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1、 主要内容一 变频器概述二 变频器矢量控制原理三 制动单元四 变频器参数五 故障和报警第1页/共106页 一 变频器概述l通常，把电压和频率固定不变的工频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”。l为了产生可变的电压和频率，变频器首先要把电源的交流电变换为直流电，这个过程叫整流。l而把直流电变换为交流电的过程被称为逆变。一般的逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。l变频器则是把直流电源逆变为频率可调、电压可调的交流电源。第2页/共106页电机转速l异步电动机的转速按照下列公式计算：l式中：n1为气隙旋转磁场的转速，称为同步速，单位：转每分。l其中：f为电机供
2、电电源频率，工频频率为50Hz或60Hzp为气隙旋转磁场的极数,由电机的结构决定，为2，4，6，8，对50Hz工频，2级，4级，6级，8级电机的同步速分别为：3000，1500，1000，750转每分l同步转速实际上也是异步电机理想空载的情况下的转速，这时，转子的转速与定子所产生的旋转磁场转速相同，相对静止，称为同步。第3页/共106页滑差率l式中的s为转子相对于气隙旋转磁场的转速差与同步速之比。l通常情况下，滑差率很小，在8以内，所以普通异步电动机的额定转速总是接近于同步速，如2910转每分，1430转每分，975转每分，742转每分等等。第4页/共106页通过改变电机滑差的方法调节转速称为
3、滑差调速。滑差调速的实现是非常困难的。对最常见的鼠笼式异步电动机，除了改变供电电压外，无法实现滑差调速。对于绕线转子电机，其转子回路中可以另外串入电阻，通过改变转子的阻值，可以改变异步电机的机械特性曲线，具体讲就是改变产生最大转矩的转速，从而可以对应于负载转矩的转速，即工作点。滑差调速第5页/共106页这是一种传统的调速方法，同时提供良好的起动性能。优点：起动电流小，通常为额定电流的3倍以下起动转矩和过载力矩较大，通常可达到额定转矩的2倍以上如果串联的电阻可以连续调节，可以获得无级调速可以允许第二象限运行缺点：仅仅适用于绕线转子电机电机结构复杂，造价高起动和调速装置复杂，笨重，体积大滑环，炭刷
4、，接触器，电阻等，可靠性低，维护量大效率低，很多能量消耗在串联的电阻上调速精度低，分辨率低趋势：逐渐淘汰绕线转子电机的滑差调速第6页/共106页电机具有多套绕组或一套绕组构成不同的接法，形成不同的极（对）数。对应于不同的极数，同步速不同转速就不同，最终的转速就不同。优点：适用于只要求两种转速的场合。不需要外加调速装置，只需接触器切换不同的绕组接法。缺陷：只能实现有限的有级调速。调速精度低，反应慢。绕组接法复杂，可靠性差。电机效率和功率因数低。电机成本高。不能频繁切换。变极调速第7页/共106页最好的方法就是变频调速，也就是改变电源频率，使得同步速成比例变化，负载转速就可以与电源频率成正比地变化
5、。变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。变频调速的优点：效率高，功率因数高。数字智能化，易于控制和调节。固态硬件，可靠性高。可用于快速频繁起停，正反转等。动态和静态精度高。容易集成到系统中。起动和运行电流小。适用于廉价可靠的鼠笼式异步电动机。变频调速目前已经成为异步电机调速的主流，而且逐渐可以控制同步电机等的调速。变频调速第8页/共106页转矩提升l对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做
6、“转矩提升”。l此功能增加变频器的输出电压，以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，从而改善电机的输出转矩。从而改善电机低速时输出转矩不足。l使用“矢量控制”，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150）。第9页/共106页转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。“矢量控制”把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量
7、）的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。第10页/共106页电机制动电机制动时电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程.由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时,能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动。这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再
8、生方法”。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。第11页/共106页l当采用变频器传动的起升机构拖动负载下放或平移机构急减速运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高，称为泵升电压。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。l在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案:u在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为能耗制动。u采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。第12页/共1
9、06页一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。变频器散热l在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的,变频器产生的热量也是非常大的。l变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。因此，必须重视变频器的散热问题。第13页/共106页矢量控制是变频器的一种控制方式：矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐
10、标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。二变频器矢量控制原理第14页/共106页矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达
11、到理想分析的结果。直流电动机的励磁电流和电枢电流（转矩电流）是分开的，能够单独控制。从而达到对转矩的精确控制。而交流电动机的定子电流既包含产生磁场的电流也包含产生转矩的电流，而且耦合在一起，无法单独控制。交流电动机的矢量控制就是利用直流电动机的转矩控制的原理，将交流电动机的定子电流在理论上分为两部分：产生磁场的电流分量（磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），分别进行控制，同时将二者合成后的定子电流供给电动机。第15页/共106页l矢量控制功能是与传动系统要求相适应。矢量电流控制能快速地将电流以最短的采样时间接入到电机绕组中。转矩的相对高的动态上升率是高水平的闭环控制回路一个很好的基础。可
12、以选择电流控制型式和U/f控制型式。U/f控制型式可用于同步电机和异步电机的运行。电流控制型式用于带有或不带用于异步电机的速度检测的各种不同编码器。l如果用于特殊场合，用于外部励磁的同步电动机则可以工作在带编码器的速度控制型式(电流控制型式)。l矢量控制功能可用于电源电压范围为380V15%到480V+10%的变频器和逆变器的模块上。所有装置能提供一个综合性的基本功能，如果需要，可以用软件和硬件选件的扩大的工艺功能和通讯功能加以扩展。这样使装置能够适应于各种不同的服务条件。所有闭环控制功能采用随心所欲地搭接的自由功能模块来实现。这样，软件便能灵活地适应各种应用场合。l存储在装置软件中的菜单结构
13、可简化启动和观察同各种操作面板相连接的传动系统。PC辅助工具能保证有效的参数设定和数据安全。第16页/共106页具有矢量控制功能的装置具有下列性能特点：可以作为一个变频器模块和一个逆变器模块功率范围从0.55kW2300kW有用于多轴传动系统的各种配置集成的直流母线模块和熔断器集成的“安全停车”功能(装置专有)控制功能：U/f特性曲线纺织工业应用的U/f特性曲线带编码器的速度控制带编码器的转矩控制无编码器的速度控制集成的USS接口，用于配置简单总线系统各种现场总线接口：PROFIBUSCAN总线性能特点第17页/共106页通过SIMOLINK可以带到200个节点的传动系统网络集成的工艺功能，用
14、于位置，同步和凸轮盘启动和诊断功能综合的变频器功能：捕捉再启动动能缓冲自动再启动柔性响应直流制动菜单提示通过集成的简单的操作面板，舒适型操作面板或PC的分级操作控制和观察统一的PC的可编程软件(DriveMonitor)按现在应用的欧洲标准，CE指示UL/CSA认可第18页/共106页矢量控制的机械特性第19页/共106页变频电机的起动特性第20页/共106页 电机作为电动机或发电机在 I,II,III 和 IV 象限运行。如上所示，在 I 和III 象限，电机作为电动机运行，而在II 和 IV 象限，作为发电机运行。四象限运行：第21页/共106页 三 制动单元产品说明当一台电机进行制动时，
15、它将电能回馈到SIMOVERTMASTERDRIVES，因而导致直流母线电压的升高。制动单元并联连接到直流母线上并将直流母线电压限制到可以接受的水平。制动单元将制动能量送至外部制动电阻上并转换成热能。制动单元上必须总接有合适的电阻。没有制动电阻，制动能量便无法转换。通过直流母线端子，制动单元可连接至变频器或逆变器上。当直流母线电压达到一个预定限值时，制动单元自动开通以防止直流母线电压继续增长。制动单元的运行同变频器或逆变器无关。制动单元电子器件由直流母线电压供电。为提高制动功率，制动单元可并联连接。第22页/共106页制动单元：将端子CL和DL-(在制动单元顶部)或母排接至变频器的CL和DL-
16、端子上。在变频器和制动单元间建立起保护导体连接。接至直流母线的电缆必须是双心绞合线，最长3m。当在公共直流母线上并联连接几台逆变器时，制动单元必须接至最大功率的逆变器上。制动单元的并联连接：为增大制动功率，制动单元应并联连接。所有并联连接的制动单元的响应阈值开关应置于相同位置。总的连续制动功率PDB由各个单元连续制动功率的总和算出。每台制动单元必须用自己的双心绞合线，最长3m接至直流母线。这根电缆的长度，对于所有并联连接的制动单元应是一致的，这样保证了电流的均衡分配。每台制动单元须有自己的制动电阻。外部制动电阻。将制动电阻接至端子G和H。制动单元和外部制动电阻间连接电缆长度应80。外壳温度可达
17、65。第23页/共106页制动单元接线图第24页/共106页接线为了符合UL法规，变频器整流单元的供电电源应接有电压限制器件(压敏电阻)(见图)。注：当F1F3125A用作为变频器整流单元电源熔断器时，必须装入熔断器F4F6125AgL。第25页/共106页制动单元的连接第26页/共106页第27页/共106页5 50 kW 制动单元的功率连接第28页/共106页100 200 kW 制动单元的功率连接第29页/共106页制动单元响应阀值第30页/共106页控制端子X38第31页/共106页注虽然端子排X38不连接，制动单元仍能工作。当直流母线电压断开，内部电压源下降(故障LED熄灭)，故障自
18、动清除。连接控制端子排X38的电缆必须远离动力电缆。控制电缆的长度10m。第32页/共106页制动电阻制动电阻用于匹配制动单元并且能充分发挥制动能力。当制动电阻和制动单元结合使用时，它应保证电阻器的电阻不能小于最小允许电阻值，否则制动单元将损坏！比较大的电阻值是允许的。然而，比较高的电阻值将降低制动功率。制动功率和电阻值成反比(双倍电阻值一半的制动功率)。在运行时，制动电阻的表面可能有几百度()温度。因而，冷却空气不能含有可燃烧或有爆炸危险的物质或瓦斯。如果电阻器靠墙安装，该墙壁应是不可燃的。外部制动电阻必须单独安装并在设备侧进行连接。由西门子推荐的制动电阻有一个热触点(常闭)，当电阻过载时，
19、它能脱扣。当热触点动作时，变频器必须通过一个主接触器从电网断开。热触点的正确功能由制造商在调试时加以检验！如果主接触器由变频器或逆变器(X9)相应的输出来控制时，热触点可以接至开关量输出。第33页/共106页功率额定值的定义制动单元的负载特性第34页/共106页通过PMU进行参数输入参数设置单元PMU在装置上直接对变频器和逆变器进行参数设置、操作和监控。它是基本装置的固定组成部分。它具有4位7段数码显示和几个按键。在需要一个数目有限地设置参数和用于简单应用的参数设置的简单的参数设置场合，PMU应优先被选用。四变频器参数PMU 参数设置单元第35页/共106页PMU 操作单元第36页/共106页
20、在PMU 上的参数号直接安装在装置上的参数设置单元(PMU)所显示的参数号由一个字母和三个数字组成。字母的应用如下：大写字母(P，U，H和L)表示BICO(能够将存储在装置中的功能块进行软连接去满足要求的系统）参数和功能参数，它们可以改变。小写字母(r,n,d和c)表示只读参数，它们不能改变。三个数字覆盖的数值范围从000999；但并非所有数值都能用到。大桥机变频器的参数设置单元第37页/共106页因为PMU仅有一个4位7段显示，故参数的3个描述元素参数号，参数标号(如果参数有标号)参数值不能同时显示。因而需要在各个描述元素之间进行切换。切换通过切换键P来实现。在选好所希望的级别后，可用增大键
21、或减小键来实现调整。l利用切换键，可以改变：从参数号到参数标号从参数标号到参数值从参数值到参数号如果参数没有标号，便直接跳到参数第38页/共106页下面例子显示在PMU上实现一个参数回到工厂设置的各个操作步骤设定P053=0002并且允许用PMU进行存取选择P060设定P060=0002并选择“固定设置菜单”选择P970设定P970=0000并启动参数复位第39页/共106页lP060=5主要参数第40页/共106页lP071=380V第41页/共106页lP095=2第42页/共106页lP100=4闭环矢量控制第43页/共106页lP101=380V第44页/共106页第45页/共106页
22、西门子电机自动识别，其它电机见铭牌第46页/共106页lP107=50Hz第47页/共106页第48页/共106页l自动计算第49页/共106页lP114=1第50页/共106页lP115=3自动完成识别第51页/共106页第52页/共106页lP130=11第53页/共106页lP151=1024第54页/共106页lP373=0第55页/共106页第56页/共106页第57页/共106页第58页/共106页第59页/共106页第60页/共106页第61页/共106页第62页/共106页五故障和报警第63页/共106页故障第64页/共106页第65页/共106页第66页/共106页第67页/
23、共106页第68页/共106页第69页/共106页第70页/共106页第71页/共106页第72页/共106页第73页/共106页第74页/共106页第75页/共106页第76页/共106页第77页/共106页第78页/共106页第79页/共106页第80页/共106页第81页/共106页第82页/共106页第83页/共106页第84页/共106页第85页/共106页第86页/共106页第87页/共106页第88页/共106页第89页/共106页第90页/共106页报警报警信号在PMU上周期性地以A=报警和报警信息及3位数字号码显示。报警不能被复位。一旦报警原因被消除之后，报警自动去除。几个报警信号可同时存在，并一个接一个地显示。第91页/共106页第92页/共106页第93页/共106页第94页/共106页第95页/共106页第96页/共106页第97页/共106页第98页/共106页第99页/共106页第100页/共106页第101页/共106页致命错误(FF)致命错误是不允许变频器正常运行的软/硬件严重错误。它们仅以“FF”的形式在PMU板上出现。通过按任意PMU的键再重新启动软件。第102页/共106页第103页/共106页第104页/共106页 谢谢 谢谢 大大 家家第105页/共106页感谢您的观看。第106页/共106页