变频器控制模式和容量的选择应用基础培训讲义

主办单位：新疆博识通咨询有限公司中国工业自动化培训网王老师：158115151362讲课内容•前言《变频器发展简介》•第1章《变频器控制模式和容量的选择》•第2章《变频器基本功能》•第3章《工程应用》•第4章《变频器安装及接线》•第5章《变频器故障诊断》•第6章《变频器内部结构》•第7章《变频器测量与维修》3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。•三相异步电动机结构简单，工作可靠，但调速困难。前言-变频器发展简介•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。由于有了物质基础和社会需要，第一代模拟控制变频器诞生了。用在风机和水泵上，节能高达20%—40%。5前言-变频器发展简介2.现代变频器的特点•现在的变频器早已经由模拟控制发展为计算机控制，而计算机控制可以进行功能预置、联网控制，使它的应用范围越来越广。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交流调速系统能取代变频器。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。6前言-变频器发展简介3.变频器应用•节能应用：仍然是变频器应用的目的之一，主要应用于风机和泵类负载。在其他应用领域，当输出电压比额定电压低时，也具有节能效果。•工艺控制应用：为了满足负载的调速要求而采用变频调速。他可提升产品质量、减轻人工劳动强度、提高生产效率和成品率。•柔性控制应用：在复杂的传动流水线上，多台电动机由变频器驱动，而变频器由上位机控制，组成无人操作的自动化流水线。7前言-变频器发展简介4.变频器的发展趋势1）向专用型方向发展•专用变频器是变频器的发展方向，是根据某种具体应用专门设计。具有安装调试方便、成本低等优点。2）向多用途方向发展•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，供排水公司等，所用的10kV高压变频器，容量有的已超过几千KVA。前言-变频器发展简介3）向智能化、个性化方向发展•智能IC卡参数的存取方式；•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变频器。•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•5.本课程的任务•我们工作在现场的变频器技术人员主要任务是：•1）根据本企业的要求能正确的设计、选用、安装、调试变频器；•2）能正确使用变频器，能进行日常的变频器维护维修工作。•3）能根据故障现象分析确诊变频器控制系统的故障范围，并能排除变频器的非硬件故障和外围电路故障。第一章：变频器控制模式和容量的选择•1.1电动机与变频器•1.1.1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。第一章：变频器控制模式和容量的选择•1.1.2三相异步感应交流电动机的工作原理•1.旋转磁场•现象：用手转动马蹄形磁铁笼型转子就会跟着一起旋转。原理：在转动马蹄形磁铁时，磁铁和笼型转子有了相对运动，笼型转子导线切割磁力线产生感应电流；该电流又和旋转磁场相互作用，产生感应电磁力，该电磁力使转子产生电磁转矩，随着磁场的转动方向而转动。第一章：变频器控制模式和容量的选择•2.转速差Δn•转子要想随着旋转磁场一起转动，转子和旋转磁场必须维持一定的转速差，转子导线中才能产生感应电流，由感应电流产生电磁转矩，转子才能转动。转速差是电动机正常工作的保证。实验证明，在额定转矩情况下，转速差Δn和转矩T成正比。即•Δn∝T•转速差为：•式中，Δn——转速差，单位r/nim•n1——旋转磁场转速，单位r/nim•n——电动机转子转速，单位r/nimnnn1第一章：变频器控制模式和容量的选择电动机的旋转磁场3.电动机旋转磁场与转速1）旋转磁场第一章：变频器控制模式和容量的选择•2）旋转磁场的转速•即p=1：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。•p=2：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。•p=3：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•式中，f1——电源频率，单位Hz,•P——磁极对数，P=1,2,3….1160fnp第一章：变频器控制模式和容量的选择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，有一个确定的Δn。为了表示转速差和同步转速的关系，我们取比值S—转差率，是分析电动机转速和转矩的一个重要公式。5.转子转差频率f2当电动机的转速差为Δn时，转子转差频率为f2，f2也是转子导线感应电流的频率，其值为（转差频率计算公式）1111260)(60sfnnnnpnpf111nnnnns第一章：变频器控制模式和容量的选择•例一：有一4极和6极电动机，功率均为7kW，转速分别为1460r/min和970r/min，请计算两电动机的额定转差频率和额定转矩。当电动机启动时，频率上升到多少Hz时电动机达到额定转矩。•解：1)4极电动机的转速差为•（1500—1460）r/min=40r/min，转差频率为•f=P△n/60=2×40/60=1.33Hz•2）4极电动机的额定转矩为•根据功率公式•有：TM=9550P/n=9550×7/1460=46N.m•即变频器的频率从0上升到1.33Hz时，电动机转子达到额定转矩46N.m。9550MnTP第一章：变频器控制模式和容量的选择•3)6极电动机的转速差为•△n=（1000—970）r/min=30r/min•转差频率为•f2=P△n/60=3×30/60=1.5Hz•4）6极电动机额定转矩为•TM=9550P/n=9550×7/970=69N.m•当变频器的频率从0上升到1.5Hz时，电动机转子达到额定转矩69N.m。当变频器的频率上升到1.5Hz时，如果此时电动机的负载转矩小于69N.m，转子转动；如果负载转矩大于69N.m，此时转子不转动。第一章：变频器控制模式和容量的选择6.电动机转速转矩（电流）特性曲线1）由特性曲线可见，当电动机的同步转速n1下降时，电动机的输出转速下降，但△n不变，当n1=△n，电动机输出转速n=0，电动机输出转矩为额定转矩TN。2）当转矩在额定值左右变化时，△n也在额定值左右变化。第一章：变频器控制模式和容量的选择•案例1：有一高炉上料小车，电动机工作在额定转矩状态。为了防止停止时小车下滑，采用机械抱闸机构。该系统采用4极电动机，n=1460r/min；设置变频器抱闸频率为3Hz时，电动机起动时过流跳闸，设置为0.5Hz时，制动时有溜钩现象。第一章：变频器控制模式和容量的选择•案例分析：•电动机额定转速差：•额定转差频率f2：•因为电动机Δn∝T，而T∝I，则电动机的转差频率正比于定子额定电流，即f2∝I，当上升f2，I上升；当f2下降，I下降。min/r40146015001nnnHz33.160402602npf第一章：变频器控制模式和容量的选择•变频器的输出频率为1.33Hz时电动机达到额定转矩，应该松闸，当变频器输出频率为3Hz时，电动机的转矩大大高于了额定转矩，故引起过流跳闸。当频率低于1.33Hz，电动机转矩已小于额定转矩，产生溜钩。•电动机如果有抱闸系统，抱闸(松闸)频率理论上应等于转差频率，抱闸频率设置高，起动过流，松闸频率设置低，停机有溜钩现象。•因为电动机在低速时转矩不足，抱闸(松闸)频率要比理论值稍高一些，但不能高出很多。第一章：变频器控制模式和容量的选择•1.1.3三相异步电动机的电磁特性与基本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，为常数。N1——定子每相绕组的匝数。为常数。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,大小和定子电流成正比，为了保证电动机工作在额定电流状态，Φm也为常数。第一章：变频器控制模式和容量的选择•由于ΔU很小，当U1较高时，ΔU可忽略，有U1≈E1=4.44K1N1f1Φm式中，K1、N1、Φm均为常数，上式可改写为：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。常数m111144.4/NKfU第一章：变频器控制模式和容量的选择•1.1.4三相异步电动机变频调速•1.基频以下的恒磁通变频调速•电网50Hz交流电称为基频，在50Hz以下调速时，称为基频以下调速。基频以下调速具有恒磁通特性。•由于Φm恒定，电磁转矩Tm恒定，电动机属于“恒转矩”调速。第一章：变频器控制模式和容量的选择•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”。所有变频器都有转矩补偿功能。第一章：变频器控制模式和容量的选择•2．基频以上的变频调速•当电动机工作在基频（额定频率）以上时，由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率在额定值以上升高时，定子电压不变，保持在额定值。Φm随着ƒ1的升高而下降，电动机的转矩亦随着频率的升高而下降。因为电动机输出功率为•p=nT•转速升高，转矩下降，乘积•不变，即基频以上的变频调•速属于“恒功率”调速。第一章：变频器控制模式和容量的选择•3.应用选择•1）基频以下调速•绝大部分传动系统采用基频以下调速方式。由于该传动方式电动机输出转矩恒定，当转速下降时，电动机的输出功率下降。•为了充分利用电动机的容量，当负载的转速较低时，要考虑通过减速器提高电动机的转速，以提高电动机的输出功率，降低电动机和变频器的功率裕量。第一章：变频器控制模式和容量的选择•2）基频以上调速•当负载为高速设备或恒功率调速负载，可考虑变频器超频工作。如内圆磨床的磨头电动机，转速在每分钟上万转，可采用变频高速电动机驱动，简化传动环节。•还有一类负载，即需要电动机调速，又需要电动机功率恒定。如变速车床，在调速的过程中要保持电动机输出功率不变，这种场合也可采用超频工作。第一章：变频器控制模式和容量的选择•案例2：有一车床调速系统，主轴转速400—600r/min，消耗功率4.5kW(恒功率负载)，请选择调速方案。•案例分析：选择6极5kW电动机，电