常停机后的快速恢复 启动方式 停车方式 减速停车变频器接到停止命令后按照减速时间对应曲线逐渐减小输出频率 到0后停机 注 这种方式最常用 当直流母线电压过高时会自动启动能耗制动 此时需配置制动单元 否则会报减速过电压 自由停车变频器接到运行停止命令后 立刻中止输出 负载靠自然阻力停止 注 变频器故障时的停车方式就是自由停车 减速 直流制动停车变频器接到运行停止命令后 按照减速时间对应曲线逐渐减少输出频率 当到达某一预设频率 即开始直流制动 通脉冲直流 停车 防止电机爬行 注 对于大惯量负载或有定位要求的场合非常适用 变频器在航空航天上的应用 飞机上的电力设备通常需要400Hz的交流电 而地面上使用的交流电一般为50Hz或60Hz 因此 当飞机停在地面上时 需要使用变频器将地面上的50Hz或60Hz的交流电变为400Hz的交流电供飞机使用 正弦双变频器在拉丝机上的应用 工艺要求 要求拉丝与收线同步 张力稳定 启动停机不断线 项目实施结果 设备采用正弦变频器后 使整机性能有较大提高 低速穿模 高速拉丝相互独立 拉丝过程节能 高效 无转速死区 低速1Hz额定转矩平稳输出 穿模 试机零材料损耗 根据拉丝线材实际负载变化自动调节 变频器的输出功率 保持其恒定 重载启动平稳不过载 实现自动识别收线盘卷径 自动识别机械传动比自动识别线缆的线径 自动调整PID参数 自动跟踪主机速度 自动跟踪拉丝线速度 张力平衡杆基本维持在平衡杆中点位置 无论空盘 半盘 满盘 无论粗线 细线 无论低速 中速 高速 张力始终恒定 风机上的应用 变频器采用高精度调节电位器来给定输出频率 根据需要的风量在现场调速 电位器通过屏蔽线与变频器控制器连接 并且设置了低通滤波器以提高控制精度 通过端口的输出频率信号作为现场监控 由于采用了电气互锁装置 使系统不会出现误操作等意外事故 项目的最大意义是节能 与原有的工频驱动方式相比 风机效率稳定在理想的范围内 电动机能耗大大降低 特别是机组低负荷运行时 效果更显著 同时提高了可靠性 延长了电机寿命 另外 由于风门全开 减少了风道的振动与磨损 提高了机械寿命 变频器实际应用中的应用误区 误区1 使用变频器都能节电 一些文献宣称变频调速器是节电控制产品 给人的感觉是只要使用变频调速器都能节电 实际上 变频调速器之所以能够节电 是因为其能对电动机进行调速 如果说变频调速器是节电控制产品的话 那么所有的调速设备也都可以说是节电控制产品 变频调速器只不过比其它调速设备效率和功率因数略高罢了 变频调速器能否实现节电 是由其负载的调速特性决定的 对于离心风机 离心水泵这类负载 转矩与转速的平方成正比 功率与转速的立方成正比 只要原来采用阀门控制流量 且不是满负荷工作 改为调速运行 均能实现节电 当转速下降为原来的80 时 功率只有原来的51 2 可见 变频调速器在这类负载中的应用 节电效果最为明显 对于风机这类负载 转矩与转速的大小无关 即恒转矩负载 若原来采用放风阀放走多余风量的方法调节风量 改为调速运行 也能实现节电 当转速下降为原来的80 时 功率为原来的80 比在离心风机 离心水泵中的应用节电效果要小得多 对于恒功率负载 功率与转速的大小无关 例 水泥厂恒功率负载 如配料皮带秤 在设定流量一定的条件下 当料层厚时 皮带速度减慢 当料层薄时 皮带速度加快 变频调速器在这类负载中的应用 不能节电 与直流调速系统比较 直流电动机比交流电动机效率高 功率因数高 数字直流调速器与变频调速器效率不相上下 甚至数字直流调速器比变频调速器效率略高 所以 宣称使用交流异步电动机和变频调速器比使用直流电动机和直流调速器要节电 理论和实践证明 这是不正确的 误区2 变频器的容量选择以电动机额定功率为依据 相对于电动机来说 变频调速器的价格较贵 因此在保证安全可靠运行的前提下 合理地降低变频调速器的容量就显得十分有意义 一般情况下变频调速器的功率指的是它适用的4极交流异步电动机的功率 由于同容量电动机 其极数不同 电动机额定电流不同 随着电动机极数的增多 电动机额定电流增大 变频调速器的容量选择不能以电动机额定功率为依据 同时 对于原来未采用变频器的改造项目 变频调速器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据 这是因为 电动机的容量选择要考虑最大负荷 富裕系数 电动机规格等因素 往往富裕量较大 工业用电动机常常在50 60 额定负荷下运行 若以电动机额定电流为依据来选择变频调速器的容量 留有富裕量太大 造成经济上的浪费 而可靠性并没有因此得到提高 对于鼠笼式电动机 变频调速器的容量选择应以变频器的额定电流大于或等于电动机的最大正常工作电流1 1倍为原则 这样可以最大限度地节约资金 对于重载起动 高温环境 绕线式电动机 同步电动机等条件下 变频调速器的容量应适当加大 对于一开始就采用变频器的设计中 变频器容量的选择以电动机额定电流为依据无可厚非 这是因为此时变频器容量不能以实际运行情况来选择 当然 为了减少投资 在有些场合 也可先不确定变频器的容量 等设备实际运转一段时间后 再根据实际电流进行选择 变频发展分析 变频器是运动控制系统中的功率变换器 当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域 总的发展趋势是 驱动的交流化 功率变换器的高频化 控制的数字化 智能化和网络化 因此 变频器作为系统的重要功率变换部件 提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展 变频器主电路的拓扑结构方面 变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器 而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器 负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器 而对中压大容量的装置采用多电平逆变器 对于四象限运行的传动 为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量 网侧变流器应为可逆变流器 同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器 对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波 减少对电网的公害 目前 低 中压变频器都有这类产品 主电路功率开关元件 自关断化 模块化 集成化 智能化 开关频率不断提高 开关损耗进一步降低 脉宽调制 脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制 SPWM 控制 消除指定次数谐波的PWM控制 电流跟踪控制 电压空间矢量控制 磁链跟踪控制 交流电动机变频调整控制方法 交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面 微处理器的进步使数字控制 微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向 运动控制系统是快速系统 特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息 近几年来 国外各大公司纷纷推出以DSP 数字信号处理器 为基础的内核 配以电机控制所需的外围功能电路 集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器 价格大大降低 体积缩小 结构紧凑 使用便捷 可靠性提高 DSP和普通的单片机相比 处理数字运算能力增强10 15倍 以确保系统有更优越的控制性能 数字控制使硬件简化 数字控制使硬件简化 柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性 可实现复杂控制规律 使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实 易于与上层系统连接进行数据传输 便于故障诊断加强保护和监视功能 使系统智能化 如有些变频器具有自调整功能 永磁同步电动机 交流同步电动机已成为交流可调传动中的一颗新星 特别是永磁同步电动机 电机获得无刷结构 功率因数高 效率也高 转子转速严格与电源频率保持同步 同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类 自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似 用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器 如采用交 直 交变压变频器时叫做 直流无换向器电机 或称 无刷直流电动机 BLDC 传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器 现正开发无转子位置传感器的系统 同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制 其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机简单 变频调速其他附加好处 风机应用 1 网侧功率因数提高 原电机直接由工频驱动时 满载时功率因数为0 85左右 实际运行功率因数远低于0 8 采用变频调速系统后 电源侧的功率因数可提高到0 9以上 无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率 满足电网要求 可进一步节约上游设备的运行费用 2 设备运行与维护费用下降 采用变频调节后 由于通过调节电机转速实现节能 在负荷率较低时 电机 风机转速也降低 主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻 维护周期可加长 设备运行寿命延长 并且变频改造后风门开度可达100 运行中不承受压力 可显著减少风门的维护量 变频器运行中 只需定期对变频器除尘 不用停机 保证了生产的连续性 随着生产的需要 调节风机的转速 进而调节风机风量 既满足生产工艺的要求 工作强度又大大降低 采用变频技术调速后 减少了机械磨损 维护工作量降低 检修费用下降