变频器初级培训教材PPT课件.ppt

变频器技术知识培训 1 培训目标 了解电气传动的基本概念掌握变频器的基本工作原理了解变频器的基本应用和选型原则了解变频器的市场竞争情况 2 目录 电气传动基础知识变频器基础知识变频器的构成变频器基本功能变频器应用变频器选型 3 电气传动基础知识 电气传动系统概述 4 电气传动基础知识 电气传动的目的和意义 目的根据设备和工艺的要求通过改变电机速度或输出转矩改变终端设备的速度或转矩 意义 注 并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能 5 电气传动基础知识 交流电机的机械特性 交流异步电机的机械特性公式 n 60f p 1 s n 电机转速f 给电机供电的交流电频率p 电机极对数s 转差率 T 电机力矩 N 速度 n0 额定 异步机机械特性 最大 交流同步电机的机械特性公式 n 60f pn 电机转速f 给电机供电的交流电频率p 电机极对数 n0 额定 最大 T 电机力矩 同步机机械特性 交流异步电机广泛应用在传动系统中交流同步电机目前已开始在纺织行业广泛使用 6 电气传动基础知识 电气传动系统基本工作原理 电力传动系统运动方程式 T电机转矩 T负载转矩 加速运行T电机转矩 T负载转矩 减速运行T电机转矩 T负载转矩 恒速运行 电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素 T电机转矩 T负载转矩 7 电气传动基础知识 电气传动系统工作原理 速度模式 以控制转速恒定为目的 控制设备根据设定速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化 达速时电机转矩等于负载转矩应用 如常规调速系统 电梯 各类生产线 转矩模式以控制电机转矩恒定为目的 达速时电机转矩等于负载转矩 但电机的运转速度不确定 如果控制不当可能会引起传动设备超速损坏等事故为保证系统安全 必须额外考虑限速或超速保护应用 如 开卷 收卷 T电机转矩 T负载转矩 8 电气传动基础知识 电气传动系统负载特性 传动机构 电动机 生产机械 负载特性 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 负载转矩大小于与转速无关 9 电气传动基础知识 交 直 流电气传动系统的特点 直流电气传动系统特点 控制对象 直流电动机控制原理简单 一种调速方式性能优良 对硬件要求不高电机有换向电刷 换向火化 电机设计功率受限电机易损坏 不适应恶劣现场需定期维护 交流电气传动系统特点 控制对象 交流电动机控制原理复杂 有多种调速方式性能较差 对硬件要求较高电机无电刷 无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏 适应恶劣现场基本免维护 70年代以前直流占统治地位 交流调速只在大功率电机调速上使用目前交流调速已经占统治地位 10 早 晚 发展时间 电气传动基础知识 交流电气传动系统的发展历程 11 异步电动机的结构 异步电动机的结构定子转子风扇机壳接线盒轴伸 12 定子铁心与绕组 定子铁心均布的槽中嵌有三相对称绕组 铁心 绕组 13 转子铁心和绕组 铸铝转子 绕线转子 14 转子是怎样转起来的 转子导体横切气隙旋转磁场产生感应电势 右手定则 感应电势在闭合的转子绕组中产生感应电流转子导体中的电流与气隙旋转磁场作用产生电磁力 左手定则 电磁转矩驱动转子转动 与气隙旋转磁场的方向相同 转子电流也产生旋转磁场该磁场的转速与所产生的旋转磁场转速一样 都是同步速在稳态情况下 转子所产生的磁场与定子是相对静止的实际上 气隙磁场是定子与转子绕组产生的电流之和 15 电网直接启动 16 异步电机的等值电路模型 要精确地控制电机需要尽量了解电机的定子 转子绕组电阻R1 R2 定子 转子漏抗X1 X2以及激磁阻抗Rm Xm等 这些参数需要通过根据铭牌参数如电机额定电压UN 额定电流IN 额定转速nN 功率因数COSPHi计算得到 17 异步电机机械特性与电源电压的关系 输出转矩与电压的平方成正比 起动转矩与电压的平方成正比 随着电压的降低 最大转矩 起动转矩以及转速都会降低 降低电源电压 可以降低起动电流 但起动转矩成平方倍地下降 星三角起动 自耦变压器起动以及软起动器起动都属于这类应用 这种方法不适于调速 因为调速范围很窄而且效率很低 18 异步电机机械特性与转子电阻的关系 最大输出转矩Tm的大小与转子电阻R2的大小没有关系 对应Tm的转速与R2的值有关 转子电阻越大 对应Tm的转速越低 对绕线转子电机 若在转子绕组中串联电阻 则能够增大起动转矩 在起动过程中 连续减小或逐级切除串联的电阻 则能够在起动过程中增大起动转矩 加速起动过程 对绕线转子电机 若在转子绕组中串联大小可调的电阻 则能够调节稳定运行的转速 通过改变转子电阻的起动和调速方法仅仅适用于绕线电机 曾经获得广泛的应用 存在效率低下 起动装置笨重 电机和起动装置造价高维护率高且困难等缺点 19 异步电机机械特性与电源频率的关系 在其它变量满足特定要求的情况下 改变电源频率可以有效地改变机械特性 而最大转矩基本不变 在负载特性为恒定转矩的情况下 稳定的转速可以与频率有较好的线性关系 在频率很低的情况下 机械特性变差 20 改变滑差调速 调节电源电压 在电源与电机之间串电抗通过调压变压器或自耦变压器效率低下 功率因数低成本高调速效果不明显改变转子电阻可连续调速 甚至可以控制电机反转 适用于提升应用可以获得较好的起动特性逐级切换电阻和频敏电阻仅仅适用于绕线转子电机 不能用于更加普遍的鼠笼转子电机效率低下 调速范围在额定转速以下装置复杂 体积大 电机和起动装置成本高维护频度高且维修成本高 逐渐淘汰 21 变极调速 对恒定转矩的负载 转速与电机绕组的极数成反比 这种方法在过去的机床行业和风机中获得广泛的应用 为有级调速 能获得的转速数目只有两种或三种 不能连续调速 需要电机定子有多套绕组或绕组有多种接法 电机造价高 效率低 逐渐淘汰 22 变频调速 转速与频率成正比能够连续调速操作方便 噪声低调速范围宽 调速精度高效率高 功率因数高 采取措施 可以控制起动 运行 停止 锁定输出 线性制动或软停止 可靠性高 易于维护起动电流和运行电流小 过载能力大 23 传统调速方法的优缺点 机械调速 制动器 离合器 齿轮箱 皮带轮 链条等 有极调速 效率低下液力耦合器可实现无级跳速成本适中装置复杂 维护量大机电式滑差调速 绕线转子电机 实现简单 成本适中绕线电机结构复杂 维护量大效率低下涡流调速简单可行连续调速效率低下 需要冷却装置 水冷或空气冷却 24 变频器和软起动器的区别 软起动器软起动器是一种智能化的降压起动器 在起动电机时可以有效地控制和限制起动电流 同时可减少对电机及其驱动的设备的机械应力 软起动可以将机械从零速平滑地加速到额定转速 也可以控制平滑地减速到零速在只需要软起动和软停止而不需要调速的场合可以使用软起动器软起动器为了降低起动电流 必须实施降压起动 同时降低了起动转矩变频器变频器可以实现软起动和软停止也可以根据负载的变化和系统的要求调节速度和改变输出转矩电机起动后可以不以工频转速运行变频器在起动电机的同时不必降低起动转矩结论从功能上 变频器可以取代软起动器 但软起动器不能取代变频器从成本上 变频器高于软起动器 但其优势自不待言 25 变频调速的优势 效率最高的调速方法维护率很低控制灵活 可集成多种功能可四象限运行使用最最普通的鼠笼式异步电动机初始投资可能略大 但是可以快速收回投资 并创造更多的经济效益节能 尤其是风机 泵和空气压缩机机械磨损减少 降低维护费用提高产品质量和生产效率 软起动 减少对电网和设备的冲击 26 变频器基础知识 变频器定义及其特点 变频器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机调速的电力电子变换装置 英文简称VVVF VariableVoltageVariableFrequency 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 变频调速的优势 与其它交流电机调速方式对比 27 变频器基础知识 变频技术发展历程 控制算法 功率半导体技术 V F控制 SCR GTR 矢量控制 IGBT 计算机技术 单片机DSP IGBT大容量化 更高速率和容量 如 矩阵式变频器 大功率传动使用变频器 体积大 价格高 未来发展方向完美无谐波 PWM技术 SPWM PWM优化新一代开关技术 无速度矢量控制电流矢量V F 70年代 80年代 60年代 90年代 高速DSP专用芯片 00年代 超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用 取代直流 算法优化 更大容量更高开关频率 PWM 空间电压矢量调制技术 变频器体积缩小 开始在中小功率电机上使用 28 变频器基础知识 变频器分类 交直交电压型变频器因结构简单 功率因素高 接近1 目前广泛使用 29 变速驱动器结构 应用功能 变速驱动器 制动 电机 驱动器保护 EMC滤波器 30 供电网络 定压定频 整流完 整流滤波后 变压变频 变频 主电路部分 31 D1 D2 D3 D4 D5 D6 整流桥 M3 T1 T2 T3 T4 T5 T6 Inverter 预充电 滤波 平滑直流侧电压 整流桥 整流电压 PWM控制 主回路结构 逆变器 产生频率和电压都可变的三相交流电 32 变频器基础知识 基本工作原理 单相逆变电路工作原理 S1 S3导通 S2 S4导通 S1 S3导通 S2 S4导通 S1 S3导通 S2 S4导通 f1 f2 Ed U1 逆变器的功能 通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序 33 变频器基础知识 基本工作原理 S1 S4 S5 S2 S3 S6 U V Ed W 561 UUV UVW 612 123 234 345 456 561 612 三相逆变电路 电压型 Ed 特点 180 导电型 输出电压的波形是矩形波 电流波形是正弦波 谐波分量太大 电机谐波损耗增加 发热严重甚至烧坏电机 逆变器从直流侧向交流侧传送的的功率是脉动的 转矩脉动较大 低速运行时影响转速的平稳 直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题 电机 三相逆变电路 电压型 34 变频器基础知识 基本工作原理 将上图电压源换成电流源就是电流型变频器特点 120 导电型 输出电压的波形是正弦波 电流波形是矩形波 与负载性质无关 逆变器从直流侧向交流侧传送的的功率是脉动的 转矩脉动较大 低速运行时影响转速的平稳 直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题 35 变频器基础知识 基本工作原理 调制解调器 PWM 调制解调器的英文是MODEM 其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号 电子信号分两种 一种是 模拟信号 一种是 数字信号 我们使用的电话线路传输的是模拟信号 而PC机之间传输的是数字信号 所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时 就必须使用调制解调器来 翻译 两种不同的信号 连入Internet后 当PC机向Internet发送信息时 由于电话线传输的是模拟信号 所以必须要用调制解调器来把数字信号 翻译 成模拟信号 才能传送到Internet上 这个过程叫做 调制 当PC机从Internet获取信息时 由于通过电话线从Internet传来的信息都是模拟信号 所以PC机想要看懂它们 还必须借助调制解调器这个 翻译 这个过程叫作 解调 合起来就是 调制解调 36 变频器基础知识 基本工作原理 SPWM调制 PWM PulseWidthModuration 调制PWM调制是 利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变 频率可变的电压脉冲列 SPWM调制是 三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压 能获得理想的控制效果 输出电流近似正弦载波频率必须高 才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同GTR变频器由于开关频率太低 电机噪声较大 IGBT有效的解决了这个问题 37 变频器基础知识 核心控制算法 交流调速的控制核心 在预定的频率 速度范围内 保持电机磁通恒定才能保证电机出力 才能获得理想的调速效果V F控制 简单实用 性能一般 使用最为广泛只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定例 对于380V50Hz电机 当运行频率为40HZ时 要保持V F恒定 则40HZ时电机的供电电压 380 40 50 304V低频时 定子阻抗压降会导致磁通下降 需将输出电压适当提高 矢量控制 性能优良 可以与直流调速媲美 技术成熟较晚模仿直流电机的控制方法 采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制 保持电机磁通的恒定 进而达到良好的转矩控制性能 实现高性能控制 性能优良 控制相同复杂 直到90代计算机技术迅速发展才真正大范围使用 38 变频器基础知识 核心控制算法 39 变频器基础知识 变频器关键技术指标 输入侧额定工作电压 给变频器供电的额定工作电压电压允许波动 限制变频器的最高和最低工作电压 避免损坏变频器频率波动范围 50 60Hz 5 输出侧额定输出电压 变频器的最大输出电压 由额定工作电压决定额定电流 变频器能够长期输出的最大电流过载能力 变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间 由逆变模块决定最大输出频率 变频器能够输出的最大工作频率频率精度 输出频率的准确度 相对于设定频率 频率分辩率 指给定运行频率的最小改变量防护等级一般是IP20 0 代表不防水 40 变频器的构成 实用原理框图 1 4 3 2 5 6 7 8 部分小功率变频器使用的单相220V 41 变频器的构成 实用原理框图 42 变频器的构成 实用原理框图 43 变频器的构成 主回路关键器件 IPM 智能功率模块 PIM 功率集成模块 44 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 45 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 46 变频器的构成 控制回路接口 47 变频器的构成 键盘及功能 变频器参数编程简易调试或应用 48 变频器基本应用功能 启动方式 起动频率起动先直流制动再起动转速跟踪起动 t f t f f 起动频率 1 起动频率不易过高否则容易过流或损伤设备2 如电机未停止 采用该模式可能导致过流或过压 1 制动频率 电压不易过高 则容易过流或损伤设备2 常用于风机 1 电机运行频率自学习2 常用于水泵和大惯量负载 离心机 可降低故障影响 49 变频器基本应用功能 转速跟踪 功能定义 对旋转的电机实施启动时 需要平稳不跳闸启动功能特点 变频器先检测当前电机转速和方向后以该速度为起点平滑再启动适用 风机 水泵 50 变频器基本应用功能 停车方式 减速停车减速 直流制动自由停车 t f t f f 按照预设的减速时间降低输出频率一直到零如果时间太短 会造成泵升电压 需配置制动单元和电阻 在制动频率前动作和减速停车完全相同制动起始频率 电压时间要合理选定 由小到大逐渐变化 停车时间取决与负载阻力 和减速时间没有关系 制动频率 51 变频器基本应用功能 加减速时间 频率 时间 Fmax 最大输出频率 加速时间 减速时间 52 变频器基本应用功能 点动运行 一般在调试时使用 如 确定运转方向 反向倒车等 53 变频器基本应用功能 多段速运行 通过外部端子实现8 16段不同的速度电梯 起重 洗衣机等常用 54 变频器基本应用功能 PLC功能 55 变频器基本应用功能 通讯控制 通过一根二芯 四芯电缆 遵守公共的通讯协议 可任意读取控制网上设备的状态 可以实现启停 参数设置 报警 复位 方向设置等操作 节省了大量的连线 RS485 MODBUS 56 变频器基本功能 57 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 58 变频器应用 变频器运行的两大要素 运行给定 运行命令 决定速度大小 直接速度给定 多段速 PID结果 决定电机的运行方向决定变频器是启动还是停止 变频器运行的两大要素 59 变频器应用 键盘控制 工频电源 外部延长电缆 特点 运行命令由键盘上的RUN和STOP决定运行方向一般由变频器内部参数决定运行给定由键盘修改特定功能码完成方便快捷适用场合在设备调试时广泛使用应用在简单且实时性不强的单机场合 60 变频器应用 外部端子控制 单机 工频电源 特点 运行命令由外部启停按钮决定 通过变频器外部端子FWD REV决定运行方向运行给定一般由外部模拟端子决定 PLC模拟输出电位器与外部逻辑电路或PLC共同控制变频器适用场合应用在实时性较强独立系统使用范围最广 启动 停止 开关量端子模拟量端子 61 变频器应用 外部端子控制 多机 工频电源 启动 停止 工频电源 速度给定 使用场合 各类小型生产线或系统特点 实时性好调试维护方便线路复杂 抗干扰能力差 开关量端子模拟量端子 开关量端子模拟量端子 62 变频器应用 通讯控制 工频电源 启动 停止 工频电源 速度给定 使用场合 各类中大型生产线或系统特点 所有控制均通过通讯电缆线路相对简单 自动化水平高 信息交换量大实时性好 抗扰能力强为防止网络故障 特设独立急停功能投入大 调试维护困难 通讯接口 通讯接口 单根电缆 人机界面 通讯接口 63 变频器选型 选型原则 考虑变频器运行的经济性和安全性 变频器选型保留适当的余量是必要的 要准确选型 必须要把握以下几个原则 充分了解控制对象性能要求 一般来讲如对启动转矩 调速精度 调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器 否则选用通用变频器即可了解负载特性 如是通用场合 则需确定变频器是G型还是P型了解所用电机主要铭牌参数 额定电压 额定电流 确定负载可能出现的最大电流 以此电流作为待选变频器的额定电流 如果该电流小于适配电机额定电流 则按适配电机选择对应变频器 考虑成本因素 如选用的是通用变频器 则可以选择P型机以下情况要考虑容量放大一档 1 长期高温大负荷2 异常或故障停机会出现灾难性后果的现场3 目标负载波动大4 现场电网长期偏低而负载接近额定5 绕线电机 同步电机或多极电机 6极以上 64 变频器选型 选型原则 充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础 对于变频器的选配件选配 必须要把握以下几个原则 以下情况要选用交流输入电抗器 直流电抗器民用场合 如 宾馆中央空调 电机功率大于55KW以上电网品质恶劣或容量偏小的场合如不选用可能会造成干扰 三相电流偏差大 变频器频繁炸机以下情况要选用交流输出电抗器变频器到电机线路超过100米 一般原则 以下情况一般要选用制动单元和制动电阻提升负载频繁快速加减速大惯量 自由停车需要1min以上 恒速运行电流小于加速电流的设备 65 选型原则 66 产品解决方案 公共直流母线技术 整流单元 电机 AC电源 电机 电机 电网能量回馈单元 能耗制动组件 电机 DCBUS 电机 67 产品解决方案 现场总线 PROFIBUS DP DEVICENET 减速机 适配器 TDS PA01 变频器 电机 网辊 毛布 68 产品解决方案 生产线同步 主给定 主给定 主给定 主给定 主给定 主给定 主给定 辅给定 辅给定 辅给定 辅给定 辅给定 辅给定 69 变频器在加工过程中的作用 过程控制可以采用数字量和模拟量控制可以采用串行连接和总线控制过程宏和专用菜单有助于过程控制的实现和完善从某一角度讲 变频器内置的过程控制可以简化甚至取代原来的机械系统 从而降低成本 提高可靠性 简化控制和维护 相对伺服控制的阀门 采用变频器控制泵 可以获得更宽的控制范围和线性度 过程监视变频器的数字输出 模拟输出和串行连接输出可以监视负载变化过程中电机的状况和过程量的动态 提高产品质量气流冷冻器对产品的可控冷却过程减少对敏感流体的损伤 如牛奶 避免由于阀门损坏和过热引起的问题 70 产品解决方案 恒压供水 手动 自动 压力反馈 消防 清水液位 污水液位 压力设定 供水逻辑控制 常规供水消防供水 污水排水 市政管网 污水收集 市电 休眠 71 变频器在机械控制中的作用 减少维护量变频器所具有的软起和软停功能可以显著地减少机械系统和轴承的损伤 从而可以大幅度延长系统的使用寿命 变频器可以明显减少泵对供水管网的冲击 从而可以减少对长距离供水管网的维护 降速运行可以延长轴承的使用周期 变频器有助于避免冲击性负载和反冲性负载 从而可以提高传动环节如减速箱或链条 皮带等的使用寿命 削弱振动和噪声在低于额定转速的情况下 泵和风机的噪声大幅度降低现代变频控制可以抑制变频器本身造成的电机的额外噪声通过变频控制还可以避免机械设备固有的共振同步速以上运行通过变频器 在不使用减速箱的情况下可以使得机械运行于在额定转速以上多个传动点联动运行通过变频器 可以方便地控制多个传动点 使其同步或比例运行 72 变频器对电气方面的影响 频繁的起停控制由于变频器可以进行软起 所以可以对电机和负载进行频繁的起停和正反转控制 而不需要过多考虑电机的热容量电气保护变频器将电机屏蔽于电气扰动之外 从电机侧不能看到电网的瞬间波动轻微的电网不平衡不影响电机的平衡运行变频器可提供电机过载 堵转 短路等的精确保护 从而避免电机的过载和堵转 效率变频器的效率很高 可以最大限度地降低电机的损耗 变频控制的效率远远优于其它的调速方式 73 变频器对供电系统的影响 软起动变频器近乎理想的起动电流最大程度地减少了对供电系统的扰动对其它设备的影响几可忽略不计可以减少变压器 开关 电缆及其保护装置的容量 节省投资 对于有备用发电机的场合 发电机的容量可以减少30 50 功率因数变频器的相移功率因子接近于己于1 对于很轻的负载也是如此 从而可以省却功率因数补偿的投资 短路容量通过变频器 电机不再