《变频器技术讲座》PPT课件

2009 03 22 变频器技术讲座 河南省开封制药 集团 有限公司 主讲 邓志强 祝大家事业有成 祝大家事业有成 一 变频器使用注意事项 变频器使用注意事项 1 严禁将变频器的输出端子U V W连接到AC电源上 2 变频器要正确接地 接地电阻小于10 3 变频器存放两年以上 通电时应先用调压器逐渐升高电压 存放半年或一年应通电运行一天 4 变频器断开电源后 待几分钟后方可维护操作 直流母线电压 P P 应在25V以下 5 避免变频器安装在产生水滴飞溅的场合 6 不准将P P PB任何两端短路 7 主回路端子与导线必须牢固连接 8 变频器驱动三相交流电机长期低速运转时 建议选用变频电机 9 变频器驱动电机长期超过50HZ运行时 应保证电机轴承等机械装置在使用的速度范围内 注意电机和设备的震动 噪音 10 变频器驱动减速箱 齿轮等需要润滑机械装置 在长期低速运行时应注意润滑效果 11 变频器在一确定频率工作时 如遇到负载装置的机械共振点 应设置跳跃频率避开共振点 12 变频器与电机之间连线过长 应加输出电抗器 13 严禁在变频器的输入侧使用接触器等开关器件进行频繁启停操作 14 电机首次使用或长期放置后使用 必须对电机进行绝缘检测 使用500V电压型兆欧表检测 电机绝缘电阻大于5M 15 对电机绝缘检测时必须将变频器与电机连线断开 16 在变频器的输出侧 严禁连接功率因数补偿器 电容 防雷压敏电阻 17 变频器的输出侧严禁安装接触器 开关器件 18 变频器在海拔1000米以上地区使用时 须降额使用 19 变频器输入侧与电源之间应安装空气开关和熔断器 20 变频器输出侧不必安装热继电器 21 变频器使用寿命影响变频器寿命的元件大致有三种 自身冷却风扇上电时限流电阻短路接触器中间环节大容量电解电容注意 前两个元件是机械磨损元件 一般寿命为五年 第三个元件规定为五年 一般情况下五年后测量一下电容值 如果小于额定值的80 就应更换 实际上 如果变频器一直连续运行 电解电容可用十年 控制线应与主回路动力线分开 控制线采用屏蔽电缆 22 变频器与负载的配置变频器长期工作电流I变长 I电 115 I电 电动机额定电流 变频器短期工作电流 可持续1 2分钟 I变短 I变 150 I变 变频器额定电流 变频器瞬时工作电流 可持续数秒钟 I变瞬 I变 180 二 电动机的基础知识 1 异步电动机构造和原理 图2 1异步电动机构造 a 外形b 定子c 转子 2 旋转原理 图2 2三相交流异步电动机旋转原理 a 三相交流电流b 三相绕组c 旋转原理 3 电动机定子和转子的能量传递 图2 3能量传递 a 从电能转变成机械能b 定子与转子能量传递 4 定子和转子电流间的关系 图2 4 电流特性 输入电机电流 励磁电流 转矩电流输出电流取决于负载的大小 5 电动势平衡示意图 图2 5定子侧电动势平衡图 6 负载改变时的速度变化 图2 6负载变化 速度变化 a 负载较轻b 机械特性c 负载较重 7 异步电动机的特性 启动力矩 电动机停止 通电后 电动机产生的力矩Ts 1 25TN 最大转矩 电动机在最大转差Sm时 产生的最大转矩Tm 空载电流 空载电流主要是励磁电流 转速几乎达到同步 电动状态 电机产生转矩 带动负载转动 再生制动状态 由于负载原因 电机实际转速超过同步转速 即设备带动电机转动 三 变频器调速原理 380V50HZ f 0 500HZ 图3 1变频调速 变频调速f变极对数调速P变转差率调速S 1 变频调速原理 2 交 直 交变频器基本结构 图3 2交 直 交变频器主回路图 整流器 滤波器 逆变器 3 三相逆变桥示意图 图3 3三相逆变桥 4 开关元器件应满足的条件 图3 4开关元器件的条件 1 能承受足够大的电压和电流2 允许长时间频繁接通和关断3 接通和关断的控制十分方便 开关元器件应满足的条件 IGBT的特点 耐压1200V开关频率高达30 40KHZ驱动电路电流小 功耗很少 6 GTR大功率晶体管 图3 5GTR逆变桥 7 IGBT绝缘栅晶体管 图3 6IGBT逆变桥 38050HZ 8 变频器主电路图 图3 7变频器主电路结构图 艾默生变频器基本配线图 小功率变频器 5 5 7 5 KW 中功率 控制端子接线图 9 整流和滤波电路 图3 8整流和滤波电路 10 充电过程的限流电路 图3 9合上电源时的充电过程 11 逆变电路的基本结构 图3 10逆变电路的结构 a 逆变电路b 输出电压波形c 输出电压等效波形 1 测试整流电路找到变频器内部直流电源的P positive 端和N negative 端 将万用表调到电阻X10档 红表棒接到P 黑表棒分别依到R S T 应该有大约几十欧的阻值 且基本平衡 相反将黑表棒接到P端 红表棒依次接到R S T 有一个接近于无穷大的阻值 将红表棒接到N端 重复以上步骤 都应得到相同结果 如果有以下结果 可以判定电路已出现异常 A 阻值三相不平衡 可以说明整流桥故障 B 红表棒接P端时 电阻无穷大 可以断定整流桥故障或起动电阻出现故障 2 测试逆变电路将红表棒接到P端 黑表棒分别接U V W上 应该有几十欧的阻值 且各相阻值基本相同 反相应该为无穷大 将黑表棒接到N端 重复以上步骤应得到相同结果 否则可确定逆变模块故障 二 动态测试在静态测试结果正常以后 才可进行动态测试 即上电试机 在上电前后必须注意以下几点 1 上电之前 须确认输入电压是否有误 将380V电源接入220V级变频器之中会出现炸机 炸电容 压敏电阻 模块等 2 检查变频器各接播口是否已正确连接 连接是否有松动 连接异常有时可能导致变频器出现故障 严重时会出现炸机等情况 3 上电后检测故障显示内容 并初步断定故障及原因 4 如未显示故障 首先检查参数是否有异常 并将参数复归后 进行空载 不接电机 情况下启动变频器 并测试U V W三相输出电压值 如出现缺相 三相不平衡等情况 则模块或驱动板等有故障5 在输出电压正常 无缺相 三相平衡 的情况下 带载测试 测试时 最好是满负载测试 三 故障判断1 整流模块损坏一般是由于电网电压或内部短路引起 在排除内部短路情况下 更换整流桥 在现场处理故障时 应重点检查用户电网情况 如电网电压 有无电焊机等对电网有污染的设备等 2 逆变模块损坏一般是由于电机或电缆损坏及驱动电路故障引起 在修复驱动电路之后 测驱动波形良好状态下 更换模块 在现场服务中更换驱动板之后 还必须注意检查马达及连接电缆 在确定无任何故障下 运行变频器 3 上电无显示一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起 如启动电阻损坏 也有可能是面板损坏 4 上电后显示过电压或欠电压一般由于输入缺相 电路老化及电路板受潮引起 找出其电压检测电路及检测点 更换损坏的器件 5 上电后显示过电流或接地短路一般是由于电流检测电路损坏 如霍尔元件 运放等 6 启动显示过电流一般是由于驱动电路或逆变模块损坏引起 7 空载输出电压正常 带载后显示过载或过电流该种情况一般是由于参数设置不当或驱动电路老化 模块损伤引起 12 电动机状态 图3 11电动机状态 a 空载示意图b 矢量图c 电路图d 电压 电流曲线 13 励磁状态 图3 12励磁状态 a 带载示意图b 矢量图c 电路图d 电压 电流曲线 a 重载示意图b 矢量图c 电路图d 电压 电流曲线 14 发电机状态 图3 13发电机状态 反并联二极管的作用 电机绕组磁场作功 发电状态 电流通过反并联二极管流向直流电路 15 磁通传递能量 图3 14异步电动机的能量传递 磁通量须恒定 TM KTI2 MCOS 2 磁路饱和 励磁电流畸变 产生尖峰电流 磁通量 磁路饱和电流增大 磁通量 电机转矩TM下降 16 变频不变压磁通饱和 图3 15频率下降出现磁通饱和 17 磁路饱和的结果 图3 16励磁电流饱和与磁通的关系 a 简单磁路b 磁通不饱和c 磁通深度饱和 18 保持磁通不变 图3 17保持磁通不变的途径 变频须变压 定子绕组电动势 E1 4 44K1N1f1 U1 E1故U1 KMf1 K U1 f1 常数故U1 f1 常数故要保持 恒定 只要变频又变压 19 定子等效电路 图3 18定子等效电路 a 定子绕组b 等效电路c 电动机的磁通 20 PAM 脉幅调制 整流变压逆变变频 图3 19脉幅调制 整流变压 逆变变频 21 PWM 图3 20脉宽调制 整流 逆变变频变压 脉宽调制 22 正弦脉宽调制 SPWM 图3 21正弦脉宽调制 SPWM 23 实现SPWM 单极性 图3 22单极性调制 变频器是一种电源变换的设备 给电动机提供的电源必须满足电动机的使用要求 即输出正弦波形的电压和电流 逆变SPWM等幅不等宽的矩形脉冲波形面积 与正弦波形面积等效 逆变器的特性 24 双极性SPWM 图3 23双极性调制 25 双极性调制的死区及影响 图3 24双极性调制的死区及影响 载波频率提高 电磁噪音减少 电机获得较理想的正弦电流曲线 开关频率高 电磁幅射增大 输出电压下降 开关元件耗损大 载波频率的特性 26 低速转矩下降 1 电动机在fx fN时的机械特性 图3 25U f 恒定值条件下的机械特性 27 转矩下降的原因分析U1下降 I1r1在U1中的比例增大 28 低频电压补偿 图3 26电压补偿原理 U的大小随负载电流而变化U F的比值只能设定一次 所以负载变动时不能始终工作在最佳状态 即轻载时磁路易饱和 电压补偿的特性 29 矢量控制简述1 直流调速 图3 27直流电动机的调速特点 2 矢量控制的原理 图3 28矢量控制原理示意图 等效变换 30 在额定转速上的比较 图3 29额定转速上的比较 a 异步电动机特性b 直流电动机特性 四 电动机调速特点 1 变频器的输出电流 图4 1电动机的电流 2 电流和功率的关系 图4 2转速下降 输出功率下降 节能 变频器各部分电流关系 变频器输出电流IM取决于负载转矩 当负载转矩恒定 IM大小与速度无关 直流回路的电流随频率下降而减少 变频器输入电流随频率下降而减少 3 电机降速耗能低 图4 3电动机调速的特点 4 去掉减速器的错误 去掉减速器 图4 4用变频器取代减速器 能量守恒 降速降功率 5 增强带负载的能力 问题提出 重物圆周运动到A点电机过载B点电机堵转 变频器过流 图4 5重物圆周运动 措施 加大传动比 增加变频器输出功率 6 一台变频器带多台电动机 图4 6一台变频器带多台电动机 变频器的额定电流 多台电动机同时启动和运行IN 1 05 1 1 IMN多台电动机分别启动IN 1 05 1 1 IMN K1 IST K2 一台变频器带多台电动机 IST 电机起动电流 K1 1 2 1 5 2自由状态 K2 1 5变频器过载能力 五 三种典型负载特性 1 恒转矩负载 图5 1恒转矩负载及其特性 a 带式输送机b 机械特性c 功率特性 2 恒功率负载 图5 2恒功率负载及其特性 a 卷径最小时b 卷径较大c 卷径最大 3 二次平方负载 图5 3二次平方负载及其特性 a 风机示图b 机械特性c 功率特性 TL KL n2 PL KP n3 六 变频调速系统接电抗器的作用 1 变频器输出端接入电抗器的场合 图6 1需要接入电抗器的场合 a 电机与变频器距离远b 小变频器带轻载大电机 输出电抗器作用 抑制变频器电磁幅射干扰抑制电动机电压谐振 2 输入交流电抗器 作用 1 提高功率因数2 抑制高次谐波3 削弱电流浪涌 3 接入交流电抗器的场合 图6 3接入交流电抗器的场合 a 多台变频器接同一电源b 同一电源上接有大容量晶闸管设备 c 变压器容量超过变频器容量十倍以上d 电源电压不平衡度 3 4 直流电抗器 做用 1 提高功率因数2 拟制电流尖峰 七 变频器的抗干扰 1 变频器的干扰源 图7 1变频器的电压 电流波形 2 电路耦合干扰 电路传播 1 电源线2 地线 措施 1 隔离变压器2 光耦隔离3 正确接地 3 感应耦合干扰 电磁感应 静电感应 1 电磁感应是电流干扰传播方式2 静电感应是电压干扰传播方式 4 抗干扰措施 远离 相绞 屏蔽 不平行 图7 4绞线抗干扰 5 空中幅射干扰 图7 5空中幅射与接地 电磁幅射 6 抗干扰措施1 准确接地2 接入滤波器 图7 6接入滤波器抑制电磁幅射 八 制动电阻和制动单元 1 制动电路的工作特点 图8 1制动电路的场合 a 减速过程b 重物下降过程 2 能耗电路的工作特点 图8 2能耗电路的工作特点 3 制动电阻的粗算 图8 3制动电路 查制动电阻表 RB 2 5UDH IMN UDH IMN 九 变频器的功能 CVF G3 V VI1 VI2 I1 X7 V UF GND CM 脉冲信号 RS485 RP RP1 0 20mA 1 外接给定端 1 电压信号给定端 2 电流信号给定端 3 脉冲给定 A B 2 外接输入控制端子 图9 2外控输入电路 3 外接输出控制端子 图9 3外接输出控制端 1 故障输出端2 模拟量输出端3 通讯接口4 状态信号输出端 Ta Tb Tc OC1 OC2 CM AM AO AM 4 V F控制设定功能 图9 4基本频率Fb 电机额定频率FN 基本频率 最大频率 特点 U F增大 磁通量 增大 磁路饱和 转矩增大 5 基本频率 电机额定频率 特点 电机带载的能力减小 6 基本频率与最大频率 图9 6基本频率与最大频率 380V 380V 7 上限频率和下限频率 图9 7上限频率和下限频率 a 搅拌机b 上 下限频率 8 跳跃频率 特点 变频器所带负载 在某一频率点发生机械共振 使用跳跃频率回避共振点 T 时间 f 频率 43HZ 33HZ 28HZ 60秒 5分钟 UVW RST V VI1 GND FWD X1 X2 CM Y1 Y2 Y3 COM1 X1 X2 COM FU 滤沙池 滤沙 自然水 干净水 干净水出口 冲洗水入口 电动阀 电动阀 逆止阀 逆止阀 风机 自然空气 滤布 PLC 9 事例供水厂滤沙池供风机调速工艺图 10 载波频率 图9 11载波频率的影响 11 转速多档控制 图9 12转速多档控制 12 多档转速控制 图9 13多档转速控制 13 PLC控制电路 图9 14PLC控制电路 14 工频启动与变频启动 图9 15异步电动机启动 a 工频启动转差b 工频启动特性c 工频启动电流 d 变频启动转差e 变频启动特性f 变频启动电流 15 加速防跳闸自处理功能 图8 16加速自处理功能 a 暂停加速b 延长加速时间 16 启动功能 图9 17启动功能 a 起动频率b 暂停加速c 起动前直流制动 17 加速时间与电流 特点 加速时间过短易出现过电流 启动频率配合转矩提升功能 最佳调整启动转矩特性 设定值过大 会出现过电流故障 启动前直流制动 应用自由转动的设备 风机类 起动特性 18 升速方式 图9 19升速方式 19 降速时间与直流电压 特点 减速时间过短 直流电压升高 20 接入制动电路 图9 21接入制动电路 21 直流制动 图9 22直流制动的原理 a 刨床示图b 直流制动原理c 直流制动功能 刨台 床身 直流制动的特性 1 准确停车变频器给电动机输入直流电 在电机定子上产生静止恒定磁场 使电机快速停止 22 停机功能 图9 23停机方式 a 预置时间减速停机b 自由停机c 直流制动停机 23 控制电路 图9 24正转控制电路 a 变频器电路b 控制电路 24 脉冲启动 图9 25脉冲启动电路 a 三线控制接线b 电源控制电路 AM AM 25 两地控制 图9 26两地升降速控制 26 频率到达与频率检测 图9 27频率到达与频率检测 a 频率到达b 频率检测 27 应用事例 图9 28粉末传送带调速控制 a 频率检测b 控制示意图 28 过流保护 图9 29变频器过流保护 29 过流故障的原因 图9 30过流故障原因 a 负载堵转b 输出短路c 内部直流短路 30 其他原因引起的过流 a 加速过快b 电动机磁饱和c 内部采样误差 31 过电压原因 a 电源电压过高b 减速过快c 电容补偿器引起 32 欠电压原因 a 线流电路断路b 电源缺相c 大功率晶闸管设备干扰 储气罐 压力传感器 33 PID自动闭环调节 图9 34PID自动闭环控制 VI1 V 储气罐 压力传感器 34 外界PID调节器 图9 35外界PID闭环控制 II GND 35 转矩提升 转矩补偿 电压补偿 图9 36电压补偿的原理 a 电压补偿的含义b 补偿前情况c 电压补偿的结果 转矩提升特性 TS KU2X FX电压提高 转矩提升补偿过份 励磁饱和 电流畸变 36 不同补偿程度的电流 转矩曲线 图9 37转矩补偿后的电流 转矩曲线 37 转差补偿频率变动 图9 38转差补偿功能 十 应用事例 例1 水泵节能恒压供水 图10 1供水系统示意图 压力变送器 生活小区 例2 塑料厂挤压吹膜工艺图 图10 2塑料挤压吹膜机调速系统图 RST UVW FU 减速箱 图10 3重灰旋转炉示意图 例3 重灰旋转炉 操作室 0 20mA 回转窑 喷火枪 RST UVW 加料口 减速箱 FU I t 例4 水泥厂回转窑主驱动变频调速示意图 UF1UF2UF3UF4 UF UF5UF6 PLC 计算机 四台拉矫机变频器 结晶器变频器 连铸钢锭 切断机 喷水系统 冷却水 钢水 浇铸钢包 钢锭连铸示意图 结晶器 输送辊道变频器 液压系统 例5 T 时间 f 频率 43HZ 33HZ 28HZ 60秒 5分钟 UVW RST V VI1 GND FWD X1 X2 CM Y1 Y2 Y3 COM1 X1 X2 COM FU 滤沙池 滤沙 自然水 干净水 干净水出口 冲洗水入口 电动阀 电动阀 逆止阀 逆止阀 风机 自然空气 滤布 PLC 例6 供水厂滤沙池供风机调速工艺图 PID调节器 压力变送器 0 20mA 储气罐 高压氮气 放气手动阀 压力控制器 压力控制器 电控安全阀 电控安全阀 1 压氮机