变频器基础知识概要课件.ppt

1、变频器基础知识 主要内容如下：一、电机调速方法和变频器概念电机调速方法和变频器概念 二、基本工作原理二、基本工作原理 三、变频器的分类三、变频器的分类 四、面板结构四、面板结构 五、接线端子五、接线端子 六、控制方式简介六、控制方式简介 七、保护功能七、保护功能 八、维护保养八、维护保养n n：电机转速：电机转速 f f：给电机供电的交流电频率：给电机供电的交流电频率 p p：电机极对数：电机极对数 s s：转差率：转差率n n60f/p(1-s)60f/p(1-s)交流异步电机的机械特性公式交流异步电机的机械特性公式1.1 电机调速方法和变频器概念电机调速方法和变频器概念n n：电机转速：电

2、机转速 f f：给电机供电的交流电频率：给电机供电的交流电频率 p p：电机极对数：电机极对数 n n60f/p60f/p交流同步电机的机械特性公式交流同步电机的机械特性公式三相异步电机的调速方法三相异步电机的调速方法1.变极调速2.变频调速3.改变转差率调速变频器的概念 变频器（变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技）是应用变频技术与微电子技术，通过改变术，通过改变电机电机工作电源工作电源频率频率方方式来控制交流电动机的电力控制设式来控制交流电动机的电力控制设备。备。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V

3、/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。n变频器的用途变频器的概念和用途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交流低压交直交通用变频器系统框图直流直流交流1.2 交直交变频器的基本工作原理交直交变频器的基本工作原理 1.2.1 交直交变频器的主电路交直交变频器的主电路 交直交变频器的主电路如图1.1.1所示。可以分为以下几部分：1、整流电

4、路交直部分整流电路通常由二极管或可控硅构成的桥式电路组成。根据输入电源的不同，分为单相桥式整流电路和三相桥式整流电路。我国常用的小功率的变频器多数为单相220V输入，较大功率的变频器多数为三相380V（线电压）输入。VT1VT3VT5VT2VT4VT6OCAB整流电路 滤波电路 逆变电路图1.1.1 变频器的主电路UdZA 三相电源ZBZC2、中间环节滤波电路 根据贮能元件不同，可分为电容滤波和电感滤波两种。由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，所以用电容滤波就构成电压源型变频器，用电感滤波就构成电流源型变频器。3、逆变电路直交部分 逆变电路是交直交变频器的核心部分，其中6个三极

5、管按其导通顺序分别用 VT1VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是彼此相差120的交流电压，即实现了从直流电到交流电的逆变。输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率，达到了变频的目的。实际逆变电路除了基本元件三极管和续流二极管外，还有保护半导体元件的缓冲电路，三极管也可以用门极可关断晶闸管代替。1.1.2 SPWM控制技术原理控制技术原理 我们期望通用变频器的输出电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前技术而言，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器。目前技术很容易实现的一种方法是：逆变器的输出波形

6、是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波型与正弦波等效，如图1.1.10所示。12t12ttUmsint图1.1.10 单极式SPWM电压波形u等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份（图中n等于12，实际n要大得多），然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，脉冲幅值不变，宽度为t，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形就与正弦波的正半周等效，称为SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation 正弦波脉冲宽度调制）波形。同样，正弦波的负半周也可以用同样的方法与一

7、系列负脉冲等效。这种正、负半周分别用正、负半周等效的SPWM波形称为单极式SPWM波形。虽然SPWM电压波形与正弦波相差甚远，但由于变频器的负载是电感性负载电动机，而流过电感的电流是不能突变的，当把调制频率为几kHz的SPWM电压波形加到电动机时，其电流波形就是比较好的正弦波了。1.3 变频器的分类变频器的分类1.3.1 按变换的环节分类按变换的环节分类1、交交变频器 交交变频器直接将电网频率和电压都固定的交流电源变换成频率和电压都连续可调的交流电源。主要优点是没有中间环节，变换效率高。缺点是连续可调的频率范围比较窄，且只能在电网的固定频率以下变化。一般为电网固定频率的，主要用于电力牵引等容量

8、较大的低速拖动系统中。2、交直交变频器 先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。在这类装置中，一般用不可控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变，则输出谐波可以减小。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减小的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。交直交变频器频率调节范围宽，变换的环节容易实现，目前广泛采用。通用变频器一般都采用交直交方式。1.3.2 按直流环节的储能方式分类按直流环节的储能方式分类1、电压源型变频器在交直交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是个内阻抗为零的恒压源

9、，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器，如图1.3.1（a）所示。RSTUVW（b）电流源型变频器RSTUVW（a）电压源型变频器C 图1.3.1 电压源型变频器与电流源型变频器2、电流源型变频器 当交直交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器，如图1.3.1（b）所示。有的交一交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。1.3.3 按控制方式分类按控制方式分类1、U/f控制变频器

10、U/f控制变频器的方法是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，通过使U/f（电压和频率的比）保持一定或按一定的规律变化而得到所需要的转矩特性。采用U/f控制的变频器结构简单、成本低，多用于要求精度不是太高的通用变频器。2、转差频率控制变频器 转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进。这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环。速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则有电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。3、矢量控制变频器 矢量控制是一种高性能异步电动机控制方

11、式，它的基本思路是将电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被成为矢量控制方式。4、直接转矩控制变频器 直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控矢量来控制。其特点为转矩控制是控制定子磁链，并能实现无传感器测速。1.3.4 按用途分类按用途分类1、通用变频器 通用变频器是指能与普通的异步电动机配套使用，能适合于各种不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。一般用途多数使用

12、通用变频器，但在使用之前必须根据负载性质、工艺要求等因素对变频器进行详细的设置。2、高性能专用变频器 高性能专用变频器主要用于对电动机的控制要求较高的系统。与通用变频器相比，高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是变频器生产厂家指定的专用电动机。3、高频变频器 在超精度加工和高性能机械中，通常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机的驱动要求，出现了PAM（脉冲幅值调制）控制方式的高频变频器，其生产频率可达3kHz。1.4 通用变频器的面板结构通用变频器的面板结构 尽管生产变频器的厂家不同，型号各异，但其面板结构大致相同。图1.4.1是施耐德Altivar31变频器的面板结构。主

13、要部分的作用为：.ESCENTSTOPRESETRUNRUNEERCANAltivar31红色LED直流总线接通选择以前的菜单或参数或增大显示值选择下一菜单或参数，或减小显示值给定电位器，如果CtL菜单中的Fr1参数设置为AIP时激活RUN按键，电动机正向模式接通控制，如果I/O菜单中的tCC参数设置为LOC时激活2个CAN总线接通状态LED退出菜单或参数，或清除显示值，以恢复以前的显示值进入某一菜单或参数，或对显示参数或显示值进行储存STOP/RESET键用于故障复位可用于控制电动机停车，如果I/O菜单中的参数tCC没有设置为LOC，为斜坡停车模式，但如果过程中有注入制动，就会产生自由停车图

14、1.4.1 Altivar31变频器操作面板4个7段显示器1、给定电位器如果CtL菜单中的Fr1参数或Fr2参数设置为AIP时激活，此时通过调节该电位器升降速，目前多数变频器没有该电位器，而是通过、键升降速。2、键在选择菜单或参数时，选择上面的菜单或参数；调整参数时，增大显示值。3、键在选择菜单或参数时，选择下一菜单或参数；调整参数时，减小显示值。4、ESC键退出菜单或参数，或清除显示值，以恢复以前的显示值。在设置参数时，如果不希望对新设置的参数进行储存，而保留以前的数值，按此键返回即可。5、ENT键 在设置菜单或参数时，按ENT键进入某一菜单或参数；设置完毕，对显示参数或显示值进行储存，此时

15、要按住ENT键直至显示参数或数值闪烁为止，有些参数或数值可以立即储存，而有些参数或数值需要按住ENT键2秒以上才能储存。6、RUN键 如果设置为本机控制（I/O菜单中的tCC参数设置为LOC），按一下RUN键，电动机正向模式运行；如果设置为2线或3线控制该键不起作用。7、STOP/RESET键 如果设置为本机控制，在变频器运行状态，用该键停车；如果设置为2线或3线控制，当CtL菜单中的PSt参数设置为yES时该键具有优先停车权，PSt参数设置为nO时该键不起作用；在变频器非运行状态，出现故障且已修复时，用该键复位。8、液晶显示器 4个7段显示，可显示的内容主要有：（1）参数设置（2）变频器运行

16、时，显示运行状态,可显示电机频率、电机电流、电机功率、线电压、变频器热态等，具体显示内容根据需要设置。1.5 通用变频器的接线端子通用变频器的接线端子 变频器能把电压、频率固定的交流电变换成电压、频率连续可调的交流电。变频器与外界的联系靠接线端子相连，接线端子又分主端子和控制端子。1.5.1 变频器主端子 变频器的输入端分为三相输入和单相输入两种，而输出端均为三相输出，三相输入的主端子如图1.5.1所示，单相输入的主端子如图1.5.2所示。表1.5.1 变频器的主端子功能端端 子子功功 能能备备 注注接地端子 接地线，不能与电源零线相接R/L1、S/L2单相电源对于单相输入变频器R/L1、S/

17、L2、T/L3三相电源对于三相输入变频器，不分相序PO直流母线“”极性，接外部电抗器出厂时已短接PA/+接制动电阻、电抗器PB接制动电阻PC/-直流母线“”极性U/T1、V/T2、W/T3接三相异步电动机 有相序之分 不同品牌的变频器的主电路端子基本相同。变频器主电路的接线包括接工频电网的输入端(三相R/L1、S/L2、T/L3，单相R/L1、S/L2)和接电动机的电压、频率连续可调的输出端(U/T1、V/T2、W/T3)，实际上，最常用的接线图如图1.5.4所示，其中图1.5.4（a）三相输入，图1.3.5（b）单相输入，QS为空气开关。特别注意：变频器的输出端只能接电动机，若把三相交流电特

18、别注意：变频器的输出端只能接电动机，若把三相交流电源直接接在变频器上，会损坏变频器！源直接接在变频器上，会损坏变频器！U V WM2QS变频器变频器 R S L N（a）三相输入（b）单相输入图1.5.4 变频器主电路的连接 U V WM2QS变频器变频器 R S T L1 L2 L3变频器输出变频器输出异步电动机异步电动机U V WU V W图1.5.3 实验台变频器与电动机的连接1.5.2 变频器控制端子变频器控制端子 Altivar31变频器控制端子。控制端子的接线如图1.5.5所示。图中逻辑输入端的触点可以是按钮，但用得更多的是中间继电器、交流接触器的触点或其它低压电器的触点，也可以是

19、PLC输出触点。R1A R1C R1B R2A R2CCLI LI1 LI2 LI3 LI4 LI5 LI6 24V+10V AI1 COM AI3 AI2 AOV AOC模拟电流模拟电压模拟电压输出模拟电流输出图1.5.5 控制端子的接线示意图 施耐德Altivar31变频器的模拟输入、模拟输出的公共端都是COM，逻辑输入的公共端CLI出厂时已经与COM接在一起。而许多其它品牌的变频器各部分的公共端子不相同。使用时特别注意。在图1.5.5中，各逻辑输入端子经触点与24V相接，这实际上是变频器内部逻辑输入开关打在SINK位置，逻辑输入的公共端CLI与公共地线COM相接，这是变频器出厂的默认接法

20、，如图1.5.6（a）所示。我们也可以把逻辑输入端子经触点与地短接，这时只需将变频器内部逻辑输入开关打在SOURCE位置即可，此时CLI与24V相接，如图1.5.6（c）所示。逻辑输入开关也可以打在中间CLI位置，如图1.5.6（b），此时变频器的CLI端子必须接线。COM +24 CLI LI1 LI2 LI3 LI4 LI5 LI6SINKCLISOURCE CLI接COM（0V）（出厂设置）COM +24 CLI LI1 LI2 LI3 LI4 LI5 LI6CLI“悬空”COM +24 CLI LI1 LI2 LI3 LI4 LI5 LI6CLI接24图1.5.6 逻辑输入开关的位置S

21、INKCLISOURCE SINKCLISOURCE（a）（b）（c）34 整个多移动机器人系统，由整个多移动机器人系统，由3 3台移动机器人、控制中心、模拟环台移动机器人、控制中心、模拟环境、外部及自身传感系统（境、外部及自身传感系统（CCDCCD传感器、激光传感器、陀螺仪等）、传感器、激光传感器、陀螺仪等）、信息分析与处理系统、通信系统等部分组成。信息分析与处理系统、通信系统等部分组成。输入电路输入电路35 整个多移动机器人系统，由整个多移动机器人系统，由3 3台移动机器人、控制中心、模拟环台移动机器人、控制中心、模拟环境、外部及自身传感系统（境、外部及自身传感系统（CCDCCD传感器、激

22、光传感器、陀螺仪等）、传感器、激光传感器、陀螺仪等）、信息分析与处理系统、通信系统等部分组成。信息分析与处理系统、通信系统等部分组成。1.输入电路36 整个多移动机器人系统，由整个多移动机器人系统，由3 3台移动机器人、控制中心、模拟环台移动机器人、控制中心、模拟环境、外部及自身传感系统（境、外部及自身传感系统（CCDCCD传感器、激光传感器、陀螺仪等）、传感器、激光传感器、陀螺仪等）、信息分析与处理系统、通信系统等部分组成。信息分析与处理系统、通信系统等部分组成。输出电路输出电路37输出电路输出电路键盘控制键盘控制1.6 控制方式应用简介控制方式应用简介特点：特点：运行命令由键盘上的RUN和

23、STOP决定运行方向一般由变频器内部参数决定运行给定由键盘修改特定功能码完成方便快捷适用场合：适用场合：在设备调试时广泛使用应用在简单且实时性不强的单机场合外部端子控制（单机）外部端子控制（单机）控制方式应用简介控制方式应用简介特点：特点：运行命令由外部启停按钮决定，通过变频器外部端子FWD/REV决定运行方向运行给定一般由外部模拟端子决定：PLC 模拟输出电位器常与外部逻辑电路或PLC共同控制变频器适用场合适用场合应用在实时性较强独立系统使用范围最广外部端子控制（多机）外部端子控制（多机）控制方式应用简介控制方式应用简介特点：特点：实时性好 调试维护方便 线路复杂，抗干扰能力差使用场合：使用

24、场合：各类小型生产线或系统特点：特点：所有控制均通过通讯电缆线路相对简单，自动化 水平高，信息交换量大实时性好，抗扰能力强为防止网络故障，特设独立急停功能投入大，调试维护困难使用场合：使用场合：各类中大型生产线或系统通讯控制通讯控制控制方式应用简介控制方式应用简介1 1、利用通信技术要考虑的问题、利用通信技术要考虑的问题?（1 1）选择运转指令）选择运转指令1 1）对变频器参数设置）对变频器参数设置（2 2）选择运转频率）选择运转频率（3 3）选择串行通信功能）选择串行通信功能（4 4）变频器编号）变频器编号（5 5）通信速率）通信速率（6 6）奇偶校验）奇偶校验（7 7）停止位）停止位（8

25、8）终止码）终止码Cd001=3 Cd001=3 串行通信串行通信Cd002=14 Cd002=14 Cd146=1 Cd146=1 非连续模式非连续模式Cd147=4Cd147=4Cd148=4 9600bpsCd148=4 9600bpsCd149=0 Cd149=0 无无Cd150=1 1Cd150=1 1位位Cd151=1 CR,LFCd151=1 CR,LF（9 9）cd142=1cd142=1（1010）cd144=0cd144=02 2、PLCPLC网络通信技术网络通信技术1 1）数据通信方式）数据通信方式1 1 数据传输方式数据传输方式2 2 数据传输方向数据传输方向3 3 传

26、送介质传送介质4 4 串行通信接口串行通信接口并行与并行与串行通信串行通信同步与异步传送同步与异步传送单工通信方式单工通信方式半双工通信方式半双工通信方式全双工通信方式全双工通信方式双交线双交线同轴电缆同轴电缆光缆光缆RS-232RS-232接口接口RS-485RS-485接口接口RS-422RS-422接口接口参看课本参看课本P227P2271.7 变频器的保护功能 变频器还有很多的保护功能，如过流、过变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

27、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、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变频器的保护功能 现在通用变频器不但在产品性能上有很大提高，而且现在通用变频器不但

28、在产品性能上有很大提高，而且自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，熟悉这些自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，熟悉这些功能对于正确使用变频器极其重要。功能对于正确使用变频器极其重要。过电流过电流 逆变器过载逆变器过载 过电压过电压 熔断器烧断熔断器烧断 欠电压欠电压 存储器出错存储器出错 散热板过热散热板过热 通讯出错通讯出错 外部报警输入外部报警输入 CPU出错出错 变器过热变器过热 自整定出错自整定出错 动机过载动机过载 1严禁将变频器的输出端子U、V、W连接到AC电源上。2.控制线应与主回路动力线分开，控制线采用屏蔽电缆。3变频器断开电源后，待几分钟后方可维护操作，直流母线电压（P+，

29、P-）应在25V以下。4.避免变频器安装在产生水滴飞溅的场合。1.8 1.8 1.8 1.8 5.主回路端子与导线必须牢固连接。6.变频器驱动三相交流电机长期低速运转时，建议选用变频电机。7.变频器驱动电机长期超过超过50HZ运行时，应保证电机轴承等机械装置在使用的速度范围内，注意电机和设备的震动、噪音。8.严禁在变频器的输入侧使用接触器等开关器件进行频繁启停操作。9.变频器输入侧与电源之间应安装空气开关和熔断器。10.变频器输出侧不必安装热继电器。日常维护1、变频器对环境温度的要求一般来说，在变频器放置在外壳的情况下，允许的周围温度为-10+40或-10+50；如果变频器放置在控制柜内，而变

30、频器的外壳可以拆掉的话，则允许的温度可以为-10+50。温度过高，会使SPWM大规模集成电路的参数发生变化，影响计算结果，导致运行的准确性降低。温度升高后，将影响逆变管的开通和判断速度，而逆变管的开关速度又与电流大小有关。所以，变频器的允许最大输出电流将有所下降。2、变频器对环境湿度的要求一般来说，相对湿度在40%以上，90%以下，不要结露，最好保持在80%以上。周围湿度太大，变频器的金属部件易因受到腐蚀而生锈。湿度太大，使变频器各部件之间的绝缘电阻大幅降低，容易发生故障。3、安装环境无腐蚀、无振动、少尘埃、无阳光直射等条件。灰尘对变频器的影响 绝缘下降、影响散热 对策：安装过滤网、安装吸尘装

31、置、经常清扫1、连接件的坚固检查 所有的螺钉、接线端子和接插件等。2、清扫灰尘 主要部位有：散热片、风机的出风口、印刷电路板及其它部位。检查滤波电容器顶部是否鼓起，是否有液体流出，是否变色或有异味等。控制电路板检查检查控制电压，用万用表测量控制电路板各部位的控制电压是否正常。观察元、器件是否异常，电解电容器是否有漏液或变色，电阻是否变色，印刷电路是否变色或有锈斑等。控制电路板常常有许多连接其他部件的接插件，应检查是否有松动现象。3、部件更换 变频器内装冷却风扇的平均使用寿命约为2000035000h，通常相当于23年，和变频器的使用率以及风道是否堵塞有关。注意最易损坏件：自身冷却风扇中间环节大容量电解电容定期检查