变频器的基本概念(Schneider Electric)

变频器的基本概念 胡波139107825184008101315010 84346203 什么是变频器 各国使用的交流供电电源 无论是用于家庭还是用于工厂 其电压和频率均为400V 50Hz或200V 60Hz 50Hz 等等 把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作 变频器 为了产生可变的电压和频率 该设备首先要把电源的交流电变换为直流电 DC 把直流电 DC 变换为交流电 AC 的装置 其科学术语为 inverter 逆变器 由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫 inverter 故该产品本身就被命名为 inverter 用于电机控制的变频器 既可以改变电压 又可以改变频率 变频器和软启动器的根本区别 变频器 变频变压 主要作用调速节能软起动软启动器 仅改变电压 主要作用降低起动电流减缓机械冲击减少线路压降 变频器的英文含义 VVVF VariableVoltageandVariableFrequency的缩写 Drive通用FrequencyConverter欧州常用ACDrive欧美常用inverter日本常用 变频器有关基本词汇 变流器converters整流rectifying rectification整流器rectifier逆变inverting inversion逆变器inverter转矩脉动torquepulsation脉宽调制 PWM pulsewidthmodulation谐波harmonic矢量控制 VC vectorcontrol直接转矩控制 DTC directtorquecontrol四象限运行Fourquadrantoperation 再生 制动 Regeneration直流制动d cbraking漏电流leakcurrent滤波器filter电抗器reactor电位器potentiometer编码器encoder PG pulsegenerator 定子stator转子rotor 变频器的结构 通常变频器的结构为交 直 交 也就是将单相或三相交流电压整流成为直流电压 AC DC 然后再将直流 逆变 成为所需频率的三相交流电压 DC AC 变频器最主要的部分是逆变部分 而且有生产厂家单独生产逆变部分 所以有时又将变频器称为逆变器 由于电机和变频器原理的原因 在额定电压以下 在改变输出频率的同时 也要改变输出电压的有效值 这种形式称为可变电压 可变频率 故又将变频器称为VVVF 变频器的主回路 进线端子EMC滤波器整流桥储能电容预充电回路 制动晶体管制动电阻及其保护逆变桥电流互感器出线端子 变频器的主回路 进线 变频器的进线电源可以是三相380 500V 或三相200 240V 也可以是单相200 240V 也可以是690V 电源电压在690V以下称为低压变频器 1000V以上称为中压或高压变频器 进线电源的相序不影响电机的转向 变频器的主回路 EMC滤波器 施耐德变频器普遍标配进线EMC滤波器 用来抑制变频器对周围设备的射频干扰 在变频器通电时 EMC滤波器通过接地电容产生对地电流 尤其是上电瞬间会产生较大的漏电流 变频器一般应用于工业场合 用接地的方式进行安全保护 应用于民用配电场合时 有时无安全接地 而采用漏电开关 RCD 有时会因此发生RCD误脱扣 这是正常的 解决的办法是将图中的接地断开 变频器的主回路 整流桥 大多数变频器采取三相全波整流 整流器件为功率二极管 三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的1 35倍 例如电网电压为400V 则这时直流母线电压为540V左右 但随着负载的波动 直流母线电压也会波动 单整流桥获得的电压波形每个周波有六个波头 称为六波头整流或六脉冲整流 这时的进线电流存在6m 1 6m 1次谐波 如5 7 11 13 变频器的主回路 12脉冲整流 为了抑制电流谐波 可以采用两套整流桥 分别连接到一个三绕组变压器的输出的两个绕组 该变压器的两个绕组的输出电压有效值相等 相位互差30度 两套整流桥串联 电压相加 这时的电压波形每个周期有12个波头 电流的谐波含量不包含5次 7次 17次 19次 变频器和配电回路的成本大大增加 用于大功率应用和特殊场合 变频器的主回路 预充电电阻和预充电接触器 上电瞬间 整流桥输出端将产生峰值1 414U的电压 对储能电容快速充电 为了保护储能电容 需要在直流母线中串联一个电阻 在变频器上电时 整流桥通过该电阻向整流桥充电 充电结束后 如直流母线电压上升到额定电压的70 以上后 需要用接触器将该电阻旁路掉 在整个运行过程中 该电阻不起作用 该电阻称为预充电电阻 该接触器称为预充电接触器或预充电继电器 如果电网电压不稳定导致瞬间大幅度跌落 会引起预充电回路频繁动作 导致其损坏 变频器的主回路 半可控整流桥 将上述整流桥中的三个桥臂改成可控硅 如晶闸管或IGBT 则整流桥的输出电压就是可调的 在变频器上电期间 控制晶闸管的导通角 半可控整流桥的输出电压逐渐升高 最后达到全波整流获得的峰值 这样一来在中就不需要预充电电阻和预充电接触器 变频器的主回路 全控整流桥 如果上述整流桥的6个桥臂都是可控硅 加上控制回路 甚至可以做成可以四象限运行 既可以从电网吸收能量供给负载 也可以将负载制动的能量反馈回电网 实现再生制动 当然这样变频器的成本会大大升高 所以这种方式仅仅适用于大功率传动 实现能量再生制动的另一种方法是将一个系统中的所有变频器的直流母线并联 或者采用统一的整流电源和统一的能量再生制动单元 称为网络制动单元 变频器的主回路 储能电容 变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压 用储能电容保证 该电容的形式为电解电容 对于中大功率变频器 需要将多个电容并联 当变频器处于过载的过程中 瞬间会把直流母线电压拉低 处于发电 制动 过程中 瞬间会升高直流母线电压 若太高变频器则停止输出 有些应用中 为了提高变频器的动态能力 或者在断电瞬间保持变频器斜坡停车 需要外加蓄电池或电容 需要考虑回路其它部件的承受能力 直流电抗器 直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈 因其通过的电流为直流电流 故亦成为直流扼流圈 直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波 从而减少对电网的污染 通常采用适当大小的直流电抗器 即可使变频器的谐波污染减少到符合标准 这是一种低成本的方案 如果要将谐波抑制到更低 需要大配合无源滤波器 直流电抗器对进线浪涌电压没有抑制作用 交流电抗器 交流电抗器安装在变频器的进线侧 也称为进线电抗器 交流电抗器与直流电抗器作用大致相同 但交流电抗器对进线浪涌电压有抑制作用 在对电流谐波产生相同的抑制作用时 交流电抗器产生的线路压降比直流电抗器略大 从而会产生略大的输出转矩损失 在下列情况下推荐使用交流电抗器 多台变频器并联使用线路电源有来自其他负荷的明显扰动变频器由阻抗非常低的线路供电 制动单元和制动电阻 制动单元是一个或一组晶体管 与制动电阻串联之后 接在直流母线上 当直流母线电压超过某规定电压时 制动晶体管导通 直流母线电容和电机向制动电阻释放能量 使直流母线电压降低 降低到另一规定电压后 制动晶体管截止 所以制动电阻的作用是能耗制动 图中Tfr为制动晶体管 PA PB连接制动电阻 PA PB之间的二极管为保护用续流二极管 当变频器驱动负载需要克服惯性快速减速或停车时 或位能性负载持续下降时 需要进行能耗制动 变频器的主回路 逆变桥 逆变桥是变频器的核心部分 其作用是将直流电压通过6个桥臂可控硅的反复轮流通断形成所需要的幅值和频率变化的三相交流输出电压 逆变桥的桥臂的可控硅的类型主要是IGBT 绝缘珊双极型晶体管 通过逆变桥 直流电压被斩波成为高频率的脉冲电压 由于它是由逆变管反复开关形成 所以其频率称为开关频率 负载分类 变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性人们在实践中常将生产机械分为三种类型 恒转矩负载恒功率负载风机 水泵负载 负载转矩与转速无关 任何转速下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 例如 吊车 提升机等位能负载 变频器拖动恒转矩性质的负载时 低速下的转矩要足够大 并且要有足够的过载能力 如果需要在低速下稳速运行 应该考虑标准异步电动机的散热能力 避免电动机的温升过高 对长期需要在低速下满负荷运行的情况 需要安装独立强冷风扇对电机进行冷却 对未能性应用应配置制动单元和制动电阻 以及设置安全制动逻辑 恒转矩负载 有些应用在高速下要求的转矩 大体与转速成反比 就是所谓的恒功率负载 机床主轴和轧机 造纸机 塑料薄膜生产线中的卷取机 开卷等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 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 最大允许输出转矩不变 属于恒转矩调速 而在弱磁调速时 最大允许输出转矩与速度成反比 属于恒功率调速 恒功率负载 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n的2次方成正比 随着转速的减小 转矩按转速的2次方减小 这种负载所需的功率与速度的3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 一般的风机泵类专用和声称为HVAC专用型变频器的低速性能都很差 所以不适于恒转矩应用 即使功率放大也不够用 风机 泵类负载 电机的转速 变频器所拖动的电机为感应式交流电动机 也称交流异步电动机 在工业中所使用的大部分电机为交流异步电动机 异步电动机的旋转速度取决于其定子旋转磁场的转速 即同步转速 所谓异步 是指其其实际转速与同步转速总是比较接近 但总有一定差别 其差别称为转差 电动机状态运行时 实际转速略低于同步转速 发电机或制动状态时 实际转速略高于同步转速 同步转速n1 60f p 实际转速n 1 s n1 1 s 60f pn 同步速度f 电源频率p 电机极对数s 转差率 接近于零 变频调速 最好的方法就是变频调速 也就是改变电源频率 使得同步速成比例变化 负载转速就可以与电源频率成正比地变化 这种装置称为变频器变频调速的优点 效率高 功率因数高 数字只能化 易于控制和调节 固态硬件 可靠性高 可用于快速频繁起停 正反转等 动态和静态精度高 容易集成到系统中 起动和运行电流小 适用于廉价可靠的鼠笼式异步电动机 变频调速目前已经成为异步电机调速的主流 而且逐渐可以控制同步电机等的调速 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率而不改变电压 频率降低时会使电机出于过电压 过励磁 导致电机可能被烧坏 因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压 输出频率在额定频率以上时 电压却不可以继续增加 最高只能是等于电机的额定电压 例如 为了使电机的旋转速度减半 把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz 这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V 磁通矢量控制 转矩提升功能是提高变频器的输出电压 然而即使提高很多输出电压 电机转矩并不能和其电流相对应的提高 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量 如励磁分量 矢量控制 把电机的电流值进行分配 从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量 如励磁分量 的数值 矢量控制 可以通过对电机端的电压降的响应 进行优化补偿 在不增加电流的情况下 允许电机产出大的转矩 此功能对改善电机低速时温升也有效 使用 矢量控制 可以使电机在低速 如 无速度传感器时 1Hz 对4极电机 其转速大约为30r min 时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩 最大约为额定转矩的150 变频器功能综述 应用宏配置 通用型变频器可以适用于绝大多数应用这些应用可以被分为若干类别 每个类别分别有共同的应用特点和要求 对变频器的设定和配置比较类似常用的如恒转矩 变转矩 恒功率 V F控制等为简化菜单设置和接线 将上述分类称为应用宏 变频器设置中称为短菜单ATV58 物料输送宏 可变力矩宏 一般应用宏 客户自定义宏ATV28 n 恒转矩 p 变转矩 L 特殊应用V F nrd 恒转矩节能 ATV68 输送带 柱塞泵 离心泵 绕线机 试验台 泵 PID 排风扇 风机 分离机ME UE 开环V F 开环磁通矢量控制 闭环矢量速度控制 闭环矢量转矩控制 两线控制 功能通过自保持触点控制运行方向一个或两个逻辑输入口决定相相或正反向运转三种可能的运行模式检测逻辑输入的状态检测逻辑输入状态的改变加减速信号同时出现时正转优先或同时无效反转可禁止 三线控制 通过脉冲触点或非自保持型按钮操作控制运行方向及停车位置两个或三个逻辑输入口 决定单向或正反向运转不能实现恢复供电再起动或故障复位自动重起动 点动 功能与实现脉冲操作加减速斜坡较陡需要设定点动端子需要配合方向信号应用需要插入手动作业的机械或生产线维修作业需要点动的机械 预设定速度 功能 切换预设定速度给定应用 要求多段预置速工作的机械 如机床 喷泉控制 电梯门机控制赋值可预置2 4 或8段速2段速由1个逻辑端子切换4段速由2个逻辑端子切换8段速由3个逻辑端子切换 给定切换 通过逻辑命令切换两个模拟给定值避免弱信号切换两个模拟输入给定彼此独立0 10V电压信号 电位器 作为手动给定 0 4 20mA 来自系统或反馈 作为自动给定 运行速度范围 高速限制工厂设定为基本频率bFr 50 60Hz 调整范围至1 2bFr高速限制的调整受到电机和负载机械特性的限制 请注意电机和负载的铭牌标注低速限制的调整受到电机和负载特性的限制 如轴承的润滑不允许太低的转速 风机 泵在低速段无法建立有效的风压 水压 在多风机泵管网系统形成倒流 因此应设定到规定限制 加速和减速曲线形式 线性 适用于大多数负载 S形 起动高惯性负载时 可消除振动 速度跟踪平稳 增强舒适度 适用于物料输送 包装 电梯等 U形 适用于离心泵无逆止阀系统 能够改善控制阀的操作特性 斜坡切换 应用物料输送 要求平滑起动 精确停车快速稳定 速度校正的机械高速车床在高于某些速度时 加减速限幅实现方法定义一个频率门限值分配一个逻辑输入口两段加减速斜坡可分别调整 减速斜坡自适应 功能相对于负载惯性来说 若减速时间设定过短 可防止减速过猛造成的变频器封锁 应用无精确快速停车要求无制动电阻设定工厂设定有效若要求按照减速斜坡精确停车 并安装制动电阻 应取消此功能 力矩限幅 应用经常出现堵转的机械设备 如运输机 切碎机 挤压机剪板机 刨刀 进给机构绕线机 造纸机 印刷机 染布机等电机的额定功率小于变频器的额定功率功能降低电机的最大输出力矩不同于力矩给定不必要闭环控制最大等于变频器过载能力实现操作终端给定和模拟给定逻辑端子切换 电动电位器加减速 通过两个逻辑输入分别增加或减少速度给定 以改变运行的速度最大速度由模拟输入决定当前速度可读取 可选择被被存储或不储存 若储存 在运转信号取消或主电源丢失时保持 存储的给定值作为下一次运行的初始给定此功能与三线控制 多段速及给定手动 自动切换等功能 制动顺序 为了避免负载振动和跳动 在与电机同步起动停止的基础上控制安全制动由变频器控制制动顺序通过频率门限制和延时来控制可调抱闸通过设置相应的继电器输出应用带安全制动闸的物料输送需要停车制动的机械需要调整下列参数制动释放频率制动释放电流制动释放延时制动开始频率制动开始延时 下位接触器控制 下位接触器即接在变频器与电机之间的接触器由逻辑输出或继电器输出控制当出现运转信号时 下位接触器接通当无运转信号且无电机电流时打开接触器自由停车变频器封锁制动终了应用在电机与电源之间提供可靠隔离可避免变频器进线电源频繁切换当停车时 防止电机因意外自启动现象下位接触器还可作为被用工频起动用 与主电源相连 PI调节器 通过传感器的反馈信号对过程量送给变频器主要应用于水泵 风机 空压机等反馈信号接到模拟输入给定信号可以由模拟输入 内部给定或多段预置给定提供带PI功能的 手动 自动 操作由模拟给定速度信号或由PI调节给定速度信号 增量速度反馈 光栅传感器 功能 提高调速精度 与负载无关单向运转 采用感应式 光电式传感器 调节简单 低速时精度低高精度调速采用增量编码器适用于单向或正反向运行增量型速度给定 将光电输入口作为求和输入 可控制多台变频器同步运转 停车方式 按减速斜坡制动自由停车 变频器锁定脉冲 电机和负载自由滑行停车可直接在菜单中设定可设某逻辑输入为使能端 即自由停车端 低电平封锁输出快速停车 按缩短了的减速斜坡停车低电平有效 停车后变频器封锁 高电平允许起动斜坡系数可调整直流注入 动力制动 可在每次斜坡停车最后自动直流注入可设定某逻辑端子强迫直流注入 高电平直流注入 低电平允许起动直流注入的电流大小和时间可以调整主要用于停车定位 或消除残余转速及电机可靠停车电机停转后不宜长时间注入大的直流电流 防止绕组散热困难 自动跟踪旋转负载 以下情况电机再起动无速度冲击主电源断电故障复位或自动重起动自由停车或通过逻辑口直流注入停车变频器出口断开重新起动时 变频器按斜坡搜索达到原先的给定速度应用于断电时电机速度因惯性大而减速缓慢的应用场合 如通风机 水泵等 自动重起动 变频器故障消失 则解除封锁后即可自动再起动应用于重新起动对人员设备无危险的场合 如风机水泵等允许重新起动的故障制动过猛主电源过电压电机热过载保护动作变频器过热保护动作4 20mA给定丢失直流母线过电压外部故障电机缺相串行通讯口故障主电源电压太低 变频器使用注意事项 施耐德 苏州 变频器有限公司市场部2006 03 变频器的散热问题 变频器的故障率随温度升高而成指数的上升 使用寿命随温度升高而成指数的下降 环境温度升高10度 变频器平均使用寿命减半 在变频器工作时 流过变频器的电流是很大的 变频器产生的热量也是非常大的 不能忽视其发热所产生的影响 通常 变频器安装在控制柜中 我们要了解一台变频器的发热量大概是多少 可以用以下公式估算 发热量的近似值 变频器容量 KW 55 W 在这里 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 过流能力150 60s 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器 并且也在柜子里面 这时发热量会更大一些 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好 这时可以用估算 变频器容量 KW 60 W 如果有制动电阻的话 因为制动电阻的散热量很大 因此最好安装位置最好和变频器隔离开 如装在柜子上面或旁边等 怎样降低控制柜内的发热量 当变频器安装在控制机柜中时 要考虑变频器发热值的问题 根据机柜内产生热量值的增加 要适当地增加机柜的尺寸 因此 要使控制机柜的尺寸尽量减小 就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少 如果在变频器安装时 把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面 将会使变频器有70 的发热量释放到控制机柜的外面 由于大容量变频器有很大的发热量 所以对大容量变频器更加有效 如PDL和ATV71 还可以用隔离板把本体和散热器隔开 使散热器的散热不影响到变频器本体 这样效果也很好 关于冷却风扇 一般功率稍微大一点的变频器 都带有冷却风扇 建议在控制柜上出风口安装冷却风扇 进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的 不能谁替代谁 有些盘厂习惯了配电盘不用安装冷却风扇 要更新观念 海拔高度对变频器选型的影响 在海拔高于1000m的地方 因为空气密度降低 因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果 理论上变频器也应考虑降容 每1000m降低5 由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大 所以也要看具体应用 比方说在1500m的地方 但是周期性负载或短时运行的负载 如电梯 就不必要降容 制动 当电机的转速高于同步速 这时电能从电机侧流到变频器侧 或供电电源侧 这时电机处于发电机运行状态 负载的能量分为动能和势能 动能 由速度和重量确定其大小 随着物体的运动而累积 当动能减为零时 该事物就处在停止状态 机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和势能消耗掉 能耗制动 制动时 有一部分能量通过电机的定子和转子以发热的形式消耗掉 另一部分能量将返回到变频器直流母线侧 向电容充电 使直流侧的电压升高 这些能量可以通过变频器本身的发热消耗 如果不够的化 还需要经过制动单元由制动电阻放电发热消耗 制动单元的作用是用来控制制动电阻的导通 制动电阻并不是永远有效 只有当直流母线电压上升到某一定值 与其串联的制动单元导通 电容才通过制动电阻放电 ATV71 61中小功率和ATV31的制动单元内置于变频器内 ATV71 61大功率P需要另外选购 制动电阻 制动电阻的瞬时放电功率 即制动功率 Vdc 2 Rb 制动电阻的阻值越小 放电电流越大 瞬时制动功率越大 该阻值不能小于规定值 制动电阻的额定功率指其平均耐受功率 其瞬间功率要大于额定功率 严格意义上讲 制动电阻的阻值和额定功率 须通过计算获得 实际上经常通过估算得到 我们变频器样本上的制动电阻通常功率很小 做一般辅助用 若用在起重场合需要重新计算 回馈制动 制动产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉 而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做 功率返回再生方法 即回馈制动 在实际中 这种应用需要 能量回馈单元 选件 直流制动 减速时 变频器对电机定子注入直流电 通过电机的发热来消耗能量 改善制动效果 直流制动也可