变频器AFE培训教程

1、Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 1 of 202Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 2 of 202西门子变频器简介西门子变频器简介1SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70系列矢量控制的变频器是具有IGBT 逆变器、全数字技术的有电压中间回路的变频器。它同西门子三相交流电动机一起为所有工业领域和所有应用场合提供高性能、最经济的解决方案。Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 3 of 202西门子变频器简介西门子变频器

2、简介2SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制系列变频器是全系列通用型和模块化的产品：标准装置功率范围从0.55 kW 2300 kW。覆盖全球的三相交流电网电压，380 V 690 V。按照使用场合及所需功率，可做成4种结构，即增强书本型、书本型、装机装柜型及变频调速柜。模块化的硬件、软件使其能够达到精确配合、最经济的解决方案。Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 4 of 202西门子变频器简介西门子变频器简介3MASTERDRIVES装置可以做成以下形式产品：接到交流三相电网上的变频器，接到直流母线上的逆变器，向直流母线提供电

3、源的整流单元。多种系统元件和附件扩展了产品的应用范围。 顶驱电控系统因功率较大故采用整流单元+逆变器结构。Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 5 of 202Compact PLUS紧凑加强型Compact紧凑型Chassis机架式0.5 - 18.5 kW2.2 - 37 kW45 - 2300 kW MC (运动控制) 250kWCabinet柜体45 - 6000 kWVC (矢量控制)其应用包括定位、同步操作以及凸轮轴驱动等。应用于绕线机、拉丝机、造纸及薄膜工业、升降机等。MasterDriver变频器变频器Siemens Fact

4、ory Automation Engineering Ltd.P 6 of 202IEC3 AC 380 - 415 V 50 Hz3 AC 500 V 50 Hz3 AC 660 - 690 V 50 HzIEC / NEMA3 AC 380 - 460 V 50/60 HzIEC / NEMA3 AC 380 - 460 V 50/60 HzIEC3 AC 380 - 440 V 50/50 Hz3 AC 500 - 550 V 50/50 HzIEC3 AC 415 - 440 V 50 Hz适用于所有的电源频率和所有的应用标准DeviceNETPROFIBUS DPCC LinkCAN

5、世界范围内使用世界范围内使用Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 7 of 202 U=E=4.44 X f X k X U=E=定子电压 f=供电频率 k= 系数(常数) = 磁通磁通电机基本公式电机基本公式3Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 8 of 202异异 步步 电电 机机 的的 调调 速速 方方 法法 ：n=60f1(1-s)/PN 变 频 调 速 ：改 变 电 源 的 频 率 变 极 调 速 ：改 变 电 机 的 极 对 数 改 变 转 差 率 :绕 线 电 机 转 子 串

6、 电 阻 调 速 、定 子 调 压 调 速 、串 级 调 速 、 双 馈 调速 变变 频频 调调 速速 ：变：变 频频 调调 速速 范范 围围 宽，平宽，平 滑滑 性性 好，效好，效 率率 高，具高，具 有有 良良好好 的的 静静 态态 性性 能能 和和 动动 态态 性性 能，应能，应 用用 广广 泛。泛。变 频 器 按 其 结 构 可 分 为 交交 直直 交交 变变 频频 器器 和 交交 交交 变变 频频 器器整 流 器逆 变 器DC 环 节AC50HZACVVVF变 频 器50HZACACVVVF交流调速方法交流调速方法Siemens Factory Automation Engineer

7、ing Ltd.P 9 of 2021.保保 持持 磁磁 通通 恒恒 定定 U1 E1=4.44f1w1k1 U1/f1=C1 M=Cm I2cos 从 以 上 两 公 式 可 以 作 如 下 分 析: U1不 变 时, f1 M U1不 变 时, f1 磁 路 饱 和铁 损 增 加,绕 组 过 分 发 热 ，功 率 因 素 降 低 。 故,只 调节 f 不 行, 需 同 时 调 节 U1和 f1才 可 以 保 持 磁 通 的 恒 定.。 2.保保 持持 电电 压压 为为 额额 定定 值值 在 额 定 频 率 以 上 调 速 ，受 到 电 机 绕 组 绝 缘 强 度 的 限 制 ， 定 子 电

8、 压 不可 能 与 频 率 成 比 例 地 升 高 ，只 能 保 持 在 额 定 电 压 ，此 时 气 隙 磁 通 将 随 频 率 的 升高 而 反 比 例 地 下 降 ，进 入 弱 磁 调 速 范 围 。VVVF 变变 频频 调调 速速 的的 基基 本本 要要 求求Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 10 of 20200.51.01.21.5TorqueVoltage 力力 矩矩 性性 能能FrequencySiemens Factory Automation Engineering Ltd.P 11 of 202调速结论调速结论1Si

9、emens Factory Automation Engineering Ltd.P 12 of 202调速结论调速结论2Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 13 of 202变频调速特点变频调速特点Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 14 of 202 PWM脉脉 宽宽 调调 制制 技技 术术两两 种种 基基 本本 的的 调调 制制 方方 法法 ： 脉脉 幅幅 调调 制制 PAM(Pulse Amplitude Modulation): 变 频 器 在 改 变 输 出 频 率 的 同

10、时，也 同 时 改 变 输 出 电 压 的 幅 值 PAM 需 要 同 时 调 节 两 个 部分 ：整 流 部 分 和 逆 变 部 分，二 者 之 间 还 必 须 满 足 一 定 的关 系，故 控 制 电 路 复 杂 脉脉 宽宽 调调 制制 PWM(Pulse Width Modulation): 变 频 器 在 改 变 输 出 频 率 的 同 时，也 同 时 改 变 输 出 电 压 的 脉 冲 占 空 比 PWM 只 控 制 逆 变 器 部 分，与 PAM 相 比 ，控 制 电 路 简 单 正正 弦弦 波波 脉脉 宽宽 调调 制制 技技 术术 SPWM：在 进 行 脉 宽 调 制 时 ，使

11、脉 冲 系 列 的 占 空 比 按 正 弦 规 律 来 安 排。当 正 弦 值 为 最 大 时 ，脉 冲 宽 度 也 最 大 ，而 脉 冲 间 的 间 隔 则 最 小 。反 之 亦 然 。这 样 的 电 压 脉 冲 系 列 可 以 使 负 载 电 流 中 的 高 次 谐 波 成 分 大为 减 少 。Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 15 of 202冲量等效定理冲量等效定理根据现代控制理论可知: 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的负载环节上时,其产生的效果基本相同.这就是冲量等效定理. 冲量既窄脉冲所围成的封闭图形面积.Siemen

12、s Factory Automation Engineering Ltd.P 16 of 202等效示意图等效示意图1Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 17 of 202等效示意图等效示意图2Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 18 of 202Protection and FilteringMicroprocessorDisplay and buttonsCustomer TerminalsD TypeSerial i/oA/D ConvertersD/A ConverterEE P

13、ROM控控 制制 框框 图图 - MASTERDRIVE Vector ControlDriverDriverDC PositiveDC NegativePower SupplyIsolated SuppliesControl BoardsPower SectionVector and PWM ProcessorSiemens Factory Automation Engineering Ltd.P 19 of 202IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)电 压电 流一 毫 秒开 关 损 耗开 关 IGBTs 是 可 靠 ，高 效 和 快 速 的 电

14、力 电 子器 件 Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 20 of 202续续 流流 二二 极极 管管Commutation (Flywheel) Diodes are required to divert the inductive current when the IGBTs are not conducting.If the diodes have a slow recovery, a short circuit current will flow.Fast diodes with a low recovered charge are

15、used.Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 21 of 202预预 充充 电电 电电 阻阻+-电 容 充 电 通 过 预 充 电 电 阻，预 充 电 继 电 器 Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 22 of 202+-电电 流流 监监 控控 系系 统统123451. DC 侧 监 控 器 直 接 到 ASIC - 6SE922. DC侧 监 控 器 通 过 光 藕 连 接 - 6SE923. 电 阻 和光 藕 - MIDIMASTER Vector x 34. 霍 尔 元 件 - M

16、ICROMASTER Vector x 25. IGBT侧 监 视 器 x 6Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 23 of 202整流和逆变概念整流和逆变概念整流整流: : 把交流电变成(整流成)直流电的电路称为整流电路.逆变逆变: : 把直流电变成(逆变成)交流电的电路称为逆变电路.Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 24 of 202整流单元的组成整流单元的组成可控硅(SCR,Thyristor)散热片触发电路板(A23)+控制电源板主控板(CUR)主回路保险(熔芯)散热风机显示面

17、板(PMU)通讯板(CBP2)Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 25 of 202整流单元结构图整流单元结构图Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 26 of 202输 入 电 压单 相 三 相 DC 电 压 单 相 三 相 整 流 二 极 管 二 极 管 电 流整流示意图整流示意图Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 27 of 202逆变器的组成逆变器的组成逆变模块(IGBT)散热板触发电路板(IGD)控制电源板(PSU)主控板(C

18、UVC)主回路保险(熔芯) 中间回路电容.散热风机显示面板(PMU)接口转换板(IVI)通讯板(CBP2)Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 28 of 202Lower IGBT - direct Drive is referenced to DC Negative and common Power SupplyUpper IGBT - requires isolation and Charge Pump (or separate) Power Supply.驱 动驱 动ASIC控 制 器 DC 正 DC 负 Vector Units h

19、ave fully isolated ASIC controller and therefore at least six opto-isolators IGBT的控制和触发的控制和触发Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 29 of 202变频器和逆变器的结构图变频器和逆变器的结构图M3变频器滤波器电抗器3AC 380 - 480 V=制动电阻M3=M3=M3逆变器3AC 380 - 480 V=滤波器电抗器变频器制动电阻Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 30 of 202进线电抗器进

20、线电抗器 安装进线电抗器是为了减小变频器、整流单元和整流/回馈单元的谐波电流 进线电抗器也能限制由于电源电压的突变而产生的电流冲击Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 31 of 202出线电抗器出线电抗器输出电抗器用于补偿在长导线时的容性再充电电流及限制在相应电机导线长度下，在电机端子上的dv/dt 。 Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 32 of 202MasterDrive基本控制功能基本控制功能V/F特性特性转矩控制转矩控制速度控制速度控制频率控制频率控制Siemens Fact

21、ory Automation Engineering Ltd.P 33 of 202具有具有V/f V/f 特性的转速控制特性的转速控制通用的通用的V V/ /f f 特性特性: : 作为频率控制，具有滑差补偿，用于异步电动机的单独传动和多电机传动，无高动态性能要求. 例如，泵，风扇，简单的牵引装置。Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 34 of 202电电 压压 与与 频频 率率 的的 关关 系系压 频 比 控 制 方 式 适 合 于 大 多 数 场 合.二 次 曲 线 控 制 适 用 于 风 机、水 泵 负 载 以 达到 节 能 的 效

22、 果.特 殊 的 控 制 曲 线 可 以 用 来 控 制 特 殊 的 电 机 和 运 用 场 合.矢 量 控 制 和 磁 通 电 流 控 制 系 统 可 以 单 独 控 制 电 机 的 励 磁.因因 为为 感感 应应 电电 机机 的的 工工 作作 象象 一一 台台 变变 压压 器器, 频频 率率 减减 小小 时时 电电 压压 也也 必必 须须 减减 少少 .Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 35 of 202磁磁 通通 电电 流流 控控 制制 (FCC)IloadIfluxItotal如 果 电 机 电 压 可 知 ，那 么 总 的 输

23、出 电流 可 以 分 解 为 负 载 分 量 和 励 磁 分 量 . 励 磁 分 量 部 分 可 以 单 独 控 制 并 且 可 以 实 现 电 机 的 磁 通 优 化 .磁 通 电 流 控 制 没 有 全 矢 量 控 制 效 果 好 ，因 为 矢 量 控 制 考 虑 了 转 子 的 实 际 位 置.Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 36 of 202V/f控制原理图控制原理图Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 37 of 202 在 DC 电 机 中 , 磁 场 是 一 个 独 立

24、的 绕 组 产 生 ( 激 磁 绕 组 ) 因因 此此 电电 机机 电电 枢枢 电电 流流 和和 磁磁 通通 电电 流流 可可 以以 单单 独独 控控 制制.在 AC 电 机 中, 定 子 绕 组 电 流 包 含 励 磁 和 转 矩 部 分，因 此 很 难 单 独 控 制 电 机 的 力 矩 和 磁 通. 仅 仅 控 制 电 流 幅 值 ，不 能 实 现 电 机的 力 矩 和 磁 通 的 单 独 控 制，所 以 矢 量 控 制 必 须 同 时 控 制 电 流 的 幅 值 和 相 位分 别 控 制 电 机 的 磁 通 和 力 矩 可 以 实 现 优 化 的 控 制 性 能 零 速 时 的 高 输 出 力 矩 ，负 载 变 化 时 的 快 速 响 应 . 矢量控制技术矢量控制技术Siemens Factory Automation Engineering Ltd.P 38 of 202AC InverterAC MotorEncoderload为 了 控 制 交 流 电 机 的 力 矩 和 磁 通 ，定 子 电 流 必 须 同 时 控 制 幅 值 和 相 位 即 矢 量 控 制 而 不 是 标 量 控 制.为 了 控 制 定 子 电 流 的 相 位，所 以 必 须 知 道 转 子 的 位 置。所 以 全 矢 量 控 制, 必 须 采 用 一 码 盘 来 检 测 电