变频器控制技术介绍

项目一物料分拣输送带的变频控制主编李方园《变频器控制技术》项目一输送带变频器控制1.1项目背景及要求1.2知识讲座（变频器原理及基本应用）1.3技能训练一（A700变频器的认识）1.4技能训练二（变频器运行模式与参数设置）1.5项目设计方案变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案。变频调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中发挥着提高产品质量和生产效率的作用。项目一输送带变频器控制除此之外，变频器还有显著的节能效果，不仅在相关工业设备，变频器在民用产品中，也起到了节约电费、提高设备性能、保护环境等方面的优势也得到了用户的普遍认可和广泛应用。本项目通过物流分拣输送带的变频控制方案来了解变频器的最简单应用。项目一输送带变频器控制本项目的学习目标如下：知识目标：了解交流电机的调速方式；熟悉变频调速的基本原理及其优点；掌握恒压频比工作方式及其特点；掌握变频器的电路基本结构。项目一输送带变频器控制技能目标：能对三菱A700变频器进行简单接线；能熟练掌握A700参数的初始化过程；能进行变频器的简单调试，并运用不同的运行模式来解决简单变频调速项目。职业素养目标：树立用电安全意识，并能从电机调速系统的发展轨迹看待变频器在实际工程中的应用背景。项目一输送带变频器控制1.1.1项目背景物料分拣输送带是现代物流系统的重要组成部分，通过变频器来控制输送带电机，可以使得物料分拣系统方便地进行系统集成，因此已经成为目前物流行业控制系统发展的趋势。如图1.1所示为物料分拣输送带与物料分拣过程示意。项目一输送带变频器控制a)物料分拣输送带项目一输送带变频器控制b)分拣过程示意图1.1物料分拣输送带项目一输送带变频器控制以前物料输送带设备调速基本都采用手动机械式有级变速(比如更换皮带轮大小或者齿轮箱变速比等)，非常不方便。而作为交流调速最重要的驱动装置—变频器来说，借其优点已经在物料输送设备中发挥着越来越重要的作用。项目一输送带变频器控制比如变频调速起动大都是从低速开始，频率较低，这样可以避免物料的摔倒；加、减速时间可以任意设定，加、减速比较平缓，起动电流较小，因此可以进行较高频率的起停；变频调速很容易实现电动机的正、反转，只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。项目一输送带变频器控制1.1.2控制要求现在要求对该物料分拣输送带采用交流变频控制，已知输送带采用三相鼠笼式异步电动机1.5KW，三相交流380V，请设计合理的控制方案。具体要求如下：项目一输送带变频器控制1）变频器直接安装在现场，以方便控制，但是该现场安装地振动比较大；2）能进行正转与反转控制，且用操作台上的按钮进行控制，不用变频器的操作面板；3）速度设定来自于用户自己安装的多圈电位器；4）根据工艺要求设置输送的加速度和最快速度。项目一输送带变频器控制1.2知识讲座：变频器原理及基本应用项目一输送带变频器控制1.2.1交流异步电机和同步电机的调速1.异步电机三相异步电机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1.2所示。项目一输送带变频器控制图1.2中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电机的转速与磁极数和使用电源的频率有关。项目一输送带变频器控制图1.2三相异步电机原理项目一输送带变频器控制定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。项目一输送带变频器控制一般情况下，电机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。为此我们称这种结构的三相电机为异步电机。项目一输送带变频器控制2.同步电机同步电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图1.3给出了最常用的转场式同步电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。项目一输送带变频器控制这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。项目一输送带变频器控制图1.3同步电机的结构模型项目一输送带变频器控制除了转场式同步电机外，还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。项目一输送带变频器控制3.交流电机的调速交流电机比直流电机经济耐用得多，因而被广泛应用于各行各业，是一种量大面广的传统产品。在实际应用场合，往往要求电机能随意调节转速，以便获得满意的使用效果，但交流电机在这方面比起直流电机而言就要逊色地多，于是不得不借助其它手段达到调速目的。项目一输送带变频器控制项目一输送带变频器控制根据感应电机的转速特性表达式可知，它的调速方式有三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节。从而出现了目前常用的几种调速方法，如变极调速、调压调速、电磁调速、变频调速、液力耦合器调速、齿轮调速等（如图1.4所示）。项目一输送带变频器控制图1.4交流电机主要调速方式分类图项目一输送带变频器控制基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。项目一输送带变频器控制属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效调速方式的主要滑差调速（包括电磁离合器调速、液力偶合器调速、液粘离合器调速）、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力偶合器调速和和液粘离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。项目一输送带变频器控制变极调速和滑差调速方式适用于笼型异步电机，串级调速和转子串电阻调速方式适用于绕线型异步电机，定子调压调速和变频调速既适用于笼型，也适用于绕线型异步电机。变频调速和机械调速还可用于同步电机。项目一输送带变频器控制液力耦合器调速技术属于机械调速范畴，它是将匹配合适的调速型液力耦合器安装在常规的交流电机和负载(风机、水泵或压缩机)之间，从电机输入转速，通过耦合器工作腔中高速循环流动的液体，向负载传递力矩和输出转速。只要改变工作腔中液体的充满程度即可调节输出转速。项目一输送带变频器控制液粘离合器调速是指利用液粘离合器作为动率传递装置完成转速调节的调速方式，属于机械调速。液粘离合器是利用两组摩擦片之间接触来传递功率的一种机械设备，如同液力偶合器一样安装在笼型感应电机与工作机械之间，在电机低速运行的情况下，利用两组摩擦片之间摩擦力的变化无级地调节工作机械的转速，由于它存在转差损耗，是一种低效调速方式。项目一输送带变频器控制1.异步电机的变极调速变极调速技术是通过采用变极多速异步电机实现调速的。这种多速电机大都为笼型转子电机，其结构与基本系列异步电机相似，现国内生产的有双、三、四速等几类。1.2.2不同调速方式的工作原理项目一输送带变频器控制变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数p是整数，它不能实现平滑调速，只能有级调速。在供电频率f＝50Hz的电网，p＝1、2、3、4时，相应的同步转速n0＝3000、1500、1000、750r/min。项目一输送带变频器控制改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（见图1.5），图1.5a的p＝2，图1.5b和图1.5c中的p＝1。双速电机的定子是单绕组，三速和四速电机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电机，通常称为多速感应电机或变极感应电机。项目一输送带变频器控制多速电机的优点是运行可靠，运行效率高，控制线路很简单，容易维护，对电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。适合于按2～4档固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。项目一输送带变频器控制图1.5定子绕组改接变极对数示意图a)p=2b)p=1c)p=1项目一输送带变频器控制2.电磁调速电磁调速技术是通过电磁调速电机实现调速的技术。电磁调速电机(又称滑差电机)由三相异步电机、电磁转差离合器和测速发电机组成，三相异步电机作为原动机工作。该技术是传统的交流调速技术之一，适用于容量在0.55～630kW范围内的风机、水泵或压缩机。项目一输送带变频器控制电磁离合器调速是由笼型感应电机和电磁离合器一体化的调速电机来完成的，把这种调速电机称为电磁离合器电机，又称滑差电机，属于低效调速方式。电磁调速电机的调速系统，主要由笼型感应电机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成（见图1.6）。项目一输送带变频器控制直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。它以笼型电机作为原动机，带动与其同轴接连的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通。项目一输送带变频器控制离合器的主动部分为电枢，从动部分分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁芯和励磁绕组构成，绕组与部分铁芯固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过滑环而直接由直流电源供电。项目一输送带变频器控制当电机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。项目一输送带变频器控制磁离合器的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰，它可以空载启动，对需要重载启动的负载可获得容量效益，提高电机运行负载率。缺点是高速区调速特性软，不能全速运行；低速区调速效率比较低。适用于调速范围适中的中小容量电机。项目一输送带变频器控制图1.6电磁调速示意图项目一输送带变频器控制3.串级调速串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是电机串级调速系统。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。项目一输送带变频器控制机串级调速电路是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电机，使系统复杂化，应用不多。项目一输送带变频器控制电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。串级调速的主要优点是调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大。缺点是对电网干扰大，调速