变频器技术知识培训-艾默生

变频器技术知识培训培训目标了解电气传动的基本概念掌握变频器的基本工作原理了解变频器的基本应用和选型原则了解变频器的市场竞争情况目录电气传动基础知识变频器基础知识变频器的构成变频器基本功能变频器应用变频器选型国内低压变频器市场需求48.657.860.967.273.479.786.192.520032004200520062007200820092010（亿元）数据来源：中国工控网国内小型PLC市场需求26.836.33942.947.251.95711.813.815.517.218.822.024.020032004200520062007200820090.010.020.030.040.050.060.0（亿元）数据来源：中国工控网国内常用变频器品牌欧美品牌西门子、施耐德、ABB丹佛斯、ROCKWELL、VACON、西威日本品牌富士、三菱、安川、三垦、日立、欧姆龙松下电工、东芝国产品牌安邦信、森兰、英威腾、惠丰港台品牌台达、东元韩国品牌LG英国品牌CT、艾默生EV系列及SK系列主要产品－MDI应用类别简单应用OEM配套行业通用开环高性能闭环风机泵类SIEMENSG110MM410/420MM4406SE70MM430，G150ABBACS50/150ACS350ACS550ACS800ACS510/800MITSUBISHIS540E540F740A700F740FUJIMiniE11，MultiG11VG7P11，VPYASKAWAJ7V7F7G7E7SCHNEIDERATV11ATV31ATV71ATV71(扩展）ATV61DELTAL，SMBVPHITACHIL100SJ100,L200SJ200SJ300L300PSANKENEIHF，SHFIPF，SPFEMERSONEV800SKEV1000GEV2000GTD3000TD3000EV3500FreestandingTD2100EV1000/2000PEV3500Freestanding变频电机一体化（小型化）变频技术网络化变频传动分布化变频环保化主要竞争产品－PLC体积小型化功能中型化应用简单化行业设计化应用类别逻辑控制经济型通用型高性能SIEMENSLOGOS7-200CNS7-200S7-400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）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统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提高环境质量电梯、中央空调目的根据设备和工艺的要求通过改变电机速度或输出转矩改变终端设备的速度或转矩意义注：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—交流电机的机械特性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：转差率T：电机力矩N：速度n0额定异步机机械特性最大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额定最大T：电机力矩同步机机械特性交流异步电机广泛应用在传动系统中交流同步电机目前已开始在纺织行业广泛使用电气传动基础知识—电气传动系统基本工作原理电力传动系统运动方程式T电机转矩T负载转矩－－－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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dnT电机力矩－T负载阻力＝dtJT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速度模式：以控制转速恒定为目的，控制设备根据设定速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，达速时电机转矩等于负载转矩应用：如常规调速系统（电梯、各类生产线），转矩模式以控制电机转矩恒定为目的，达速时电机转矩等于负载转矩，但电机的运转速度不确定，如果控制不当可能会引起传动设备超速损坏等事故为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护应用：如：开卷/收卷dnT电机力矩－T负载阻力＝dtJT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生产流水线起重行走速度T负载转矩势能恒转矩电梯起重机提升恒功率速度越低，负载转矩越大机床开卷机/收卷机变转矩速度越低，负载转矩越小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：控制对象：直流电动机控制原理简单，一种调速方式性能优良，对硬件要求不高电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护交流电气传动系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂，有多种调速方式性能较差，对硬件要求较高电机无电刷，无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏，适应恶劣现场基本免维护70年代以前直流占统治地位，交流调速只在大功率电机调速上使用目前交流调速已经占统治地位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统相媲美早晚发展时间电气传动基础知识—交流电气传动系统的发展历程变频器基础知识—变频器定义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(VariableVoltageVariableFrequency）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—变频技术发展历程控制算法功率半导体技术V/F控制SCRGTR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SPWMPWM优化新一代开关技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）电流型(储能环节为电抗器）交交无储能环节交直交电压型变频器因结构简单，功率因素高(接近1），目前广泛使用变频器基础知识—基本工作原理～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—基本工作原理单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1逆变器的功能：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率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—基本工作原理S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612123234345456561612三相逆变电路（电压型）Ed特点：（180°导电型）输出电压的波形是矩形波，电流波形是正弦波。谐波分量太大。电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机。逆变器从直流侧向交流侧传送的的功率是脉动的，转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳。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三相逆变电路（电压型）变频器基础知识—基本工作原理将上图电压源换成电流源就是电流型变频器特点（120°导电型）输出电压的波形是正弦波，电流波形是矩形波。与负载性质无关。逆变器从直流侧向交流侧传送的的功率是脉动的，转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳。直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题变频器基础知识—基本工作原理调制解调器（PWM)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“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—基本工作原理SPWM调制载波PWM（PulseWidthModuration）调制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。SPWM调制是：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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GTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大。IGBT有效的解决了这个问题变频器基础知识—核心控制算法交流调速的控制核心：在预定的频率（速度范围内）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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380V50Hz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)＝304V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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—核心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1:401:100（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)，0.05%(闭环矢量