變頻器應(yīng)用技術(shù) ACInverterApplicationTechnology 李方園 2008年4月18日 培訓(xùn)課程 1 入門篇 第一部分 控制方式 運轉(zhuǎn)指令方式 頻率給定方式 起動制動方式 2 入門篇 第一部分 控制方式 運轉(zhuǎn)指令方式 頻率給定方式 起動制動方式 3 控制方式 低壓變頻器 其輸出電壓一般為220 650V 輸出功率為0 2 400kW 工作頻率為0 800Hz左右 變頻器的主電路采用交 直 交電路 根據(jù)不同的變頻控制理論 其模式主要有以下 V f C的正弦脈寬調(diào)制模式矢量控制 VC 模式直接轉(zhuǎn)矩控制 DTC 模式 4 針對以上三種控制模式理論 可以發(fā)展為幾種不同的變頻器控制方式 V f控制方式 包括開環(huán)V f控制和閉環(huán)V f控制 無速度傳感器矢量控制方式 矢量控制VC的一種 閉環(huán)矢量控制方式 即有速度傳感器矢量控制VC的一種 轉(zhuǎn)矩控制方式 矢量控制VC或直接轉(zhuǎn)矩控制DTC 這些控制方式在變頻器通電運行前必須首先設(shè)置 5 V f控制方式 我們知道 變頻器V f控制的基本思想是U f C 因此定義在頻率為fx時 Ux的表達式為Ux fx C 其中C為常數(shù) 就是 壓頻比系數(shù) 圖所示就是變頻器的基本運行V f曲線 6 預(yù)定義曲線 由于電動機負載的多樣性和不確定性 因此很多變頻器廠商都推出了預(yù)定義的V f曲線和用戶自定義的任意V f曲線 7 自定義曲線 以三段折線設(shè)定為例 如圖 F通常為變頻器的基本運行頻率 在某些變頻器中定義為電動機的額定頻率 V通常為變頻器的最大輸出電壓 在某些變頻器中定義為電動機的額定電壓 8 轉(zhuǎn)矩補償 圖中 V0表示手動轉(zhuǎn)矩提升電壓 Vmax表示最大輸出電壓 f0表示轉(zhuǎn)矩提升的截止頻率 fb表示基本運行頻率 9 轉(zhuǎn)矩補償 對于特殊工藝負載 比如攪拌機針對不同的物料其起動轉(zhuǎn)矩有差異 為保證變頻器正常啟動 可以設(shè)置為手動選擇性轉(zhuǎn)矩補償 圖為三菱A540系列變頻器的轉(zhuǎn)矩提升功能示意 曲線a b c 10 閉環(huán)V F 閉環(huán)V f控制就是在V f控制控制方式下 設(shè)置轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié) 測速裝置可以是旋轉(zhuǎn)編碼器 也可以是光電開關(guān) 安裝方式比較自由 既可以安裝在電動機軸上 也可以安裝在其他相關(guān)聯(lián)的位置 11 無速度傳感器矢量控制方式 基本技術(shù)指標(biāo)定義如下 速度控制精度 0 5 速度控制范圍1 100 轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)150 0 5Hz 其中啟動轉(zhuǎn)矩指標(biāo) 根據(jù)不同品牌的變頻器其性能有所高低 大致在150 250 之間 如圖所示為三菱V500系列無速度傳感器矢量控制方式下的啟動轉(zhuǎn)矩特性 12 速度調(diào)節(jié)器ASR 速度調(diào)節(jié)器ASR的結(jié)構(gòu)如圖所示 圖中Kp為比例增益 KI為積分時間 積分時間設(shè)為0時 則無積分作用 速度環(huán)為單純的比例調(diào)節(jié)器 13 速度調(diào)節(jié)器ASR 整定參數(shù)包括比例增益P和積分時間I 其數(shù)值大小將直接影響矢量控制的效果 其目標(biāo)就是要取得動態(tài)性能良好的階躍響應(yīng) 14 速度調(diào)節(jié)器ASR 一般的矢量變頻器為了適應(yīng)電動機低速和高速帶載運行都有快速響應(yīng)的情況 都設(shè)有兩套PI參數(shù)值 即低速PI值和高速PI值 同時設(shè)有切換頻率 為了保證兩套PI值的正常過渡 一些變頻器還另外設(shè)置了兩個切換頻率 即切換頻率1和切換頻率2 15 有速度傳感器矢量控制方式 有速度傳感器的矢量控制方式 主要用于高精度的速度控制 轉(zhuǎn)矩控制 簡單伺服控制等對控制性能要求嚴(yán)格的使用場合 可以從零轉(zhuǎn)速起進行速度控制 即使低速亦能運行 因此調(diào)速范圍很寬廣 可達1000 1 可以對轉(zhuǎn)矩實行精確控制 系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快 電動機的加速度特性很好等優(yōu)點 16 編碼器PG接線與參數(shù) 一般而言 編碼器PG型號分差動輸出 集電極開路輸出和推挽輸出三種 其信號的傳遞方式必須考慮到變頻器PG卡的接口 因此選擇合適的PG卡型號或者設(shè)置合理的跳線至關(guān)重要 17 變頻器的參數(shù)組 PG的定義 編碼器PG每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) 此參數(shù)可以查看編碼器本身的技術(shù)指標(biāo) 單位為PPR 編碼器PG方向選擇 如果變頻器PG卡與編碼器PG接線次序代表的方向 和變頻器與電動機連接次序代表的方向匹配 設(shè)定值應(yīng)為正向 否則為反向 必須注意當(dāng)方向選擇錯誤時 變頻器將無法加速到你所需要的頻率 并報過流故障或編碼器反向故障 更改此參數(shù)可方便地調(diào)整接線方向的對應(yīng)關(guān)系 而無須重新接線 18 轉(zhuǎn)矩控制方式 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配 而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 19 轉(zhuǎn)矩控制和速度控制的切換 由于轉(zhuǎn)矩控制時不能控制轉(zhuǎn)速的大小 所以 在某些轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中 轉(zhuǎn)矩控制主要用于起動或停止的過渡過程中 當(dāng)拖動系統(tǒng)已經(jīng)起動后 仍應(yīng)切換成轉(zhuǎn)速控制方式 以便控制轉(zhuǎn)速 20 轉(zhuǎn)矩控制和速度控制的切換 在轉(zhuǎn)矩控制中 經(jīng)常會與速度控制下的限轉(zhuǎn)矩功能搞混淆 所謂轉(zhuǎn)矩限定 就是用來限值速度調(diào)節(jié)器ASR輸出的轉(zhuǎn)矩電流 21 DTC方式 直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為 直接自控制 這種 直接自控制 的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈 轉(zhuǎn)矩的綜合控制 和矢量控制不同 直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式 從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 簡單地通過檢測電動機定子電壓和電流 借助瞬時空間矢量理論計算電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩 并根據(jù)與給定值比較所得差值 實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制 22 DTC方式 圖為動態(tài)速度響應(yīng)曲線 23 DTC方式 圖為轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線 24 入門篇 第二部分 控制方式 運轉(zhuǎn)指令方式 頻率給定方式 起動制動方式 25 頻率給定方式 在使用一臺變頻器的時候 目的是通過改變變頻器的輸出頻率 即改變變頻器驅(qū)動電動機的供電頻率從而改變電動機的轉(zhuǎn)速 如何調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率呢 關(guān)鍵是必須首先向變頻器提供改變頻率的信號 這個信號 就稱之為 頻率給定信號 所謂頻率給定方式 就是調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的具體方法 也就是提供給定信號的方式 變頻器常見的頻率給定方式主要有 操作器鍵盤給定 接點信號給定 模擬信號給定 脈沖信號給定和通訊方式給定等 這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點 必須按照實際的需要進行選擇設(shè)置 同時也可以根據(jù)功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換 26 操作器鍵盤給定 操作器鍵盤給定是變頻器最簡單的頻率給定方式 用戶可以通過變頻器的操作器鍵盤上的電位器 數(shù)字鍵或上升下降鍵來直接改變變頻器的設(shè)定頻率 27 接點信號給定 接點信號給定就是通過變頻器的多功能輸入端子的UP和DOWN接點來改變變頻器的設(shè)定頻率值 該接點可以外接按鈕或其他類似于按鈕的開關(guān)信號 如PLC或DCS的繼電器輸出模塊 常規(guī)中間繼電器 28 接點信號給定 29 模擬量給定 模擬量給定方式即通過變頻器的模擬量端子從外部輸入模擬量信號 電流或電壓 進行給定 并通過調(diào)節(jié)模擬量的大小來改變變頻器的輸出頻率 模擬量給定中通常采用電流或電壓信號 常見于電位器 儀表 PLC和DCS等控制回路 30 模擬量給定 三菱 31 頻率給定曲線 頻率給定曲線 就是指在模擬量給定方式下 變頻器的給定信號P與對應(yīng)的變頻器輸出頻率f x 之間的關(guān)系曲線f x f P 這里的給定信號P 既可以是電壓信號 也可以是電流信號 其取值范圍在10V或20mA之內(nèi) 32 模擬量給定的正反轉(zhuǎn)控制 一般情況下 變頻器的正反轉(zhuǎn)功能都可以通過正轉(zhuǎn)命令端子或反轉(zhuǎn)命令端子來實現(xiàn) 在模擬量給定方式下 還可以通過模擬量的正負值來控制電動機的正反轉(zhuǎn) 即正信號 0 10V 時電動機正轉(zhuǎn) 負信號 10V 0 時電動機反轉(zhuǎn) 如圖所示 10V對應(yīng)的頻率值為fmax 10V對應(yīng)的頻率值為 fmax 33 脈沖給定 脈沖給定方式即通過變頻器的特定的高速開關(guān)端子從外部輸入脈沖序列信號進行頻率給定 并通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來改變變頻器的輸出頻率 34 脈沖給定曲線 根據(jù)上述要求 參數(shù)設(shè)置要點如下 1 設(shè)置頻率給定方式為脈沖給定 2 選擇多功能輸入端子為脈沖信號輸入 3 設(shè)置脈沖最大輸入頻率為20KHz 4 定義頻率給定曲線首坐標(biāo)點的數(shù)值 即最小脈沖給定值的百分比為1KHz 20KHz 100 5 以及最小脈沖數(shù)對應(yīng)的頻率值50Hz 5 定義頻率給定曲線尾坐標(biāo)點的數(shù)值 即最大脈沖給定值的百分比為100 以及最大脈沖數(shù)對應(yīng)的頻率值5Hz 35 通訊給定 通訊給定方式就是指上位機通過通訊口按照特定的通訊協(xié)議 特定的通訊介質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冾l器以改變變頻器設(shè)定頻率的方式 上位機一般指計算機 或工控機 PLC DCS 人機界面等主控制設(shè)備 如圖所示 36 給定方式的疊加 給定方式的疊加是指在主給定通道頻率的基礎(chǔ)上再加上輔助給定通道頻率作為變頻器的設(shè)定頻率 其疊加方式不是簡單的加法運算 還可以融合多種疊加運算公式 圖所示為典型的給定方式的疊加原理 37 入門篇 第二部分 控制方式 運轉(zhuǎn)指令方式 頻率給定方式 起動制動方式 38 定義 變頻器的運轉(zhuǎn)指令方式是指如何控制變頻器的基本運行功能 這些功能包括啟動 停止 正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn) 正向點動與反向點動 復(fù)位等 與變頻器的頻率給定方式一樣 變頻器的運轉(zhuǎn)指令方式也有操作器鍵盤控制 端子控制和通訊控制三種 這些運轉(zhuǎn)指令方式必須按照實際的需要進行選擇設(shè)置 同時也可以根據(jù)功能進行相互之間的方式切換 39 操作器鍵盤控制 操作器鍵盤控制是變頻器最簡單的運轉(zhuǎn)指令方式 用戶可以通過變頻器的操作器鍵盤上的運行鍵 停止鍵 點動鍵和復(fù)位鍵來直接控制變頻器的運轉(zhuǎn) 在操作器鍵盤控制下 變頻器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)可以通過正反轉(zhuǎn)鍵切換和選擇 圖所示為三菱A500系列變頻器的操作器鍵盤控制 40 端子控制 端子控制是變頻器的運轉(zhuǎn)指令通過其外接輸入端子從外部輸入開關(guān)信號 或電平信號 來進行控制的方式 這時這些由按鈕 選擇開關(guān) 繼電器 PLC或DCS的繼電器模塊就替代了操作器鍵盤上的運行鍵 停止鍵 點動鍵和復(fù)位鍵 可以在遠距離來控制變頻器的運轉(zhuǎn) 41 二線制和三線制控制模式 三線制控制 就是模仿普通的接觸器控制電路模式 當(dāng)按下常開按鈕SB2時 電動機正轉(zhuǎn)啟動 由于X多功能端子自定義為保持信號 或自鎖信號 功能 松開SB2 電動機的運行狀態(tài)將能繼續(xù)保持下去 當(dāng)按下常閉按鈕SB1時 X與COM之間的聯(lián)系被切斷 自鎖解除 電動機停止運行 如要選擇反轉(zhuǎn)控制 只需將K吸合 即REV功能作用 反轉(zhuǎn) 42 通訊控制 通訊控制的方式與通訊給定的方式相同 在不增加線路的情況下 只需對上位機給變頻器的傳輸數(shù)據(jù)改一下即可對變頻器進行正反轉(zhuǎn) 點動 故障復(fù)位等控制 43 入門篇 第二部分 控制方式 運轉(zhuǎn)指令方式 頻率給定方式 起動制動方式 44 起動制動方式 變頻器的起動制動方式是指變頻器從停機狀態(tài)到運行狀態(tài)的起動方式 從運行狀態(tài)到停機狀態(tài)的方式以及從某一運行頻率到另一運行頻率的加速或減速方式 45 起動運行方式 1 從起動頻率起動 變頻器接到運行指令后 按照預(yù)先設(shè)定的起動頻率和起動頻率保持時間起動 該方式適用于一般的負載 起動頻率是指變頻器起動時的初始頻率 如圖所示的fs 它不受變頻器下限頻率的限制 起動頻率保持時間是指變頻器在起動過程中 在起動頻率下保持運行的時間 如圖中的t1 46 起動運行方式 2 先制動再起動本起動方式是指先對電動機實施直流制動 然后再按照方式 1 進行起動 該方式適用于變頻器停機狀態(tài)時電動機有正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的小慣性負載 對于高速運轉(zhuǎn)大慣性負載則不適合 如圖所示為先制動再起動的功能示意 起動前先在電動機的定子繞組內(nèi)通入直流電流 以保證電動機在零速的狀態(tài)下開始起動 47 起動運行方式 2 先制動再起動 48 起動運行方式 3 轉(zhuǎn)速跟蹤再起動在這種方式下 變頻器能自動跟蹤電動機的轉(zhuǎn)速和方向 對旋轉(zhuǎn)中的電動機實施平滑無沖擊起動 因此變頻器的起動有一個相對緩慢的時間用于檢測電動機的轉(zhuǎn)速和方向 如圖所示 該方式適用于變頻器停機狀態(tài)時電動機有正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的大慣性負載瞬時停電再起動 49 起動運行方式 3 轉(zhuǎn)速跟蹤再起動 50 加減速方式 變頻器從一個速度過渡到另外一個速度的過程稱為加減速 如果速度上升為加速 速度下降為減速 加減速方式主要有以下幾種 1 直線加減速 變頻器的輸出頻率按照恒定斜率遞增或遞減 變頻器的輸出頻率隨時間成正比地上升 大多數(shù)負載都可以選用直線加減速方式 51 加減速方式 2 S曲線加減速變頻器的輸出頻率按照S型曲線遞增或遞減 如圖 52 加減速方式 3 半S形加減速方式它是S曲線加減速的衍生方式 即S曲線加減速在加速的起始段或結(jié)束段 按線性方式加速 而在結(jié)束段 或起始段 按S形方式加速 因此 半S形加減速方式要么只有 要么只有 其余均為線性 如后者主要用于如風(fēng)機一類具有較大慣性的二次方律負載中 由于低速時負荷較輕 故可按線性方式加速 以縮短加速過程 高速時負荷較重 加速過程應(yīng)減緩 以減小加速電流 前者主要用于慣性較大的負載 4 其他其他還有如倒L形加減速方式 U型加減速方式等 具體可以參看變頻器說明書 53 停機方式 變頻器接收到停機命令后從運行狀態(tài)轉(zhuǎn)入到停機狀態(tài) 通常有以下幾種方式 1 減速停機變頻器接到停機命令后 按照減速時間逐步減少輸出頻率 頻率降為零后停機 該方式適用于大部分負載的停機 2 自由停車變頻器接到停機命令后 立即中止輸出 負載按照機械慣性自由停止 變頻器通過停止輸出來停機 這時 電動機的電源被切斷 拖動系統(tǒng)處于自由制動狀態(tài) 由于停機時間的長短由拖動系統(tǒng)的慣性決定 故也稱為慣性停機 54 停機方式 變頻器接收到停機命令后從運行狀態(tài)轉(zhuǎn)入到停機狀態(tài) 通常有以下幾種方式 3 帶時間限制的自由停車變頻器接到停機命令后 切斷變頻器輸出 負載自由滑行停止 這時 在運行待機時間T內(nèi) 可忽略運行指令 運行待機時間T 由停機指令輸入時的輸出頻率和減速時間決定 4 減速停機加上直流制動變頻器接到停機命令后 按照減速時間逐步降低輸出頻率 當(dāng)頻率降至停機制動起始頻率時 開始直流制動至完全停機 55 停機方式 直流制動是在電動機定子中通入直流電流 以產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩 因為電動機停車后會產(chǎn)生一定的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 所以直流制動可在一定程度上替代機械制動 56 能耗制動和回饋制動方式 不少的生產(chǎn)機械在運行過程中需要快速地減速或停車 而有些設(shè)備在生產(chǎn)中要求保持若干臺設(shè)備前后一定的轉(zhuǎn)速差或者拉伸率 這時就會產(chǎn)生發(fā)電制動的問題 使電動機運行在第二或第四象限 57 能耗制動和回饋制動方式 不少的生產(chǎn)機械在運行過程中需要快速地減速或停車 而有些設(shè)備在生產(chǎn)中要求保持若干臺設(shè)備前后一定的轉(zhuǎn)速差或者拉伸率 這時就會產(chǎn)生發(fā)電制動的問題 使電動機運行在第二或第四象限 58 電阻能耗制動 電阻能耗制動采用的方法是在變頻器直流側(cè)加放電電阻單元組件 將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動 這是一種處理再生能量的最直接的辦法 它是將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上 轉(zhuǎn)化為熱能 59 回饋制動 在減速期間 產(chǎn)生的功率如果不通過熱消耗 或電阻能耗制動 的方法消耗掉 而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)的方法叫做 功率返回再生方法 這種制動方式稱為 回饋制動 在實際中 由于普通的變頻器并不具有這種功能 而是需要額外的 能量回饋單元 選件或者專用四象限變頻器 能量回饋單元的工作原理是把變頻器直流環(huán)節(jié)的電能 變換成一個和電網(wǎng)電源同步同相位的交流正弦波 把電能反饋回電網(wǎng) 再生利用 60 回饋制動 制動特點 1 廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合 節(jié)能運行效率高 2 不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分 綠色環(huán)保 3 功率因數(shù) 1 4 多電動機傳動系統(tǒng)中 每一單機的再生能量可以得到充分利用 5 節(jié)省投資 易于控制網(wǎng)側(cè)諧波和無功分量 61 能量反饋單元 實現(xiàn)回饋制動的首選產(chǎn)品是能量反饋單元 就是把有源逆變單元從變頻器中分離出來 直接作為變頻器的一個外圍裝置 可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè) 將再生能量回饋到電網(wǎng)中 62 完 Thankyouforlistening 63 謝謝 64