《直流电》-模块八　变频器

项目一通用变频器的基本结构任务一变频器的基本结构变频器主要由主电路和控制电路组成。主电路主要由整流电路、中间电路和逆变电路３部分组成，其中中间电路又由电源再生单元、限流单元、滤波单元、制动单元以及直流电源检测电路等组成。控制电路主要有中央处理器ＣＰＵ、Ｉ／Ｏ接口、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ接口、通信接口、键盘显示电路及控制电源组成，如图８－１所示。下一页返回项目一通用变频器的基本结构任务二通用变频器的硬件结构图在图８－２中，ＰＥ为接地端子，为保证使用安全，该端子一定要按电气规程要求可靠接地。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３为变频器输入端，与电源连接；Ｕ、Ｖ、Ｗ为变频器的输出端，与电动机相连接。其他为控制端子，具体可参见说明书。值得注意的是，变频器的输入端和输出端千万不能接反；否则通电后会产生严重后果。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构任务三变频器的主要功能随着变频器的发展，变频器的控制功能越来越丰富，智能化程度越来越高，参数值的设置也越来越复杂，而且很多参数都是相互关联、相互影响的。同时很多参数和现场实际情况有很大关系，这就要求工程技术人员对生产工艺过程和整个控制系统都非常熟悉，而且对变频器的各个参数项的功能非常了解并综合考虑，必要时还要通过计算才能正确完成设置和操作，以保证变频器的正常运行。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构一般通用变频器有以下基本功能。１.转矩提升（补偿）功能前面已经分析，变频器的Ｖ／Ｆ特性决定了起动或低速运行时的输出转矩的大小，这是变频器诸多功能中最重要的功能特性之一。自动转矩补偿是指电动机在低频区域运行时通过提高Ｖ／Ｆ值的方法，使电动机的转矩得以提升。通用变频器都有可供选择的多条Ｖ／Ｆ特性曲线，如衰减特性曲线、平方特性曲线、抛物线特性曲线等。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构２.防失速功能变频器的防失速功能包括加速过程中的防失速、恒速运行过程中的防失速以及减速过程中的防失速。加速和恒速运行时的防失速是指电动机加速过快或负载过大引起过电流时，变频器将自动降低其输出频率以限制输出电流增大，避免变频器因电动机过电流而出现保护电路动作和停止工作。而减速时的防失速不是因为过电流，而是由于惯性产生的能量回馈导致的，这个能量回馈会使得中间直流电路的电压上升导致过电压，在电压保护电路未动作之前，暂时停止降低变频器的输出频率或减小输出频率的降低速率，从而达到防失速的目的。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构３.无速度传感器矢量控制功能无速度传感器矢量控制是指在不加速度传感器的情况下，通过监测电动机电流而得到负载转矩，并根据负载转矩进行必要的转差补偿，完成矢量控制，从而提高速度控制精度和动态响应。４.瞬停再起动功能瞬停再起动是指当保护功能动作后或发生电网瞬时停电时，变频器停止输出。在电源恢复后，变频器可以按照设定自动跟踪转速再起动，通过自寻速功能对电动机速度进行检测，输出与电动机速度相当的频率，使电动机平稳无冲击地起动，直至电动机恢复原有状态。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构５.外部信号控制功能变频器通常都具有通过外部信号对变频器进行起初和停止的控制功能，包括外部信号运行控制和外部异常停止信号控制。可以通过外部的开关量信号控制变频器的起动、运行和停止，也可以通过ＰＬＣ通信控制变频器运行。６.变频器与频率有关的功能变频器与频率有关的控制功能主要有以下内容。１）频率上、下限功能为了限制电动机的转速，满足控制设备运行的要求，通过设置频率的上、下限，可以限定过程控制参数的上、下限，并按一定的比例进行控制。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构２）多段速度设定功能多段速度设定是指电动机能够以预定的速度按一定的程序运行。可以通过对多功能端子的组合选择记忆在内存中的频率指令，设置自动生产流程，一旦设定好后，变频器将按顺序在不同的时间以不同的频率让电动机以不同的转速自动运行。３）加减速时间设定功能变频器从起动到额定运行，再从额定运行到减速停车这段时间可以人为设定。为了避免加速或减速过程中的失速，应根据现场负载实际情况正确设定加减速时间。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构４）频率跳跃功能当变频器的输出与负载机械设备产生共振时，通过跳跃频率的设定，从而避开共振频率。常用于风机、机床等机械设备。此外，变频器还有Ｓ形加减速、模糊加减速等功能，在这里就不一一阐述了，具体可参看使用说明书。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构７.ＰＩＤ控制功能工业现场绝大多数场合都离不开ＰＩＤ控制。变频器内部的ＰＩＤ控制一般适用于流量、压力、温度等过程控制，大多数场合一般只需要ＰＩ控制就够了。ＰＩＤ参数可以通过变频器的操作面板人为设定，并由工程技术人员根据现场实际情况进行调整。Ｐ参数作为比例参数，是影响偏差响应程度的参数。当Ｐ增益取大值，系统响应快，但容易振荡；取小值，系统响应慢，但稳定。Ｉ参数作为积分参数，主要作用是消除偏差，积分时间长，系统响应慢，对外部扰动的控制能力变差；但积分时间短，响应速度快，又容易发生振荡。Ｄ参数作为微分参数，是为了消除偏差在系统中引入一个早期的修正信号，加快系统的动作速度，减小调节时间。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构８.保护功能变频器的有些保护功能是通过内部软件和硬件直接完成的，另一些保护功能与外部工作环境密切相关，需要和外部信号配合完成，或者根据系统需要由用户对其动作条件进行设定。此外，变频器在保护跳闸后，故障复位前将一直显示故障代码，根据故障代码确定故障原因，可缩小故障查找范围，减少故障处理时间。变频器的保护功能主要有电动机接地保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护、过热保护等功能，在这里就不一一列举了，具体可参看使用说明书。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构９.与运行有关的功能１）直流制动功能该功能的作用是在不使用机械制动器和制动电阻的条件下，使电动机制动。制动时变频器给电动机加上直流电压，使电动机绕组中流过直流电流，从而使电动机进入直流制动状态，达到制动目的。２）自寻速跟踪功能该功能是变频器在没有速度传感器的情况下，在电动机进入自由运行状态时自动寻找电动机的实际转速，并根据电动机转速自动进行加速，直至电动机转速达到所需的速度，而无须等到电动机停止后再启动。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构３）载波频率调整变频器的载波频率可调范围一般为１～２０ｋＨｚ。载波频率的高低决定了变频器输出电压（电流）ＰＷＭ脉冲数的多少，载波频率越高，输出电压（电流）的波形越好。但载波频率高，变频器的功率损耗也加大。电动机的噪声也与载波频率有关，与运行频率也有关。一般来说，载波频率高，运行频率高，电动机的噪声小。４）频率到达功能设置了频率到达功能后，当变频器的输出频率到达频率设置值时，变频器就会发出信号，由外围输出端子实现。通常为开关量信号。上一页下一页返回项目一通用变频器的基本结构１０.参数自动检测功能变频器的矢量控制方式依赖于异步电动机的参数模型。参数自动检测功能是变频器通过执行目标子程序来控制变频器的输出电压、电流测试信号，然后经过对采样数据进行计算，求出电动机参数值，并自动送至内部寄存器，向控制系统提供电动机参数数据，从而达到电动机参数自动测定的目的。这一功能使变频器的矢量控制得以保证。１１.通信功能变频器都带有ＲＳ－４８５通信接口，根据需要选用现场总通信卡实现网络通信，如Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线，可实现远距离传输控制，最大距离可达１２００ｍ。变频器的功能很强大，这里就不一一列举了，具体内容可参看使用说明书。上一页返回项目二变频器的选择、安装与维护任务一变频器的选择目前，市场上流行的变频器多达几十种，如欧美国家的品牌有西门子、ＡＢＢ、Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ（施耐德）、Ｄａｎｆｏｓｓ（丹佛斯）等；日本的品牌有三菱、富士、安川、东芝、三垦、松下等；韩国有三星、ＬＧ等；中国台湾省有台达、普传等；国内有英威特、森兰、汇川、爱默生等。欧美地区的产品性能先进，适用环境能力强；日本的产品以外形小巧、功能多著称；我国大陆的产品以大众化、功能专用、价格低而得到广泛应用。下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护一、简易型变频器简易型变频器一般采用Ｖ／Ｆ控制方式，主要适用于风机、泵类负载，其节能效果明显，成本较低。二、多功能通用变频器随着现代工业自动化程度的不断提高，生产设备如造纸机、纺织机、卷扬机等向高速化、高效率化、高精度化方向发展，因此多功能、高性能变频器应运而生。三、变频器容量选择变频器的容量选定由很多因素决定，如电动机容量、电动机额定电流、加速时间等，但其中最主要的还是额定电流。依据电动机拖动的负载不同，主要有以下３种情况。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护１.驱动一台电动机连续恒定负载时变频器的容量为２.驱动多台电动机成组传动时（一台变频器拖动多台并联的电动机）所需的容量如下。（１）变频器过载能力为１５０％、１ｍｉｎ时，电动机加速时间在１ｍｉｎ以内，那么有上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护（２）电动机加速时间在１ｍｉｎ以上时，则有３.驱动大惯性负载电动机所需的容量上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护任务二变频器的外围设备的选择在选定了变频器之后，还要选择与变频器配合工作的各种周边设备，正确选择变频器周边设备主要有以下几个目的。①保证变频器驱动系统能够正常工作。②对变频器和电动机提供保护。③减少对其他设备的影响。变频器的典型接法如图８－３所示。图８－３所示，变频器的前端（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）加熔断器、交流接触器、输入滤波器（可选件），输出端（Ｕ、Ｖ、Ｗ）与电动机之间不建议加任何元器件，如果电动机噪声大或变频器与电动机距离较远，可加输出滤波器。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护任务三变频器的安装为了保证变频器正常工作，变频器对安装环境是有要求的。一般来说，变频器的工作和安装环境要考虑以下几个因素。１.环境温度变频器对环境温度有要求，一般允许的环境温度为－１０℃～＋４５的寿命和可靠性影响很大，尤其是半导体元器件的结温超过规定值，会直接造成元器件损坏。因此，在环境温度较高的场合使用变频器时，必须采取安装冷却装置和避免日光直晒等措施，保证环境温度在厂家要求的范围之内，从而保证变频器能够正常工作。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护２.环境湿度当空气湿度较大时，会引起金属腐蚀，使绝缘变差，并由此引起变频器的故障。变频器的技术说明书中给出了对湿度的要求，因此，要按照厂家的要求采取必要的措施，保证变频器内部不出现结露的情况。℃。３.对环境空气的要求变频器必须工作在无腐蚀性气体和无易燃易爆物的场合，同时还要保证粉尘较少、不能有油滴或水滴溅到。腐蚀性气体和尘埃除了会使电子元器件生锈，出现接触不良等现象外，还会吸收水分使绝缘变差，导致短路。而油滴和水珠以及易燃易爆气体更是造成短路和变频器损坏的直接原因。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护４.机械振动振动会对变频器内部的电子元器件产生应力，尤其是核心部件都是焊接在ＰＣＢ印制板上，因此应力很可能造成变频器故障。对于传送带和冲压机械等振动较大的设备，在必要时应采取安装防振橡胶等措施，将振动抑制在规定值以下。而对由于机械设备的共振而造成的振动来说，则可以利用变频器的频率跳跃功能，使机械系统避开这些共振频率，以达到降低振动的目的。以上列举的是变频器对环境要求的最基本方面。此外，变频器对海拔高度和安装空间等也有要求，具体可参看生产厂家的使用说明书。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护任务四变频器的保养与维护变频器内部包含有功率晶体管、晶闸管、ＩＣ等半导体元件，以及电阻、电容、风扇、继电器等其他元器件，是一个具有很高技术含量的高科技设备。现代的变频器中尽可能使用寿命较长的元器件，但元器件的寿命也是有限的，并且还存在老化问题。因此，变频器即使是在正常的工作环境下工作，在超过使用年限之后，也会出现特性变化和动作异常的情况。而任何一个元器件的故障都将影响变频器的正常工作。变频器既是含有微处理器等半导体芯片的精密电子设备，同时又是输出零点几瓦到上百千瓦的动力设备。所以在进行通电前检查、试运行、调试以及维修保养时都必须十分小心注意，要严格遵照下面给出的基本原则。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护（１）变频器在出厂之前，厂家都对变频器进行过初始设定，不要任意改变这些设定。而在改变了初始设定后又希望恢复初始设定值时，一般需要初始化操作。（２）由于变频器内部有大电容，在切断了变频器的电源之后，与充电电容有关的电路部分仍有残存电压，在“充电”指示灯熄灭之前不应触摸有关部分。（３）变频器内部的控制电路中有很多ＣＭＯＳ芯片。用手直接触摸电路板可能使这些芯片因静电作用而损坏，所以要十分小心。（４）必须要保证变频器的接地端子可靠接地。（５）变频器的输出端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）绝不允许接在交流电源上。（６）不允许做耐压试验。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护任务五变频器的故障诊断变频器的常见故障主要有以下几种。１.参数设置故障变频器在使用中，参数设置非常重要，如果参数设置不正确或参数不匹配，会导致变频器不工作，不能正常工作或频繁发生保护动作，甚至损坏。一般变频器出厂时都做了出厂设置，对每一个参数都有一个默认值。通常变频器默认以面板操作方式运行，有时用面板操作不能满足传动系统要求时，要重新设置和修改参数，一般从以下几个方面进行。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护１）确认电动机参数在变频器电动机参数中设定电动机的功率、电流、电压、转速、最大频率，一般变频器会自动识别。设定的这些参数应与电动机铭牌中的数据一致；否则就会引起变频器不能正常工作。２）变频器的起动方式变频器出厂时设定为面板起动，可以根据实际情况选择用面板、外部端子、通信等几种方式。除面板起动外，其他都要与对应的给定参数及控制端子匹配；否则，就会引起变频器不能正常工作或频繁发生保护甚至损坏。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护３）控制方式的设定控制方式的设定主要有频率控制、转矩控制、ＰＩＤ控制等。每一种控制方式都对应一组数据范围的设定，如果这些数据设定得不正确，就会引起变频器不工作或不能正常工作，或发生故障保护而使变频器跳闸并显示故障代码。２.过电流与过载故障过电流和过载故障是变频器的常见故障，发生的原因可能多种多样，处理方法也不相同。过电流故障可能在加、减速过程中，也可能在恒速过程中。过载故障包括变频器过载和电动机过载。故障的原因可能是外部的也可能是内部的。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护１）外部原因（１）电动机负载突变，引起大电流冲击使过电流保护动作。（２）电源侧缺相、输出侧断线、电动机内部故障引起的过电流和接地故障。（３）电动机电缆各相之间或每相对地的绝缘被破坏，造成匝间或相间对地短路而导致过电流。（４）电动机的绕组和外壳之间、电缆和大地之间存在较大寄生电容，引起过电流和过电压故障。（５）变频器输出侧有功率因数校正电容或浪涌吸收器。（６）受电磁干扰的影响。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护（７）变频器容量选择不当，与负载特性不匹配。２）内部原因（１）参数设定不正确。如加、减速时间过短，ＰＩＤ控制时，Ｐ参数和Ｉ参数设定不合适，造成输出电流振荡等。其故障类型多种多样，具体原因要具体分析。（２）变频器内部硬件出问题。变频器的整流侧和逆变侧元器件损坏引起过电流、过电压；电源回路异常引起不显示，无法操作；控制电路检测元器件老化故障；受电磁干扰引起变频器误动作等。上一页下一页返回项目二变频器的选择、安装与维护３.过电压与欠电压故障变频器的过电压与欠电压故障主要体现在直流母线上。正常情况下，三相交流供电（也有单相小容量）的变频器直流母线电压为三相全波整流后的平均值，如果线电压为３８０Ｖ，则直流母线的电压平均值为５１３Ｖ。过电压发生时，直流母线电容将被充电，当电压上升至７６０Ｖ左右时，变频器就会发生过电压保护动作。