1、Click to edit Master title styleClick to edit Master subtitle style1变频器初级培训教材MDI产品部产品部培训目标n了解电气传动的基本概念n掌握变频器的基本工作原理n能初步理解变频器宣传资料n能向用户进行简单的技术交流和宣传性介绍n了解变频器的基本应用和选型原则n了解变频器的市场竞争状态目录n电气传动基础知识n通用变频器的构成n通用变频器保护功能nEMERSON公司产品情况n变频器应用简介n变频器选型n中国市场竞争情况电气传动基础知识 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
2、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l T电机转矩 T负
3、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l 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l 加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关T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l 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l 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
4、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T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l 生产流水线l 起重行走速度T负载转矩势能恒转矩l 电梯l 起重机提升恒功率（ 速度越低，负载转矩越大）l 机床l 开卷机 /收卷机变转矩（ 速度越低，负载转矩越小）l 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：l
5、控制对象：直流电动机l 控制原理简单，一种调速方式l 性能优良，对硬件要求不高 l 电机有换向电刷（换向火化）l 电机设计功率受限l 电机易损坏，不适应恶劣现场l 需定期维护交流电气传动系统特点：l 控制对象：交流电动机l 控制原理复杂，有多种调速方式l 性能较差，对硬件要求较高l 电机无电刷，无换向火化问题l 电机功率设计不受限l 电机不易损坏，适应恶劣现场l 基本免维护l 70年代以前直流占统治地位l 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
6、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
7、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l 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l 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 ( Variable Voltage Variable Frequency）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
8、 动 冲 击电 流，减少 变压 器占有量，确保 电 机安全2 在机械允 许 的情况下可通 过 提高 变频 器的 输 出 频 率提高工作速度3 无 级调 速， 调 速精度大大提高4 电 机正反向无需通 过 接触器切 换5 非常方便接入通 讯 网 络 控制， 实现 生 产 自 动 化控制变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）变频器基础知识 变频调速的发展历程电机控制算法功率半导体技术V/F控制SCR GTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSPIGBT大容量化更高速率和容量如：矩阵式变频器大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波PWM技术 SPWM技术PWM优化新一代开关技
9、术无速度矢量控制电流矢量 V/F70年代 80年代60年代 90年代高速 DSP专用芯片00年代超静音变频器开始流行解决了 GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化更大容量更高开关频率PWM技术 空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用变频器基础知识 变频器分类供 电电 源低 压 220V/1PH、 220V/3PH、 380V/3PH高 压 3000、 6000、 10000V/3PH控制算法 通用 内置 V/F控制方式， 简单 ，性能一般高性能 内置矢量控制方式，复 杂 ，高性能变换 方法（拓朴 结构）交直交 电压 型（ 储 能 环节为电 解 电 容
10、）电 流型 (储 能 环节为电 抗器）交交 无 储 能 环节注：l 交直交电压型变频器因结构简单，功率因素高，目前广泛使用l 常用设计功率在 315KW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S1S4S2S3Ed U1S1,S3导通S2,S4导通 S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,
11、S4导通f1f2EdU1逆变器的功能：l 通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率l 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S1S4S5S2S3S6UVEdW 561UUVUVWUVW612 123 234 345 456 561 612三相逆变电路Ed缺点：l 输出电压的谐波分量太大l 电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机l 转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳l 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 简要工作原理调制解调器调制解调器 的英文是 MODEM，其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。 电子信号分两种，一种是
12、 “ 模拟信号 ” ，一种是 “ 数字信号 ” 。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而 PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入 Internet时，就必须使用调制解调器来 “ 翻译 ” 两种不同的信号。 连入 Internet后，当 PC机向 Internet发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号 “ 翻译 ” 成模拟信号，才能传送到 Internet上，这个过程叫做 “ 调制 ” 。 当 PC机从 Internet获取信息时，由于通过电话线从 Internet传来的信息都是模拟信号，所以 PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器
13、这个 “ 翻译 ”, 这个过程叫作 “ 解调 ” 。合起来就是 “调制解调 ” 。变频器基础知识 简要工作原理SPWM调制载波PWM（ Pulse Width Moduration）调制l 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。l 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l 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l 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
14、问题变频器基础知识 控制算法交流调速的控制核心是：只有保持电机磁通恒定才能保证电机出力，才能获得理想的调速效果V/F控制 简单实用，性能一般，使用最为广泛l 只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定例 : 对于 380V 50Hz电机，当运行频率为 40HZ时，要保持 V/F 恒定，则40HZ时电机的供电电压 :380 （ 40/50) 304Vl 低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高矢量控制 性能优良，可以与直流调速媲美，技术成熟较晚l 模仿直流电机的控制方法，采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制，保持电机磁通的恒定，进而
15、达到良好的转矩控制性能，实现高性能控制。性能优良，控制相同复杂，直到 90代计算机技术迅速发展才真正大范围使用变频器基础知识 控制算法项 目 通用 变频 器 高性能 变频 器控制算法 V/F控制 转 矩提升同步机异步机控制算法基本相同开 环 矢量控制（无速度 传 感器矢量控制）闭环 矢量控制（有速度 传 感器矢量控制）异步机和同步机需要不同的控制算法调 速范 围 1:40 1:100（开 环 矢量 ),1:1000(闭环 矢量 )启 动转 矩 无要求 180% 0.5Hz（开 环 矢量 )，200% 0速 (闭环 矢量 )稳 速精度 与 转 差有关（ 2-3%) 0.5%(开 环 矢量 )，
16、0.05%(闭环 矢量 )转 矩控制 无 有控制算法 简单 复 杂电 机参数 不依 赖电 机参数，支持同 时驱动 不同 类型不同功率的 电 机电 机参数 对 控制性能的影响 较 大，一般只能 驱动 一台 电 机变频器基础知识 变频器关键技术指标输入侧额定工作电压： 给变频器供电的额定工作电压，各国家不完全一样。中国是 220V/单相 /50HZ或 380V/3相 /50HZ电压允许波动： 限制变频器的最高和最低工作电压，避免损坏变频器当电压超过最高值时变频器并没有保护能力频率波动范围： 50/60Hz5 输出侧 额定输出电压：变频器的最大输出电压，由额定工作电压决定额定电流： 变频器能够长期输
17、出的最大电流过载能力： 变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间，由逆变模块决定最大输出频率：变频器能够输出的最大工作频率频率精度： 输出频率的准确度（相对于设定频率）频率分辩率： 指给定运行频率的最小改变量防护等级IP20(不防水） 变频器的构成 实用原理框图1 4 3 2567 8适用于小功率（ 5.5KW)适用于中大功率 (5.5KW以上）类别 作用 主要构成器件主回路整流部分 1 将工 频 交流 变 成直流， 输 入无相序要求 整流 桥逆 变 部分 2 将直流 转换为频 率 电压 均可 变 的交流电 ， 输 出无相序要求 IGBT制 动 部分3/4消耗 过 多的回 馈 能量，保持直
18、流母 线电压 不超 过 最大 值单 管 IGBT 和制 动电 阻,大功率制 动单 元外置上 电缓 冲 6 降低上 电 冲 击电 流，上 电结 束后接触器自 动 吸合，而后 变频 器允 许 运行 限流 电 阻和接触器储 能部分 5 保持直流母 线电压 恒定，降低 电压 脉动 电 解 电 容和均 压电 阻控制回路键盘 7 对变频 器参数 进 行 调试 和修改，并 实时监 控 变频 器状 态 MCU(单 片机）控制 电 路 8 交流 电 机控制算法生成，外部信号接收处 理及保 护 DSP(或两个 MCU）变频器的构成 实用原理框图类别 作用结构件散 热 器 将整流 桥 、逆 变 器 产 生的 热 量
19、散 发 出去温度 传 感器 检测 散 热 器温度，确保模 块 工作在允 许 温度 环 境下风 扇 配合散 热 器，将 变频 器内部的 热 量 带 走，有直流 风 扇（ 24V)和交流 风 扇两种变频器的构成 实用原理框图变频器的构成 用户接口主回路接口控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口变频器的构成 主回路接口工频电网输入380V 3PH/220V 3PH220V 1PH制动电阻直流电抗器 三相交流电机变频器的构成 控制回路接口接口 类 型 主要特点 主要功能开关量 输 入 无源 输 入，一般由 变频 器内部 24V供 电 ， 启 /停 变频 器，
20、接收 编码 器信号、多段速、外部故障等信号或指令开关量 输 出 集 电 极开路 输 出、 继电器 输 出 变频 器故障、就 绪 、达速等，参与外部控制模 拟 量 输 入 0-10V/4-20mA 频 率 给 定 /PID给 定、反 馈 ，接收来自外部的 给 定或控制模 拟 量 输 出 0-10V/4-20mA 运行 频 率、运行 电 流的 输 出，用于外界显 示 仪 表和外部 设备 控制脉冲 输 出 PWM波 输 出 功能同模 拟 量 输 出（只有个 别变频 器提供）通 讯 口 RS485/RS232 组 网控制以上端子均可自由编程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、
21、 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EMERSON 公司产品情况 产品系列MDI经济型 通用TD900 TD1000/TD2000 TD3000TD2100供水 TD3100电梯TD3200门机TD3300张力TD3400注塑机低 高EV3100电梯多EV1000EV2000经济实用型V/F控制多功能V/F控制电流矢量 多功能，矢量控制功能：少全面支持 MODBUS/PROFIBUS性能
