变频器基本原理讲座

丹佛斯（上海）自动控制有限公司传动与控制部培训专员沈绍炎地址上海市宜山路900号C楼20层电话[phone]手机[phone]变频器驱动基本知识为什么要用？变频器应用对象用市电供电的电机驱动斜坡/上升，下降在启动和停止的过程中，速度急剧变化会造成物体失去平衡，解决办法采用斜坡升，降曲线应用对象输出由变频器供电的电机驱动变频器应用——提水站•泵曲线显示了压力和流量的关系•系统曲线显示了系统的要求•设计的工作点显示了最大的系统要求下的最大流量要求(gpm：加仑/分钟，流量单位gallonsperminute,1GPM=4.5461*60/1000m3/hr)假定每小时1英寸的雨水对应的最大流量是360gpm•通常情况下只需要200gpm就可以维持提水战的工作要求。泵控制采用ON/OFF策略,用液位开关提供通/断信号•ON/OFF策略造成泵过度磨损•每次启动都有5-7倍电流•传统的办法是在泵下游安装阀结果•控制了流量•泵全速工作•压力上升浪费能量需要得能量安装阀门控制需要能量节约能量安装变频器•液位传感器监视水位，信号送给变频器•变频器控制泵电机速度•工作在新的位置•同时改善性能和效率阀门控制消耗功率kW扬程流量%H2H1Q2Q1O水泵特性H=f(Q)管阻特性H=f(Q)节约能量kW流量%消耗功率kW变频控制扬程H2H3Q2OQ1变频器控制水泵/水流量的好处•显而易见，使用变频器调节流量有着更好的节能效果！控制流量的好处•节约能量和资金•延长设备使用寿命电动机结构组成定子转子切割磁力线磁场右手定则电磁感应原理(发电机)dtdNe•Ф磁通量•e感应电动势•N线圈匝数切割磁力线磁场左手定则电动机原理LIBF•F安培力•B磁感应强度•I电流•L导体长度磁通旋转磁场旋转导条轴电动机运行原理电动机的同步转速和转差率pf60n0•n0同步转速rpm•f频率Hz•p电机极对数00nnnS•S转差率•no同步转速•n轴转速速度(RPM)100%转矩同步转速AM最大M启动三相交流电动机机械特性转矩-速度曲线和负载曲线电机应用对象速度速度转矩速度转矩恒转矩（CT)恒功率（CP)变转矩（VT)电机负载特性及应用实例速度速度转矩功率启动转矩大，静态时恒转矩运行。物料传送带转矩恒转矩曲线速度(RPM)100%同步转速额定转矩变频器对传送带的控制速度(RPM)转矩100%160%恒转矩曲线最大转矩A转矩短时可达160%CT特性的例子•搅拌机•提升机•电梯•灌瓶机•传送带•送料机•螺杆压缩机速度(RPM)转矩(T)100%恒转矩恒功率基频高频CP特性曲线CP特性应用实例速度速度转矩功率T∝n2P∝n3离心机，离心泵转矩正比于速度平方离心泵速度(RPM)转矩100%A变转矩曲线(VT)VT特性曲线变频器的基本功能和可选功能斜坡上升/下降改变速度启动/停止维持速度自由趟车限制保护基本功能启动/停止•三线启/停采用按钮启动绿接18号端子停止红接19号端子•二线启/停采用开关接18号端子•启/停也可通过操作面板实现•通讯方式改变速度设定方法•电位器•电压•电流•通讯•脉冲列•也可通过操作面板实现速度设定和改变速度改变的例子-传送带，水泵斜坡/上升，下降在启动和停止的过程中，速度急剧变化会造成物体失去平衡，解决办法采用斜坡升，降曲线上升时间速度时间参考值实际上升时间：20×（25/50）=10秒斜坡：上升/下降时间下降时间•上升/下降时间的设定以最高频率为基准•设定举例1.最高频率50HZ2.上升时间20秒3.频率设定25HZ限制保护电流速度转矩反馈值限制保护作用•保护电机和变频器•安全考虑转矩极限和电流极限变频器监视电机转矩和电流如果象传送带这样的装置由于负载过重或其他原因，超过了转矩极限和电流极限，变频器就会跳闸，避免事故发生。自由趟车自由趟车的触发自由停车触发两种途径•人为方式，断开37或27号端子和12号间的连接•变频器过载或过压，跳闸以保护变频器速度维持为了保持电机在恒定的速度上运行，变频器会根据负载轻重补偿频率，象传送带那样，无论箱包多少，轻重如何，传送带以设定的速度运行。制动负载维持夹持点动改变方向可选功能制动功能•由于惯性大，传送带的停止过程要比设定的时间长•电机运行处在发电机状态，电机速度比同步转速快•能量反馈到电机•变频器会报过电压报警•电机随后处在自由趟车状态制动功能解决方案：1.采用带有制动单元的变频器，制动单元连接制动电阻，电能转化成热能释放。2.向交流电机注入直流电会产生制动力3.直流母线并联，实现负载共享是另一种解决方案4.交流制动夹持功能-提升机传统的方法是采用机械抱闸，主要缺点是变速箱的齿轮易磨损，甚至断裂。过程不是平稳的。夹持功能-提升机采用变频器方案•首先变频器速度降至零，然后制动。•过程平稳，齿轮不会磨损和断裂•变频器在0速时有160%制动转矩•在0速时，电机仍有电流流过，产生热量，由于风扇停止，热量难以散发。•短期使用•如果需要较长时间制动，仍需使用机械制动改变方向改变方向传统的方法：•改变电机三相输入中任意两相的接线即可•通常通过继电器-接触器实现改变方向变频器有此功能，无需接触器。实现方法：•改变参数，将运行方向改成双向•连接12号和19号端子（出厂设定为反转）点动功能速度时间参考值点动斜坡•点动功能有特殊的使用场合•点动频率和点动上升时间可通过参数设定•12号和29号端子接通变频器按点动频率运行变频器基本结构与原理,变频器的选择主电源整流中间回路逆变器控制回路电机负载变频器结构组成PWM变频器常用的主回路结构整流单元交流输入中间直流中间回路DC电流DC电流整流逆变DC电抗电容•平滑DC脉动电压•储能•DC电抗减少谐波畸变400V565V整流中间回路逆变器控制回路电机负载中间回路电压UDC=1.35ULine主电源整流逆变器中间回路控制回路电机负载DC电压三相交流电压逆变器部分IGBTDClink六个IGBT集成模块或独立安装IGBT安装方式IGBT控制线路PWM频率3.5到15KHz调节PWM波形正弦脉宽调制（SPWM）连续的PWM触发信号标准PWM输出电路实测波形等效基波测试获得的PWM输出波形高速关断时产生的尖脉冲VLT变频器控制原理异步电动机的滑差-1500-1000-500050010001500200005101520253035Speed[RPM]Torque[Nm]Calculatedtorquecurvesfor1.5kWATB380V/50Hz,TypeVAV90L/4C-11目标运行(理想速度控制)实际运行(负载，速度)电动机等效电路图Rs,Rr:代表定子和转子电阻Rfe:铁损(电阻十分简单地表示了这些损耗）Lσs:定子漏抗Lσr:转子漏抗LM:励磁电抗:代表机械负载的附加电阻RsLsLrRr1ssRrRfeLM定子转子气隙s1_rRss1标量控制RsLsLrRr1ssRrRfeLMIm•通过维持恒定的激磁电流获得最佳性能•在忽略定子压降的前提下，通过电压和频率的比值控制Im,即“V/F控制”。Xm=Lmw=Lm2pfImV/XmIm_V___V__2pfLmfKV/F曲线电压V和频率F的额定值通常用Vmax和Fnom表示，驱动器的Vmax值受到供电电压的限制.而频率则不受限制.在FFnom的情况下V/F的比值由于受到电压的限制是下降的，频率越高，V/F的比值越低，这种情况称为V/F的比值“弱磁控制”补偿定子电压跌落FVVmaxFmon典型值50Hz,400V或60Hz,460V带补偿的标量控制(VLT2800)3~=fsetInputNoloadvoltagefset1Ustatorfstator.refMotorInvertercontrol电源U0LoadcompensatorCurr.ampl.calculationSlipcompensation()dUIDCfslipcalc.U/f特性(标量)频率电机电压空载电压电压0Hz额定频率滑差补偿负载补偿满负载电压T/n图（机械特性）市电供电的电机额定转矩电机转矩同步转速轴速度由变频器控制的电机Dyn.Risetime200-500ms标量控制的应用实例转矩是速度的函数标量控制速度范围1:25稳态速度精度基本速度范围的+-1%加速转矩额定转矩40-90%速度控制上升时间200-500ms转矩控制上升时间不可用电压矢量控制(开环)(闭环)速度范围1:1001:1000-10000取决测量装置精度稳态速度精度基本速度范围的+-0.5%由测量装置决定加速转矩额定转矩的80-130%速度控制上升时间50-300ms转矩控制上升时间20-50ms磁通矢量控制(开环)(闭环)速度范围1:1001:1000-10000取决测量装置精度稳态速度精度基本速度范围的+-0.5%由测量装置决定加速转矩额定转矩的100-150%额定转矩的100-160%速度控制上升时间10-100ms5-50ms取决于电机转矩控制上升时间0.5-5ms0,5-5ms控制原理的比较