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第1章 变频器应用概论


第1章 变频器应用概论
主讲 王兆义

第 1 章:变频器应用概论

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变频器是用于电动机调速的一个智能工业电力电子电器,

因为其科技含量高,功能齐全,在工业控制中得到了广泛的 应用。现在还没有任何一种电器能取代变频交流调速。
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br />因为变频器内部控制核心是单片机,在应用前必须进行参
数预置。这就增加了变频器的使用难度。 本章主要介绍变频器的基本功能和控制方法。

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控制柜中的ABB变频器

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铁矿的碎石系统

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流水线上的西门子M430变频器

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丹佛斯变 频器

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工作环境造成接 头腐蚀

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变频器外形

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三相交流电

变频器工作岗位 变频器 要想胜任工作岗位:①适应电源的要求。②适应电 动机的要求。适应电源容易满足,但电动机工况复杂。

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1.1 电动机的工作原理 1.1.1 电动机工频工作和变频工作情况 1.起动 在工频起动时,笼型异步电动机起动电流是工作电流的8倍 左右,如果用变频器直接起动,就要有8倍的额定容量,显 然为了起动用8倍的变频器驱动一个电动机不现实。 2.正常工作 电动机工作在电网上是开环工作,当负载变动时,电动机的 转速不稳定,只能应用在一般的场合。变频器控制电动机时 ,人们提出了更高的要求,如稳速、大的起动转矩、快速性 等,通过变频器形成自动化控制系统等,满足现代工业控制 需要。

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3. 停机过程 工频是拉闸停机,在重力负载上要立即抱闸。变频器控制可 以采用更加灵活的方法。 4.故障情况 当在工频工作中电动机出现了故障,可采用熔断器进行保护 。变频器因为输出能力有限,在进行电动机控制时,出现过 流、过载、过压、短路等,变频器要及时的保护,并输出检 测报警信号。在正常工作中变频器对电动机的工作状态要进 行显示,供现场技术人员监控。

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5. 机械 负载 (1)摩擦性负载 是耗能负载,该负载将受到的力被摩擦 力所抵消,外力消失,运动就停止。如水泵、打浆机、塑料 挤出机、切削机床、平行输送带等。 (2)惯性负载 是储能负载,将受到的机械能储存在物体 的运动中。物体加速时吸收机械能,物体降速时释放机械能 。惯性负载一般是设备中配备的部分功能形成的。如风机的 叶轮、灌装机的转盘、龙门刨床的工作台、起重机的重物起 动时的升速过程等。 (3)位能负载 该类负载上升时,将机械能转换为负载的 位能,当位能负载下降时,又将位能转换为机械能。

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(4)复合型负载 即含有摩擦力又含有惯性、或位能的负 载。变频器驱动的负载都是复合型负载。 例:水泵,将水由低处泵升到高处,叶轮自身惯性很小,工 作中主要是克服水的位能,始终处于耗能状态。定位为摩擦 性负载。 例:风机,叶轮的惯性很大,在起动时吸收机械能,停机时 释放机械能,正常工作中输入的机械能主要是克服风的阻力 ,是摩擦和惯性复合型负载。 例:提升性负载,重物起动上升时即有速度的变化又有位置 的变化,速度的变化体现出惯性,恒速运行时消耗机械能类 似摩擦性负载。重物下降时释放机械能。

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? 1.1.2 异步电动机的电动状态 ? 变频器拖动的是电动机,电动机流过什么电流,变频器就 输出什么电流,所以必须分析电动机的电流情况。 ? 1. 转速差与定子电流 ? 转速差为:Δn= n1 – n ? Δn↑↓—I 2↑↓—F(T)↑↓ ? I2—转子电流 ? T—转子转矩 ? 由于I2是来自定子电流I1,电动机 ? 负载转矩TL就是转子转矩T,故有 ? TL ↑↓—I1↑↓ —Δn ↑↓ ? 上式就是我们在工程上常见的一种现象。 Δn是变频器应 ? 用中很重要的基本概念。

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2. 变频器额定转速差和额定输出转矩的关系 (1)电动机的转速 电动机旋转磁场的转速为:n1=60f1/P ,f1是电源频率,P是 制造电动机时的磁极对数,每2个磁极为1对。电动机有2极 、4极、6极、8极等,旋转磁场的转速相应的有:3000r/min , 1500r/min, 1000r/min, 750r/min等。 电动机转子的转速n低于旋转磁场的转速Δn, 设4极电动机,n=1450r/min, Δn=1500 —1450 = 50r/min。

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(2)转速与变频器输出频率的关系
① 转速是以分为单位,转/每分钟;频率是以秒为单 位,赫兹/每秒。

n?

60 f p

nP f ? 60
有: ?f ? ?np 上述4极电动机的 60

用Δn 或 表示表示,

Δf =50X2/60=1.67Hz

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(3)电动机额定转速差和额定输出转矩、额定电流的关系 上述4极电动机的额定Δn 为:1500-1450=50r/min,额定Δf 为 Δf=50×2/60=1.67Hz 根据电动机的转动原理(Δn↑↓—I 2↑↓—F(T)↑↓),当转速差为 额定值时,定子绕组有额定电流,转子有额定转矩。 假如变频器输出频率为1.67Hz时,加在该4极电动机定子绕组 上,定子绕组的旋转磁场为50r/min,该电动机具有额定定子电 流,相应的转子具有额定转矩。在此转矩的作用下,转子可以 开始转动。如果慢慢的提高变频器的输出频率,可以将电动机 的输出转速提升为工作转速,不需要8倍的电动机额定电流就 可以起动。

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? 3. Δn(Δf )概念在分析变频器运行中的应用 (1)电动机起动过程分析 因为电动机突然加上较高频率,会使Δn很大造成过流, 所以变频器是从0速起动。 当电动机从0速起动时,n1上升到额定Δn时,电动机具有额 定转矩,转子在额定转矩的作用下随着变频器的输出频率逐 渐上升,直到电动机达到正常转速。 这就是变频器起动时加速时间的由来。加速时间是变频器的 重要参数。

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(2)变频器工作中的输出电流 变频器的输出电流与负载有关,因为负载重,电动机的Δn增 加,定子电流增加,当达到变频器的输出容限电流,变频器 过流跳闸。所以变频器在工作中出现过电流跳闸,要检查电 动机拖动的负载,是否过重。 ? 变频器根据不同的机型,有不同的过流值。 ? 风机和泵类变频器一般为110~120%; ? 基本U/F控制为150%, ? 矢量控制为150~200%。 ? 当变频器电流达到过流限定值,便报 ? 警跳闸保护,显示过流故障“代码”。 容限电流由厂家设定,用户不能更改。

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(3)负载短路过流情况分析 当电动机短路,负载变为电阻性,一是阻值很小,二是没有 了电动机起动的电磁感应过程,也就没有了电动机Δn 的上 升过程,变频器一给电就过流,这种过流极易造成变频器开 关模块的损坏。 变频器起动时有Δn 的上升过程和没有Δn 的上升过程,是 分析电动机正常启动过流还是短路过流的依据。 结论:电动机的电动特性 (Δn↑↓—I 2↑↓—F(T)↑↓)是分析 电动状态的基础。也是分析过电流、 过负载的出发点。

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? ? ? ? ? 1.1.3 电动机的发电效应 电动状态和发电状态是电动机正常工作的两个方面。 n1>n,旋转磁场为主动,转子为被动,电动状态; n1< n, 旋转磁场为被动,转子为主动,发电状态。发电状 态是负载拉着转子运行。

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? 结论 ? 电动机产生发电效应有两个条件: ? ① 电动机有旋转磁场; ? ② 转子的转速高于了定子旋转磁场的转速。 ? 这两个条件是分析变频器过压跳闸的理论基础。 电动机的发电效应是分析变频器的回馈制动、过压跳闸的基 础。我们利用发电效应进行负载的制动,满足工程需要;另 一方面意外出现发电效应变频器会过压跳闸。

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2.3.1 电动机产生发电效应的场合 1. 停机降速 当停机设置了频率下降时间,因电动机的 惯性大,转速高于了变频器的输出频率,电动机变为发电机。 例:风机停机过流跳闸因停机时设置了较短的频率下降时间, 造成电动机出现发电效应。 解决方法: ① 将降速时间设为零, 即自由停机。 ②将降速时间加大,直 到不过压为止。

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2.位能负载下降时发电制动 位能负载下降时,变频器输出频率低于电动机的转速,使电 动机发电,发出的电能被制动电阻所消耗,电动机保持匀速 下降。 例:电梯、绞车、起重机、矿井提升机等。该类设备必须加 装制动电阻。

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3. 变频器制动电阻的作用 当电动机出现发电效应,在电路中接入制动电阻。当电容C1 上的电压上升到760V以上,制动单元VTB导通,制动电阻RB 放电制动,将回馈电能消耗掉,使电动机得到制动力矩而制 动。如果制动电阻的制动能力不够,仍然会产生过压跳闸。

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(1)制动电阻的选择 ① 制动电阻的作用就是消耗掉回馈到变频器的电能,不同功率的变频器 ,回馈电能的大小不同,就是同一变频器,不同的工作时段,回馈的电 能也会不同。基于以上情况,变频器采取脉宽控制导通的方法,使同一 阻值的电阻用于较宽的范围。

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②根据在一个工作周期内的制动时间长短,选择变频器的功 率,防止电阻容量的浪费和过热损坏。

制动电阻在没有回馈电能时是不用加装的。厂家将制动电 阻根据变频器的功率大小,分为若干等级,选用时根据厂 家的说明书进行选用。阻值和功率计算公式为: 式中的制动电阻阻值一般 2 2U BH U 厂家给出,不用计算,电 BH RB ? PB ? ? B 阻的功率根据回馈电能时 I MN RB 间长短选取。

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例:西门子M440变频器75kW以下机型都内置了制动单元,用户只需外 部配置制动电阻。下表是厂家提供的制动电阻规格。表中是以制动/工作 时间比为5%给出的电阻参数值,如果制动/工作比增长,制动电阻会发 热,要增加制动电阻的功率,但阻值不变,阻值减小会损坏内置制动单 元。如制动/工作时间比=10%,将电阻的功率增加一倍。

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1.2 变频器的控制
根据上述分析,电动机要转动、要调速、要有工作状态指 示,我们将上述三种功能称为变频器的控制。 即:运行控制,调速控制,状态指示。 变频器为了完成上述三种控制,有3种控制方法: ① 操作面板控制 ② 外端子控制 ③ 通讯控制 这3种控制功能和采取的3种控制方法,适应于任何品牌的变 频器,不管什么品牌的变频器,都是如此。

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变频器结构:操作面板安装在变频器的正面,输入端子和 输出端子安装在一块端子接口板上,一般也放在变频器的 正面,便于安装。

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1.2.1 操作面板控制 通过操作面板可完成变频器的控制。 1.运行控制 通过面板上功能键控制。

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2.频率控制
通过功能键将工作频率预置 到变频器,变频器起动即工 作在该频率。 3 状态指示

通过显示屏显示工作状态。

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3. 操作面板控制的特点 ① 控制简单,不需连接控制导线。 ② 不容易受到电磁干扰,工作稳定。 ③ 功能有限,不能满足远距离控制和远距离报警。 4. 采用面板控制参数的设置 变频器无论做什么工作,必须通过参数设置。要设置运行控 制和速度控制。显示面板共享,不用参数设置,使用时通过 功能键切换显示类型。 例:西门子M440变频器: 运行控制切换参数为P0700, P0700=1 面板操作,P0700=2 外 端子操作;频率控制切换参数为P1000,P1000=1面板设定, P1000=2 模拟端子设定,P1000=3 固定频率。

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1.1.2.外端子控制 1.输入控制端子 利用输入控制端子控制变频器的运行或调速,称为远程控 制,控制功能也大大增强。 (1)模拟输入控制端子 该端子一般有两个。 ①模拟电压控制端子,多由电位 器控制,用于变频器调速控制或 目标信号给定。 ② 模拟电流控制端子,多作为 PID控制的反馈端子。

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(2)端子应用注意事项 ①该端子常用信号 电压:0~10V,2~10V; 电流信号:0~20mA,4~20mA。 ②变频器一般默认:电压0~10V;电流0~20mA ③一般变频器的2个模拟端子是通用端子,使用时根据电压 或电流通过面板上的开关或跳线进行切换。 ④ 当输入2~10V电压或4~20mA电流时,要通过参数设置频 率控制线的斜率,否则变频器不能正常工作。 例:西门子M440模拟端子的使用 设输入为 4~20mA电流控制,请设置模拟端口参数。

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解: ①选择模拟端子1作为信号输入,将信号加入2、3号端子之 间,将切换开关打到上端。 ②设置输入信号类型切换参数P0756, P0756[0]=0,单极性电压输入,0~ 10V; P0756[0]= 1,带监控的单极性电压输入,0 ~ 10V; P0756[0]= 2,单极性电流输入,0 ~ 20mA P0756[0]= 3,带监控的单极性电流输入,0~20mA4双极性 电压输入,-10V ~ +10V ③设置特性线参数,设置: P0761=P0757=2V,见图。

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信号切换原理

电压电流切换

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例:调速和反馈连接 见图。

4~20mA信号的由来:在交流信号远距离传输时,采 用两线传输的最远。因为两线中的电流方向相反, 磁场相互抵消,没有感抗。传感器内部是模拟放大 电路,需要外加电源,3条线比较合适,但3条线会 使传输距离下降。采用2条线需要为放大器提供静态 工作点,4mA就是静态工作点电流,没有其他用途。 所以2线传感器都是2~10V或4~20mA。

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(3)数字输入控制端子
①功能分析 数字控制端子就是开关控制端子。 闭合有效,断开无效。 应用:运行控制、段速控制、升 降速控制、复位控制、报警控制 等。输入端子为多功能端子,使 用时通过参数设置,设为什么功 能就是什么功能。

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端子开关可 以是:PLC 触点、光电 耦合器、继 电器触点等

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②应用举例
西门子M440变频器端子应用 设置方法: 设置P0700=2,选择外端子 控制。8个外端子用 P0701~P0708设置。 如果选定输入数字端子1,该 端子又作为正转控制,则参 数设置为:P0701=1,当该 端子闭合,电动机正转运行, 端子打开,按斜坡降速。

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2. 输出指示端子 (1)模拟量输出指示端子 ①是用模拟电压或模拟电流进行 指示的端子。 ②用于指示变频器的模拟输出量。 如指示输出频率、输出电流、 输出电压等,需要指示什么量, 由功能参数进行预置。 ③端子默认为0~20mA,如需要

0~10V,在输出并500Ω电阻,
如需4~20mA电流,修改参数。

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例:应用举例 M440变频器,用频率指示端子来控制下一台电动机的转 速。参数设置为: P0771[0]=21 模拟端子1

指示实际频率;
P0776=1,输出为电压

(在FM~COM之间并联

500欧电阻,因端子实际
输出的是0~20mA电流)

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模拟输出指示端子和模拟输入控制端子同样需要特性线设置 M440 设置方法为: 如果需要输出 4~20mA的指示信号, P0778=4mA,其他 参数默认。 其他品牌的变频器 设置方法类似。 输出指示信号除了驱动表头,还可以输送到PLC、DCS等上 位机,作为控制信号或指示信号。

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(2) 数字输出指示端子
用于指示变频器的开关量。只有“有” 和“没有”两种状态。用于监视变频器 所处的某种工作状态。分为集电极开路 输出指示端子 和继电器输出报警端子两 类。 1)继电器输出 输出端串联联接负载和交流电源 2)开路集电极输出

输出端串联联接负载和直流电源直流电 源要注意正负极性。
该端子指示量也可以作为控制信号使用。

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例:富士变频器数字输出指示端子功能应用 富士变频器数字指示端子共5个,用Y1~Y5表示,用E20~E24参数选择, E20定义Y1,E21定义Y2,例如:E20=0,Y1端子指示变频器正在运行中。

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例:应用举例

同步控制,选定一个端子,设置为运行中。

抱闸控制,选定一个端子,设为频率检测,再设定检测频率=额定△n

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例: 综合应用 该图为综合应用端子连接图。 ①继电器接点输出报警端子 作为变频器报警应用。 ②集电极开路输出端子 作为“运行中”指示。 ③ 模拟输出指示端子 用于指示“输出频率”。

④输入控制端子
模拟电压端子用于速度控制, 数字端子用于运行控制

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1.1.3 通讯控制 通讯控制是通过变频器的通讯接口,来进行变频器的运行、 调速和状态指示的一种控制方法。 通讯控制是两台智能设备之间进行控制的一种控制方式。 两台设备必须协调一致,才能正常工作。 1.首先要建立通讯协议 (1)硬件协议 就是接口卡和接口,接口卡是一块硬件电路,满足特定的软 件通讯协议,变换了接口卡的软件协议,接口卡不支持。

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①接口卡

接口卡内部的硬件 电路是支持通讯协 议的,和接口协议 没有关系。 如:西门子变频器 支持Profibus-DP协 议,如采用其他的 协议,接口卡不支 持。

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② RS485通讯接口

通讯电平 接收、发送器

采用9针插座

2线传送

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③ 通讯接口连接

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(2)软件协议 软件协议就是采用什么通讯软件,现在应用最广泛的就是 profibus-DP和Modbus标准协议,有些变频器厂家采用自己 制定的内部协议(如西门子的USS协议)。总之,不管采用 什么协议,变频器和上位机都要共同支持通讯才能进行。 (3)通讯方式 一般通讯是采用报文的传输方式,上位机向下位机发出控制 或查询报文,变频器向上位机发回应答报文或工作状态回复 报文,报文结构为:

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(3)通讯故障排除 变频器在通讯过程中,软件一般不会出现问题,当工作中出 现了中断、失控,主要从硬件或电磁干扰两个方面查找原因。 ① 屏蔽电缆是否接地不良。重点检查接头是否锈蚀,松动, 接触不良,要用万用表的低阻挡测量,接头应不存在电阻。 ②接口卡是否损坏。用万用表直流电压挡测量 接口电压值,与 标定值是否相同。最好方法用示波器测量波形。 ③ 车间是否增加了大型设备(变频器、软启动器、功率因数补 偿器),使通讯环境发生了变化。

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总 结
通过本章的分析,我们可以得到以下启发: ① 电动机的电动特性是分析变频器过流、过载、过热的基础 ② 发电特性是分析变频器制动、过压的基础。 ③ 三种控制方法是使用变频器的基础。当变频器出现停机不

报警故障时,根据变频器控制电动机运行的两个条件:一是
控制信号,二是调速信号。二者缺一不可。重点检查这两个 信号是否有一个丢失。

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