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2012自动化技术培训-之变频器基础知识,首席操作师工作站,2,第一节变频器的发展史1.变频器的发展历程19世纪末发明了三相交流电和三相异步电动机，6070%的电能被各种电动机所利用，其中80%的电能被交流电动机所利用，20%的电能被直流电动机所利用。直流电动机结构复杂，用电刷导电，但调速性能良好，在近百年间直流电动机在调速领域一统天下。三相异步电动机结构简单，工作可靠，但调速困难。,第一单元变频调速相关知识,人们早就知道交流电动机改变频率可以调速，但因技术问题难以实现。进入20世纪70年代，电力电子和微电子技术有了突飞猛进的发展，为变频器的诞生奠定了基础。就在此时，中东战争爆发，一场石油危机席卷全球，节约能源成了当务之急。人们首先发现风机和泵类是用异步电动机恒速拖动，用阀门和挡板控制流量，浪费极大。如果采用调速控制，可以大大节约电能。由于有了物质基础和社会需要，第一代模拟控制变频器诞生了。用在风机和水泵上，节能高达20%40%。,4,2.现代变频器的特点现在的变频器早已经由模拟控制发展为计算机控制，而计算机控制可以进行功能预置、联网控制，使它的应用范围越来越广。已经由最初的单机调速，发展为现在的闭环调速系统；联网控制；组成柔性控制系统等。它是目前最好的异步电动机调速系统，目前还没有任何一种交流调速系统能取代变频器。它在很多应用领域已经取代了直流电动机，使控制系统的可靠性大大提高。,5,3.变频器应用节能应用：仍然是变频器应用的目的之一，主要应用于风机和泵类负载。在其他应用领域，当输出电压比额定电压低时，也具有节能效果。工艺控制应用：为了满足负载的调速要求而采用变频调速。他可提升产品质量、减轻人工劳动强度、提高生产效率和成品率。柔性控制应用：在复杂的传动流水线上，多台电动机由变频器驱动，而变频器由上位机控制，组成无人操作的自动化流水线。,6,4.变频器的发展趋势1）向专用型方向发展专用变频器是变频器的发展方向，是根据某种具体应用专门设计。具有安装调试方便、成本低等优点。2）向多用途方向发展优化控制技术：变频器已由最初的U/f模拟控制，发展为转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等多种控制方式，应用更加方便。向高压、大容量方向发展大容量、高耐压开关器件的开发，为高压变频器奠定了基础。发电厂、炼钢，供排水公司等，所用的10kV高压变频器，容量有的已超过几千KVA。,3）向智能化、个性化方向发展智能IC卡参数的存取方式；PDA（个人数字助理）界面，采用PDA界面的变频器，省去了变频器与计算机之间的布线，可直接在PDA上进行参数编程、故障诊断和数据监视。如施耐德的ATV71变频器。高功率变频器模块的立体封装形式，立体封装形式已能将IGBT、电流电压温度传感器、保护回路、直流回路、散热装置和强制风冷的电路组合在一起。冷却效果好，功率密度高。,5.本课程的任务我们工作在现场的变频器技术人员主要任务是：1）根据本企业的要求能正确的设计、选用、安装、调试变频器；2）能正确使用变频器，能进行日常的变频器维护维修工作。3）能根据故障现象分析确诊变频器控制系统的故障范围，并能排除变频器的非硬件故障和外围电路故障。,第二节电动机与变频器变频器与电动机的关系变频器从输入端看：输入的是工频三相交流电；从输出端看：输出的是频率和电压可调的交流电，控制电动机工作。变频器是电动机和电源之间的一个中间控制环节，变频器和电动机要匹配，变频器的输出特性和功能参数必须与电动机的工作特性相吻合。,三相异步感应交流电动机的工作原理1.旋转磁场现象：用手转动马蹄形磁铁笼型转子就会跟着一起旋转。原理：在转动马蹄形磁铁时，磁铁和笼型转子有了相对运动，笼型转子导线切割磁力线产生感应电流；该电流又和旋转磁场相互作用，产生感应电磁力，该电磁力使转子产生电磁转矩，随着磁场的转动方向而转动。,2.转速差n转子要想随着旋转磁场一起转动，转子和旋转磁场必须维持一定的转速差，转子导线中才能产生感应电流，由感应电流产生电磁转矩，转子才能转动。转速差是电动机正常工作的保证。实验证明，在额定转矩情况下，转速差n和转矩T成正比。即nT转速差为：式中，n转速差，单位r/minn1旋转磁场转速，单位r/minn电动机转子转速，单位r/min,电动机的旋转磁场,3.电动机旋转磁场与转速1）旋转磁场,2）旋转磁场的转速即p=1：电流变化一个周期，旋转磁场正好在空间转过一周。对50Hz工频交流电而言，旋转磁场每秒在空间旋转50周，n1=60f1=6050r/min=3000r/min。p=2：电流变化一周，旋转磁场只转过0.5周，比磁极对数p=1情况下的转速慢了一半，即n1=60f1/2=1500r/min。p=3：电流变化一周，旋转磁场仅旋转了1/3周，即n1=60f1/3=1000r/min。以此类推，当旋转磁场有p对磁极，旋转磁场的转速为式中，f1电源频率，单位Hz,P磁极对数，P=1,2,3.,4.转差率s转速差是一个绝对差值（在额定状态），对于一台具体的电动机，有一个确定的n。为了表示转速差和同步转速的关系，我们取比值S=n/n1=S转差率，是分析电动机转速和转矩的一个重要公式。5.转子转差频率f2转子转差频率也是感应电流的频率，其值为,案例：有一高炉上料小车，为了防止停止时小车下滑，采用机械抱闸机构。该系统采用4极电动机：n1=1500r/min，n=1460r/min；设置为变频器松闸频率为3Hz，电动机起动过流跳闸，抱闸频率设置为0.5Hz,制动时有小范围溜钩现象。,案例分析：电动机额定转速差：额定转差频率f2：变频器的输出频率为1.33Hz时电动机达到额定转矩，应该松闸，当变频器输出频率为3Hz时，电动机的转矩大大高于了额定转矩，因为电动机的输出转矩和电动机的定子电流成正比，故引起过流跳闸。当频率低于1.33Hz，电动机力矩已小于额定转矩，产生溜钩。电动机如果有抱闸系统，抱闸(松闸)频率应等于转差频率，抱闸频率设置高，起动过流，松闸频率设置低，停机有溜钩现象。,三相异步电动机的电磁特性与基本U/f控制给三相异步电动机的定子绕组加上电源电压U1后，绕组中便产生感应电动势E1，根据电动机理论，E1的表达式为：E1=4.44K1N1f1m式中,E1定子绕组的感应电动势有效值。K1定子绕组的绕组系数，K1低电平有效1PNP方式=高电平有效,NPN：端子5/6/7/8/16/17必须通过端子28（OV）连接。PNP：端子5/6/7/8/16/17必须通过端子9（24V）连接。,介绍一下PWM控制变频器运行西门子MM440变频器不具备该项功能，松下变频器其中有一个数字量输入端子可接入PWM波，根据占空比实现对变频器输出频率的控制。,频率指令值（Hz）=ON时间最大输出频率Hz/PWM周期,任务要求：通过转速按钮控制电动机的速度，按住增速按钮不放时转速会以每秒0.5Hz的加速变化，反之按住减速按钮不放时转速将会以每秒0.5Hz的减速变化。,任务四带式传送机的无极调速,要求：利用PLC及变频器实现传送机的模拟量无级调速控制。由两个按钮控制电动机的启动与停止。按下启动按钮，电动机以每秒增加0.1Hz的速度运行，直到最大输出频率50Hz后停止运行。在运行过程中按下停止按钮，电动机将会停止。,任务四系统接线图,任务五：采用PLC控制的多级调速控制,任务要求：传送带由两个按钮控制，他们分别控制电动机起动与停止。按下起动按钮后，电动机开始以5Hz的频率运行，每经过5S就自动增加5Hz，总共有八个速度段，运行完八个速度段后自动停止。,5,6,28,9,8,7,3,30,4,29,MM440,1M,西门子s7-200CPU224XP,PORT1,1M,1L+,Q0.0,Q0.1,Q0.2,Q0.3,Q0.4,2M,2L+,Q0.5,V,M,L+,PORT2,I0.0,I0.1,I0.2,I0.3,I0.4,I0.5,I0.6,I0.7,2M,I1.0,I1.1,I1.2,M,L+,24VDC,SB1,SB2,24VDAC,M,任务五采用PLC控制系统的多级调速接线,MM440变频器方框图.pdf,多速段控制原理（一）,任务五例程.mwp,参数设定P0700选择命令源本例程2（端子）P0701数字输入1的功能缺省值1本例程16P0702数字输入2的功能缺省值12本例程16P0703数字输入3的功能缺省值9本例程16P0704数字输入4的功能缺省值15本例程16P1000频率设定值的选择缺省值2本例程3P1001固定频率1缺省值0.00本例程5HzP1002固定频率2缺省值5.00本例程10HzP1003固定频率3缺省值10.00本例程15HzP1004固定频率4缺省值15.00本例程20HzP1005固定频率5缺省值20.00本例程25HzP1006固定频率6缺省值25.00本例程30HzP1007固定频率7缺省值30.00本例程35HzP1008固定频率8缺省值35.00本例程40Hz,任务六：采用PLC、拨码开关调速控制,任务要求：利用拨码开关将0至50Hz要求频率送入PLC，实现控制变频器速度的控制要求。按钮SB1按动一次变频器按输入频率正向运行，按钮SB1再按动一次变频器停止运行。,5,6,28,9,2,1,3,4,MM440,1M,西门子s7-200CPU224XP,PORT1,1M,1L+,Q0.0,Q0.1,Q0.2,Q0.3,Q0.4,2M,2L+,Q0.5,V,M,L+,PORT2,I0.0,I0.1,I0.2,I0.3,I0.4,I0.5,I0.6,I0.7,2M,I1.0,I1.1,I1.2,M,L+,SB1,24VDAC,M,个位,十位,任务六系统接线图,参数设定P0700选择命令源本例程2（端子）P0701数字输入1的功能缺省值1本例程1P1000频率设定值的选择缺省值2本例程2,任务七：采用文本显示器控制变频器,任务要求：传送带由文本显示器F1、F2、F3按键控制，它们分别控制电动机起动与停止。按下F1按键后，电动机开始按照文本显示器设定频率正向运行，按下F2按键后，电动机开始按照文本显示器设定频率反向运行，按F3按键后停止。,5,6,28,9,2,1,3,30,4,29,MM440,1M,西门子s7-200CPU224XP,PORT1,1M,1L+,Q0.0,Q