变频器应用基础

（内部资料注意保存）《中国工业自动化培训网》变频器原理应用维修主讲:骆建方Mobile：1896217476613912789805E-mail：[e-mail]课间欢迎学员随时提出疑问讨论问题变频器原理应用维修讲课内容•前言《变频器发展简介》•第1章《变频器应用基础》•第2章《变频器内部结构》•第3章《变频器基本功能》•第4章《工程应用》•第5章《变频器安装及接线》•第6章《变频器故障诊断》•第7章《变频器测量与维修》前言-变频器发展简介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，60—70%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。直流电动机主要用于高性能的变速传动中。•三相异步电动机结构简单，工作可靠；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。•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。第一代变频器出现以后，可以进行调速控制，节能20%—30%。前言-变频器发展简介2.现代变频器的特点•变频器因为是由计算机控制，使它的控制性能大大提高，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。前言-变频器发展简介3.变频器应用•节能应用：风机、水泵、变频空调、变频冰箱。•工艺控制：提高工艺控制水平、提升产品质量、减轻人工劳动强度、提高生产效率和成品率。如同步控制、多段速运行控制、PID控制、纺织机械控制、机床主轴控制、定长定位控制等。•柔性控制系统：实现精确速度控制、多单元同步传动或比例同步传动，整条生产线的协调控制，实现无人车间。前言-变频器发展简介4.变频器的发展趋势1）向专用方向发展•专用变频器是变频器的发展方向，是针对某种应用专门设计的。如丹佛斯无负压供水专用变频器、菱科空压机专用变频器、富士电梯专用变频器、德力西注塑机专用变频器、雕刻机专用变频器、春日织机专用变频器、丹佛斯空调专用变频器等。•专用变频器是为具体的应用而设计，使用、安装方便，具有更加良好的控制特性。前言-变频器发展简介2）向多用途、智能化方向发展•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，供排水系统等，所用的10kV高压变频器，容量有的已超过几千KVA。•减小体积：智能功率模块及复合集成功率模块的发展，开关器件、驱动电路和保护电路制造在同一封装内，实现了变频器的高性能、高可靠性和小型化。•减小噪声和电磁污染：在变频器主回路串入各类电抗器。前言-变频器发展简介3）向个性化方向发展•智能IC卡参数的存取方式；前言-变频器发展简介3）向个性化方向发展•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、ABPowerFlex70等变频器前言-变频器发展简介•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。前言-变频器发展简介4）向绿色方向发展•“绿色”变频器的概念：具有处理再生能量功能；使用可回收利用的绿色器件；变频器产生的谐波分量小，造成的电压、电流畸变小，产生的干扰小。•如安川公司的矩阵变频器，具有体积小，再生能量处理功能，产生的谐波分量小。•施耐德和东芝合作的ATV71变频器，85%属于可回收利用的绿色器件，解体后对环境的冲击小；•ABB公司将采用先进的AFE技术，大大降低变频器产生的谐波分量。•变频器按其供电电压分为低压变频器(110V220V380V)、中压变频器(500V660V1140V)和高压变频器(3KV3.3KV6KV6.6KV10KV)。•按供电电源的相数分为：单相输入变频器和三相输入变频器。•变频器按其功能分为恒转矩（恒功率）通用型变频器、平方转矩风机水泵节能型变频器、简易型变频器、迷你型变频调速器、通用型变频器、纺织专用型变频器、高频电主轴变频器、电梯专用变频器、直流输入型矿山电力机车用变频器、防爆变频器等。（1）P型机变频器适用于变转矩负载的变频器。（2）G型机变频器适用于恒转矩负载的变频器。（3）P/G合一型变频器同一种机型既可以使用变转矩负载，又可以适用于恒转矩负载；同时在变转矩方式下，其标称功率大一档。变频器分类•变频器按直流电源的性质分为电流型变频器和电压型变频器。1）电压型变频器电压型变频器的储能元件为电容器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。（2）电流型变频器电流型变频器的储能元件为电感线圈，因此其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流型变频器。•变频器按输出电压调节方式分为PAM输出电压调节方式变频器和PWM输出电压调节方式变频器。（1）正弦波脉宽调制（SPWM）变频器正弦波脉宽调制变频器是指输出电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，且载频信号用等腰三角波，而基准信号采用正弦波。中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。（2）脉幅调制（PAM）变频器脉幅调制变频器是指将变压与变频分开完成，即在把交流电整流为直流电的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变为交流电时改变交流电频率的变压变频控制方式。变频器分类•变频器按控制方式分为U/f控制方式和转差频率控制方式两种。变频器按主开关器件分为IGBTGOTBJT三种。•变频器按机壳外型分为塑壳变频器、铁壳变频器和柜式变频器。•变频器按其输出功率大小分为小功率变频器、中功率变频器和大功率变频器。•变频器接其商标所有权分为国产变频器、香港变频器、台湾变频器和进口变频器。日系欧系等。变频器分类•根据系统应用分类1）部件级变频器又称元器件级变频器。如ABB的ACS400系列变频器，能够非常方便地当作电气元器件来实现其调速功能。（2）工程型变频器又称自动化级变频器。如西门子的6SE70系列、ABB的ACS800系列、AB的powerflex7系列。变频器分类第一章：变频器应用基础第一章：变频器应用基础•1.1.2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。•电动机要求：电动机要调速；在起动、•制动时电流大；频率改变时电压也必须•随之改变，•闭环控制要求：速度精度高、快速性好•，控制方便。第一章：变频器应用基础•1.1.3三相异步感应交流电动机的工作原理•1.旋转磁场在一个可旋转的马蹄型磁铁中间，放置一只可转动的笼型短路线圈。当转动马蹄形磁铁时，笼型转子就会跟着一起旋转。这是因为当磁铁转动时，其磁感线(磁通)切割笼型转子的导体，在导体中因电磁感应而产生感应电动势，由于笼型转子本身是短路的，在电动势作用下导体中就有电流流过。该电流又和旋转磁场相互作用，产生转动力矩，驱动笼型转子随着磁场的转向而旋转起来，这就是异步电动机的简单旋转原理。第一章：变频器应用基础电动机的旋转磁场第一章：变频器应用基础•2.旋转磁场的转速•在以上的分析中，旋转磁场只有一对磁极，即p=1，当电流变化一个周期，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=60×50r/min=3000r/min。若磁场有两对磁极，p=2，则电流变化一周，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。同理，在3对磁极p=3情况下，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•1160fnp第一章：变频器应用基础•3.转速差Δn•转速差是电动机正常工作的保证，电动机只有存在转速差，才能产生电磁转矩，在额定转速情况下，转速差Δn和额定转矩TN成正比（在非额定转速下，不成正比，如启动时或大于了最大转矩后）。当电动机工作时输出转矩发生变化，转速差Δn亦发生变化，即电动机的转速在工作时要随着转矩的变化而变化。•当电动机制造完以后，额定转速差是一常数。如4极电动机：n1=1500r/min，n=1440r/min；Δn=60r/min。第一章：变频器应用基础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，不管n1大还是小，其值不变。如n1=1500r/min，n=1440r/min；Δn=60r/min。当n1=750r/min，n=690r/min；n1=60r/min,n=0。为了表示转速差和同步转速的关系，我们取比值S=Δn/n1=S—转差率，是分析电动机转速和转矩的一个重要公式。11nnn第一章：变频器应用基础•转差率是分析异步电动机运行情况的一个重要参数。如起动瞬间n=0，s=1，转差率最大；空载时s很小,在0.005以下；异步电动机工作时，转差率在1～0之间变化。•电动机型号不同，额定转差率不同。对于某台确定的电动机，其额定转差率是一定的。如nN=1440转/分，s=0.04；nN=1480转/分，S=0.0133.•就异步电动机的总体而言，其额定转差率范围在：sN=0.01～0.07之间。•第一章：变频器应用基础•1.1.4三相异步电动机的电磁特性与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=4.44K1N1f1Φm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，K11。N1——定子每相绕组的匝数。f1——定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率。Φm——旋转磁场的主磁通•电压平衡方程式：U1=ΔU+E1第一章：变频器应用基础•由于R1很小，当忽略电阻上电压ΔU，有•E1=4.44K1N1f1Φm≈U1式中，K1、N1为常数，Φm正比于电动机额定电流，正常工作时为一定值；我们把上式改写为为了保持等式右边为常数，如果改变f1，U1也必须同时改变。U1上升，f1上升，U1下降，f1下降，即U1/f1=常数，这就是变频器的基本U/f控制模式。第一章：变频器应用基础•1.1.5三相异步电动机变频调速•1.基频以下的恒磁通变频调速•电动机的额定频率称为基频（50Hz），即在基频以下调速时，为了保持主磁通Φm恒定，须保持E1/ƒ1恒定，由于E1难以直接控制，保持U1/ƒ1恒定，即可近似地保持主磁通Φm恒定，使电磁转矩TM恒定，电动机带动负载的能力不变，属于“恒转矩”调速。第一章：变频器应用基础•保持U1/ƒ1恒定控制的缺点：•当ƒ1较低时，U1亦较低，电阻R1上的电压已不可忽略，它使定子电流下降，从而使Φm减小，这将引起低速时的输出转矩减小（见图）。•转矩补偿：为补偿低速时转矩不足，在低频时提升定子电压U1，补偿曲线如下图中曲线“2”。第一章：变频器应用基础•2．基频以上的弱磁变频调速•当电动机工作在基频（5