電子課件《變頻技術及應用(西門子)》B021720課題一

1、 變頻器是由計算機控制電力電子器件，將工頻交流電轉變?yōu)轭l率和電壓可調的三相交流電的電氣設備，對交流電動機進行變頻調速控制。變頻器的問世，對電氣調速領域具有十分重要的意義。變頻恒壓供水裝置變頻控制皮帶輸送機機床主軸變頻調速控制變頻控制的木工機械變頻空調1熟悉變頻器的銘牌與結構。2掌握變頻器前蓋板和操作面板的拆卸與安裝方法。3熟悉通用變頻器的內部基本結構。4掌握通用變頻器的基本工作原理。任務1認識變頻器 三相交流異步電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用非常廣泛。一般機械設備常用的調速方法有變極調速、定子調壓調速、轉差離合器調速等。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對調速性能要求的不斷提高和電力電子技術及微電子技術的迅速發(fā)展，變

2、頻調速技術亦日趨成熟。一般機械設備的調速框圖 變頻調速的框圖一、變頻器簡介1變頻器的外觀和結構接電機端子控制端子接電機端子控制端子接電源端子接電源端子 A型結構 B型結構西門子MM4系列變頻器外形圖變頻器外形結構示意圖 2變頻器的銘牌 變頻器銘牌中一般包括代表該廠商的產(chǎn)品系列、序號或標識碼、基本參數(shù)、電壓級別和標準可適配電動機容量等，可作為選擇變頻器的參考。3變頻器操作面板與配線蓋板的拆裝（1）變頻器操作面板的拆卸與安裝MM4系列變頻器在標準供貨方式時裝有狀態(tài)顯示板（SDP），對于很多用戶來說，利用SDP和制造廠的默認設置值就可以使變頻器成功地投入運行。如果默認值不適合的情況，也可以利用基本操

3、作板（BOP）或高級操作板（AOP）修改參數(shù)使之匹配。SDP狀態(tài)顯示板 MM440系列變頻器出廠時外形圖 BOP 基本操作板 AOP高級操作板MM4 系列變頻器操作面板1）操作面板的拆卸2）操作面板的安裝（2）配線蓋板的拆卸與安裝1）MM4系列變頻器A型機殼的配線蓋板的拆裝2）MM4系列變頻器B和C型機殼的配線蓋板的拆裝第一步，先拆卸操作面板第二步，拆卸控制端子的小蓋板第三步，拆卸主回路的蓋板拆裝時應注意事項：拆裝時不要盲目地硬敲、拉 以防損壞蓋板。安裝后，檢查蓋板安裝是否牢固。多臺變頻器同時拆卸與安裝時，需要檢查制造編號以確保將拆下的蓋板安裝在原來的變頻器上。4認識接線端子（1）電源端子與電

4、動機接線端子（2）控制端子 MM420變頻器 MM430/MM440變頻器 二、變頻器的內部結構 目前，通用變頻器的變換環(huán)節(jié)大多采用交直交變頻變壓方式。交直交變頻器是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電逆變成頻率、電壓連續(xù)可調的交流電。1主控電路（1）主控電路的基本任務1）接收各種信號2）進行基本運算3）輸出計算結果（2）主控電路的其它任務1）實現(xiàn)各項控制功能2）實施各項保護功能2控制電源、采樣及驅動電路（1）控制電源控制電源為以下各部分提供穩(wěn)壓電源。1）主控電路2）外控電路（2）采樣電路采樣電路的作用主要是提供控制用數(shù)據(jù)和保護采樣。（3）驅動電路用于驅動各逆變管。3變頻器的主電

5、路主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分。（1）整流濾波電路整流模塊實物圖濾波電容不可控整流電路 可控整流電路三相橋式整流電路（2）能耗制動電路 其作用是變頻器在頻率下降的過程中，將回饋的電能將通過此電路消耗掉。以避免變頻器本身的過電壓保護電路動作而切斷變頻器的正常輸出。 （3）逆變電路 逆變電路的功能是將直流電轉換為交流電，變頻器中應用最多的是三相橋式逆變電路。三、變頻器的基本工作原理1變頻調速的基本控制方式異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為：由電動機理論可知，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值為：式中，E1_旋轉磁場切割定子繞組產(chǎn)生的感應電動勢，V；f1_定子電流頻率，

6、Hz；N1_定子相繞組的有效匝數(shù)；M_每極磁通量，Wb。由式可見，M的值由E1和f1共同決定，對E1和f1 進行適當?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通M 保持額定值不變。2變頻器的基本構成3變頻器的分類（1）按直流電源的性質分類1）電流型變頻器2）電壓型變頻器（2）按輸出電壓調節(jié)方式分類1）PAM方式2）PWM方式（3）按控制方式分類1）U/控制 U/f控制是轉速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標準異步電動機，所以通用性強，經(jīng)濟性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。2）轉差頻率控制為提高調速精度，常采用轉差頻率控制方式。使用速度傳感器求取轉差頻率，要針對具體電動機的機

7、械特性調整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性較差。3）矢量控制上述U/f控制方式和轉差頻率控制方式的控制思想都是建立在異步電動機的靜態(tài)數(shù)學模型上的，因此，動態(tài)性能指針不高。對于軋鋼、造紙設備等對動態(tài)性能要求較高的場合，可以采用矢量控制變頻器。4脈寬調制技術脈寬調制控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，其脈沖寬度隨正弦規(guī)律變化，用這些脈沖來代替正弦波所需要的波形。（1）PWM控制的基本原理（2）PWM型逆變電路的控制方式在PWM逆變電路中，載波頻率fc與調制信號頻率fr之比N=fc/fr，稱為載波比，根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，

8、PWM逆變電路可以有異步調制和同步調制兩種控制方式。1）異步調制載波信號和調制信號不保持同步關系的調制方式稱為異步方式。2）同步調制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波信號和調制信號保持同步的調制方式稱為同步調制。在基本同步調制方式中，調制信號頻率變化時載波比N不變。3）分段同步調制為克服上述缺點，一般都采用分段同步調制的方法，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內都保持載波比N為恒定，不同頻段的載波比不同。5脈寬調制（PWM）型變頻器一、任務準備二、認識變頻器的銘牌三、變頻器的硬件拆裝四、認識變頻器的內部結構1理解西門子變頻器（MM440）操作面板BOP上各按鍵功能含義。2掌握

9、西門子變頻器（MM440）操作面板的使用及參數(shù)設置方法。3能夠對西門子變頻器（MM440）的進行快速調試。4能獨立操作變頻器控制電動機的運行。任務2變頻器的面板運行操作在工廠生產(chǎn)機械設備中，一些設備的運動都是由異步電動機拖動實現(xiàn)。如果對設備的運動實現(xiàn)調速控制，一般采用變頻器對異步電動機進行控制。一、西門子變頻器的操作面板1BOP操作面板及按鍵功能2BOP操作面板的使用（1）更換BOP操作面板MM4系列變頻器出廠時都裝有狀態(tài)顯示板（SDP），如果要用BOP基本操作面板來操作變頻器或修改各個參數(shù)時，首先將SDP 狀態(tài)顯示板從變頻器上拆卸下來，然后裝上BOP 基本操作板。（2）用BOP面板修改參數(shù)1

10、）BOP面板修改參數(shù)2）修改下標參數(shù)3）快速修改參數(shù)的數(shù)值二、MM440變頻器的快速調試1參數(shù)復位2快速調試 快速調試就是指通過設置電機參數(shù)和變頻器的命令源及頻率給定源，從而達到簡單快速運轉電機的一種操作模式。MM440變頻器出廠時，已按相同額定功率的西門子四極標準電動機的基本參數(shù)進行設置。如果用戶采用的是其它型號的電動機就必須輸入電動機銘牌上的規(guī)格數(shù)據(jù)。即進行變頻器的快速調試。在設置電動機頻率時，應該使用 DIP開關設置。三、變頻器基本參數(shù)基本參數(shù)是指變頻器運行所必須具有的參數(shù)，主要包括：頻率給定方式、運行控制方式、基本頻率與最高頻率、上限頻率與下限頻率、加速時間與減速時間、轉矩提升和電子熱

11、過載保護等。1頻率給定方式（1） 變頻器頻率給定方式1）操作面板給定2）外接給定3）通訊接口給定（2）選擇頻率給定方式的一般原則1）面板給定和外接給定優(yōu)先選擇面板給定。2）數(shù)字量給定與模擬量給定優(yōu)先選擇數(shù)字量給定。3）電壓信號與電流信號優(yōu)先選擇電流信號。2基本頻率與變頻器的最大輸出電壓對應的頻率稱為基本頻率，用fb表示。3最小（下限）頻率與最大（上限）頻率電動機在一定的場合應用時，其轉速應該在一定的范圍，超出此范圍會造成事故或損失，為了避免由于錯誤操作造成電動機的轉速超出應用范圍，變頻器具有設置最大頻率和最小頻率的功能。4加速時間與減速時間變頻器驅動的電動機采用低頻起動，為了保證電動機正常起動

12、而又不發(fā)生過流保護，變頻器須設定加速時間。電動機減速時間與其拖動的負載有關，有些負載對減速時間有嚴格要求，變頻器須設定減速時間。5轉矩提升轉矩提升又叫轉矩補償，是提升變頻器低頻時的輸出電壓，以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉矩損失，從而改善電機的低頻輸出轉矩。6電機過熱保護此功能是為保護電動機過熱而設置，它是變頻器內CPU根據(jù)運轉電流值和頻率計算出電動機的溫升，從而進行過熱保護。7運轉指令方式變頻器的運轉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、正轉與反轉、正向點動與反向點動及復位等。常用的變頻器運轉控制方式有：面板操作控制、端子控制和通信控制三種。這些運轉控制方式必須

13、按照實際的需要進行選擇設置，同時也可以根據(jù)功能進行相互之間的方式切換。8變頻器停車方法MM440變頻器停車有OFF1、OFF2和OFF3三種停車方法。一、任務準備二、變頻器的基本操作訓練1變頻器的操作面板練習2利用變頻器操作面板（BOP）控制電動機的啟動與停止3操作面板（BOP）實現(xiàn)電動機的啟動、點動及正反轉控制1理解變頻器標準接線。2能夠對MM4系列變頻器進行正確接線。3熟悉變頻器各端子的功能并能正確使用。4理解多段速端子相關參數(shù)的功能及設置。5能獨立安裝、調試變頻器的外部操作。任務3 變頻器的外部運行操作在實際生產(chǎn)中，采用BOP面板對變頻器的控制只能是本地控制，而一些需要遠程控制的場合就需

14、要用按鈕、開關等器件接在變頻器外部端子上來完成控制的。例如，某機械設備中用變頻器控制三相籠型異步電動機運行的曲線，當用外部接線的方式控制電動機的正反轉運行，該如何對變頻器進行外部運行操作？一、變頻器的標準接線與端子功能1MM440變頻器標準接線原理圖2端子功能介紹（1）主回路端子（2）控制回路端子二、外部運行操作1由外部端子啟停電動機，運行頻率由面板給定2由外部端子啟停電動機，運行頻率由外接模擬信號給定一、任務準備二、外部運行控制的操作練習1外部啟動、停止操作練習2通過模擬信號控制電動機運行1掌握變頻器多段速頻率控制方式。2熟練掌握變頻器的多段速運行操作過程。3能夠獨立完成多段速線路的安裝與調

15、試。任務4 變頻器的多段速運行操作多段速控制，也稱作固定頻率控制。由于工藝上的要求，很多生產(chǎn)機械設備在不同階段需要不同的運行轉速。因此，變頻器都提供了多段速控制功能，一般地，變頻器多段速的控制都是通過外接開關對輸入端子的狀態(tài)組合來實現(xiàn)的。一、多段速端子功能的電路接線二、多段速端子功能的參數(shù)設置多段速功能，也稱作固定頻率，就是通過設置參數(shù)P1000=3的條件下，用開關量端子選擇固定頻率的組合，實現(xiàn)電機多段速度運行。（1） 直接選擇（P0701 - P0706 = 15）在這種操作方式下，一個數(shù)字輸入選擇一個固定頻率。（2） 直接選擇 + ON 命令（P0701 - P0706 = 16）在這種操

16、作方式下，數(shù)字量輸入端子既選擇固定頻率見上表1-4-1，又具備起動功能。（3）二進制編碼選擇 + ON 命令（P0701 - P0704 = 17）一、任務準備二、多段速控制操作練習1. 按照變頻器三段速控制電路原理與接線圖,完成電路接線，并符合接線工藝要求2線路檢查3. 變頻器參數(shù)設置4. 變頻器運行操作1理解PID的控制原理。2掌握PID運行參數(shù)設定和定義端子功能參數(shù)的設定。3能夠正確完成PID控制的接線與調試 。4. 能獨立完成變頻器的PID調速控制系統(tǒng)的簡單安裝與調試。任務5 變頻器的PID控制運行操作所謂PID控制，就是在一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使被控物理量能夠迅速而準確地無限接近于控制

17、目標的一種手段。 PID 控制功能是變頻器應用技術的重要領域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術手段。一、變頻器的PID基本概念PID控制也稱比例、積分、微分控制，屬于閉環(huán)控制。是指用傳感器檢測被控量的實際值并反饋給變頻器，與被控量的目標信號相比較，如果實際值與目標值相比較有偏差，則通過PID的控制作用，使偏差為零，直到達到預定的控制目標。1PID的控制原理 PID控制具有較強的適應性和靈活性，可以進行（P）比例控制、比例積分（PI）控制、比例微分（PD）控制和比例積分微分（PID）控制。2PID的控制特點（1）PID應用范圍廣 雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本

18、線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。（2）PID參數(shù)較易整定 PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，重新整定PID參數(shù)即可。（3）PID控制器在實踐中也不斷的得到改進，如智能化PID、人工智能化系統(tǒng)、模糊控制等。二、變頻器的內置PID功能MM440變頻器通過內置PID功能，實現(xiàn)閉環(huán)控制。凡是內置了PID控制功能的變頻器都設置了一組PID參數(shù)群。1PID使能信號的選擇PID閉環(huán)運行，首先必須選擇PID功能有效。2設定信號與反饋信號輸入方式選擇（1）設定信號（又稱給定信號）是與被控物理量的控制

19、目標對應的信號。（2）反饋信號是通過現(xiàn)場傳感器測量的與被控物理量的實際值對應的信號。3控制參數(shù)P、I、D的選擇在使用內置PID參數(shù)控制，只需設定比例增益Kp、積分時間Ti和微分時間Td等三個參數(shù)。一般在實際應用中，需要現(xiàn)場設定P和I參數(shù)，微分參數(shù)一般不設定。4現(xiàn)場調試P、I、D 參數(shù)的一般原則一般在初次調試時， P 可按中間偏大值預置或者暫時默認出廠值，待設備運轉時再按實際情況細調。細調的原則：當被控物理量在目標值附近振蕩時，首先加大積分時間 I ，如仍有振蕩，可適當減小比例增益 P ；若被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復，首先加大比例增益 P ，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時間 I ，還可加

20、大微分時間 D ，直到基本不振蕩為止。一、任務準備二、變頻器PID調速控制系統(tǒng)電路安裝與調試1繪制電路原理圖2安裝元件3按圖接線4線路檢查5變頻器參數(shù)設置6變頻器運行操作7訓練完畢，切斷電源，清理現(xiàn)場1掌握變頻器的選擇方法。2了解變頻器的安裝條件和安裝方法。3能夠進行變頻器的日常維護與檢查。任務6 變頻器的選擇、安裝與維護在選擇和使用變頻器控制電氣設備運行時，首先要選擇變頻器，選擇時應根據(jù)負載情況選擇相應的變頻器及其外部設備。在進行設備安裝時應該注意變頻器的安裝環(huán)境、安裝空間、主電路線徑的選擇、控制電路的接線方法等，并了解變頻器通電前需檢查的內容。變頻調速系統(tǒng)在長時間運行時，為了減少故障、保證

21、系統(tǒng)的安全可靠的運行，需要對變頻器進行日常維護與檢查一、變頻器的選擇1變頻器容量的選擇（1）根據(jù)電動機電流選擇變頻器容量1）連續(xù)運行的場合通常應使變頻器的額定輸出電流（1.051.1）倍電動機的額定電流（銘牌值）或電動機實際運行中的最大電流。2）加減速時變頻器容量的選定一般情況下，對于短時間的加、減速而言，變頻器允許達到額定輸出電流130150（視變頻器容量而定）。3）頻繁加、減速運轉時變頻器容量的選定4）電流變化不規(guī)則的場合可使電動機在輸出最大轉矩時的電流限制在變頻器的額定輸出電流內進行選定。5）電動機直接啟動時所需變頻器容量的選定6）多臺電動機共享一臺變頻器供電在電動機總功率相等的情況下，

22、由多臺小功率電動機組成的一方電動機效率，比由臺數(shù)少但電動機功率較大的一方低，因此兩者電流總值并不等，可根據(jù)各電動機的電流總值來選擇變頻器；在整定軟啟動、軟停止時，一定要按啟動最慢的那臺電動機進行整定；若有一部分電動機直接啟動時，可按下式進行計算：7）容量選擇注意事項并聯(lián)追加投入啟動大超載容量輕載電動機（2）輸出電壓的選擇變頻器的輸出電壓按電動機的額定電壓選定。在我國低壓電動機多數(shù)為380V，可選用400V系列變頻器。（3）輸出頻率的選擇變頻器的最高輸出頻率根據(jù)機種不同而有很大不同，有50Hz/60Hz、120Hz、240Hz或更高。50Hz/60Hz的變頻器，以在額定速度以下范圍內進行調速運轉

23、為目的，大容量通用變頻器幾乎都屬于此類。最高輸出頻率超過工頻的變頻器多為小容量。在50Hz/60Hz以上區(qū)域，由于輸出電壓不變，為恒功率特性，要注意在高速區(qū)轉矩的減小。2變頻器外部設備及其選擇（1）電源側開關QF用于控制電源回路的通斷。在出現(xiàn)過流或短路事故時自動切斷電源，以防事故擴大。（2）接觸器KM用于控制變頻器電源的通斷。（3）濾波器在變頻器輸入、輸出電路中，有許多高頻諧波電流，濾波器用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導，也可抑制外界無線電干擾以及瞬時沖擊、浪涌對變頻器的干擾。（4）電抗器1）進線電抗器用于抑制輸入電流的高次諧波，減少電源浪涌對變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸

24、入電源的功率因數(shù)。2）輸出電抗器串聯(lián)在變頻器輸出側（U、V、W）和電機之間，限制電機連接電纜的容性充電電流和電機繞組的電壓上升率，減少變頻器功率元件動作時產(chǎn)生的干擾和沖擊，改善變頻器輸出電流的波形，降低電動機的噪聲。（5）制動電阻R 1）制動電阻值的確定2）制動電阻容量的確定二、變頻器的安裝1安裝環(huán)境（1）設置變頻器場所的條件1）結構房或電氣室應濕氣少，無水浸的顧慮。2）無易燃、易爆氣體，腐蝕性氣體和液體、粉塵少。3）變頻器易于搬入和搬出。4）定期的變頻器維修和檢查易于進行。5）應備有通風口或換氣裝置，以排出變頻器產(chǎn)生的熱量。6）應與易受高次諧波干擾的裝置隔離。（2）長期維持變頻器可靠運行的條

25、件1）環(huán)境溫度：-10+50。2）相對濕度：20%90%RH。3）海拔：1000m以下。設置環(huán)境為1000m以上時，每超過100m，額定容量減少10%。4）振動：設置場所的振動加速度應限制在0.6g以內，振動超值時會使變頻器的緊固件松動，繼電器和接觸器等觸點部件誤動作，可能導致不穩(wěn)定運行。所以在振動場所應用變頻器時，應采用防振措施，并進行定期檢查和維護、加固。2變頻器的柜內安裝（1）柜內安裝時，變頻器必須垂直安裝。（2）安裝多個變頻器時，要并列放置，安裝后采取冷卻措施。（3）多臺變頻器若采用上下安裝時，中間應用導流隔板。3安裝空間（1）環(huán)境溫度和濕度要求（2）周邊空間尺寸要求4主電路線徑的選擇（1）電源與變頻器之間的導線一般來說，和同容量普通電動機的電線選擇方法相同?？紤]到其輸入側的功率因子往往較低，應本著宜大不宜小的原則來決定線徑。（2）變頻器與電動機之間的導線5控制電路的接線（1）模擬量控制線模擬量控制線