变频器、软起动器电路设计宝典-内部培训绝密资料

施耐德电气变频器、软起动器、电机管理控制器电路设计宝典施耐德电气配电电气事业部市场部项目支持中心2009年9月（封面另作设计）序言1ⅰ-1序言2ⅰ-2前言变频器、软起动器与现代工业生产和人们的日常生活联系非常紧密。在钢铁、冶金、石油开采、石油冶炼、水泥、造纸、水处理等工业行业，以及在商场、办公楼、写字楼、会议中心、住宅等民用建筑中，变频器、软起动器得以大量应用，既大大提高了劳动生产率，又满足了人们日常生活的需要。本书以应用为目的，强调实用性，以弥补现有变频器、软起动器书籍在电路设计内容上的不足。本书共有8章，第1章详细阐述了变频器、软起动器的基本原理，说明了变频器和软起动器功能的差异。第2章详细说明了变频器和软起动器各种选件的功能及选配方法，详细讲解了很多相关知识，如变频器线路接触器的作用及控制方法；变频器产生谐波电流的原因及危害，各种谐波电流抑制选件的原理及功能差异；变频器产生电磁干扰的原因、危害及抑制选件；变频器输出产生过电压的原因及危害，各种dv/dt抑制选件的原理及功能差异；变频器选配制动能量释放选件的原因及选配方法等。通过这些内容，便于从应用的角度，从本质上掌握变频器、软起动器各种选件的功能、选配依据和使用方法。为便于读者思考并掌握相关知识，第1章和第2章留有思考题。第3章以施耐德电气的变频器ATV21、ATV61/ATV71和软起动ATS48为例，详细分析了变频器、软起动器一次电路和二次电路设计中的各种常见错误，指出了错误设计导致的后果，并给出了正确的设计。第4章分析了变频器、软起动器招标技术规范书中常见的错误描述，并给出了正确的描述。本书还提供了大量实用应用图：第5章——《变频器、软起动器及电机管理控制器标准应用一次、二次图》，第6章——《变频器、软起动器特殊应用方案》，第7章——《变频器、软起动器PLC恒压供水、污水处理方案》以及典型的《冷站DDC控制原理图》。这些应用方案一定正确、一定科学、一定合理，供广大电气设计人员和电气工程技术人员参考。第8章为附录，其中附录1-3提供了变频器、软起动器招标技术规范书范本，供读者参考选用；附录4是常见负载的分类方法；附录5是思考题参考答案。本书特别适用于刚接触变频器、软起动器设计的年轻设计师和工程技术人员，同时可供广大电气设计师和电气工程人员参考。限于作者水平有限，书中错误和不足之处在所难免，欢迎广大读者批评指正，作者不胜感激。李利施耐德电气（中国）投资有限公司市场部项目支持中心2009年9月公司邮箱：[e-mail]ⅰ-3目录1.变频器、软起动器基本原理…………………………………………………………Ⅰ-11.1变频器基本原理………………………………………………………………………Ⅰ-11.2软起动器基本原理……………………………………………………………………Ⅰ-31.3变频器、软起动器的区别……………………………………………………………Ⅰ-52变频器、软起动器选件功能说明……………………………………………………Ⅱ-12.1变频器选件功能说明…………………………………………………………………Ⅱ-12.1.1变频器主回路接触器…………………………………………………………………Ⅱ-12.1.2变频器进线侧谐波电流抑制选件………………………………………………………Ⅱ-22.1.3变频器出线侧dv/dt抑制选件…………………………………………………………Ⅱ-102.1.4变频器EMC滤波器…………………………………………………………………Ⅱ-222.1.5变频器制动能量释放选件……………………………………………………………Ⅱ-232.1.6变频器其它选件………………………………………………………………………Ⅱ-262.2软起动器选件功能说明………………………………………………………………Ⅱ-272.2.1进线接触器和旁路接触器…………………………………………………………………………Ⅱ-272.2.2快速熔断器…………………………………………………………………………………………Ⅱ-282.2.3进线电抗器…………………………………………………………………………………………Ⅱ-282.2.4通讯模块……………………………………………………………………………………………Ⅱ-292.3变频器、软起动器主要选件总结……………………………………………………Ⅱ-302.3.1变频器主要选件……………………………………………………………………………………Ⅱ-302.3.2软起动器主要选件…………………………………………………………………………………Ⅱ-323施耐德电气变频器、软起动器一次图常见错误设计………………………………Ⅲ-13.1施耐德电气变频器一次图常见错误设计………………………………………………Ⅲ-23.1.1施耐德电气变频器ATV21一次图常见错误设计…………………………………………Ⅲ-23.1.2施耐德电气变频器ATV61一次图常见错误设计…………………………………………Ⅲ-53.1.3施耐德电气变频器ATV71一次图常见错误设计…………………………………………Ⅲ-83.2施耐德电气软起动器ATS48一次图常见错误设计……………………………………Ⅲ-93.3施耐德电气变频器、软起动器二次图常见错误设计…………………………………Ⅲ-123.3.1施耐德电气变频器ATV21二次图常见错误设计………………………………………Ⅲ-133.3.2施耐德电气变频器ATV61/71二次图常见错误设计……………………………………Ⅲ-183.3.3施耐德电气软起动器ATS48二次图常见错误设计……………………………………Ⅲ-264变频器、软起动器招标技术规范书注意事项………………………………………Ⅳ-14.1变频器招标技术规范书注意事项……………………………………………………Ⅳ-14.2软起动器招标技术规范书注意事项…………………………………………………Ⅳ-6ⅰ-45施耐德电气变频器、软起动器、电机管理控制器典型应用一次、二次图…………Ⅴ5.1施耐德电气变频器ATV61典型应用一次、二次图………………………………………Ⅴ-Ⅰ5.2施耐德电气变频器ATV21典型应用一次、二次图……………………………………Ⅴ-Ⅱ5.3施耐德电气变频器ATV71典型应用一次、二次图……………………………………Ⅴ-Ⅲ5.4施耐德电气软起动器ATS48典型应用一次、二次图…………………………………Ⅴ-Ⅳ5.5.1施耐德电气电机管理控制器TesysT典型应用一次、二次图……………………Ⅴ-Ⅴ-Ⅰ5.5.2施耐德电气电机起动控制器TesysU典型应用一次、二次图……………………Ⅴ-Ⅴ-Ⅱ6施耐德电气变频器、软起动器特殊应用方案………………………………………Ⅵ6.115KW离心风机ATV61变频控制电气原理图（带消防备用电路）……………………Ⅵ-Ⅰ6.215KW离心风机、或离心泵ATV21变频器控制电气原理图（带备用电路）…………Ⅵ-Ⅱ6.318.5KW风机正反转ATV61变频控制电气原理图…………………………………………Ⅵ-Ⅲ6.4160KW风机正反转ATS48软起动控制电气原理图………………………………………Ⅵ-Ⅳ6.5双速风机ATS48软起动控制电气原理图…………………………………………………Ⅵ-Ⅴ6.63×55KW消火栓泵两用一备ATS48软起动控制电气原理图……………………………Ⅵ-Ⅵ6.73×11KW自动喷淋泵两用一备ATS48软起动控制电气原理图…………………………Ⅵ-Ⅶ7施耐德电气变频器、软起动器工程应用方案……………………………………………Ⅶ7.1恒压供水变频器、软起动器PLC控制系统应用方案……………………………………Ⅶ-Ⅰ7.2水处理变频器、软起动器PLC控制系统应用方案………………………………………Ⅶ-Ⅱ7.32×479KW螺杆水冷冷水机组冷站DDC控制原理图……………………………………Ⅶ-Ⅲ8附录………………………………………………………………………………………Ⅷ-1附录1变频器招标技术规范书（适用于工业离心风机、离心泵）……………………………Ⅷ-1附录2变频器招标技术规范书（适用于建筑离心风机、离心泵）……………………………Ⅷ-5附录3软起动器招标技术规范书………………………………………………………………Ⅷ-7附录4负载分类…………………………………………………………………………………Ⅷ-9附录5思考题参考答案…………………………………………………………………………Ⅷ-12ⅰ-51变频器、软起动器基本原理1.1变频器基本原理（交-直-交型）变频器的理论基础为“面积等效原理”：即冲量（窄脉冲面积）相等而形状不同的窄脉冲，加在具有惯性的同一环节上，其效果基本相同。这里所说的“效果基本相同”，是指环节的输出响应波形基本相同。将一系列电压脉冲的宽度按正弦规律进行调制，加在电机绕组端，回路中电流波形为正弦波。如图1-1，a）、b）、c）所示的三个形状不同的窄脉冲：a）为矩形脉冲，b）为三角脉冲，c）为正弦脉冲，它们的面积（即冲量）都相等，将它们加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。图1-1三种波形：a)矩形脉冲b)三角脉冲c)正弦脉冲常见的正弦波脉宽调制（SPWM），是指脉冲幅值相等，脉冲宽度按正弦规律变化，而和正弦波等效的PWM波形。这里所说的等效，是指这些矩形波脉冲和相应的正弦波部分面积相等。如图1-2所示，将一系列按SPWM法则调制的电压脉冲加在电机端，回路中的电流波形是正弦波。图1-2正弦波脉宽调制（SPWM）波形以上就是变频器的基本原理。Ⅰ-1交-直-交型变频器的主回路原理图见图1-3。图1-3交-直-交型变频器的主回路原理图“面积等效原理”深刻揭示了变频器的本质。交-直-交型变频器需要利用二极管或晶闸管将三相正弦波电压整流为直流，加上利用电容稳压储能，所以其输入侧一定会产生谐波电流。交-直-交型变频器的输出电压是矩形脉冲，在脉冲前后沿dv/dt（即电压变化率）非常大，所以其输出一定会产生过电压。交-直-交型变频器输入部分——整流环节产生的谐波电流，和输出部分——逆变环节产生的矩形脉冲电压会产生电磁干扰，所以变频器需要EMC滤波器减小其产生的电磁干扰，同时减小其运行环境中的电磁干扰对变频器自身的影响。当电动机运行在电动机状态时，电能由变频器传递到电动机；当电动机处于发电机或电磁制动状态时，电能由电动机反馈到变频器。由于变频器输入侧采用了具有单向导通性的二极管或晶闸管，反馈回的能量不能输送回电网，从而使得变频器内部直流母线电压升高。所以变频器一般需要制动晶体管（或制动单元）+制动电阻（或起重电阻）构成制动电路，将这些能量以热能的形式释放；或需要能量反馈单元，将其逆变成交流电反馈回电网。如果这部分能量不能及时有效释放，势必会使得变频器内部直流母线电压持续升高，以至于将内部储能电容击穿，从而使得变频器损坏或爆炸，造成严重后果。Ⅰ-21.2软起动器基本原理软起动器本质上是一种降压起动器，其基本原理是通过降低电机端的起动电压，以减小起动电流和机械冲击，并实现对电机平滑起动。常见的软起动器采用“削波”来实现对电机的降压起动。一般说来，软起动器主回路由6个单向晶闸管或3个双向晶闸管构成（见图1-4）。起动过程中，通过控制晶闸管的触发角α由大变小，使得输出电压逐渐增加。当α=0时，晶闸管输出全电压。软起动器起动过程中的“削波原理”见图1-5。软起动器一般需要旁路运行，这样既可延长软起动器晶闸管的使用寿命，还可保护晶闸管免受浪涌电压的冲击而损坏。软起动器本质上是一种降压起动装置，由于软起动器没有改变输出电压的频率，所以在降压起动的同时，一定会降低起动转矩。一般情况下，软起动器可将起动电流限定在额定电流的3倍或4倍以内，起动转矩一般为额定转矩的0.2~0.4倍。旁路后电流电流互感器图1-4软起动器（ATS48）主回路原理图图1-5软起动器