变频器原理

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1 第 5 章 变频器应用 5.1 变频器的产生和发展 一 交流变频调速的优势在过去, 直流调速一直优于交流调速, 因为直流系统具有较为优良的静 动态性能指标, 对一些调速要求较高的场合大都采用直流调速 因此, 很长一个历史时期, 调速传动领域基本被直流电动机调速系统垄断 直流电机虽有较好的调速性, 但也有一些难于克服的缺点, 主要是机械式换向器带来的弊端, 其缺点是 :1 维修工作量大, 事故率高 ;2 容量 电压 电流和转速都受到换向条件的制约 进入 20 世纪 80 年代, 由于电力电子器件和微电子技术的发展, 尤其是电力电子器件的制造技术 基于电力电子的变换技术 交流电动机的矢量变换控制技术及脉宽调制 (Pulse Wideth Modulation,PWM) 技术以及数字化技术的突破性进展, 变频调速技术得到了高速发展 由于交流电动机具有固有的优点 :1 容量 电压 电流和转速上限不像直流电机那样受限制 ;2 结构简单 造价低 ;3 使用方便 容易维护 但其最大的缺点是调速困难 随着交流调速技术上的突破, 变频器的性能得到改善, 交流调速系统已经与直流调速系统相匹敌, 甚至超过了直流调速系统 近 20 年来, 变频器的性能得到了飞速发展, 使得交流调速达到了与直流调速一样的水平, 并且在某些方面超过了直流调速, 操作者通过设置必要的参数, 变频器就能控制电动机按照人们预想的曲线运行, 例如 : 电梯运行的 S 形曲线 恒压供水控制等 目前由于出现了高电压 大电流的电力电子器件, 对 10kV 的电动机直接进行变频调速, 可以到达节能的目的 随着电力电子技术 计算机技术 自动控制技术的迅速发展, 电气传动技术面临着一场历史革命, 即交流变频调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势 交流变频调速技术的原理是把工频 50Hz 的交流电转换成频率和电压可调的交流电, 通过改变交流电动机定子绕组的供电频率, 在改变频率的同时也改变电压, 从而达到调节电动机转速的目的 ( 即 VVVF 技术 ) 目前的变频调速系统还采用微机控制技术, 它可根据电动机负载的变化实现自动 平滑地增速或减速 交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机 变频器及控制器组成, 它与直流调速系统相比具有以下显著优点 : (1) 交流调速装置的大容量化 异步电动机比直流电动机结构简单, 重量轻, 价格低, 具有较高的容量和转速 直流电动机由于受换向器限制, 单机容量 最高转速以及使用环境都受到限制 其电枢电压最高只能做到一千多伏, 而交流电动机可做到 6~lOkV 直流电动机的转速一般仅为每分钟数百转到一千多转, 而交流电动机的速度可以达到每分钟数千转, 以满足高速机械的运行要求 1

2 (2) 变频调速系统调速范围宽, 能平滑调速, 其调速静态精度及动态品质好 (3) 变频调速系统可以直接在线启动, 启动转矩大, 启动电流小, 减小了对电网和设备的冲击, 并具有转矩提升功能, 节省软启动装置 (4) 变频器内置功能多, 可满足不同工艺要求 ; 保护功能完善, 能自诊断显示故障所在, 维护简便 ; 具有通用的外部接口端子, 可同计算机 PLC 联机, 便于实现自动控制 (5) 交流变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势, 是目前世界公认的交流电动机的最理想 最有前途的调速技术 一方面, 在过去大量应用的所谓不变速传动系统中, 有相当一部分是风机 水泵的传动系统, 这类负载约占工工业电力传动总量的一半 其中有些并不是真的不需要调速, 只是过去交流电动机都不调速, 因而它们不得不依赖挡板和阀门来调节流量, 同时也消耗掉大量电能 这类负载若采用变频调速, 可以获得十分可观的节电效益 ; 另一方面, 许多变动负载电动机一般按最大需求来选择电动机的容量, 故设计裕量偏大 而在实际运行中, 轻载运行的时间所占比例却非常高 如采用变频调速, 可大大提高轻载运行时的工作效率 以风机为例, 根据流体力学原理, 轴功率与转速的三次方成正比 当所需风量减少, 风机转速降低时, 其功率按转速的三次方下降 因此, 精确调速的节电效果非常可观, 节约电力达 70% 以上 二 变频调速技术的发展 60 f (1 s) 由异步电动机的转速公式, n n 0 (1 s) 可知, 只要改变定子侧的电源 p 频率, 就可以改变异步电动机的转速, 这是由异步电动机的原理所决定的, 也是和异步电动机 与生俱来 的 然而, 异步电动机诞生于 l9 世纪 80 年代, 而变频调速技术发展到迅速普及的实用阶段, 却是在 20 世纪 80 年代, 整整经历了一个世纪 从目前迅速普及的 交一直一交 变频器的基本结构来看, 交一直 ( 由交流变直流 ) 的技术很早就解决了, 而 直一交 的逆变过程实际是不同组合的开关交替地接通和关断的过程, 它必须依赖于满足一定条件的开关器件, 而逆变器对开关器件的依赖性制约了变频器的发展 因此变频技术的发展主要取决于以下两个方面的技术 1. 功率器件变频技术是建立在电力电子技术基础之上的 在变频器中, 功率器件必须要满足一定的条件, 这些条件是 : (1) 能承受足够大的电压和电流 (2) 允许长时间频繁地接通和关断 (3) 接通和关断的控制十分方便 20 世纪 50 年代出现了晶闸管 (SCR),60 年代出现了门极可关断晶闸管 (GTO), 直到 20 世纪 70 年代, 电力晶体管 (GTR) 的开发成功, 才比较满意地满足了上述条件, 从而为变频技术的开发 发展和普及奠定了物质基础 20 世纪 80 年代中期, 又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管 (IGBT), 其工作频率比 GTR 提高了一个数量级,90 年代出现了智能功率模块 IPM(Itelligent Power Module) 器件的更新促使电力电子变流技术不断发展, 只要电力电子器件有了新的飞跃, 变频器就一定有一个新的飞跃, 从而使变频调速技术又向前迈进了一步 目前, 变频器上应用最多的开关功率器件有 GT0 GTR IGBT 以及智能模块 IPM 后面两种集 GTR 的低 2

3 饱和电压特性和 MOSFET 的高频开关特性于一体, 是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件 IGBT 的发展经历了四代,1992 年前后开始在通用变频器中得到广泛应用 而 IPM 的投入应用比 IGBT 约晚两年, 由于 IPM 包含了 IGBT 芯片及外围的驱动和保护电路, 甚至有的还把光耦也集成于一体, 因此是一种更为好用用的集成型功率器件, 目前, 在模块额定电流 l0~600a 范围内, 通用变频器均有采用 IPM 的趋向, 其优点是 : (1) 开关速度快, 驱动电流小, 控制驱动更为简单 (2) 内含电流传感器, 可以高效迅速地检测出过电流和短路电流, 能对功率芯片给予足够的保护, 故障率大大降低 (3) 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化, 所以浪涌电压 门极振荡 噪声引起的干扰等问题能有效地得到控制 (4) 保护功能较为丰富, 如电流保护 电压保护 温度保护一应俱全, 随着技术的进步, 保护功能将日臻完善 (5)IPM 的售价已逐渐接近 IGBT 采用 IPM 后, 变频器的开关电源容量 驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素使得在许多场合其性价比已超过 IGBT, 有很好的经济性 2. 控制方式早期通用变频器大多数为开环恒压频比 (U/f= 常数 ) 的控制方式 最大优点是系统结构简单, 成本低, 可以满足一般平滑调速的要求 缺点是系统的静态及动态性能不高 对变频器 U/f 控制系统的改造主要经历了三个阶段 第一阶段 :20 世纪 80 年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量 ( 或称磁通轨迹法 ), 这种方法被称为电压空间矢量控制 典型机种如 l989 年前后进人中国市场的 FUJI( 富士 )FRN5000G5/P5 SANKEN( 三垦 )MF 系列等 三菱 日立 东芝也都有类似的产品 然而, 由于未引入转矩调节, 系统性能没有得到根本性的改善 第二阶段 : 矢量控制 它是 20 世纪 70 年代初由西德 F.Blasschke 等人首先提出的 其原理是仿照直流电动机的控制方式, 利用坐标变换的手段, 把交流电动机定子电流分解为磁场分量电流 ( 相当于励磁电流 ) 和转矩分量电流 ( 相当于负载电流 ) 分别加以控制, 并同时控制两分量间的幅值和相位, 即控制定子电流矢量 由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河 它使人们看到交流电动机尽管控制复杂, 但同样可以实现转矩 磁场独立控制的内在本质 矢量控制技术在努力融入通用型变频器中, 从 l992 年开始, 德国西门子开发了 6SE70 通用型系列, 可以实现频率控制 矢量控制 伺服控制 1994 年将该系列扩展至 315kw 以上 目前,6SE70 系列除了 200kW 以下价格较高, 在 200kW 以上有很高的性价比 第三阶段 :1985 年德国鲁尔大学 Depenbrock 教授首先提出直接转矩控制理论 (Direct Torque Control 简称 DTC) 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量来控制 这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度 转矩控制精度 1995 年 ABB 公司首先推出的 ACS600 直接转矩控制系列变频器精度可以达到 ±0.01% 控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展, 自从 1991 年 Intel 公首推出 8X196MC 系列以来, 专门用于电动机控制的芯片在品种 速度 功能 性价比等方面都 3

4 有很大的发展 如日本三菱电机开发用于电动机控制的 M37705 M7906 单片机和美国德州仪器的 TMS320C240DSP 等都是颇具代表性的产品 三 我国变频调速技术的发展概况我国从 1965 年就开始研究可控硅变频器,20 世纪 80 年代初, 当天津电气传动所 ( 电压型 ) 西安电力电子技术所 ( 电流型 ) 还在专心研制 SCR 变频器并探求市场时, 日本东芝已把 GTR 变频器的生产技术卖给了大连电机厂, 接着 1986 年我国传统电机厂开始引进日本的变频设计和制造技术,1988 年日本三垦公司的第一台低压变频器进入中国, 使我国的电动机调速打破了直流调速的垄断局面, 进入了交流电动机变频调速时代 变频器作为一种新兴的高技术产品, 从一开始国外品牌就占据了绝大部分市场, 就在国外变频器产品占据我国变频器市场的同时, 国内变频器的研制和生产也在艰难中向前发展 l996 年年底到 l997 年年初, 国家四部委对全国所有的变频器生产厂家进行调研, 最后推荐了江苏的耐特 康豪 山东的惠丰 陕西西普 成都佳灵 北京比莱恩 深圳华为等 29 个厂家生产的 33 种规格的变频器 适者生存,20 世纪 90 年代, 只有深圳华为 成都佳灵 烟台惠丰等为数不多的几家发展了, 而更多企业却选择了转产 华为电气更是投入巨资, 专门研究矢量控制技术, 并率先开发出高性能矢量变频器, 为国产变频器提升产品竞争力做出了巨大贡献 进入 21 世纪, 国产变频器得到了前所未有的发展 象征高性能技术的无速度控制技术已广泛应用在国产主流变频器中, 深圳市汇川技术有限公司的电梯控制驱动一体化技术, 代表了未来电梯发展方向, 目前只有少数世界品牌电梯 ( 三菱 OTIS 等 ) 拥有这项技术 深圳市蓝海华腾技术有限公司拥有与国际最领先技术水准同步的矢量控制技术和转矩控制技术, 而实现开环转矩控制 ( 无编码器反馈 ) 更是开中国之先河 被称为 高门槛 的高压变频器也取得了突破性进展 例如, 上海艾帕电力电子公司开发出无速度传感器控制的高性能级联式高压变频器, 合康亿盛研发了我国矢量控制四象限能量反馈型高压变频器等 2001 年, 世界首创的电压源型 IGBT 直接串联高压变频器, 在成都佳灵电气制造有限公司问世, 解决了 IGBT 直接串联的难题, 代表了高压变频器的一个发展方向 1. 国外交流变频调速技术发展的特点 (1) 市场的大量需求 随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺, 变频器越来越广泛地应用在机械 纺织 化工 造纸 冶金 食品等各个行业以及风机 水泵等节能场合, 并取得显著的经济效益 (2) 功率器件的发展 近年来高电压 大电流的 SCR GT0 IGBT IGCT 等器件的生产以及并联 串联技术的发展应用, 使高低压 大功率变频器产品的生产及应用成为现实 (3) 控制理论和微电子技术的发展 矢量控制 磁通控制 转矩控制 模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础 ;16 位 32 位高速微处理器以及信号处理器 (DSP) 和专用集成电路 (ASIC) 技术的快速发展, 为实现变频器高精度 多功能提供了硬件手段 (4) 基础工业和各种制造业的高速发展促使变频器相关配套产品社会化 专业化生产 2. 国内交流变频调速技术发展的状况我国变频技术虽然取得了一定进步, 但和国外相比还存在一定差距, 从总体上看我国变频调速技术的技术水平较国际先进水平差距 10~15 年 在大功率交一交 无换向器 4

5 电机等变频技术方面, 国内只有少数科研单位有能力制造, 但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距 而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行 大容量风机 压缩机和轧机传动 矿井卷扬方面有很大需求 在中小功率变频技术方面, 国内几乎所有的产品都是普通的 U/f 控制, 仅有少量的样机采用矢量控制, 品种与质量还不能满足市场需要, 每年需要大量进口 (1) 变频器的整机技术落后, 国内虽有很多单位投入了一定的人力 物力, 但由于力量分散, 并没有形成一定的技术和生产规模 (2) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白 (3) 相关配套产业及行业落后 (4) 产销量少, 可靠性及工艺水平不高 3. 国内变频器的格局变频器行业在我国已有近 20 年的历史, 市场规模逐年扩大 从市场份额看, 内资品牌的市场份额已从 2005 年的 l5% 迅速扩大到 2006 年的 20% 左右, 但仍有 80% 被外资品牌占据 其中日本品牌 ( 主要是富士 三菱 安川 欧姆龙 松下以及日立 ) 占 30% 左右的市场份额, 欧美品牌 ( 主要是西门子 ABB 施耐德) 占 40% 左右, 中国台湾地区 ( 主要是台达 ) 和韩国品牌约占 10% 从国内中 低压变频器市场的品牌数量看, 内资品牌数量最多, 约占 70% 目前内资品牌中市场份额最大的如深圳英威腾 成都希望森兰 烟台惠丰等企业 2006 年的销售额都突破 l 亿元 虽然它们的整体实力尚不足以和国际顶级品牌即德国西门子 瑞士 ABB 两大巨头相抗衡, 但是深圳英威腾 成都希望森兰都推出了矢量产品, 其中深圳英威腾不但低压矢量产品的功率规格已经比较丰富, 还拥有成熟的中压矢量产品, 其综合产品齐全程度逐步接近国际顶级品牌 这说明我们在技术水平 资本实力 生产管理等方面正在逐渐缩小与外资品牌的差距 四 变频器未来的发展方向交流变频调速技术是强弱电混合 机电一体的综合性技术, 既要处理巨大电能的转换 ( 整流 逆变 ), 又要处理信息的收集 变换和传输, 因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分 前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题, 后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬 软件开发问题 其主要发展方向是 : 1. 主控一体化 (1) 主控一体化的主要措施是把功率元件 保护元件 驱动元件 检测元件进行大规模的集成, 变为一个 IPM 的智能电力模块, 其体积小 可靠性高 价格低 (2) 高频化主要是开发高性能的 IGBT 产品, 提高其开关频率 目前开关频率已提高到 l0~15khz 基本上消除了电动机运行时的噪声 (3) 提高效率的主要办法是减少开关元件的发热损耗, 通过降低 IGBT 的集电极一射极间的饱和电压来实现, 其次, 用可控二极管整流采取各种措施设法使功率因数增加到 1 2. 数字化微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向 运动控制系统是快速系统, 5

6 特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息 近几年来, 国外各大公司纷纷推出以 DSP( 数字信号处理器 ) 为基础的内核, 配以电动机控制所需的外围功能电路, 集成在单一芯片内的称为 DSP 单片电机控制器, 价格大大降低, 体积缩小, 结构紧凑, 使用便捷, 可靠性提高 DSP 和普通的单片机相比, 处理数字运算能力增强 l0~15 倍, 可确保系统有更优越的控制性能 数字控制使硬件简化, 柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性, 可实现复杂控制规律, 使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实, 易于与上层系统连接进行数据传输, 便于故障诊断 加强保护和监视功能, 使系统智能化 ( 如有些变频器具有自调整功能 ) 3. 多功能化和高性能化多功能化和高性能化电力电子器件和控制技术的不断进步, 使变频器向多功能化和高性能化方向发展 特别是微机的应用, 以其简单的硬件结构和丰富的软件功能, 为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证 人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验, 并不断融人软件功能, 日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断增强, 如瞬时停电 短时过载情况下的平稳恢复功能防止了不必要的跳闸, 保证了运行的连续性, 这对某些不允许停车的生产工艺十分有意义 ; 控制指令和控制参数的设定, 可由触摸式面板实现, 不但灵活方便, 而且实现了模拟控制方式所无法实现的功能, 比如多段速设定 S 形加减速和自动加减速控制等 ; 故障显示和记忆功能, 使故障的分析和设备的维修变得既准确又快速 ; 灵活的通信功能, 方便了与 PLC 或上位计算机的接口, 很容易实现闭环控制等 可以这样说, 通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能, 即可以把原有生产机械的工艺水平 升级, 达到以往无法达到的境界, 使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种 8 位 CPU 16 位 CPU 奠定了通用变频器全数字控制的基础 32 位数字信号处理器 (Digital Sigal Processer,DSP) 的应用将通用变频器的性能提高了一大步, 实现了转矩控制, 推出了 无跳闸 功能 目前, 最新型变频器开始采用新的精简指令集计算机 (Reduced Instruction Set Computer,RISC), 将指令执行时间缩短到纳秒级 正是由于全数字控制技术的实现, 并且运算速度不断提高, 使得通用变频器的性能不断提高, 功能不断增加 4. 小型化紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度, 其中包括智能化的功率模块 紧凑型的光耦合器 高频率的开关电源, 以及采用新型电工材料制造的小体积变压器 电抗器和电容器 功率器件冷却方式的改变 ( 如水冷 蒸发冷却和热管 ) 对缩小装置的尺寸也很有效 ABB 公司将小型变频器定型向全球发布的全新概念是, 小功率变频器应当像接触器 软启动器等电器元件一样使用简单, 安装方便, 安全可靠 5. 系统化通用变频器除了发展单机的数字化 智能化 多功能化外, 还向集成化 系统化方向发展 如西门子公司提出的集通信 设计和数据管理三者于一体的 全集成自动化 (TIA) 平台概念, 可以使变频器 伺服装置 控制器及通信装置等集成配置, 甚至自动化和驱动系统 通信和数据管理系统都可以像驱动装置通常嵌入 全集成自动化 系统那样进行, 目的是为用户提供最佳的系统功能 6

7 6. 网络化新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口, 支持多种不同的通信协议, 内装 RS485 接口, 可由个人计算机通过变频器专用软件向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等, 通过选件可与现场总线 :Profibus-DP Interbus-S Device Net Modbus Plus CC-Link Ethernet CAN Open T LINK 等通信 如西门子 VACON 富士 日立 三菱 等品牌的通用变频器, 均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线 7. 绿色化新型通用变频器除了采用高频载波方式的正弦波 SPWM 调制实现静音化外, 还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路 APFC, 而在逆变电路中采取 Soft-PWM 控制技术等, 以改善输入电流波形 降低电网谐波, 在抗干扰和抑制高次谐波方面符合 EMC( 电磁兼容性 ) 国际标准, 实现所谓的清洁电能的变换 如三菱公司的柔性 PWM 控制技术, 实现了更低噪音运行 5.2 通用变频器基础知识 三相异步电动机的变频原理 由电机拖动原理知, 三相异步电动机的转速表达式为 : 60 f (1 s) n n 0 (1 s) p (5-1) 式中, f 异步电动机定子绕组上交流电源的频率 (Hz); P 异步电动机的磁极对数 ; s 异步电动机的转差率 ; n 异步电动机的转速 (r/min) 由式 (5-1) 可知, 当转差率 s 变化不大时, 异步电动机的转速 n 基本上与电源频率 f 成正比 连续调节加到异步电动机定子绕组的电源频率 f, 就可以平滑地调节电动机的 转速, 这就是变频调速的基本工作原理 表面看来, 只要改变定子绕组的电源频率 f 就可以调节转速大小了, 但是事实上只 改变 f 并不能正常调速, 而且可能导致电动机运行性能的恶化 其原因分析如下 : 由电机学原理知, 三相异步电动机定子绕组的反电动势 E1 的表达式为 : E K N1N1 f1 m (5-2) 式中, E 1 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值 (V); N 1 每相定子绕组的匝数 ; K N1 与绕组结构有关的常数 ; 7

8 m 电动机每极气隙磁通 由于 4.44 N 1K N1, 均为常数, 所以定子绕组的反电动势可用下式表示 : E 1 f 1 m (5-3) 根据三相异步电动机的等效电路知, E 1 U 1 U, 当 E 1和 f 1 的值较大时, 定子 的漏阻抗相对比较小, 漏阻抗压降 U 可以忽略不计, 即可认为电动机的定子电压 U1 E 1, 因此, 可将式 (1-3) 写成 : U1 E 1 f 1 m (5-4) 若电动机的定子电压 U 1, 保持不变, 则 E 1也基本保持不变, 由式 (1-4) 可知, 当定 子绕组的交流电源频率 f 1 由基频向下调节时, 将会引起主磁通 m 的增加 由于额定工 作时电动机的磁通已经接近饱和, 继续增大, 将会使电动机磁路过分饱和, 从而导 m 致过大的励磁电流, 严重时会因绕组过热而损坏电动机 ; 而从基频向上调节时, 主磁通 m 将减少, 铁心利用不充分, 同样的转子电流下, 电磁转矩 T 下降, 电动机的负载能 力下降, 电动机的容量也得不到充分利用 因此, 为了使电动机能保持较好的运行性能, 在调节 f 1 的同时, 必须保持每极磁通量 m 不变 对于直流电动机, 励磁系统是独立的, 只要对电枢反应的补偿合适, 保持 不变是很容易做到的 在交流异步电动机中, 磁 m 通是定子和转子磁势合成产生的, 怎样才能保持磁通恒定呢? 1. 基频以下恒磁通 ( 恒转矩 ) 变频调速通过上面的分析知, 为维持电动机输出转矩不变, 我们希望在调节频率的同时能够 维持主磁通 不变 ( 即恒磁通控制方式 ) 当在额定频率以下调频, 为了保证 不变, m 根据式 (5-3) 得 E f 1 1 常数 (5-5) 也就是说在频率厂, 下调时也同步下调反电动势 E 1, 但是由于异步电动机定子绕组中的感应电动势 E 1, 无法直接检测和控制, 根据 U1 E1, 可以通过控制 U 1达到控制 E1 的目的, 即 U f 1 1 常数 (5-6) 通过以上分析可知 : 在额定频率以下调频时, 调频的同时也要调压 将这种调速方法称为变压变频 (Variable Voltage Variable Frequency,VVVF) 调速控制, 也称为恒压频 m 8

9 比控制方式 在基频以下调速时, 保持 U 1 / f1 = 常数调节, 如果电动机在不同转速下具有相同的 额定电流, 则电动机都能在温升允许的条件下长期运行, 保持主磁通 恒定, 则电磁 转矩 T 恒定, 电动机带动负载的能力不变, 转速差基本不变, 电动机的输出转矩不变, 属于恒转矩调速 2. 基频以上恒功率 ( 恒电压 ) 变频调速 当定子绕组的交流电源频率 f 1, 由基频向上调节时, 若按照 U 1 / f1= 常数的规律控 制, 电压也必须由额定值向上增大, 但由于电动机受到额定电压的限制不能再升高, 只 能保持不变 因此, 当 f 1 上调时, 由式 (5-4) 可知, 由于 U 1 不能增加, 必然使主磁通 m m 与频率 f 1 成反比地降低, 相当于直流电动机弱磁升速的情况 ; 由电机学原理知, m 的 下降将引起电磁转矩 T 的下降 频率越高, 主磁通 下降得越多, 由于 与电流或转 矩成正比, 因此, 电磁转矩 T 也变小 需要注意的是, 这时的电磁转矩 T 仍应比负载转矩大, 否则会出现电动机的堵转 在这种控制方式下, 转速越高, 转矩越低, 但是转速与转矩的乘积 ( 输出功率 ) 基本不变 所以, 基频以上调速属于弱磁恒功率调速 3. 变频调速特性的特点把基频以下和基频以上两种情况结合起来, 如果电动机在不同转速下都具有额定电流, 则电动机都能在温升允许的条件下长期运行, 这时转矩基本上随磁通变化 ; 按照电力拖动原理, 在基频以下, 属于恒转矩调速的性质, 适合带恒转矩负载 ; 而在基频以上, 属于恒功率调速性质, 适合带恒功率负载 m m 变频器的基本结构及主要技术参数 一 基本结构 变频器是把电压 频率固定的交流电变成电压 频率可调的交流电的变换器 它与 外界的联系基本上分为主电路 控制电路两个部分, 如图 5.1 所示 9

10 图 5.1 变频器的基本原理框图 1. 主电路交 - 直 - 交变频器的主电路如图 5.2 所示, 由整流电路 能耗电路和逆变电路组成 (1) 整流电路 1 整流管 VD1~VD6 在图 5.2 中, 二极管 VD1~VD6 组成三相整流桥, 将电源的三相交流电全波整流成直流电 如电源的线电压为 UL, 则三相全波整流后平均直流电压 UD 的大小是 UD=1.35UL 我国三相电源的线电压为 380V, 故全波整流后的平均电压是 UD= V=513V 2 滤波电容器 CF 图 5.2 中的滤波电容器 CF 有两个功能 : 一是滤平全波整流后的电压纹波 ; 二是当负载变化时, 使直流电压保持平稳 由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制, 滤波电路通常由若干个电容器并联成一组, 又由两个电容器组串联而成, 如图 5.2 中的 CF1 和 CF2 路组成 10

11 图 5.2 交 - 直 - 交变频器的主电路 3 限流电阻 RL 和开关 SL 当变频器刚合上电源的瞬间, 滤波电容器 CF 的充电电流是很大的 过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏 ; 同时, 也使电源电压瞬间下降 为了减小冲击电流, 在变频器刚接通电源后的一段时间里, 电路内串入限流电阻 RL, 其作用是将电容器 CF 的充电电流限制在允许范围以内 开关 SL 的功能是 : 当 CF 充电到一定程度时, 令 SL 接通, 将 RL 短路掉 许多新系列的变频器里,SL 已由晶闸管代替, 如图 5.1 中虚线所示 4 电源指示 HL HL 除了表示电源是否接通以外, 还有一个十分重要的功能, 即在变频器切断电源后, 表示滤波电容器 CF 上的电荷是否已经释放完毕 由于 CF 的容量较大, 而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行, 所以 CF 没有快速放电的回路, 其放电时间往往长达数分钟 又由于 CF 上的电压较高, 如不放完, 对人身安全将构成威胁 故在维修变频器时, 必须等 HL 完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分 (2) 能耗电路电动机在工作频率下降过程中, 将处于再生制动状态, 拖动系统的动能要反馈到直流电路中, 使直流电压 UD 不断上升, 甚至可能达到危险的地步 因此, 必须将再生到直流电路的能量消耗掉, 使 UD 保持在允许范围内 图 5.1 中的制动电阻 RB 就是用来消耗这部分能量的 制动单元 VTB 由 GTR 或 IGBT 及其驱动电路构成 其功能是为放电电流 IB 流经 RB 提供通路 (3) 逆变电路 1 逆变管 VTl~VT6 11

12 逆变管 VTl~VT6 组成逆变桥, 把 VDl~VD6 整流所得的直流电再 逆变 成频率可调的交流电 这是变频器实现变频的具体执行环节, 因而是变频器的核心部分 当前常用的逆变管有绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 电力晶体管 (GTR) 门极关断(GTO) 晶闸管以及电力 MOS 场效应晶体管 (MOSFET) 等 在中小型变频器中最常采用的是 IGBT 管 2 续流二极管 VD7~VDl2 其主要功能有: 第一, 电动机的绕组是电感性的, 其电流具有无功分量 VD7~VDl2 为无功电流返回直流电源时提供 通道 第二, 当频率下降 电动机处于再生制动状态时, 再生电流将通过 VD7~VDl2 整流后返回给直流电路 第三,VTl~VT6 进行逆变的基本工作过程是, 同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和截止的状态 在这交替导通和截止的换相过程中, 也不时地需要 VD7~VD l2 提供通路 2. 控制电路变频器的控制电路主要以 16 位 32 位单片机为控制核心, 从而实现全数字化控制 它具有设定和显示运行参数 信号检测 系统保护 计算与控制 驱动逆变管等作用 (1) 驱动电路主要包括 PWM 信号分配电路 输出信号电路等 主要作用是产生符合系统控制要求的驱动信号, 驱动控制单元受单片机的中央处理单元 (CPU) 的控制 驱动电路一般有以下几种方式 : 分立插脚式元件组成的驱动电路 光耦驱动电路 厚膜驱动电路 专用集成块驱动电路等 (2) 主控电路变频器控制的核心部分是由单片机构成的中央处理单元组成, 包括控制程序 控制方式等 外部的控制信号 内部的检测信号 用户的参数设定等送到 CPU, 经 CPU 处理后, 对变频器进行相关的控制 (3) 保护及报警单元变频器通常都有故障自诊断功能和自保护功能 当变频器出现故障或输入 输出信号异常时, 由中央处理单元控制驱动控制单元, 改变驱动信号, 使变频器停止工作, 实现自我保护功能 (4) 参数设定和监视单元该单元主要由操作面板组成, 包括液晶显示屏和键盘 用于对变频器的参数设定和监视变频器当前的工作状态, 并显示故障代码 (5) 控制电源为控制电路提供直流电源 其内部电源具有电压稳定性好, 抗干扰能力强等优点, 并与主电路有很好的电气隔离 (6) 外部端子外部端子包括主电路端子 (R S T U V W) 和控制电路端子 其中控制电路端子又分为输入控制端, 以及输出控制端 输入控制端既可以接受模拟量输入信号, 又可以接受开关量输入信号 输出端子有用于报警输出的端子 指示变频器运行状态的端子以 12

13 及用于指示各种输出数据的测量端子 通信接口用于变频器和其他控制设备的通信 5.3 变频器的分类 变频器的种类很多, 其分类方法也有很多种 按交流环节分类 1. 交 直 交变频器交 直 交变频器是指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交流电 由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制 因此, 其在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面, 都有明显优势, 是目前广泛采用的变频方式, 如图 5.3 所示 ~50Hz M 3~ 图 5.3 交 - 直 - 交变频 2. 交 交变频器交 交变频器是指把电网固定频率的交流电功率直接转换成频率可调的的交流功率 ( 转换前后的相数相同 ), 通常由三相反并联晶闸管可逆桥式变流器组成, 它具有过载能力强 效率高 输出波形较好等优点, 但同时存在着输出频率低 ( 最高频率小于电网频率的 1/2) 使用功率器件多 功率因数低和高次谐波对电网影响大等特点 交--- 交变频器可驱动同步电动机和异步电动机, 目前再轧钢机 船舶主传动系统 矿石粉碎机 电力牵引等容量较大的低速传动设备上使用较多 按直流环节的滤波形式分类 1. 电压型变频器直流环节的储能元件是电容器, 如图 5.4(a) 所示 电路的中间直流环节采用大电容作为储能元件, 负载的无功功率将由它来缓冲 由于大电容的作用, 主电路直流电压 Ud 比较平稳, 电动机的电压波形为矩形波或阶梯波 直流电源的内阻比较小, 相当于电压源, 故成为电压源型变频器或电压型变频器 其优点是对负载电动机而言, 变频器是一个交流电压源, 在不超过容量限度的情况下, 可以驱动多台电动机并联运行, 具有不选择负载的通用性 其缺点是不易实现回馈制动, 必须制动时, 只能采用在直流环节中并联电阻的能耗制动或者采用可逆变流器 ; 调速系统动态响应比较慢 13

14 图 5.4 电压型变频器和电源型变频器 2. 电流型变频器直流环节的储能元件是电感线圈, 如图 5.4(b) 所示 电路的中间直流环节采用大电感作为储能环节, 负载的无功功率将由它来缓冲 由于电感的作用, 直流电流 Id 趋于平稳, 电动机的电流波形为矩形波或阶梯波, 电压波形接近于正弦波 直流电源的内阻较大, 近似与直流源, 故称为电流源型变频器或电流型变频器 其优点是容易实现回馈制动, 便于四象限运行 ; 直流电压可以迅速改变, 调速系统动态响应快 因此电流型变频器可用于频繁加减速的大容量电动机的传动 再大容量风机 泵类节能调速中也有应用 按控制方式分类 1. 电压频率比控制变频器电压频率比 U/f 控制是为了得到理想的转矩 速度特性, 基于在改变电源频率进行调速的同时, 又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的, 通用型变频器基本上都采用这种控制方式 U/f 控制变频器结构非常简单, 无速度传感器为速度开环控制, 负载可以是通用标准异步电动机, 所以通用性强 经济性好 但开环控制方式不能达到较高的控制性能, 而且再低频时必须进行转矩补偿, 以改变低频转矩特性, 故常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合 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由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 但在控制系统中需要安装速度传感器求取转差角频率, 有时还需要加电流反馈, 要针对具体电动机的机械特性调整控制参数, 因而这种控制方式的通用性较差 3. 矢量控制变频器矢量控制是一种高性能的异步电动机控制方式, 是通过矢量坐标电路控制电动机定 14

15 子电流的大小和相位, 以便对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制, 进而达到控制电动机转矩的目的 它的基本原理是将异步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, 即控制定子电流的矢量, 因此, 这种控制方式被称为矢量控制方式 基于转差频率控制的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致, 但是, 基于转差频率控制的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制, 使之满足一定的条件, 以消除转矩电流过渡过程中的波动 因此, 转差频率控制的矢量控制方式比转频率控制方式再输出特性方面能得到很大的改善 但是, 这种控制方式属于闭环控制方式, 需要在动机上安装速度传感器, 因此, 应用范围受到限制 4. 直接转矩控制变频器直接转矩控制是继矢量控制变频器调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术 它是利用空间电压矢量 PWM(SVPWM) 通过磁链 转矩的直接控制, 确定逆变器的开关状态来实现的 直接转矩控制还可以用于普通的 PWM 控制, 实现开环或闭环控制 按功能分类 1. 恒转矩变频器恒转矩变频器控制的对象具有恒转矩特性, 在转速精度及性能等方面要求一般不高, 当用变频器实现恒转矩调速时, 必须加大电动机和变频器的容量, 以提高低速转矩 恒转矩变频器主要应用于挤压机 搅拌机 传送带和提升机等 2. 平方转矩变频器平方转矩变频器控制在对象在过载能力方面要求较低, 由于负载转矩与负载转矩的平方成正比, 所以低速运行时负载较轻, 并有节能的效果 平方转矩变频器主要应用于风机和泵类 按用途分类 1. 通用变频器通用变频器是指与普通的笼型异步电动机配套使用, 能适应各种性质的负载, 并具有多种可供选择功能的变频器 2. 高性能专用变频器高性能专用变频器主要应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厂家指定专用电动机 按输出电压调制方式分类 1.PAM 方式 PAM 方式的特点是变频器再改变输出频率的同时也改变了电压的振幅值 在变频器 15

16 中逆变器负责调节输出频率, 而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压 U d 去实现 采用相控整流器调压时, 供电电源的功率因数随调节深度的增加而变小 ; 采用直流斩波器调压时, 供电电源的功率因数在不考虑谐波影响时, 可以达到 1 2.PWM 方式 PWM 方式的特点是变频器在改变输出频率的同时, 也改变了电压的脉冲, 占空比, 其只需控制逆变电路便可实现, 通过改变脉冲宽度来改变输出电压幅值, 通过改变调制周期可以控制其输出频率 这种方式大大减少了负载电流中的高次谐波 按主开关器件分类 1. IGBT 变频器由于 IGBT 开关频率高, 可构成静音式变频器, 使电动机的噪声降到接近正常工频供电时的水平, 其电流波形更加正弦化, 减小了电动机转矩脉动, 且低速转矩大 其用于矢量控制时, 响应更快 其比同容量的 BJT 变频器体积小, 重量轻 2. SCR 变频器 SCR 变频器属于电压源型变频器, 其具有不选择负载的通用性, 在不超过变频器容量条件下, 可以多电动机并联运行 在确保换流能力足够的条件下, 过负载能力较强 在多重化连接时, 既可以改变波形又可以实现大容量化 3. BJT 变频器与 SCR 变频器相比,BJT 变频器不但不需要换流电路, 而且还具有体积小 重量轻 开关效率高, 适用于高频变频和 PWM 变频, 适用于矢量控制以及响应较快的特点 4. GTO 变频器与 BJT 变频器相比,GTO 变频器的电压 电流等级高, 适用于高压 大容量的应用场合 与 SCR 变频器相比, 其开关频率高, 可进行 PWM 控制, 低速特性有很大提高, 此外, 与 SCR 变频器相比, 还具有主回路简单 体积小 重量轻和效率高的特点 PID 控制功能的设置 PID 控制通常指在一个闭环控制系统中, 使被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目的 1. PID 功能的设置要实现闭环 PID 的控制功能, 应先将 PID 功能预置为有效 PID 功能常由变频器的功能参数码预置和变频器的外接多功能端子的状态决定 一般变频器兼有上述两种预置方式, 又少数品牌的变频器只有其中一种预置方式 在控制要求不十分严格的控制的系统中, 有时仅使用 PI 控制功能 不启动 D 功能就能满足需要 这样的系统调试过程比较简单 2. PID 的反馈逻辑不同变频器的称谓不尽相同, 更有称谓类似而含义相反的情形 系统设计时应根据选用变频器的说明书为准 反馈逻辑是指被控制物理量经检测到的反馈信号对变频器输 16

17 出频率的控制极性, 如中央空调控制系统中, 用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电动机的转速 到冬天制热时, 如果回水温度偏低, 则反馈信号减小, 说明房间温度低, 此时应提高变频器的输出频率和电动机的转速, 加大热水的流量 ; 到夏天制冷时, 如果回水温度偏低, 反馈信号减小, 则房间温度过低, 此时应降低变频器的输出频率和电动机的转速, 减少冷水的流量 在上述两种情况下, 同样是温度偏低, 反馈信号减小, 而要求变频器的频率变化方向却是相反的 3. 目的信号与反馈信号变频系统中的某一个被控物理量要想稳定在与其的目的值上, 变频器的 PID 功能电路就要将反馈信号与目的信号不断的进行比较, 并利用比较结果来随时 快速调整输出频率和电机的转速 因此, 变频器 PID 控制至少需要两种控制信号 : 目的信号和反馈信号 实际应用中, 可通过变频器的功能参数设置使 PID 功能有效或无效 PID 功能有效时, 由 PID 控制电路决定变频器的运行频率 ;PID 功能无效时, 有频率设定信号决定变频器的运行频率 PID 开关 动作选择开关和反馈信号切换开关均有功能参数的设置决定其工作状态 4. 目的值给定将目的值 ( 目的信号 ) 的命令信号传送给变频器, 不同的变频器选择了不同的方法, 大体上可分为自动转换法 ( 变频器预置 PID 功能有效时, 其开环运行时的频率给定功能制动转为目的值得给定 ) 和通道选择法 由于目的信号和反馈信号通常不是同一种物理量, 难以进行直接比较, 所以, 大多数变频器的目的信号都用传感器量程的百分数来表示 目的值既是预期稳定值得绝对值 5. 反馈信号的链接各种变频器通常由多个变频给定输入端, 这些输入端子中, 如果已经确定一个为目的信号的输入通道, 则其他输入端子均可作为反馈信号输入端, 此时, 可通过相应的功能参数选择其中的一个作为反馈的输入端 6. P I D 参数的预置与调整 P I D 参数的预置与调整可分为如下几点 : (1) 比例增益 P 变频器的 PID 功能是通过目的信号和反馈信号比较的结果来调节输入频率的, 在实际应用中, 目的信号和反馈信号无限接近 ( 即差值很小 ), 可以满足调节的精度 ; 调节信号有一定的幅度, 可以提高调节的灵敏度 要想得到满意的结果, 应事先将差值信号进行放大, 比例增益 P 就是用来设置差值信号放大系数的 每种变频器的参数 P 都给出了一个可设置的数值范围, 在初次的调速时,P 值可以按中间偏大值预置, 或者暂时默认出厂值, 待设备运转时要按实际情况细调 (2) 积分时间 I 比例增益越大, 调节灵敏度越高 由于传动系统和控制电路都有惯性, 调节到最佳值时不能立即停止, 从而导致 超调, 然后反过来调整, 再次超调, 形成震荡 因此加入积分环节, 通过积分环节的作用, 使经过比例增益 P 放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大 ( 或减小 ), 从而减缓其变化速度, 防止震荡的产生 而积分时间 I 值太大, 当反馈信号急剧变化时被控物理量难以立即恢复 因此, 积分时间 I 的取值与拖动系统的时间常数有关 ( 拖动系统的时间常数过小时, 积分时间要短些 ; 拖动 17

18 系统时间常数过大时, 积分时间要长些 ) (3) 微分时间 D 微分时间 D 值是通过差值信号变化的速率, 提前给出一个相应的调节动作, 缩短调节时间, 消除积分时间过长而使恢复之后的缺陷 D 值与拖动系统的时间常数有关 ( 拖动系统的时间常数过小时, 微分时间应短些 ; 拖动系统时间常数过大时, 微分时间要长些 ) (4)P I D 参数的调整原则 P I D 参数的预置是相关联的, 要根据现场控制的实际情况, 进行如下细调 : 被控物理量在目的值附近震荡, 先增大积分时间 I, 如果仍由振荡, 可适当减小比例增益 P: 被控物理量在发生变化后难以恢复, 先增大比例增益 P, 如果恢复仍较缓慢, 可适当减小比例时间 I, 还可增大微分时间 D PID 控制功能是变频器应用技术的重要领域之一, 要根据控制情形决定 18

19 5.4 三菱变频器的操作与运行 三菱 FR-740 变频器端子接线图 三菱 FR-740 变频器端子接线图如图 5.5 所示 图 5.5 三菱 FR-740 变频器端子接线 19

20 1. 主回路接线端子功能 主回路接线端子功能如表 5-1 所示 表 5-1 三菱变频器主回路端子功能 2. 主回路接线端子说明 (1) 主回路电源和电动机的连接如图 5.6 所示 电源必须接 R S T, 决不能接 U V W, 否则会损坏变频器 在接线时不必考虑电源相序 使用单相电源时必须接 R S 端 电动机接到 U V W 端子上 图 5.6 变频器电源和电机接线 2. 控制回路接线端子说明 (1) 端子 SD SE 和 5 为 I/O 信号的公共端子, 相互隔离, 不要将这些公共端子互相连接或接地 端子 SD 为接点输入端子 (STF STR STOP RH RM RL JOG RT MRS RES AU CS) 的公共端子 内部控制回路为光耦隔离 端子 5 是频率设定信号 ( 端子 2 1 和 4) 模拟量输出端子 AM 的公共端子 端子 SE 为集电极开路输出端子 (RUN SU OL IPF FU) 的公共端子 内部控制电路采取光耦隔离 (2) 控制回路端子的接线应使用屏蔽线或双绞线, 而且必须与主回路 强电回路 ( 含 20

21 200V 继电器回路 ) 分开布线 (3) 由于控制回路的频率输入信号是微小电流, 所以在接点输入的场合, 为了防止接触不良, 微小信号接点应使用两个并联的接点或使用双生接点 (4) 控制回路输入信号出厂设定为漏型逻辑 在这种逻辑中, 信号端子接通时, 电流是从相应的输入端子流出 端子 SD 是触点输入信号的公共端, 端子 SE 是集电极开路输出信号的公共端 操作面板各部分功能如图 图 5.7 变频器操作面板 21

22 5.4.3 变频器的运行操作模式 所谓运行操作模式是指输入变频器的启动指令及设定频率的场所 变频器的常见运行操作模式有 PU 操作模式 外部操作模式 组合操作模式 程序运行模式 和 计算机通信模式 等 模式的选择应根据生产过程的控制要求和生产作业的现场条件等因素来确定, 达到既满足控制要求, 又能够以人为本的目的 三菱变频器操作模式的选择用 运行操作模式选择 参数 Pr.79 进行设定, 其运行操作模式通常有 9 种, 选取常用的 6 种加以介绍, 如表 5-2 所示 表 5-2 变频器运行操作模式 Pr.79 设定值功能 O 电源接通时, 为外部操作模式 PU 或外部操作可切换 1 PU 操作模式 2 外部操作模式外部 /PU 组合操作模式 3 运行频率 从 PU(FR-PU04/FR-PU07) 设定 ( 直接设定, 或外部输入信 号 ( 仅限多段速度设定 ) 启动信号 外部输入信号 ( 端子 STF,STR) 外部 /PU 组合操作模式 2 4 运行频率 外部输入信号 ( 端子 2 4 JOG 多段速度选择 ) 启动信号 从 PU(FR PU04/FR PU07) 的 FWD REV 键输入 切换模式 可以一边继续运行状态, 一边实施 PU 运行 外部运行 网络运行的切 5 换 1.PU 操作模式 PU 操作模式主要通过变频器的面板设定变频器的运行频率 启动指令 监视操作命令 显示参数等 这种模式不需要外接其他的操作控制信号, 可直接在变频器的面板上进行操作 采用 PU 操作模式时, 可通过设定 运行操作模式选择 参数 Pr.79=1 或 0 来实现 2. 外部操作模式外部操作模式通常为出厂设定 这种模式通过外接的启动开关 频率设定电位器等产生外部操作信号, 控制变频器的运行 外部频率设定信号为 0~5V 0~10V 或 4~20mA 的直流信号 启动开关与变频器的正转启动 STF 端 / 反转启动 STR 端连接, 频率设定电位器与变频器的 l0 2 5 端相连接, 外部控制操作的基本电路如图 5.8 所示 22

23 图 5.8 外部操作模式的接线图 采用外部操作模式时, 可通过设定 运行操作模式选择 参数 P r.79=2 或 0 来实现 3. 组合操作模式 PU 和外部操作模式可以进行组合操作, 此时 Pr.79=3 或 4, 采用下列两种方法中的一种 : (1) 启动信号用外部信号设定 ( 通过 STF 或 STR 端子设定 ), 频率信号用 PU 模式操作设定或通过多段速端子 RH RM RL 设定 (2) 启动信号用 PU 键盘设定, 频率信号用外部频率设定电位器或多段速选择端子 RH RM Rl. 进行设定 4. 程序运行模式有些变频器可以进行程序控制的设定, 各程序段的运行时间由变频器内部的定时器根据用户预置的参数计时决定 选择程序运行模式时, 必须设定 Pr.79=5, 并且要对每一个程序步进行下列设定 : (1) 工作方式, 包括正转 反转 停止 本程序步结束后应转入的程序步的步号等 (2) 工作频率 (3) 工作时间 5. 计算机通信模式通过 RS485 接口和通信电缆可以将变频器的 PU 接口与 PLC ASIC RISC 和工业用计算机 (PC) 等数字化控制器进行连接, 实现先进的数字化控制 现场总线系统等 这个领域有着广阔的应用和开发前景 当计算机 ( 通常称为上位机 ) 的通信接口为 RS232C 时, 应该加接一个 RS485 与 RS232C 的转换器, 例如 RC 一 55A 计算机通信模式可以通过设定参数 Pr.79=6 来实现, 这时不仅可以进行数字化控制器与变频器的通信操作, 还可以进行计算机通信操作与其他操作模式的相互切换 23

24 5.5 变频器主电路接线 外接主电路接线 变频器在实际应用中, 还需要和许多外接的配件一起使用才能完成控 制功能, 图 5.9 所示是一个比较完整的主电路 图 5.9 变频器主电路接线变频器的电源端一般采用接触器 KM 控制变频器的电源接通与否 合上低压断路器 QF, 当按下启动按钮 SB2 时, 接触器 KM 线圈得电,KM 的三对主触点闭合, 变频器接通电源 ; 按下停止按钮 SB1 时,KM 线圈失电, 变频器切断电源 LAC1 电源侧交流电抗器, 用于改善输入电流波形 提高整流器和电解滤波电容的寿命 减少不良输入电流波形对外界电网的干扰 协调同一电源网上有晶闸管等变频器造成的波形的影响 减少功率切换和三相不平衡的影响, 因此也叫电源协调电抗器 Z1 进线侧无线电干扰抑制电抗器, 用于减少变频器对外界的无线电干扰 LDC 直流电抗器, 用于改善电容滤波造成的输入电流波形畸变和改善功率因数 减小和防止因冲击造成整流桥损坏和电容过热 直流电抗器在变频器功率大于 22kW 时建议都要采用, 当变频器功率越大, 越应该使用, 因为没有直流电抗器时, 变频器的电容滤波会造成电流波形严重畸变, 进而使电网电压波形严重畸变, 而且非常有害于变频器的整流桥和滤波电容寿命 RB 制动电阻, 消耗制动时电动机能量的电阻 PW 制动单元, 当变频器降低频率使电动机急剧减速或重力负载使电动机处于发电运行时, 电动机制动的反馈能量使变频器直流母线电压升高到一定程度就会开启该制动单元, 使能量消耗在制动电阻上 24

25 LAC2 输出侧交流电抗器, 变频器的输出是脉冲宽度调制的电压波, 它是前后沿很陡的一连串脉冲方波, 存在丰富的谐波, 这些谐波有害于电动机和负载的寿命, 以及对周围电气的干扰 ; 当负载端电容分量大时, 造成变频器的开关器件流过大的冲击电流, 会损坏开关器件 使用输出侧交流电抗器可进行平滑滤波, 减小瞬变电压的影响 Z2 输出侧无线电干扰抑制电抗器, 对输出布线距离大于 20m 时尤其需要安装 由于变频器有比较完善的过电流和过载保护功能, 且低压断路器也具有过电流保护功能, 故进线侧可不必接熔断器 又因为变频器内部具有电子热保护功能, 故在只接一台电机的情况下, 可不必接热继电器 外接主电路主要电器的功能和选择 1. 低压断路器 QF (1) 主要作用低压断路器 QF 主要有两个作用 : 一是隔离作用, 当变频器需要检修时, 或者因某种原因而长时间不用时, 将 QF 切断, 使变频器与电源隔离 ; 二是保护作用, 当变频器的输入侧发生短路等故障时, 进行保护 (2) 选用原则由于 : 1 变频器在刚接通电源瞬间, 对电容器的充电电流可高达额定电流的 2~3 倍 2 变频器的进线电流是脉冲电流, 其峰值常可能超过额定电流 3 变频器允许的过载能力为 150% 1min 所以, 为了避免误动作低压断路器的额定电流 IQN (1.3~1.4)IN, 其中 IN 为变频器的额定电流 2. 接触器 KM (1) 主要作用 1 可通过按钮方便的控制变频器的通电与断电 2 变频器发生故障时, 可自动切断电源 注意 : 不能用接触器启动和停止变频器, 这样将降低变频器的寿命 (2) 选择原则由于接触器可能存在误动作, 故选择原则是, 主触点的额定电流 IKN IN 3. 输出接触器变频器的输出端一般不接接触器 如由于某种原因需要接入时, 如工频切换电路, 则因为电流中含有较强的谐波成分, 故变频器的主触点的额定电流 IKM 1.5IMN. 其中 IMN 是电动机的额定电流 5.6 变频器的启停控制电路 变频器常用启停控制电路如图 5.10 所示 25

26 图 5.10 变频器启停控制电路在图 5.10 中, 接触器 KM 控制变频器的接通或断开电源, 中间继电器 KA 控制变频器启动或停止 通过按钮 SB1 可以控制接触器 KM 的通断, 使变频器运行或停止, 但是, 电源接通时所流过的瞬间电流会缩短变频器的使用寿命 ( 开关寿命为 100 万次左右 ), 因此要尽量的减少频繁地启动和停止变频器 可以通过变频器启动控制用端子 (STF,STR) 来使变频器运行和停止, 在图 5.10 中, 只有当接触器接通电源后,KM 的常开触点闭合, 此时按下变频器启动按钮 SB3, 中间继电器 KA 才会得电并自锁,KA 的常开触点闭合, 接通变频器的 STR 或 STF 端子, 变频器开始运行 KA 线圈电路串联 KM 的常开触点, 是保证 KM 未吸合前, 继电器 KA 线圈不得电, 从而防止先接通 KA 的误动作 而当 KA 接通时, 其常开触点闭合使停止按钮 SB2 失去作用, 从而保证了只有在电动机先停机的情况下, 才能使变频器切断电源 在图 5.10 所示的控制电路中, 串入了报警输出端子 B-C 的常闭触点, 其作用是当变频器发生故障而报警时, B-C 触点断开, 使 KM 和 KA 线圈失电, 将变频器的电源切断 1. 将控制回路的电源端子 R1 S1 接到变频器主触点之前在变频器的保护回路动作后, 需要保持异常信号的输出时, 要将控制回路的电源端子 R1 S2 连接到 KM 的前面 2. 改变电动机的旋转方向如果电动机的旋转方向反了, 可以不必更换电动机的接线, 而通过以下方法来更正 : (1) 继电器的常开触点 KA 由正传端子 STF 接到反转端子 STR 上 (2) 接至 STF 端子上的接线不变, 而通过功能预置来改变旋转方向 例如三菱 FR-S540 变频器就可以通过将 Pr.17 的设定值变为 1 来实现 3. 变频器在电源侧而不在电机侧接接触器的原因当变频器通过外接信号进行控制时, 一般不推荐由接触器 KM 来直接控制电动机的启动和停止 这是因为 : (1) 控制电路的电源在尚未充电至正常电压之前, 其工作状况有可能出现紊乱 26

27 尽管近代的变频器对此已经做出了处理, 但所做的处理仍须由控制电路来完成 因此, 其准确性和可靠性难以的到充分的保证 (2) 通过接触器 KM 切断电机电源时, 电机已不受变频器控制, 电动机将处于自由制动状态, 不能按预置的减速时间来停机 (3) 变频器在刚接通电源的瞬间, 充电电流时很大的, 会构成对电网的干扰 因此, 应将变频器接通电源的次数降低到最少程度 5.7 PLC 控制的变频器启停电路 在工业自动化控制系统中, 最为常见的是变频器和 PLC 的组合应用, 并且产生了多种多样的 PLC 控制变频器的方法, 构成了不同类型的变频 PLC 控制系统 可编程控制器 (PLC) 是一种数字运算与操作的控制装置 它作为传统继电器的替代品, 广泛应用于工业控制的各个领域 由于 PLC 可以用软件来改变控制过程, 并且具有体积小 组装灵活 编程简单 抗干扰能力强及可靠性高等特点, 因此特别适用于恶劣环境下运行 一个变频 PLC 控制系统通常由三部分组成, 即变频器本体 PLC 变频器与 PLC 接口部分 变频器通常利用继电器接点或具有开关特性的晶体管与 PLC 相连, 得到运行状态或获取运行指令 对于继电器输出型或晶体管输出型 PLC, 其输出端子可以和变频器的输入端子直接相连 变频器中也存在一些数值型 ( 频率 电压 ) 指令信号的输入, 可分为数字量输入和模拟量输入两种 数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定 ; 模拟输入则通过接线端子由外部给定, 通常采用 PLC 的特殊模块给变频器提供输入信号 1. 设计思路采用 PLC 控制变频器启停运行时, 首先根据控制要求, 确定 PLC 的输入输出, 并给这些输入输出分配地址 这里的 PLC 采用三菱 FX2N-48MR 继电器输出型 PLC, 变频器采用三菱 FR-A540 变频器, 其启停控制的 I/O 分配如表 5-3 所示 表 5-3 变频器启停控制的 I/O 分配 输入 输出 输入继电器 输入原件 作用 输出继电器 输出原件 作用 X0 SB1 接通电源按钮 Y0 KM 接通 KM X1 SB2 切断电源按钮 Y1 STF-SD 变频器启动 X2 SB3 变频器启动 Y4 HL1 电源指示 X3 SB4 变频器停止 Y5 HL2 运行指示 X4 A-C 报警信号 Y6 HL3 报警指示 变频器启停控制电路如图 5.11 所示 变频器的速度由外接电位器 RP 条节, 由于 PLC 是继电器输出型, 所以变频器的启动信号由 PLC 得 Y1 直接接到正转启动端子 STF 上, 然后将 PLC 输出的公共端子 COM1 和变频器的公共端子 SD 相连 变频器的故障报警信号 27

28 A-C( 常开触点 ) 直接连接到 PLC 的输入端子 X4 上, 然后将 PLC 输入的公共端子 COM 和变频器的 C 端相连 一旦变频器发生故障,PLC 的报警指示灯 Y6 亮, 并使系统停止工作, 按钮 SB 用于在处理完故障后使变频器复位 为了节约 PLC 的输入输出点数, 该信号不接入 PLC 的输入端子 由于接触器线圈需要 AV220V 电源驱动, 而指示灯需要 DC24V 电源驱动, 它们采用的电压等级不同, 因此将 PLC 的输出分为两组, 一组是 Y0~Y3, 其公共端是 COM1; 另一组是 Y4~Y7, 其公共端是 COM2 注意, 由于两组所使用的电压不同, 所以不能将 COM1 和 COM2 连接在一起 2. 参数设置 由于变频器采用外部操作模式, 所以设定 Pr.79=2. 28

29 3. 程序设计 变频器启停控制的程序如图 5.12 所示 接通电源按钮 切断电源按钮 报警信号 接通 KM 断开 KM 变频器启动 变频器停止 变频器启动 变频器停止 电源指示 运行指示 报警指示 图 5.12 变频器启停控制程序 5.8 PLC 控制的变频器多段速电路 前面介绍过, 利用变频器的 RH RM 和 RL 端子的不同组合可以使变频器选择不同的运行速度, 最多可以选择 15 种速度 由于端子的组合方式很多, 在选择不同速度的过程种容易出错, 并且一种速度需要同时闭合几个端子 不利于控制系统的设计 为了克服这个缺点, 可以采用 PLC 控制 1. 设计思想如图 5.13 所示, 用按钮 X0(SB1) 控制变频器的电源接通或断开 ( 即 KM 吸合或断开 ), 用 X10(SB2) 控制变频器的启动和停止 ( 即 STF 端子的闭合与否 ), 这里每组的启动和停止都只用一个按钮, 利用 PLC 中 ALT 指令实现单按钮启停控制 SA1~SA7 是速度选择开关, 此种开关保证这 7 个输入中不可能两个同时为 ON PLC 的输出 Y0 接变频器的正转端子 STF, 控制变频器的启动和停止 PLC 的输出 Y1 Y2 Y3 分别接转速选择端子 RH RM RL, 通过 PLC 的程序实现三个端子的不同组合, 从而使变频器选择不同的速度运行 29

30 图 5.13 PLC 控制的变频器多段速电路 2. 参数设置必须设置以下参数 : Pr.79=3( 组合操作模式 ); Pr.7=2s( 加速时间 ); Pr.8=2s( 减速时间 ); 各段速度 :Pr.4=16Hz,Pr.5=20Hz, Pr.6=25Hz, Pr.24=30Hz Pr.25=35Hz, Pr.26=40Hz, Pr.27=45Hz 3. 程序设计在图中, 当合上相应的速度选择开关, 都必须有一个速度与之相对应 PLC 的三个输出 Y1 Y2 Y3 控制变频器 RH RM RL 的接通, 其输入输出关系如表 5-4 所示 表 5-4 多段速输入与输出间关系速度 Y1 Y2 Y3 参数 1(X1) ON OFF OFF Pr.4 2(X2) OFF ON OFF Pr.5 3(X3) OFF OFF ON Pr.6 4(X4) OFF ON ON Pr.24 5(X5) ON OFF ON Pr.25 6(X6) ON ON OFF Pr.26 7(X7) ON ON ON Pr.27 根据表设计的梯形图程序如同 5.14 所示 步 0 利用交替指令 ALT 控制变频器电源的接通和断开 当第一次按下 X0 时,Y4 得电, 接触器 KM 吸合, 变频器的电源接通 ; 当第二次按下 X0 时,Y4 失电, 接触器 KM 断开, 变频器切断电源 该支路中串联变频器启动信号 Y0 的常开触点, 主要是为了保证在变频器运行时, 不能切断变频器的电源 第三次按下, 再次接通变频器电源, 以此类推 步 6 是控制变频器启停的电路 步 0 和步 6 中都只用一个按钮实现启停控制, 可以节约 PLC 的输入点数 30

31 图 段速控制程序 5.9 基于 PLC 的小型货物升降控制系统 传统的升降机普遍采用交流绕线式异步电动机转子串电阻调速方式, 这种控制方式不但制动和调速换挡时机械冲击力大, 调速性能差, 而且接线复杂, 故障频繁, 安全性差 现在采用结构简单 价格低廉的鼠笼式电机, 并利用 PLC 和变频器对升降机的控制系统进行改造, 可以实现升降机电机的软启动和软制动, 即启动时缓慢升速, 制动时缓慢停车, 还可以实现多档速度的程序控制 1. 小型货物升降机的基本结构升降机的升降过程是利用电动机正反转卷绕钢丝绳带动吊笼上下运动来实现 小型货物升降机一般由电动机 滑轮 钢丝绳 吊笼及各种主令电气组成, 其机构如图 5.15 所示 SQ1~SQ4 为行程开关或接近开关, 用于位置检测 31 图 4.20 升降机结构图

32 图 5.15 升降机结构图 升降过程控制中, 要求有一个由慢到快再由快到慢的过程, 各段运行速度如同 5.16 所示, 当升降机的吊笼位于下限位 SQ1 时, 按下提升按钮 SB2, 升降机以较低的速度 10Hz 开始上升, 上升到变速位置 SQ2 时, 升降机以二速 30Hz 的速度开始加速上升, 上升到变速位置 SQ3 时, 升降机开始降低速度, 以一速 10Hz 运行, 直到上限位 SQ4 处停止 当升降机的吊笼位于上限位 SQ4 时, 按下下降按钮 SB3, 升降机以一速 10Hz 缓慢下降, 当下降到变速位 SQ3 时, 升降机开始加速, 以二速 30Hz 的速度快速下降, 直到变速位 SQ2, 升降机减速到一速 10Hz 运行, 直到下限位 SQ1 停止 频率 (HZ) 30 二速 一速 一速 SQI SQ2 SQ3 SQ4 一速 SQ3 SQ2 一速 SQI 位置 30 二速 图 5.16 升降机升降速度图 2. 系统的硬件构成升降机自动控制系统主要由三菱 PLC 三菱变频器 三相鼠笼式异步电机组成 系统的硬件接线如图 5.17 所示 由于升降机在下降时会发生回馈制动, 所以在变频器的 P-PR 端子上串联制动电阻 R PLC 的 I/O 分配功能如表 5.17 所示 32 图 5.17 升降机系统的硬件接线

33 在图 5.17 中,PLC 控制一方面代替继电器控制系统 ; 另一方面, 对于系统所要求的提升和下降以及由限位开关获取吊笼运行的位置信息, 通过 PLC 内部程序的处理后, 在 Y0~Y3 端输出信号控制变频器输入端子 STF STR RH RM 的状态, 使变频器及时按图 5.16 所示输出相应的频率, 从而控制升降机的运行特性 速度档由 RH RM 选择, 每档速度的大小通过变频器进行设定, 再通过 PLC 的程序控制频率切换 表 5-5 升降机的 I/O 端口分配表 输入 输出 输入端子 输入元件 作用 输出端子 输出元件 作用 X0 SB1 停止按钮 Y0 STF 提升 X1 SB2 提升按钮 Y1 STR 下降 X2 SB3 下降按钮 Y2 RH 一速 X3 SQ1 下限位 Y3 RM 二速 X4 SQ2 变速位 Y4 LED1 提升指示 X5 SQ3 变速位 Y5 LED2 下降指示 X6 SQ4 上限位 3. 变频器主要功能指令设定 (1) 设定 Pr.79=3 时, 组合操作模式有效 (2) 上限频率 Pr.1=50Hz; 下限频率 Pr.2=0Hz 基本频率 Pr.3=50Hz 加速时间 Pr.7=1s 减速时间 Pr.8=1s 一速 Pr.4=10Hz 二速 Pr.5=30Hz 4. 程序设计根据系统控制要求, 画出如图 5.18 所示的顺序功能图 33

34 习题 5-1 变频器的分类方法有哪些图 5.18? 升降机的顺序功能图 5-2 在基频以下调速时为什么要保持 U/f 为恒定值? 5-3 为什么不能采用接触器直接控制变频器启停? 5-4 用 PLC 变频器设计一个刨床的控制系统 其控制要求如下 : 刨床工作台由一台电动机拖动, 当刨床在原点位置时 ( 原点为左限与上限位置, 车刀在原点位置时, 原点指示灯亮 ), 按下启动按钮, 刨床工作台按照如图 5.19 所示的速度曲线运行 试画出 PLC 与变频器的接线图并编写 PLC 程序 图 5.19 工作台速度曲线 34