欧姆龙 2005变频器初级教程资料

小样的螃蟹 2005年度 变频器应用基础知识 欧姆龙自动化 中国 集团市场统辖部MC课高国军2005年4月5日 1章 电机的原理和控制方法 电机家族介绍 直流电动机工作原理 直流电机转速 转矩公式 定子外壳 轴承 风扇罩 输出轴 端盖 定子线圈 内风扇 定子铁芯 外风扇 转子短路环 端子箱 转子 中心高 机座号 a 鼠笼式感应电机的结构 全封闭外扇形的例子 b 鼠笼式转子 除去铁心的部分 4 感应电机的结构 1 1 电机的种类和特性 阿拉戈圆盘 若使磁铁旋转 则圆盘也随之旋转 若使磁铁旋转 则鼠笼式的转子也同方向随之转动 磁极 旋转轴 铝盘 5 N N S S 1 1 电机的种类和特性 右手螺旋法则 速度 电压 E 感应电压 速度 电压 E 感应电压 磁场 磁力线密度B 磁场 磁力线密度B 6 1 1 电机的种类和特性 左手螺旋法则 力 F 磁场 磁力线密度B 电流 I 力 F 磁场 磁力线密度B 电流 I 导体的长度 l 7 1 1 电机的种类和特性 三相电机 使用三相交流电代替磁铁的旋转 产生了 旋转磁场 U V W U V相 V W U V W 8 0 2 极 旋转磁场的原理 U V W线圈的始绕点U V W 线圈的终绕点 1 1 电机的种类和特性 U V W U V W 1个周期 电流 三相交流 磁场方向 三相交流 电源 和磁场方向 感应电机 U相 由电流产生的磁力线 电流的方向 磁力线的方向 右螺旋 A 右手螺旋法则 电流的方向 B 线圈的电流和磁力线的方向 磁力线的方向 电流的方向 线圈的始绕点 线圈的终绕点 从纸的表面向里面的方向从纸的里面向表面的方向 9 1 1 电机的种类和特性 将上式换算一下 得到如下结果 因而 同步旋转速度旋转磁场的速度又叫同步旋转速度 NS 此速度由定子线圈结构所决定的磁极数 极数 P和电源频率f决定 旋转速度转子的速度N min 1 比同步旋转速度Ns略慢 此相差的量叫做转差 NS 同步旋转速度 min 1 f 频率 Hz 10 min 1 min 1 Ns 是由电机的规格决定的固有值 S 根据负载大小变化的值 感应电机的速度 1 1 电机的种类和特性 S N S N N S S N S N N S S N N N N S S S 2p 4p 8p 6p a 同步旋转速度 min 1 b 极数 p 11 极数和同步旋转速度 1 1 电机的种类和特性 12 3600 1800 0 4P 60Hz的时候 min 1 感应电机的特性 1 1 电机的种类和特性 额定旋转速度 同步旋转速度 600 700 500 1800 起动电流 额定电流 空载电流 转矩 停止转矩 起动转矩额定转矩 反相制动领域 反相制动 转差 额定 电动领域 再生制动领域 感应发电机 电流 1 13 感应电机的速度变化 感应电机的控制方式 1 1 电机的种类和特性 p S 负载转矩 电机产生的转矩和负载转矩的交点为运行速度 极数大 P改变方式 极数切换电机 S改变方式 初级电压控制 S改变方式 次级电压控制 f改变方式 初级频率控制变频驱动 频率小 电压小 次级电阻大 14 极数切换电机的实例 60Hz的例 P P 负载转矩 N 1800 3600 min 1 1 1 电机的种类和特性 极数切换电机 15 晶闸管式初级电压控制回路 4P 60Hz的例 T V2 S 负载转矩 1800 min 1 电压 小 大 1 1 电机的种类和特性 S大 a 概念图 b 符号 电源 集电环 slipring 次级电阻 2 16 线圈式感应电机的次级电阻控制 4P 60Hz的例 1800 min 1 停止转矩一定 比例推移 负载转矩 小 大 次级电阻值 1 1 电机的种类和特性 2 S大 负载机 速度指令 晶闸管励磁器 电源 速度检出发电机 17 涡流电机 4P 60Hz的例 1800 min 1 负载转矩 小 大 励磁电流 感应电机特性 感应电机 移相器 速度偏差増幅器 相电源 轮毂 电磁线圈 集电环 励磁电流 1 1 电机的种类和特性 S大 防滴保护形 不带端子箱的结构 在保护记号前加 BODY 18 1 2 变频器驱动时的电机特性 19 全封闭外扇形 1 2 变频器驱动时的电机特性 20 屋外形防腐蚀形 1 2 变频器驱动时的电机特性 安全増 耐圧 内圧 21 防爆形 1 2 变频器驱动时的电机特性 变频电机 标准电机和变频电机比较 磁通量和电压 频率的关系如下所示 例题速度减半 60Hz 30Hz 的场合为使磁通量保持恒定 按照上面的式子 设置变频器的输出电压和频率 200 100 电压 0 30 60 22 频率 Hz 实际上 为了补偿电机的电压降 低频率时的电压要提高150 200 变频器驱动时的电机特性 1 2 变频器驱动时的电机特性 电机额定转矩的计算公式如下所示 例题7 5kW4P 额定旋转速度1740 min 1 的场合 额定转矩TM 974 电机额定输出P kW 额定旋转速度N r min kgf m 额定转矩TM 电机额定输出P W 额定旋转速度N min 1 N m 60 2 额定转矩TM 7 5 103 1740 N m 41 2 60 2 23 电机额定转矩 1 2 变频器驱动时的电机特性 MKS单位 M 米 K 千克 S 秒 SI单位 SystemInternational 1kgf 9 8 N 负载转矩变动的场合负载转矩增大时 电机旋转速度减慢 转差增大 负载转矩减小时 旋转速度加快 此时 负载转矩越大 电机电流也越大 电机外加电压变化时 电机的发生转矩和电压的平方成正比 电压降低的话 则电机旋转速度减慢 转差增大 电压变动和速度变化 负载变动和速度变化 24 负载变动和电压变动 负载转矩一定 负载转矩小 负载转矩大 输出转矩 1 2 变频器驱动时的电机特性 输出转矩 旋转速度 转矩 转矩 电压大 电压小 旋转速度 2章 变频器的原理和特性 26 变频器的结构 2 1 变频器的结构 整流回路 整流器部 直流中间回路 平滑回路部 逆变换回路 变频器部 交流电 商用电源 交流 控制回路部 M 电机 VVVF 交流 交流 直流 电压 电压 电压 电流 电流 电流 交流 交流 直流 27 2 3 实际的变频器回路 电压 电压 电压 电流 电流 电流 变频器 二极管 晶体管 电源 电阻 电容 电机 数字式操作器 脉冲列输出 模拟量监视 接点输入 正转 反转 多功能输入 多功能模拟量输出 故障 接点输出 多功能接点输出 多功能输出 多功能输出 频率指令 模拟量输入 脉冲列输入 输入信号 输出信号 模拟量输入 0 电流波形 R S4 S3 S1 S2 直流电源 S1S4ON S1S4ON S2S3ON 交流的形成方法 ON ON ON 开关S1 S4S2 S3 28 Ed 单相变频器的原理 Ed Ed 2 2 变频器原理 三相变频器基本回路 S1 S4 直流电源 S3 S6 S5 S2 U 电机 W V 29 Ed Ed Ed 2 2 变频器原理 SPWM斩波方式 电压形变频器的控制方式 Ed 直流电压 30 2 3 变频器的控制特性 P N C MC R D3 D2 D1 D6 D5 D4 31 V V Ed Vs 抑制浪涌电流的电阻 整流器部和浪涌电流控制回路 Vs V 2 4 整流器的控制特性 峰值过高 I t t 峰值变小 防止二极管的破损 I a 无抑制浪涌电流的电阻时 b 有抑制浪涌电流的电阻时 32 0 0 浪涌电流 2 5 浪涌电流控制回路 V f控制PWM变频器 三相电源 IM 电压电流检出 N 0 t 加减速中断信号 V 0 f PWM信号发生器 基极驱动器 电压指令 加减速调整器 V f设定器 频率指令 速度 频率 指令 晶体管基极信号 电流检出器 电机 变频器 整流器 33 2 6 V f控制和矢量控制 34 在V f控制方式下 当E f磁通量保持恒定时 会补偿电机初级线圈的电压降低量 V f控制时的电压 频率特性 2 6 V f控制和矢量控制 a 电机一相分等价回路 b 矢量图 35 V 电机端子电压r1 初级线圈电阻E 电机 内部 感应电压r2 次级线圈电阻I1 电机初级 定子 电流l1 初级线圈漏电感I2 电机次级 转子 电流M 励磁电感IM 励磁电流 初级电流的励磁电流成分 S 转差 位相角 功率因数角 感应电机的等价回路和矢量图 2 6 V f控制和矢量控制 矢量控制时的瞬时电流演算 36 电机初级电流I1 IM2 I 2 励磁电流 次极电流相位差tan 因此 tan 1 将对应于滑差 的频率作为fs 则从电机初级频率 得到反应电势E从次级电流I2得到E 2 fM IM I2 从上述两式得到fs I2IM r2s 1r2I22 MIM 和电机的旋转数N对应的频率fn为 P 极数 因此变频器的输出频率f为 初级频率f和旋转磁场的转速 2 f 成比例 由 的积分 相位角能够变动 dt 2 fdt 由上面的 和 就能得到电机初级电流的瞬时相位 3的补充 代入后 I2IM 2 6 V f控制和矢量控制 t N PWM控制 速度指令 转矩指令 加减速调整器 速度反馈信号 速度控制器 速度控制 电流指令演算器 电流振幅指令 转矩电流指令 各相电流指令 计算器 瞬时电流控制回路 转差频率指令 励磁电流指令 速度控制 转矩控制切换器 电流位相指令 三相 或二相 电流反馈信号 PG 速度检出器 脉冲发生器 电机 电流检出器 变频器 整流器 三相电源 M 37 矢量控制PWM变频器 2 6 V f控制和矢量控制 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量 根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制 从而达到控制异步电动机转矩的目的具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 励磁电流 和产生转矩的电流分量 转矩电流 分别加以控制 并同时控制两分量间的幅值和相位 即控制定子电流矢量 所以称这种控制方式称为矢量控制方式 矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式 无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等 矢量控制原理 基于转差频率控制的矢量控制 基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U f 恒定控制的基础上 通过检测异步电动机的实际速度n 并得到对应的控制频率f 然后根据希望得到的转矩 分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位 对通用变频器的输出频率f进行控制的 基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是 可以消除动态过程中转矩电流的波动 从而提高了通用变频器的动态性能 早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的 实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置 要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的 但人们发现 即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置 也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量 并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式 它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数 按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流 或者磁通 和转矩电流进行检测 并通过控制电动机定子绕组上的电压和频率使励磁电流 或者磁通 和转矩电流的指令值和检测值达到一致 并输出转矩 从而实现矢量控制 无速度传感器的矢量控制 有速度传感器矢量控制 采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配 而且可以控制异步电动机产生的转矩 由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数 有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数 有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器 并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制 否则难以达到理想的控制效果 各控制方式的特性比较 3章 变频器的运行特性 a 加速时间设定适宜的场合 b 加速时间的设定过短的场合 39 加速特性 I I t t t t 3 1 加速特性 变频器容量和电机容量相同时的过载能力 变频器容量大于电机容量时的过载能力 输出频率f 电机转速N 转差大 额定电流 额定电流 变频器输出频率 是设定的加速时间 电机旋转速度 电机电流 加速时间自动延长 峰值电流被限制在一定值以下 40 加速中失速防止 3 1 加速特性 变频器输出频率 是设定的减速时间 电机旋转速度 直流电压 直流母线电压被限定在一定值以下 41 减速时间自动延长 减速中失速防止 3 2 减速特性 变频器输出频率 负荷 42 运行中失速防止 3 3 运行中失速防止 43 失速防止功能的实际测定例 3 3 运行中失速防止 44 减速时间设定值td 转差 负 N紧急减速的场合转差 负 f f N t N缓慢减速的场合转差 正 减速特性 3 4 减速特性 45 t 直流制动时间 f t f 直流电流 N N t 直流制动开始频率 f 直流电流 直流制动时间 N f 频率减速 停止前直流制动的例子 全域直流制动 自由滑行停止 停止特性 3 4 停止特性 46 变频器效率 变频器输出输出变频器输入输出 损失 综合效率 变频器效率 电机效率 电机输出变频器输入 电机效率 电机输出电机输入 变频器输出 输入输出电流相关图 3 5 变频器的效率和功率因数 a 商用电源运行 b 变频器运行 47 INV的输入电流是包含高次谐波的歪波电流 因此说INV的输入电流是包含高次谐波的综合实效电流 按上面公式所算出来的功率因数 有时会和功率因数计实测的值不同 输入电压 电流波形 3 5 变频器的效率和功率因数 DC电抗器的连接例 1 电抗器和变频器间的接线尽力设短在5m以下 尺寸比电源连接线稍宽 2 200V级18 5 110kW的机种400V级18 5 300kW的机种内置直流电抗器 功率因数改善效果在93 95 左右 3 不设置电抗器的场合 INV一般的电源功率因数是60 90 具体会因电源阻抗不同 而有差异 功率因数改善效果电源功率因数93 95 100 负载时 48 3 3 5 变频器的效率和功率因数 PN PN PN 49 不同电源的变频器输入电流波形例 3 5 变频器的效率和功率因数 PN PN 50 不同电源的变频器输入电流波形例2 3 5 变频器的效率和功率因数 4章 变频器驱动 周边器件的选定 变频器专用电机 定转矩电机 专用电机 机床主轴电机 转矩 转矩 转矩 52 1 11 根据负载种类选定 标准电机 低减转矩电机 输出 输出 输出 旋转速度 旋转速度 旋转速度 变频器专用电机和标准电机的不同点 变频电机 定转矩1 10的例 标准电机 低速领域的电机过热预警 低速领域时 外部分扇转速低 所以冷却能力降低 因此 如果是低速时 不降低负载的话 就会有电机过热的可能性 即使在低速领域 也没问题 是设计为变频器用的 即使在低速时使用 温度也在规格值以内 作用点 上述特性是连续运行时容许的转矩 起动时等电机短时间发生的转矩 则标准电机和定转矩电机没有差别 标准电机容许负载特性 变频电机容许负载特性 60 320 0 5 55 53 4 11 容量选定的基本方法 容许负载转矩 容许负载转矩 IM 1 电源转矩 2 断路器或 3 漏电断路器 4 接触器 噪音滤波器 6 DC电抗器 7 8 噪音滤波器 11 接触器 13 热继电器 9 制动单无 10 制动电阻单元 商用后备接触器 12 5 AC电抗器 54 周边器件和连接 4 4 周边器件和外选件 5 4 周边器件选定的注意点 55 5章 变频器的功能和优点 变频器使用时的优点 1 57 t f 软启动 软启动 t f 正转 反转 变频器 反转 正转 运行指令 5 1 变频器使用时的优点 变频器的使用时的优点 58 f 60Hz 120Hz V 400Hz 电气制动 5 1 变频器使用时的优点 变频器的使用时的优点 59 变频器 5 1 变频器使用时的优点 6章 变频器驱动的注意点 61 变频器的安装 6 1 变频器的安装环境和安装方法 a 左右的空间 b 上下的空间 62 变频器的安装方向和空间 周围温度 10 40 周围湿度90 RH以下振动20Hz未满9 8m s2以下20 50Hz2m s2以下 6 1 变频器的安装环境和安装方法 空气 空气 63 周围温度 10 45 周围湿度90 RH以下振动20Hz未满9 8m s2以下20 50Hz2m s2以下 全封闭形控制柜的安装方式 6 1 变频器的安装环境和安装方法 全封闭形控制柜 上部外壳 柜内上部空气温度 冷却扇 柜内安装型变频器 下部外壳 变频器入气温度 冷却扇 下部外壳 周围温度 设置数台变频器时的接线 a 最好的接地示例 E E E b 较好的接地示例 c 错误的接地示例 E E E E E E 不要构成回路 64 6 2 接线 一般标准电机的容许负载特性 65 运行 运行 停止 T ED 100 T 6 2 接线 或15分 或20分 或40分 连续 频率 Hz 转矩 7章 高次谐波和噪音 67 基本波和高次谐波 7 1 高次谐波和噪音 噪音和高次谐波的不同点 68 7 1 高次谐波和噪音 商用电源 平滑电容 整流器部 电机 整流桥 69 变频器内部回路 7 1 高次谐波和噪音 变频器部 IGBT 高次谐波 噪音 电抗器的连接方法 高频波电流的抑制 70 7 1 高次谐波和噪音 噪音滤波器的种类 变频器 a 容量性滤波器 b 感应性滤波器 零相电抗器 电源 电源 c LC滤波器 71 7 2 噪音 变频器 电源 变频器 电机 72 在线间电抗器的急变点 电机端子部 产生浪涌波的反射 浪涌电压的产生和反射 7 3 浪涌电压 一个脉冲的上升部分 产生波 反射波 变频器 端子部外加的浪涌电压 PWM变频器 滤波器 电机端子电压 无滤波器的场合 没有设置滤波器的场合 输出电压上升时会产生浪涌电压 使电机的绝缘劣化 电机 73 使用滤波器抑制浪涌电压对电机影响 7 3 浪涌电压 轴电压的实际测定例 b 轴电压测定实例 轴 轴间 c 轴电压波形 Hz 商用电源驱动 75 7 4 轴电压 a 轴电压测定回路例 轴 轴间 转子 定子 直结侧 测定器 无感应电阻 1k 变频器 V f特性 定转矩 电机 变频器 商用电源 变频器驱动 轴电压 8章 保养 点检 77 故障曲线 初期故障期间 磨损故障期间 故障发生率 8 1 保养 点检时的注意事项 使用年数 偶发故障期间 根据JEMA资料 78 8 2 点检项目 注 使用条件 周围温度 年间平均30 负载率 80 以下 运行率 12小时 日以下 79 8 3 部品的交换 注 市场上销售的钳形表 因厂家不同而存在特性方面的不同 尤其是低频率时 测定值有极端偏小的倾向 这一点还请注意 80 测定时