第8章欧姆龙3G3MX2变频器课件.ppt
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1、第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器欧姆龙欧姆龙CP1系列系列PLC原理与应用原理与应用第第8章章 欧姆龙欧姆龙3G3MX2变频器变频器第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器本章内容包括:本章内容包括:l l变频器概述变频器概述l l欧姆龙欧姆龙3G3MX2变频器变频器l l3G3MX2变频器的运行控制变频器的运行控制返回本章首页返回本章首页第第8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX2变频器变频器第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器8.1变频器概述变频器概述 8.1.1变频器的构成变频器的构成 8.1.2变频器的分类变频器的分类
2、8.1.3变频器的控制方式变频器的控制方式8.1.4变频器的主要功能变频器的主要功能返回本章首页返回本章首页第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器8.1变频器概述变频器概述定义定义:变频器变频器VFI(Variable-Frequency Inverter),变频器是应,变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电动机工作电源电压的频率用变频技术与微电子技术,通过改变电动机工作电源电压的频率和幅度的方式来控制交流电动机转速的电力传动元件,通过它达和幅度的方式来控制交流电动机转速的电力传动元件,通过它达到平滑控制电动机转速的目的。通常指将频率固定的工频交流电,到平滑控制电
3、动机转速的目的。通常指将频率固定的工频交流电,变换成频率可调的三相交流电的电力控制装置。变换成频率可调的三相交流电的电力控制装置。变频器的出现,使复杂的调速控制简单化,用变频器变频器的出现,使复杂的调速控制简单化,用变频器+交流交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电动机完成鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电动机完成的工作,缩小了体积,降低了维修率,使传动技术发展到了新的的工作,缩小了体积,降低了维修率,使传动技术发展到了新的阶段。阶段。返回本节返回本节第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器8.1.1变频器的构成变频器的构成 变频器分两大类变频
4、器分两大类:间接间接变频和直接变频和直接变频。变频。间接间接变频器先将工频交流电源变频器先将工频交流电源(整流整流)变换为直流,再经过逆变换为直流,再经过逆变器将直流电变换为电压和频率可控的交流电,简称为变器将直流电变换为电压和频率可控的交流电,简称为“交交-直直-交交”变频器变频器。直接直接变频器将工频交流电直接变换为电压和频率可控的交流变频器将工频交流电直接变换为电压和频率可控的交流电,不需要中间整流环节,简称为电,不需要中间整流环节,简称为“交交-交交”变频器变频器。目前目前在中小容量的变频器中,在中小容量的变频器中,“交交-直直-交交”变频器应用最为变频器应用最为广泛,它的基本结构如图
5、广泛,它的基本结构如图8.1所示。所示。“交交-直直-交交”变频器由主电变频器由主电路以及控制电路两部分组成,主电路又包括整流电路、中间直路以及控制电路两部分组成,主电路又包括整流电路、中间直流电路和逆变电路流电路和逆变电路。返回本节返回本节第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器1变频器的主电路变频器的主电路由整流电路、中间直流电路和逆变电路组成。如图由整流电路、中间直流电路和逆变电路组成。如图8.2所示为所示为电压型变频器主电路。电压型变频器主电路。整流电路整流电路:用于将电网的交流电源变换为所需要的直流电
6、源。由用于将电网的交流电源变换为所需要的直流电源。由晶闸管构成的整流电路,其直流电压可控。晶闸管构成的整流电路,其直流电压可控。VD1VD6中间直流电路主要有两个作用。一是滤波,使输出的直流电源中间直流电路主要有两个作用。一是滤波,使输出的直流电源平滑。电压型变频器采用大容量电解电容平滑。电压型变频器采用大容量电解电容CF1和和RC1以及以及CF2和和RC2。二是限流和短路保护,限流电阻二是限流和短路保护,限流电阻RS和断路开关和断路开关SS等。有时还包括等。有时还包括制动电阻和其他辅助电路制动电阻和其他辅助电路等等。逆变电路逆变电路:将平滑的直流电源将平滑的直流电源变变换为频率和电压可调的交
7、流换为频率和电压可调的交流电源。逆变器的输出通常就是变频器的输出,它被用来实现对异电源。逆变器的输出通常就是变频器的输出,它被用来实现对异步电动机的调速控制。在图步电动机的调速控制。在图8.2中,绝缘栅双极型晶体管中,绝缘栅双极型晶体管V1V6构成逆变桥,在控制信号作用下将直流电压构成逆变桥,在控制信号作用下将直流电压UD“逆变逆变”成三相交成三相交流电流电(U、V、W);VD7VD12构成续流电路。构成续流电路。第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器2变频器的变频器的控制控制电路电路控制电路的功能是按要求产
8、生和调节一系列的控制脉冲来控制控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变器开关管的导通和关断,从而配合逆变电路完成逆变任务。包逆变器开关管的导通和关断,从而配合逆变电路完成逆变任务。包括主控电路、信号检测电路、括主控电路、信号检测电路、(门极门极)驱动电路、外部接口电路、保驱动电路、外部接口电路、保护电路以及操作面板等部分,如图护电路以及操作面板等部分,如图8.1所示。是变频器核心部分。所示。是变频器核心部分。变频器主控电路中心是一个高性能微处理器,变频器主控电路中心是一个高性能微处理器,主要有主要有3种任务:种任务:接受各种信号,其中包括各种功能的预置信号,从键盘或外接受各种
9、信号,其中包括各种功能的预置信号,从键盘或外接输入端输入的给定信号,外部输入端送来的控制信号以及从各种接输入端输入的给定信号,外部输入端送来的控制信号以及从各种检测电路取样的状态信号等。检测电路取样的状态信号等。进行基本运算,包括进行矢量运算、实时地计算进行基本运算,包括进行矢量运算、实时地计算SPWM波形波形各切换点的时刻以及其他运算等。各切换点的时刻以及其他运算等。输出计算结果,包括通过驱动电路对逆变器进行波形变换,输出计算结果,包括通过驱动电路对逆变器进行波形变换,显示当前的各种状态,以及输出各种信号到外接端子上。显示当前的各种状态,以及输出各种信号到外接端子上。第第8 8章欧姆龙章欧姆
10、龙3G3MX23G3MX2变频器变频器8.1.2 变频器的分类变频器的分类 常见还有以下的几种分类方法。常见还有以下的几种分类方法。1按直流环节的储能方式分类按直流环节的储能方式分类 当变频器为交流电动机负载时,根据负载与中间直流电路之间无功当变频器为交流电动机负载时,根据负载与中间直流电路之间无功功率的交换方式,功率的交换方式,即即中间环节选择不同储能元件中间环节选择不同储能元件,把变频器分为把变频器分为电压型和电流型两类。电压型和电流型两类。电压型变频器的中间直流电路采用电容元件,则直流电源的内阻抗电压型变频器的中间直流电路采用电容元件,则直流电源的内阻抗很小,具有恒压源特性。很小,具有恒
11、压源特性。电流型变频器的中间直流电路中串联了一个大电感,则电源的内阻电流型变频器的中间直流电路中串联了一个大电感,则电源的内阻抗很高,具有恒流源特性,可以限制输出电流以及吸收无功功率抗很高,具有恒流源特性,可以限制输出电流以及吸收无功功率,受负载电压变化的影响小。,受负载电压变化的影响小。第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器2按逆变环节的调制方式分类按逆变环节的调制方式分类根据改变逆变器输出电压大小根据改变逆变器输出电压大小(调制调制)的不同方式,变频器分为脉冲的不同方式,变频器分为脉冲幅度调制幅度调制(Pulse Amplitude Modulation,PAM)和
12、脉冲宽度调和脉冲宽度调制制(Pulse Width Modulation,PWM)两类。两类。PAM变频器输出的交流电压是通过改变直流电压的大小,使逆变器变频器输出的交流电压是通过改变直流电压的大小,使逆变器输出脉冲的幅度发生改变来实现的。这种变频器要同时对整流电输出脉冲的幅度发生改变来实现的。这种变频器要同时对整流电路和逆变器进行控制,其控制电路复杂,且低速运行时转速波动路和逆变器进行控制,其控制电路复杂,且低速运行时转速波动大,故目前的变频器几乎不再采用此类。大,故目前的变频器几乎不再采用此类。PWM变频器输出的交流电压是通过改变逆变器输出脉冲的占空比变频器输出的交流电压是通过改变逆变器输
13、出脉冲的占空比来实现的。目前普遍应用的是占空比按正弦规律排列的正弦波脉来实现的。目前普遍应用的是占空比按正弦规律排列的正弦波脉宽调制宽调制(SPWM)方式,使输出电压的平均值接近正弦波,大大削方式,使输出电压的平均值接近正弦波,大大削弱谐波成分的影响,使调速控制得到平稳变化。弱谐波成分的影响,使调速控制得到平稳变化。第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器3 按按控制方式控制方式分类分类按控制方式的不同,变频器分为按控制方式的不同,变频器分为V/F(或称或称U/F)控制方式、转差频控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三类。率控制方式和矢量控制方式三类。变频器还可以按逆
14、变器主开关的器件分为普通晶闸管变频器还可以按逆变器主开关的器件分为普通晶闸管(SCR)、可关、可关断晶闸管断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、功率集成电路、功率集成电路(PIC)等类型。等类型。第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器8.1.3 变频器的变频器的控制方式控制方式 频器频器控制方式是针对电动机的自身特性、负载特性以及运转速度控制方式是针对电动机的自身特性、负载特性以及运转速度的要求,控制的要求,控制变频器输出变频器输出电压和电压和频率频率,达到达到控制控制电动机转速目的。电动机转速目的。1V/F控制方式控制方式 从异步电动
15、机的特性:从异步电动机的特性:转速转速 、磁通磁通 、转矩转矩 可知,当改变电源频率可知,当改变电源频率 f1时时,可改变旋转磁场的,可改变旋转磁场的转速转速 n0,也就改变了转子的也就改变了转子的转速转速n。理论上。理论上 n与与f1成正比成正比,则通,则通过改变电源频率就可以实现电动机的调速。但在维持定子电压过改变电源频率就可以实现电动机的调速。但在维持定子电压 不不变时,随着变时,随着 f1的的升高,电动机的磁通升高,电动机的磁通 m减小,最大转矩减小,最大转矩 Tm降低降低,严重时将使电动机堵,严重时将使电动机堵转;转;当当减少减少f1 时,则时,则使使m增加增加,导致电,导致电动机的
16、磁路过饱和,励磁电流增加,铁心过热。为此变频器在逆动机的磁路过饱和,励磁电流增加,铁心过热。为此变频器在逆变过程中,在改变变过程中,在改变频率频率f1的的同时必须按一定比例同时必须按一定比例改变改变U1。以。以避免避免出现上述问题。这种控制方式用出现上述问题。这种控制方式用VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)表示,简称表示,简称V/F控制。控制。1060(1)(1)fns nsp1m1 14.44UN fm 22cosTKI第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器 图图8.3 V/F控制方式的特性曲线控制方式的特性曲线 图图8
17、.4 V/F控制方式示意图控制方式示意图第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器2转差频率转差频率控制方式控制方式 转差频率控制方式是对转差频率控制方式是对V/F控制的一种改进。因为在控制的一种改进。因为在V/F控制方式控制方式下,转速会随着负载的变化而改变,其变化量与转差率成正比。下,转速会随着负载的变化而改变,其变化量与转差率成正比。为了提高调速精度,就需要控制转差率。通常是用速度传感器检为了提高调速精度,就需要控制转差率。通常是用速度传感器检测电动机的运行速度,以求出转差角频率,再把它与测电动机的运行速度,以求出转差角频率,再把它与 设定值叠加设定值叠加以得到新的逆
18、变器的频率设定值以得到新的逆变器的频率设定值,实现转差补偿,实现转差补偿,如图如图8.5所示所示。对应于频率设定值。对应于频率设定值,经过转差补偿后定子频率的实际值为,经过转差补偿后定子频率的实际值为,以此进行调速控制,同时在一定程度上对输出转矩进行控制,所以此进行调速控制,同时在一定程度上对输出转矩进行控制,所以它与以它与V/F控制方式相比,在负载发生较大变化时,仍能达到较控制方式相比,在负载发生较大变化时,仍能达到较高的速度精度和较好的转矩特性。但是,由于转差频率控制方式高的速度精度和较好的转矩特性。但是,由于转差频率控制方式属于闭环控制,需要在电动机上安装速度检测器,并需要根据电属于闭环
19、控制,需要在电动机上安装速度检测器,并需要根据电动机的特性调节转差,通常用于厂家指定的专用电动机,故通用动机的特性调节转差,通常用于厂家指定的专用电动机,故通用性较差。性较差。第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器图图8.5转差频率控制方式示意图转差频率控制方式示意图第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器3矢量控制方式矢量控制方式 上述两种控制方式都存在着动态性能指标不高的问题。上述两种控制方式都存在着动态性能指标不高的问题。20世纪世纪70年代,德国年代,德国F.Blaschke等人提出了矢量控制理论,基本出发点是等人提出了矢量控制理论,基本出
20、发点是以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标系以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系的变换,将定子电流分为产生磁场的励磁电流和与到旋转坐标系的变换,将定子电流分为产生磁场的励磁电流和与其相垂直产生转矩的转矩电流,并分别加以控制。在这种控制方其相垂直产生转矩的转矩电流,并分别加以控制。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,即控制式中,必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位,即控制定子电流的矢量,故称为矢量控制。它通过坐标变换和重建方法定子电流的矢量,故称为矢量控制。它通过坐标变换和重建方法,把交流电动机模型等效为直流电动机
21、,以获得像直流电动机一,把交流电动机模型等效为直流电动机,以获得像直流电动机一样的动态性能。样的动态性能。第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器图图8.6为矢量控制方式示意图,它是在为矢量控制方式示意图,它是在VVVF变频器的基础上增加了变频器的基础上增加了坐标变换及控制电路。控制器将给定信号分解成两个互相垂直且坐标变换及控制电路。控制器将给定信号分解成两个互相垂直且独立的直流信号独立的直流信号 和和(表示励磁电流和电枢电流表示励磁电流和电枢电流)。然后通过。然后通过“直直/交变换交变换”将将 和和 变换成两相交流电流信号变换成两相交流电流信号 和和。再经过。再经过“2
22、/3变换变换”,将两相交流系统变换为三相交流系统,以得到三相交流控制,将两相交流系统变换为三相交流系统,以得到三相交流控制信号信号、和和,去控制逆变器。对于电动机在运行过程中的三相交,去控制逆变器。对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据,又可以等效变换成两个相互垂直的直流信号,反流系统的数据,又可以等效变换成两个相互垂直的直流信号,反馈到控制器,用于修正基本控制信号馈到控制器,用于修正基本控制信号 和和。反馈信号包括电流和。反馈信号包括电流和速度等信息,所以它属于闭环控制。其中的电流反馈用于反映负速度等信息,所以它属于闭环控制。其中的电流反馈用于反映负载的状况,使直流信号中的电枢分量载的状
23、况,使直流信号中的电枢分量 能够跟随负载变化,从而模能够跟随负载变化,从而模拟出类似于直流电动机的工作情况。速度反馈用于反映拖动系统拟出类似于直流电动机的工作情况。速度反馈用于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异,并进行快速校正,以提高系统的实际转速和给定值之间的差异,并进行快速校正,以提高系统的动态性能。的动态性能。第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器图图8.6 矢量控制方式示意图矢量控制方式示意图第第8 8章欧姆龙章欧姆龙3G3MX23G3MX2变频器变频器8.1.4 变频器的变频器的主要功能主要功能表表8.1 变频器的主要功能变频器的主要功能类类 型型用用
24、途途类类 型型用用 途途调速控制的必要调速控制的必要功能功能自动转矩提升自动转矩提升与频率指令与频率指令相关的功能相关的功能多段速运行多段速运行防失速功能防失速功能频率上下线限制频率上下线限制过转矩设定运行过转矩设定运行特定频率运行禁止功能特定频率运行禁止功能(跳跃频率跳跃频率)转差补偿转差补偿频率指令消失后的自动连续运行频率指令消失后的自动连续运行降低机械振动冲击降低机械振动冲击频率指令的反转频率指令的反转运行状态的检测信号运行状态的检测信号加、减速禁止功能加、减速禁止功能2线和线和3线控制线控制加、减速时间切换功能加、减速时间切换功能外部接口功能外部接口功能多功能输入端多功能输入端S形加、
25、减速功能形加、减速功能多功能模拟量输入端多功能模拟量输入端与运行方式与运行方式相关的功能相关的功能直流制动停机直流制动停机(DC制动制动)外部控制停机的信号端外部控制停机的信号端运行前的直流制动运行前的直流制动数字信号的输入与输出数字信号的输入与输出端端转速搜索功能转速搜索功能与上位机的通信接口与上位机的通信接口瞬时停电再启动瞬时停电再启动保护功能保护功能电子热保护电子热保护工频电源与变频器之间的切换运行工频电源与变频器之间的切换运行故障后再启动故障后再启动节能运行节能运行制动电阻保护制动电阻保护多种多种U/f曲线选择功能曲线选择功能其他功能其他功能载波频率设定载波频率设定监视功能监视功能负载
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