變頻器AFE培訓(xùn)教程

第二部分：變頻器AFE介紹西門子變頻器簡(jiǎn)介1SIMOVERTMASTERDRIVES6SE70系列矢量控制的變頻器是具有IGBT逆變器、全數(shù)字技術(shù)的有電壓中間回路的變頻器。它同西門子三相交流電動(dòng)機(jī)一起為所有工業(yè)領(lǐng)域和所有應(yīng)用場(chǎng)合提供高性能、最經(jīng)濟(jì)的解決方案。西門子變頻器簡(jiǎn)介2SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制系列變頻器是全系列通用型和模塊化的產(chǎn)品：標(biāo)準(zhǔn)裝置功率范圍從0.55kW～2300kW。覆蓋全球的三相交流電網(wǎng)電壓，380V～690V。按照使用場(chǎng)合及所需功率，可做成4種結(jié)構(gòu)，即增強(qiáng)書本型、書本型、裝機(jī)裝柜型及變頻調(diào)速柜。模塊化的硬件、軟件使其能夠達(dá)到精確配合、最經(jīng)濟(jì)的解決方案。西門子變頻器簡(jiǎn)介3MASTERDRIVES裝置可以做成以下形式產(chǎn)品：接到交流三相電網(wǎng)上的變頻器，接到直流母線上的逆變器，向直流母線提供電源的整流單元。多種系統(tǒng)元件和附件擴(kuò)展了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。頂驅(qū)電控系統(tǒng)因功率較大故采用整流單元+逆變器結(jié)構(gòu)。CompactPLUS緊湊加強(qiáng)型Compact緊湊型Chassis機(jī)架式0.5-18.5kW2.2-37kW45-2300kW

MC(運(yùn)動(dòng)控制)

250kWCabinet柜體45-6000kWVC(矢量控制)其應(yīng)用包括定位、同步操作以及凸輪軸驅(qū)動(dòng)等。應(yīng)用于繞線機(jī)、拉絲機(jī)、造紙及薄膜工業(yè)、升降機(jī)等。MasterDriver變頻器IEC3AC380-415V50Hz

3AC500V50Hz

3AC660-690V50HzIEC/NEMA3AC380-460V50/60HzIEC/NEMA3AC380-460V50/60HzIEC3AC380-440V50/50Hz

3AC500-550V50/50HzIEC3AC415-440V50Hz適用于所有的電源頻率和所有的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)DeviceNETPROFIBUSDPCCLinkCAN世界范圍內(nèi)使用

U=E=4.44XfXkXU=E=定子電壓f=供電頻率k=系數(shù)(常數(shù))=磁通電機(jī)基本公式3異步電機(jī)的調(diào)速方法：n=60f1(1-s)/PN

變頻調(diào)速：改變電源的頻率變極調(diào)速：改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)改變轉(zhuǎn)差率:繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、雙饋調(diào)速變頻調(diào)速：變頻調(diào)速范圍寬，平滑性好，效率高，具有良好的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)用廣泛。變頻器按其結(jié)構(gòu)可分為交直交變頻器和交交變頻器整流器逆變器DC環(huán)節(jié)AC50HZACVVVF變頻器50HZACACVVVF交流調(diào)速方法1.保持磁通恒定U1E1=4.44f1w1k1

U1/f1=C1

M=CmI2cos

從以上兩公式可以作如下分析:

U1不變時(shí),f1MU1不變時(shí),f1磁路飽和鐵損增加,繞組過分發(fā)熱，功率因素降低。故,只調(diào)節(jié)f不行,需同時(shí)調(diào)節(jié)U1和f1才可以保持磁通的恒定.。2.保持電壓為額定值在額定頻率以上調(diào)速，受到電機(jī)繞組絕緣強(qiáng)度的限制，定子電壓不可能與頻率成比例地升高，只能保持在額定電壓，此時(shí)氣隙磁通將隨頻率的升高而反比例地下降，進(jìn)入弱磁調(diào)速范圍。VVVF變頻調(diào)速的基本要求00.51.01.21.5TorqueVoltage

力矩性能Frequency調(diào)速結(jié)論1調(diào)速結(jié)論2變頻調(diào)速特點(diǎn)

PWM脈寬調(diào)制技術(shù)兩種基本的調(diào)制方法：脈幅調(diào)制PAM(PulseAmplitudeModulation):

變頻器在改變輸出頻率的同時(shí)，也同時(shí)改變輸出電壓的幅值PAM需要同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)部分：整流部分和逆變部分，二者之間還必須滿足一定的關(guān)系，故控制電路復(fù)雜脈寬調(diào)制PWM(PulseWidthModulation):

變頻器在改變輸出頻率的同時(shí)，也同時(shí)改變輸出電壓的脈沖占空比PWM只控制逆變器部分，與PAM相比，控制電路簡(jiǎn)單正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM：在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大時(shí)，脈沖寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小。反之亦然。這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減少。沖量等效定理根據(jù)現(xiàn)代控制理論可知:

沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的負(fù)載環(huán)節(jié)上時(shí),其產(chǎn)生的效果基本相同.這就是沖量等效定理.沖量既窄脈沖所圍成的封閉圖形面積.等效示意圖1等效示意圖2ProtectionandFilteringMicroprocessorDisplayandbuttonsCustomerTerminalsDTypeSeriali/oA/DConvertersD/AConverterEEPROM控制框圖-MASTERDRIVEVectorControlDriverDriverDCPositiveDCNegativePowerSupplyIsolatedSuppliesControlBoardsPowerSectionVectorandPWMProcessorIGBT(InsulatedGateBipolarTransistors)電壓電流一毫秒開關(guān)損耗開 關(guān)IGBTs是可靠，高效和快速的電力電子器件續(xù)流二極管Commutation(Flywheel)DiodesarerequiredtodiverttheinductivecurrentwhentheIGBTsarenotconducting.Ifthediodeshaveaslowrecovery,ashortcircuitcurrentwillflow.Fastdiodeswithalowrecoveredchargeareused.預(yù)充電電阻+-電容充電通過預(yù)充電電阻，預(yù)充電繼電器+-電流監(jiān)控系統(tǒng)123451.DC側(cè)監(jiān)控器直接到ASIC-6SE922.DC側(cè)監(jiān)控器通過光藕連接-6SE923.電阻和光藕-MIDIMASTERVectorx34.霍爾元件-MICROMASTERVectorx25.IGBT側(cè)監(jiān)視器x6整流和逆變概念整流:把交流電變成(整流成)直流電的電路稱為整流電路.逆變:把直流電變成(逆變成)交流電的電路稱為逆變電路.整流單元的組成可控硅(SCR,Thyristor)散熱片觸發(fā)電路板(A23)+控制電源板主控板(CUR)主回路保險(xiǎn)(熔芯)散熱風(fēng)機(jī)顯示面板(PMU)通訊板(CBP2)整流單元結(jié)構(gòu)圖輸入電壓?jiǎn)蜗嗳郉C電壓?jiǎn)蜗嗳嗾鞫O管二極管電流整流示意圖逆變器的組成逆變模塊(IGBT)散熱板觸發(fā)電路板(IGD)控制電源板(PSU)主控板(CUVC)主回路保險(xiǎn)(熔芯)中間回路電容.散熱風(fēng)機(jī)顯示面板(PMU)接口轉(zhuǎn)換板(IVI)通訊板(CBP2)LowerIGBT-directDriveisreferencedtoDCNegativeandcommonPowerSupplyUpperIGBT-requiresisolationand‘ChargePump’(orseparate)PowerSupply.驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)ASIC控制器DC正DC負(fù)VectorUnitshavefullyisolatedASICcontrollerandthereforeatleastsixopto-isolatorsIGBT的控制和觸發(fā)變頻器和逆變器的結(jié)構(gòu)圖M3~變頻器濾波器電抗器3AC380-480V~~=制動(dòng)電阻M3~~=M3~~=M3~逆變器3AC380-480V~~=濾波器電抗器變頻器制動(dòng)電阻進(jìn)線電抗器

安裝進(jìn)線電抗器是為了減小變頻器、整流單元和整流/回饋單元的諧波電流

進(jìn)線電抗器也能限制由于電源電壓的突變而產(chǎn)生的電流沖擊出線電抗器輸出電抗器用于補(bǔ)償在長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)的容性再充電電流及限制在相應(yīng)電機(jī)導(dǎo)線長(zhǎng)度下，在電機(jī)端子上的dv/dt。

MasterDrive基本控制功能V/F特性轉(zhuǎn)矩控制速度控制頻率控制具有V/f特性的轉(zhuǎn)速控制

通用的V/f特性:作為頻率控制，具有滑差補(bǔ)償，用于異步電動(dòng)機(jī)的單獨(dú)傳動(dòng)和多電機(jī)傳動(dòng)，無高動(dòng)態(tài)性能要求.

例如，泵，風(fēng)扇，簡(jiǎn)單的牽引裝置。電壓與頻率的關(guān)系壓頻比控制方式適合于大多數(shù)場(chǎng)合.二次曲線控制適用于風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載以達(dá)到節(jié)能的效果.特殊的控制曲線可以用來控制特殊的電機(jī)和運(yùn)用場(chǎng)合.矢量控制和磁通電流控制系統(tǒng)可以單獨(dú)控制電機(jī)的勵(lì)磁.因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)的工作象一臺(tái)變壓器,頻率減小時(shí)電壓也必須減少.磁通電流控制(FCC)IloadIfluxItotal如果電機(jī)電壓可知，那么總的輸出電流可以分解為負(fù)載分量和勵(lì)磁分量.勵(lì)磁分量部分可以單獨(dú)控制并且可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁通優(yōu)化.磁通電流控制沒有全矢量控制效果好，因?yàn)槭噶靠刂瓶紤]了轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置.V/f控制原理圖

在DC電機(jī)中,磁場(chǎng)是一個(gè)獨(dú)立的繞組產(chǎn)生(激磁繞組)因此電機(jī)電樞電流和磁通電流可以單獨(dú)控制.在AC電機(jī)中,定子繞組電流包含勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩部分，因此很難單獨(dú)控制電機(jī)的力矩和磁通.僅僅控制電流幅值，不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的力矩和磁通的單獨(dú)控制，所以矢量控制必須同時(shí)控制電流的幅值和相位分別控制電機(jī)的磁通和力矩可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的控制性能－零速時(shí)的高輸出力矩，負(fù)載變化時(shí)的快速響應(yīng).

矢量控制技術(shù)ACInverterACMotorEncoderload為了控制交流電機(jī)的力矩和磁通，定子電流必須同時(shí)控制幅值和相位即矢量控制而不是標(biāo)量控制.為了控制定子電流的相位，所以必須知道轉(zhuǎn)子的位置。所以全矢量控制,必須采用一碼盤來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置.SupplyPositionFeedback

什么是矢量控制?磁場(chǎng)定向矢量控制框圖

<速度閉環(huán)力矩控制磁場(chǎng)控制變頻器~M3~n*+-nU,I磁通給定實(shí)際值檢測(cè)fUM*iiWiiWin*

矢量控制范圍電流恒定區(qū)：變頻器象一個(gè)電流源，輸出一個(gè)與負(fù)載無關(guān)的電流值P083。連續(xù)提升和起動(dòng)提升在此區(qū)域起作用。搜索定向區(qū)：此區(qū)域，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)逐步建立，變頻器根據(jù)它開始搜索和鎖定電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?；钛a(bǔ)償在此區(qū)域起作用。全定向矢量控制：此區(qū)域定位完成。環(huán)境溫度的變化，定子電阻和滑差的變化在整個(gè)負(fù)載運(yùn)行區(qū)得到全面補(bǔ)償。閉環(huán)頻率控制：無測(cè)速機(jī)的磁場(chǎng)定向控制

無速度檢測(cè)的閉環(huán)頻率控制或磁場(chǎng)定向控制推薦用于單獨(dú)傳動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)用于各種從低到高動(dòng)態(tài)性能的場(chǎng)合，其調(diào)速范圍為1:10，故適用于工業(yè)的大部分場(chǎng)合，如大功率擠壓機(jī)和風(fēng)機(jī)，牽引裝置和提升裝置及離心機(jī)等。無測(cè)速矢量控制SVC可以準(zhǔn)確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速但不需測(cè)速碼盤,這無疑減小了費(fèi)用。為了準(zhǔn)確地計(jì)算轉(zhuǎn)子位置與速度，變頻器的軟件必須完成下列工作。準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)輸出電壓、電流。計(jì)算電機(jī)參數(shù)（轉(zhuǎn)子和定子的電阻、漏電感等等）。準(zhǔn)確地生成電機(jī)的溫度特性模型，使控制性能可保持在整個(gè)溫度范圍內(nèi)。適時(shí)、適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù)以符合電機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)。具有快速執(zhí)行運(yùn)算能力，由一個(gè)專門設(shè)計(jì)的ASIC來完成的?？焖俑↑c(diǎn)微處理器。低速時(shí)，很難預(yù)測(cè)電機(jī)性能和轉(zhuǎn)子位置。SVC矢量控制無速度傳感器矢量控制SVC的優(yōu)點(diǎn)不需滑差補(bǔ)償就可以獲得良好的開環(huán)控制.低速時(shí)具有高轉(zhuǎn)矩高效率，低損耗高動(dòng)態(tài)性能－負(fù)載突變時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好FCC(fluxcurrentcontrol)控制方式：控制系統(tǒng)內(nèi)部有一精確的電流監(jiān)控系統(tǒng),可以精確測(cè)量參考電機(jī)電壓的輸出電流。因此,可以把總的輸出電流分解為磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量.磁通分量可控，因此電機(jī)的磁通可以優(yōu)化,適合各種應(yīng)用場(chǎng)合.其控制性能很高

V/F控制方式在低頻下輸出力矩要降低原理圖閉環(huán)速度控制：帶速度檢測(cè)的磁場(chǎng)定向控制

帶速度檢測(cè)的磁場(chǎng)定向控制作為閉環(huán)速度控制用于異步電動(dòng)機(jī)的單獨(dú)傳動(dòng)和在較低轉(zhuǎn)速時(shí)有較高的動(dòng)態(tài)特性要求且高轉(zhuǎn)速精度，如吊車和位置控制，貨物運(yùn)輸，帶有定位要求的吊車等。對(duì)于這類閉環(huán)控制系統(tǒng)，需用增量式編碼器。如每轉(zhuǎn)帶有1024個(gè)或更多脈沖的增量編碼器。原理圖

不同控制方式的性能不同控制方法的控制性能控制方式V/FFCCSVC數(shù)字設(shè)定分辨率0.01模擬設(shè)定分辨率10位速度精度－恒力矩范圍>2%<2%<1%－弱磁范圍<5%fmax/fn*fslip/10力矩上升時(shí)間50ms<25ms<10ms力矩波動(dòng)<2%<2%<2%3.SIMOVERTMASTERDRIVES

ActiveFrontEnd(AFE)

SIEMENSAFE（可控前端技術(shù)）能做什么？AFE可從公用電網(wǎng)獲取清潔(無諧波干擾)的交流能源

AFE允許功率因數(shù)可調(diào)

AFE可以在電壓極度下降期間，仍獲得100%軸特性，無限平穩(wěn)過渡

AFE可使變頻器具有極佳的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

AFE使變頻器固有具備4象限運(yùn)行能力，電動(dòng)與發(fā)電狀態(tài)相互間可平滑轉(zhuǎn)換

-100%能量再生能力

無換相故障

舊技術(shù)換相(電壓)豁口是個(gè)嚴(yán)重問題它們的幅度大小和影響輕重取決于變頻器的設(shè)計(jì)和電網(wǎng)特性。諧波問題它們的幅度大小取決于電機(jī)功率，電源強(qiáng)弱和變頻器配置。弱電網(wǎng)將遇到許多問題。電源波動(dòng)問題由于這個(gè)問題，在直流電壓環(huán)上會(huì)產(chǎn)生電壓降，從而電機(jī)的軸特性將受影響。電源的偏差需與設(shè)備的性能和正常應(yīng)用兼顧。ActiveFrontEndtechnology不產(chǎn)生換相(電壓)豁口。諧波可被忽略。其大小不受電網(wǎng)質(zhì)量或負(fù)載輕重影響。電網(wǎng)壓降可被調(diào)整，DC電壓保持穩(wěn)定，電機(jī)軸特性不受影響。技術(shù)對(duì)比舊技術(shù)由于電源同步的限制，常規(guī)技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間也受到限制只有基波的功率因數(shù)近似于1，電網(wǎng)的諧波使其波形畸變。如用于4象限運(yùn)行，功率因數(shù)同樣會(huì)很差。例如:0.85為補(bǔ)償功率因數(shù)和降低諧波影響，經(jīng)常要用到一些補(bǔ)償設(shè)備。ActiveFrontEndtechnology由于高動(dòng)態(tài)特性，負(fù)載波動(dòng)造成的影響可被忽略采用進(jìn)線電流控制技術(shù)，使功率因數(shù)可依據(jù)設(shè)定值或動(dòng)態(tài)值而得到控制。

功率因數(shù)得以控制，諧波影響不再發(fā)生。因此，無需補(bǔ)償裝置。技術(shù)對(duì)比逆變器AFE變流器AFE進(jìn)線電抗器凈化濾波器隔離開關(guān)熔斷器主接觸器AFE裝機(jī)裝柜型裝置AFE裝機(jī)裝柜型裝置在3相末端，一個(gè)主電源面向角度的高速矢量控制服從于直流母線電壓控制且外加一個(gè)幾乎是正弦的電流在網(wǎng)絡(luò)上，以便借助于接著連接的凈化濾波器去使系統(tǒng)的擾動(dòng)變?yōu)樽钚?。矢量控制也可設(shè)定功率因數(shù)cosphi，因而可補(bǔ)償無功功率，但運(yùn)行電流的需求有優(yōu)先權(quán)。VSB模塊(VoltageSensingBoard)的功能同網(wǎng)絡(luò)角度傳感器類似，類似于編碼器的工作原理。為安全起見，一臺(tái)AFE整流/回饋單元應(yīng)通過一臺(tái)主接觸器接到電網(wǎng)上AFE工作原理AFE工作原理關(guān)于功率因數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)配置，AFE可對(duì)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；AFE可以2種功率因數(shù)補(bǔ)償方式運(yùn)行；

1.恒乏(Var)方式；2.恒功率因數(shù)方式在恒乏工作方式中：AFE的電流可以在0-100%的范圍內(nèi)被用作無功電流，不管是導(dǎo)前還是滯后，無功電流與電機(jī)負(fù)載無關(guān)。在恒功率因數(shù)工作方式中：功率因數(shù)被設(shè)定在0.8~1.0的范圍內(nèi)，可以是導(dǎo)前或是滯后，無功電流取決于電機(jī)負(fù)載。關(guān)于諧波AFE驅(qū)動(dòng)柜介紹AFE驅(qū)動(dòng)柜介紹AFE驅(qū)動(dòng)柜介紹AFE驅(qū)動(dòng)柜電氣原理圖..\..\DRAWING\30005571471000-CD-AA.pdf啟動(dòng)與急停啟動(dòng)與急停啟動(dòng)順序：?jiǎn)?dòng)信號(hào)給到逆變器控制板CUVCCUVC控制板啟動(dòng)信號(hào)通過控制端子X9-4/5給到接口板A60A60控制電路將啟動(dòng)信號(hào)再給到AFE整流器控制板CUSACUSA啟動(dòng)后觸發(fā)VSB控制板，VSB板將啟動(dòng)信號(hào)給出，控制進(jìn)線主接觸器吸合待完成中間回路預(yù)充電過程，系統(tǒng)通電開始工作啟動(dòng)與急停急停是通過外接急停信號(hào)直接引入CUVC控制板I/O端子上位軟件經(jīng)過PLC與變頻器通訊引入CUVC內(nèi)部控制字實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)急停按鈕拍下時(shí)，或控制柜斷電時(shí)，整個(gè)急停回路被激活，變頻器CUVC將處于o008狀態(tài)即逆變器脈沖封鎖狀態(tài)，