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变频器讲义(DOC)
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第一讲通用变频器原理
一、交流异步电动机的变频调速的原理,
交流异步电动机定子通以三相正弦电流,产生旋转磁场,其转速为同步转速。
转子回路中感应出转子电流,在旋转磁场作用下,转子以略低于同步转速的速度同向旋转。
异步电动机调速的基本原理基于以下同步转速方程公式:
式
(1)中:
n1-同步转速(r/min);
f1—定子供电电源频率(Hz);
P—磁极对数。
对于四极电动机,50Hz时,同步转速n1=1,500[r/min].
一般异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系:
式
(2)中:
n-异步电机转速(r/min);
S—异步电机转差率。
四极异步电动机,50Hz时,同步转速n1=1,500[r/min],实际转速可能是1470[r/min]。
由
(2)式可知,调速的方法可改变f1、P、S其中任意一种达到,对异步电机最好的方法是改变频率f1,实现调速控制。
由电机理论,三相异步电机每相电势的有效值由下式决定:
式(3)中:
E1—定子每相感应电动势有效值(V);
f1—定子供电电源频率(Hz);
N1—定子绕组有效匝数;
Фm-定子磁通(Wb)。
改变频率f1调速时,如相电势E1不变,则气隙磁通Фm要改变,电机输出转矩改变。
定子电压和感应电动势关系式:
由上式可分成两种情况分析:
(1)在频率低于供电的额定电源频率时调速属于恒转矩调速。
变频器设计时为维持电机输出转矩不变,必须维持每极气隙磁通Фm不变,从(3)式可知,也就是要使E1/f1=常数。
然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,认为供给电机的电压U1
E1,取电压U1与频率f1按相同比例变化,即U1/f1=常数。
三相异步电动机在设计时,都给定了额定电压U1,额定电流I1及相应的额定频率f1,磁通Фm的数值都定为接近磁路饱和的数值。
从
(1)中可见,降低f1,可使电动机减速,但在降低f1时,从(3)式可见,若保持E1不变,Фm必须增大。
因为电动机设计时铁芯已接近饱和,Фm增大必然引起电流大大增加.
要保持Фm不变,降低f1时只有降低E1,即U1,保持U1/f1=常数。
这是变频器的基本控制方式。
但是在频率较低时,定子漏阻抗压降已不能忽略,E1和U1相差较大。
因此要人为地提高定子电压U1,作漏抗压降的补偿,维持E1/f1≈常数,此时变频器输出U1/f1关系如图1中的曲线2,而不再是曲线1。
图1 U/f关系
多数变频器在频率低于电机额定频率时,输出的电压U1和频率f1类似图1中曲线2,并且随着设置不同,可改变补偿曲线的形状,使用者要根据实际工作情况运行选择.
(2)在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速。
此时变频器的输出频率f1提高,但变频器的电源电压由电网电压决定,不能继续提高。
根据公式(3),E1不能变,f1提高必然使Фm下降,由于Фm与电流或转矩成正比,因此也就使转矩下降.转矩虽然下降了,但因转速升高了,所以它们两的乘积并未变,转矩与转速的乘积表征着功率。
因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行.
异步电动机的机械设计只满足额定转速下运行,故变频调速一般只从额定转速向下调速。
如果需要电动机超过额定转速运行,可选用变频电动机。
二、变频器的工作原理
1.变频器类型
交---交型:
输入是交流,输出也是交流
将工频交流电直接转换成频率、电压均可控制的交流,又称为直接式变频器
交-直-—-交型:
输入是交流,变成直流再变成交流输出
将工频交流电通过整流变成直流电,然后再把直流电变成频率、电压均可控的交流电,又称为间接变频器。
目前多是交-直-交型的变频器。
而交—直—交型的变频器又分为电流型和电压型两种。
通用变频器是电压型交-直—交的变频器.
2变频器的组成
由主电路和控制电路组成
主电路:
由整流器,中间直流环节,逆变器组成
先看主电路原理图
三相工频交流电经过VD1~VD6整流后,正极送入到缓冲电阻RL,RL的作用是防止电流忽然变大。
经过一段时间电流趋于稳定后,晶闸管或继电器的触点会导通,短路缓冲电阻RL,这时的直流电压加在了滤波电容CF1、CF2上,这两个电容可以把脉动的直流电波形变得平滑一些.由于一个电容的耐压有限,所以把两个电容串起来用,耐压就提高了一倍。
两个电容分别并联了一个均压电阻R1、R2.
HL是主电路的电源指示灯,串联了一个限流电阻接在了正负电压之间,这样三相电源一加进来,HL就会发光,指示电源送入。
直流电压加在了大功率晶体管VB的集电极与发射极之间,VB的导通由控制电路控制,VB上还串联了变频器的制动电阻RB,组成了变频器制动回路。
我们知道,由于电极的绕组是感性负载,在启动和停止的瞬间都会产生一个较大的反向电动势,这个反向电压的能量会通过续流二极管VD7~VD12使直流母线上的电压升高,这个电压高到一定程度会击穿逆变管V1~V6和整流管VD1~VD6。
当有反向电压产生时,控制回路控制VB导通,电压就会通过VB在电阻RB释放掉。
当电机较大时,还可并联外接电阻.
一般情况下“+”端和P1端是由一个短路片短接上的,如果断开,这里可以接外加的支流电抗器,直流电抗器的作用是改善电路的功率因数.
直流母线电压加到V1~V6六个逆变管上,这六个大功率晶体管是IGBT型,基极由控制电路控制。
控制电路控制某三个管子的导通给电机绕组内提供电流,产生磁场使电机运转。
例如:
某一时刻,V1、V2、V6受基极控制导通,电流经U相流入电机绕组,经V、W相流入负极。
下一时刻同理,只要不断的切换,就把直流电变成了交流电,供电机运转。
为了保护IGBT,在每一个IGBT上都并联了一个续流二极管,还有一些阻容吸收回路。
主要的功能是保护IGBT,有了续流二极管的回路,反向电压会从该回路加到直流母线上,通过放电电阻释放掉。
控制电路原理示意图
上图就是变频器控制电路的原理示意图。
上半部为主电路,下半部为控制电路.主要由控制核心CPU、输入信号、输出信号和面板操作指示信号、存储器、LSI电路组成.
外接电位器的模拟信号经模数转换将信号送入CPU,达到调速的目的。
外接的开关量信号也经由与非门送入控制CPU。
三、变频器输出波形
特别要指出的,通用变频器对负载的输出波形都是双极性SPWM波(正弦脉宽调制),这种波形可以大幅度提高变频器的效率,但同时这种波形使变频器的输出区别于正常正弦波,产生了变频器很多特殊之处,需要予以重视。
双极性SPWM波如图4所示,其中图4(a)是三角形的载波与正弦形信号进行比较的情形,图4(b)是比较后获的输出电压SPWM波形。
脉冲幅度等于变频器整流后中间直流环节的平均直流电压。
变频器输出电压波形是矩形SPWM脉冲波,用普通电压表测变频器输出电压无多大意义。
图4 双极性SPWM调制器
第二讲变频器的接线
一、变频器一次端子
变频器主电路引出端子
R、S、T主电路电源端子,连接三相工频电源。
U、V、W变频器输出端子,连接三相电动机。
P(+)、N(-)直流连接端子,可连接外部制动单元。
PE变频器外壳接地连接端子.
变频器主电路接线注意点:
1。
主电路U、V、W是输出端子,绝对不允许接工频电源,否则将烧毁变频器逆变桥。
2.PE应该连接柜壳,以便通过柜壳接地。
接地导线的截面不小于4mm.
3。
N(—)为中间直流回路低电平端子,绝对不允许接电源中性线或接地.否则将烧毁变频器整流桥。
4.变频器和电动机之间距离过长时,例如大于100m,变频器应该加装输出电抗器,以限制分布电容造成的电流尖峰。
5.电动机冷却风扇送风量和转速平方成正比,变频器长期处于20赫兹以下运行时,转速太低,容易烧毁电动机,应该加装电动机外部冷却。
二、变频器二次端子
变频器的二次端子,不同产品都不一样.但是,各种功能都有端子对应。
现以ABB变频器为例进行讲解.对于其它型号变频器,按输入、输出功能从说明书中找出对应端子,即可接线应用。
1.启动/停止
变频器都有手动启动输入端子,只要把变频器24V端子经过外部接点从启动端子输入,变频器就启动。
接点断开,变频器停止输出.ABB变频器手动启动从数字输入(DI)端子DI1接入;集控启动从DI6接入。
2.速度给定
速度给定也叫做模拟输入(AI)信号.
手动启动后,速度给定从AI1输入。
把电位器接在变频器10V端子和0V端子之间,从电位器中间抽头取得0~10V电压速度给定信号,AI1输入。
10V对应最高频率。
自动启动后,从AI2输入4~20mA速度给定电流信号.为此,必须在DI3端子输入一个转换信号。
可用外部手动/自动转换开关的接点把变频器24V电压接入DI3。
这样,变频器内部速度给定信号接收点就从AI1转换到AI2。
4mA对应零转速,20mA对应额定转速.
3.模拟输出
为了显示或反馈变频器的频率(转速)、电流、电压等量值,一般变频器都有模拟输出(AO)信号。
模拟输出信号一般为4~20mA电流信号,也可改变设置输出电压信号。
ABB变频器出厂设定AO1输出频率值,AO2输出电流值.用户可以改变设置,输出其它参数。
4.继电器输出
继电器输出也叫做数字输出。
变频器运行时,从数字输出(RO)端子输出干接点开关信号,反映变频器准备、运行、故障等状态.ABB变频器出厂已设定
三个继电器接点对应的状态信号,但是用户可以改变设置。
对于其它型号的变频器,通过说明书查出如下端子:
(1)。
启动/停止输入端子,24V端子
(2)。
手动/自动转换输入端子
(3).电位器手动速度给定AI1,集控速度给定AI2
(4)。
模拟输出速度信号AO1、电流信号AO2
(5).继电器输出及对应的状态信号
三、变频器二次控制电路
二次控制电路注意点:
1.具有工频/变频切换时,因为变频器输出端不能加工频电压,工频接触器和变频输出接触器之间要有互锁。
2.与变频器有关的模拟信号线选用屏蔽双绞线。
3。
变频器的电源线,应连接到进线接触器之前。
4.继电器输出接点有容量限制,也不要接大感性负载。
5.启动命令信号一般为脉冲信号,要保证变频器通电自检后,再输入启动命令信号.
6.输出信号是由变频器供应的有源信号,可以直接接显示仪表。
7.对于输入模拟信号,要查清楚电源是由变频器供应,还是外部电源供应.
ABB变频器接线参考图
西门子变频器接线参考图
说明:
上图接触器接在变频器输出端,原因是这种变频器没有外接电源端子,必须先通电自检才能启动。
这种接法适用于不频繁启停,且停止前应先减速到零。
第三讲变频器的参数设置和调试
一、变频器通电
对变频器进行调试前,必须通读说明书,仔细检查变频器的二次端子引出线
接到何处.速度给定AI1是从变频器10V电源取得电压信号,AI2是外部送入4~20mA电流信号,AO1、AO2是变频器送出的4~20mA信号,这些端子绝对不能接220V电压.一旦碰上220V电压,输入、输出口立即烧毁。
变频器投入使用前,应检查所有小开关和跳线端子,使之符合使用状况。
变频器主回路输出端子绝对不能接工频电源!
按照说明书对变频器接线进行检查,无误后才可通电.变频器通电后,显示屏应该显示说明书中标明的画面。
二、参数设置
从说明书中学习面板的操作方法,首先学会如何进入参数设置.对于主要参数,要了解它的意义、设定范围、出厂默认值.大部分参数不需要设置,只采用默认值就可以了。
从说明书中查出如何恢复出厂设置。
在输入参数前,应该先恢复出厂设置。
因为,有可能之前有人调过变频器,参数已经不是出厂默认值。
一般应该检查和输入以下参数:
1.电机数据电动机的额定电压、额定电流、功率、频率、转速等。
变频器出厂默认为四极电机。
如果实际用的不是四极电动机,则必须设置电机极数、额定转速、最高转速等参数。
2.手动/自动转换端子变频器启动后,默认从AI1接收0~10V电压信号.如果要从AI2输入4~20Ma信号,必须“告诉"变频器,这就需要从某一个端子输入开关信号。
已经有默认端子,还是需要指定端子,各个变频器不一样.
3.速度给定信号速度给定是电压,还是电流,给定电压范围、给定电流范围
等都需要检查、设置。
特别是电流,一般要把0~20mA改为4~20mA.
4.加速、减速时间对于重载应用,加速、减速时间应该设置长一些,比如30~40秒。
一般,开始调试时先把加减速时间设的长一些。
5.PID控制需要用PID调节的时,必须进行速度给定和速度反馈设定。
具体方法因变频器而异,可从说明书中查出.
三、空载调试
变频器初次投入运行,首先进行空载调试。
为此,脱开电动机和负载之间联轴节.先从面板启动变频器,大多数变频器首次启动都需要自检。
面板给定速度,点动检查电动机旋转方向,许多机械设备是不允许反转的。
如果旋转方向不对,只要调换变频器输出端任意两相连接即可。
调换变频器输入端任意两相连接是无用的,这是因为变频器输入端是整流器,和相序无关。
四、负载调试
空载调试后,可进行负载调试.
1.手动电位器给定调试变频器置于远方控制方式。
转换开关置于手动位置。
用按钮经过DI1启动变频器,用电位器调速。
如果变频器不启动,则检查DI1端子和GND(地)之间是否加上24V脉冲电压,即启动信号加上没有。
如果不能调速,则检查AI1端子和0V之间是否有电压输入。
如果调速非线性,或方向不对,则是电位器端子连接错误。
如果最高转速不对,则是电动机参数输入有错误。
调节变频器使电动机在不同速度下运行,观察有无异常。
2.集控给定调试转换开关置于自动位置,转换端子DI3应该有24V电压。
集控启动变频器,从AI2输入4~20mA电流信号.如果不能调速,则检查AI2是否有电流信号。
可以在停机状态下,串入电流表,再开机测量。
也可以串入5K左右电阻,用万用表电压档测量电阻上电压。
AO端子的输出,可以用万用表直接测量。
调试过程中,加速、减速都应该缓慢一些,停止前最好先让电动机减速到零,以免产生过电流、过电压,或机械冲击.
五、负载特性和变频器
生产机械的负载转速n与负载转矩之间关系,称为生产机械的负载特性。
不同的生产机械对调速有不同要求.
恒转矩负载特性其特点是负载转矩为常数,如起重机械的提升机构、皮带运输机等。
对于这类机械,都用到变频器低速转矩提升功能。
当转速变化时,电流变化不大。
长期在低速区运行会使电动机冷却效果差,电动机过热。
一般选用大一级电动机或外加冷却措施。
离心机型机械特性如离心式鼓风机、水泵等.它们的负载转矩TL与转速n的平方成正比,即TL=cn².这类机械最适用变频器调速,可以得到显著的节能效果.调试水泵时,主要保证启动转矩.
恒功率型机械特性此类机械的负载转矩TL与转速n成反比,如车床加工,在粗加工时,切削量大,负载阻力大,开低速;在精加工时,切削量小,负载阻力小,开高速。
当选择这样的方式加工时,不同转速下,切削功率基本不变。
这类机械要求低速时高转矩,必须加大磁通量和电动机定子电流,一般应该选用变频器专用电动机。
六、常用变频器设置方案
西门子变频器设置方案
一、操作方式
1.现场操作:
从DI1输入端子启/停,从AI1输入,电位器0~10V给定。
2.集控操作:
DI4端子输入选择自动,DI1输入端子启/停,AI2输入4~20mA给定。
二、恢复出厂设置
P0010=30P0970=1按P键3分钟完成
三、快速调试
DIP小开关设置:
左(决定AIN1)=OFF表示0~10V
右(决定AIN2)=ON表示0~20mA
P0010=1(为了输入电机参数,且显示较少参数,快速调试,调完后自动恢复0)
P0304=【400】V(【】表示出厂值,保留)P0305=AP0307=KW
P0311=r/min
P1120=【10】(升速时间,出厂值为10秒,可根据负载性质适当延长)
P1121=【30】(减速时间,出厂值为30秒,可根据负载性质适当缩短)
其他参数保留出厂值,
P3900=3结束快速调试。
至此,可以现场手动操作.
四、现场/集控设置
P0003=3(专家级)
P0700.0=【2】(现场)P0700。
1=2(集控)启/停命令源2表示端子输入。
P1000。
0=【2】(AIN1)P1000.1=7(AIN2)给定模拟输入口选择。
P0704=99(参数化)P0810=722。
3(通过DIN4转换).
五、4~20mA设置
出厂设定电流输入、输出为0~20mA,现设置为4~20mA
P0756。
1=2(AIN2设置为单极性电流)
AIN2:
P0757.1=4mA
P0761。
1=4mA(死区宽度)
AO1:
P0778.0=4mA
P0781.0=4mA(死区宽度)
AO2:
P0778。
1=4mA
P0781.1=4mA(死区宽度)
面板操作:
P→r0000△找到Pxxxx,P→in000(△→in001)P→出厂值△设定,
P→Pxxxx(下一个),P以下操作同,直至设置完成.
返回显示:
按▽直到r0000,按P即返回,in001为下标,表示Pxxxx.1
ABB变频器设置方案
一、操作方式
1。
现场操作:
从DI1输入端子启/停,从AI1输入,电位器0~10V给定。
2。
集控操作:
DI3端子输入选择自动,DI6输入端子启/停,AI2输入4~20mA给定.
二、恢复出厂设置
99.03:
NO不恢复
YES恢复
三、快速调试
99。
02:
选择宏这是ABB变频器设置的关键.所谓宏是指宏程序,是变频器的一组参数,对应一种控制方式。
选择宏以后,该种控制方式对应的参数自动设置好了。
FACTORY工厂宏,用于只有本地控制场合。
HAND/AUTO手动/自动宏,用于手动/集控两地控制.
PID比例、积分、微分宏,用于闭环自动控制
99.04:
控制方式一般选DTC(直接转矩控制),也可选SCALAR(标量控制)。
99.05~99.09:
输入电机参数。
四、现场/集控设置
手动/自动宏宏以后,变频器内部自动选择DI3端子作为手动/自动转换,DI6端子作为自动启/停,AI2输入4~20mA给定。
五、4~20mA设置
出厂设定电流输入、输出为0~20mA,现设置为4~20mA
13.06:
4mA,AI2输入最小电流
15.03:
4mA,AO1输出最小电流
15。
08:
4mA,AO2输出最小电流
面板操作:
PAR(显示参数),△▽(找参数组),ENTER(确认),△▽(选择参数),ENTER(确认)。
变频器参数一般可以从99.xx开始设置.
第四讲变频器的常见故障及处理
一、参数设置类故障
常用变频器在使用中,是否能满足传动系统的要求,变频器的参数设置非常重要,如果参数设置不正确,会导致变频器不能正常工作。
1.参数设置
常用变频器,一般出厂时,厂家对每一个参数都预先设定。
这些参数叫出厂值。
在这些参数值的情况下,用户能以面板操作方式正常运行的,但以面板操作并不满足大多数传动系统的要求。
所以,用户在正确使用变频器之前,要对变频器参数时从以下几个方面进行:
电机参数变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率。
这些参数可以从电机铭牌中直接得到.
变频器采取的控制方式,即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。
选用控制方式后,一般要根据控制精度,需要进行静态或动态辨识。
变频器的启动方式一般变频器在出厂时设定从面板启动,用户可以根据实际情况选择启动方式,可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。
给定信号的选择一般变频器的频率给定也可以有多种方式,面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定.对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。
正确设置以上参数之后,变频器基本上能正常工作,如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。
2.参数设置类故障的处理
一旦发生了参数设置类故障后,变频器都不能正常运行,一般可根据说明书进行修改参数.如果不行,最好是能够把所有参数恢复出厂值,然后按上述步骤重新设置。
对于每一个公司的变频器其参数恢复方式也不相同.
变频器通电后显示正常,恢复出厂值后,只要输入电机参数,一般都能从面板启动。
变频器启动过电流,可以增加启动加速时间。
二、二次接线故障
这类故障主要表现为,面板启动、调速正常,按钮或自动不能启动调速。
这时先检查控制方式和对应的启动端子是否正确,启动端子上有无24V电压信号?
如果能启动不能调速,应检检查模拟输入接线是否正确?
测试模拟输入端子AI上是否有电压(或电流)信号。
新安装的变频器调试时故障,一般都是参数设置类故障或二次接线故障。
调速变频器前一定要通读说明书,熟悉该类变频器特性和注意事项,学会主要参数的意义和设置方法。
应该记住,检查确认接线正确之前,绝对不能给变频器通电。
防止烧毁变频器控制主板。
三、变频器运行故障
1、过电压故障
变频器直流电为三相全波整流后的平均值.若以380V线电压计算,则平均直流电压Ud=1。
35U线=513V.在过电压发生时,直流母线的储能电容将被充电,当电压上至760V左右时,变频器过电压保护动作.因此,变频器来说,都有一个正常的工作电压范围,当电压超过这个范围时很可能损坏变频器,常见的过电压有两类。
输入交流电源过压
这种情况是指输入电压超过正常范围,一般发生在节假日负载较轻,电压升高或降低而线路出现故障,此时最好断开电源,检查、处理.
发电类过电压
当变频器拖动大惯性负载时,其减速时间设的比较小,在减速过程中,变频器输出的速度比较快,而负载靠本身阻力减速比较慢,使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高,电动机处于发电状态,而变频器没有能量回馈单元,因而变频器支流直流回路电压升高,超出保护值,出现故障.处理这种故障可以增加再生制动单元,或者修改变频器参数,把变频器减速时间设的长一些。
增加再生制动单元功能包括能量消耗型,并联直流母线吸收型.能量回馈型.能量消耗型在变频器直流回路中并联一个制动电阻,通过检测直流母线电压来控制功率管的通断.并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统,这种系统往往有一台或几台电机经常工作于发电状态,产生再生能量,这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收,能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的,当有再生能量产生时,可逆变流器就将再生能量回馈给电网。
变频器中间直流回路电容容量下降
变频器在运行多年后,中间直流回路电容容量下降将不可避免,中间直流回路对直流电压的调节程度减弱,在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下,发生变频器过电压跳闸几率会增大,这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查.
2、过电流故障
过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。
其可能是由于变频器的加减速
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