变频器工作原理及应用

电工培训班•课堂须知：•1、请将手机关机或置于静音状态；•2、上课期间自觉遵守纪律；•本次讲课的内容主要分为4个方面：•一、变频器的概念和用途；•二、变频器及电器传动的基础知识；•三、变频器的应用现状和发展趋势•四、变频器使用注意事项变频器的概念变频器的用途三相交流电网3AC,400V,50Hz开关或接触器变频器异步电动机转速可调0～50Hz可调一、变频器的概念和用途变频器的概念•变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器的概念•基本概念（1）VVVF改变电压、改变频率（VariableVoltageandVariableFrequency）的缩写。（2）CVCF恒电压、恒频率（ConstantVoltageandConstantFrequency）的缩写。•各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器的组成•变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。•通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。变频器的保护功能•变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频器保护功能由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等，要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。保护类型原因缺相输入缺相输入电压值相差超过允许值输出缺相输出电流三相不平衡过流加速/减速/恒速超过变频器允许的最大电流（2倍额定）过载超过变频器允许的过载范围过压加速/减速/恒速直流母线电压超过允许值过热散热器温度超过允许值欠压电网电压过低变频器的保护功能现在通用变频器不但在产品性能上有很大提高，而且自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，熟悉这些功能对于正确使用变频器极其重要。过电流逆变器过载过电压熔断器烧断欠电压存储器出错散热板过热通讯出错外部报警输入CPU出错变器过热自整定出错动机过载•为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。变频器选型—选型原则考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。要准确选型，必须要把握以下几个原则：充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。变频器选型—选型原则确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素，如选用的是通用变频器，则可以选择P型机以下情况要考虑容量放大一档：1、长期高温大负荷2、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场3、目标负载波动大4、现场电网长期偏低而负载接近额定5、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）变频器选型—选型原则充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则：以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上电网品质恶劣或容量偏小的场合如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机以下情况要选用交流输出电抗器变频器到电机线路超过100米（一般原则）以下情况一般要选用制动单元和制动电阻提升负载频繁快速加减速大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）变频器选型—选型原则使用通用变频器的行业和设备使用矢量变频器的行业和设备纺织绝大多数设备纺织有张力控制场合需使用冶金辅助风机水泵、辊道、高炉卷扬冶金各种主轧线、飞剪石化用风机、泵、空压机电梯门机、起重行走电梯、起重提升供水油田用风机、水泵、抽油机、空压机电厂风机水泵、传送带市政锅炉、污水处理部分拉丝机牵引拉丝机的收放卷凹版印刷水泥、陶瓷、玻璃生产线全线传送带矿山风机泵矿山提升机卷烟制丝卷烟成型包装低速造纸及配套风机水泵、制浆高速造纸、切纸机、复卷机•变频器的用途比较广泛，无论是在生产还是咱们的日常生活中，都有所应用。•变频器在公司生产中得到广泛的应用：•例1、生产、生活中的恒压泵供水系统；•例2、高炉上料小车的控制；•例3、球团厂的回转窑旋转控制；•例4：炼钢连铸机的引锭杆的控制；•例5：炼钢厂转炉的倾动控制等等；•变频器可用于家电产品：•例1、公共场所使用的中央空调；•例2、家庭中还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。•下面就简单举几个例子对变频器的应用进行讲解。例1.水泵节能恒压供水图10—1供水系统示意图压力变送器生活小区操作室4～20mA～回转窑出料口RSTUVW进料口减速箱FUIt例2.球团回转窑主驱动变频调速示意图UF1UF2UF3UF4UFUF5UF6PLC计算机四台拉矫机变频器结晶器变频器连铸钢锭切断机喷水系统冷却水钢水浇铸钢包钢锭连铸示意图结晶器输送辊道变频器液压系统例3：例4.双泵双变频器PID调节UVWRSTPID调节器RSTUVWRP微调V+V-VI2GNDIIGNDII+-4~20mA电动机电动机压力传感器水泵水泵UFUF例5：中央空调冷却水循环系统工艺图水泵电动机制冷机组冷却塔温度变送器冷却风扇UVWRSTGNDIIV+VI1RP4~20mAQQQUF变频器基础知识—简要工作原理～整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流交流低压交直交通用变频器系统框图直流直流交流整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦变频器基础知识—简要工作原理单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1逆变器的功能：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序变频器基础知识—简要工作原理S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612123234345456561612三相逆变电路Ed缺点：输出电压的谐波分量太大电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题电机变频器基础知识—简要工作原理SPWM调制载波PWM（PulseWidthModuration）调制PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频率可变的电压脉冲列。SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同GTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题电气传动基础知识—电气传动系统概述定义以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统构成中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器电气传动基础知识—电气传动的目的和意义序号意义有代表意义的行业或设备1节能风机、水泵、注塑机2提高产品质量机床、印刷、包装等生产线3改善工作环境电梯、中央空调目的根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩意义注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能电气传动基础知识—电气传动系统基本工作原理电力传动系统运动方程式T电机转矩T负载转矩－－－加速运行T电机转矩T负载转矩－－－减速运行T电机转矩＝T负载转矩－－－恒速运行电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关dnT电机力矩－T负载阻力＝dtJT电机转矩－T负载转矩P电机功率＝T电机转矩×N电机速度×K常数MT电机转矩T负载转矩中间传动机构终端机械电气传动基础知识—电气传动系统工作原理速度模式：以保持转速恒定为目的，如常规调速系统（电梯、各类生产线）。控制设备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，恒速时电机转矩肯定等于负载转矩转矩模式以控制电机转矩恒定为目的，如：开卷/收卷，恒速时电机转矩肯定等于负载转矩，但电机的运转速度不确定。如果电机转矩始终大于负载转矩，则速度持续上升直至设备限速或损坏如果电机转矩始终小于负载转矩，则速度为0或最低（下限）速度为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护dnT电机力矩－T负载阻力＝dtJT电机转矩－T负载转矩MT电机转矩T负载转矩中间传动机构终端机械电气传动基础知识—电气传动系统负载特性传动机构电动机生产机械负载特性摩擦恒转矩生产流水线起重行走速度T负载转矩势能恒转矩电梯起重机提升恒功率（速度越低，负载转矩越大）机床开卷机/收卷机变转矩（速度越低，负载转矩越小）风机水泵负载转矩大小于与转速无关电气传动基础知识—交（直）流电气传动系统的特点直流电气传动系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，一种调速方式性能优良，对硬件要求不高电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护交流电气传动系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂，有多种调速方式性能较差，对硬件要求较高电机无电刷，无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏，适应恶劣现场基本免维护70年代以前直流占统治地位交流调速只在大功率电机调速上使用变频器基础知识—交流电气传动系统的发展历程交流异步电机的机械特性公式n＝60f/p(1-s)n：电机转速f：给电机供电的交流电频率p：电机极对数s：转差率T：电机力矩N：速度n0负载1异步机机械特性负载2交流同步电机的机械特性公式n＝60f/pn：电机转速f：给电机供电的交流电频率p：电机极对数n0负载1负载2T：电机力矩同步机机械特性调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速，系统简单，最多4段速调压调速无级调速，调速范围窄电机最大出力能力下降，效率低系统简单，性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高系统复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美早晚发展时间变频器基础知识—交流电气传动系统的发展历程在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉还是在一些性能较低的传动现场使用变频器基础知识—变频器及其特点变频器变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF(VariableVoltageVariableFrequency）变频器的控制对象三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极序号优点1平滑软启动，降低启动冲击