《变频及伺服应用技术》项目1 西门子变频器的运行与功能解析

1、变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍 任务任务1.1 认识变频器认识变频器任务任务1.2 西门子变频器的面板运行操作西门子变频器的面板运行操作任务任务1.3 西门子变频器的外部运行操作西门子变频器的外部运行操作教教 学学 内内 容容任务任务1.4 西门子变频器的组合运行操作西门子变频器的组合运行操作任务任务1.5 西门子变频器的多段速运行操作西门子变频器的多段速运行操作2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学

2、院 郭艳萍2022-4-15由异步电动机的转速公式：116011fnn (s)(s)p 可知，异步电动机有以下三种根本调速方法：（1）改变定子极对数 调速。p（2）改变电源频率 调速。1f（3）改变转差率 调速。s一、交流异步电动机的调速方法相关知识相关知识变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15)1 (60)1 (11SpfnSn耗能型有级调速设备费用高异步电动机的调速方式：变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-151、变极调速 磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就

3、可以改变电动机的磁极对数。2p180分）转 /( 50011p360分）转 /( 0003磁极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速n0)f(Hz501 3p120分）转 /( 00014p分分）转转 /( 75090电动机的同步转速取决于磁场的极对数)/( 6011分转pfn 0变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场。反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场。以4极变2极为例：变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有

4、两种：一种是从星形改成双星形，写作Y/YY，如图1-3所示；Y-YY后,电动机极数减少一半,转速增大一倍,即 ，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。2YYYnn 变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15另一种是从三角形改成双星形，写作/YY，如图6-4所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。 -YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即 ，容许输出功率近似不变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。2YYnn 变极时，调换

5、相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15变极调速只用于笼型电动机。 这种方法的缺点是十清楚显的:一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能得到4种转速，与所要求的无级调速相去甚远。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152 、变转差率调速 1改变定子电压调速 )()/(/3221212211221lleLLsRRsRpUT异步电动机的机械特性方程式:其中：p为电机极对数； U1为相电压有效值 R1为定子每相绕组的内阻 Ll1为每相漏感

6、 R2为折算到定子侧的每相电阻 Ll2为折算到定子侧的漏感变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15mTB1nS011n2D理想空载点N=N0，S=0，T=0NTC额定运行点NnN=NN，S=SN，T=TNN0NNTNmTBmS最大转矩点mmTTSS,TmSmAQT起 动 点QTTSn, 1, 0变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15调压调速的机械特性nT0S1mT1nNUmSNUUU1 1ZT2knTZn01异步电动机调压调速时存在的问题 1改变定子调压时调速范围不大恒转矩负载。如图1、2、3点。 2低速时运

7、行稳定性不好如c点，转子电流相应增大。为了既低速运行稳定又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻。1U0.7UN 1U0.5UN0 当s一定时， T U 2 ，改变U1得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载TZ时，可得到不同的稳定转速，如以下图中的1、2、3点。同步转速n0不变，临界转差率Sm不变变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152解决问题的措施 使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如下图。eTS0n0n1 NU1 N7.0U1 N5.0U10LT图 5 -7 高 转 子 电 阻 异 步 电 动 机在 不 同 电 压 下 的 机 械

8、特 性ABC 高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电流减小。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15如下左图所示。单相调压电路如右图所示。M3 M3 M3 T UL SV V C+-( a )( b )( c )图 5 - 2 异 步 电 动 机 调 压 调 速 原 理RU1U1VT2VT图5-3 晶闸管单相调压电路晶闸管单相调压电路 U02t图 5-4 晶 闸 管 相 位 控 制 下的 负 载 电 压 波 形 晶闸管相位控制下的负载电压波形 通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压的大小。获取交流电源的方法

9、 知识拓展晶闸管交流调压装置变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15晶闸管三相交流调压电路如下图。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-153采用转速负反响闭环调速系统既保证低速时机械特性硬度，又保证一定负载能力。 转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速转差率变大。解决方法：采用带速度负反响的闭环控制。ASRM3TGnVVCGT-nUnUctU(a)a原理图 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-

10、15nT0S1mTmS1nQT2r2 RrQTmSZTZT轻载调速范围不大调速前：1，S1调速后：2，S22绕线式异步电动机转子串电阻调速 绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性如下图。转子串电阻时同步转速和最大转矩Tm不变，临界转差率增大。 0RmTmS不变QT1n不变n0变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15转子串电阻调速的优点是： 设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机如桥式起重机等。缺点是： 转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。变频

11、及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-153串级调速 在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。其优点是：可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。缺点是：只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-153、变频调速 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，通过改变交流异步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，

12、从而到达调节电动机转速的目的。 变频器在英文译名是VFDVariable-frequency Drive。 变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVFVariable Voltage Variable Frequency Inverter。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15它与直流调速系统相比具有以下显著优点： 1变频调速装置的大容量化。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起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。变频及伺服应

13、用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-154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。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可到达20%60。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-151变频调速的条件 三相异步电动机定子绕组的反电动势E1的表达式为 :E11N1KN1m=U1+U式中: E1定子绕组的感应电动势有

14、效值 N1 定子每相绕组的匝数 KN1定子绕组的绕组系数， KN1 1 1 定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率 m 主磁通可见： E11m 将U忽略，那么E1U11m定子电压漏阻抗压降二、变频调速的原理变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15 当U1 E1=const时，由E1U11m 知，1m电动机磁路过饱和，导致过大的励磁电流，电动机因绕组过热而损坏。 当U1 E1=const时，由E1U11m 知，1 m，铁芯利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩T ，电动机的负载能力下降，电动机的容量得不到充分利用。因此，为维持电动机的输出转矩不变，必须使

15、主磁通m =const，即U11= constE11=m变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152基频以下恒磁通恒转矩变频调速 m U11= constE11=因为变频的同时还要改变电压，所以称为u/f控制，也称为VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency ）。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15),(11constfUffN11理想空载转速：n1f1U1f1频率在额定频率附近下调时，最大转矩可以近似认为不变。最大转矩：Tm （ )不变Tm频率不同时，最大转矩点对应的

16、转差n=const，所以稳定工作区的机械特性根本是平行的。 nn当f 较低时， U 不能忽略，使I1 mTm变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15交流电动机调速系统基频以下调速基频以下调速 )222(11 CfU 这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条件下改变频率时，能够证明：机械特性根本上是平行下移的，如下图。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15 解 决 方 法可用提高U1来补偿U的影响，使E1/1不变，即m不变，这种控制方法称为电压补偿，也称为转矩提升。 通常提高U1,来保持Tm不变。定子电源频率f1越

17、低，定子绕组电压补偿得越大。 结论： 从基频以下调速时，电磁转矩T恒定，电动机带负载的能力不变，属于恒转矩调速。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-153基频以上恒功率恒电压变频调速 当f1f1N时，U1 =const，f m属于弱磁调速 电磁转矩T P不变，属于恒功率调速。额定频率以上调频时，理想空载转速增大，最大转矩大幅减小。 最大转矩点对应的转差n几乎不变，但由于最大转矩减小很多，所以机械特性斜度加大，特性变软。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15基频以上调速基频以上调速 在基频在基频f1Nf1N

18、以上变频调速时，由以上变频调速时，由于电压于电压U1=U1N U1=U1N 不变，不难证明当频不变，不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如右图所转矩减小，机械特性上移，如右图所示。由于频率提高而电压不变，气隙示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转速升高了，可以认为输出功率根于转速升高了，可以认为输出功率根本不变。所以，基频以上变频调速属本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。于弱磁恒功率调速。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍20

19、22-4-154变频调速特性的特点f1f1N U11= constm不变，属于恒转矩调速 f1f1N U1 =constm变小，电动机的功率不变，属于恒功率调速当f 较低时， U不能忽略mT通常 U1 以保持Tm不变（电压补偿）P=T=const变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15 基 本 结 构 框 图主电路控制电路三、变频器的根本结构变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-151主电路 由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。 将交流变成直流D=1.35 380 513(V)U为泵生电压提供放电回路将直流电逆变

20、成频率可调的交流电限制启动电流续流二极管IGBT导通，并联二极管为再生电流及能量返回直流电路提供通路变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-151整流电路整流电路VD1VD6组成三相不可控整流桥，将交流电变成513V的直流电，整流桥集成电路模块如图。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15交流电动机调速系统滤波电路：滤波电路：滤波电容器滤波电容器CF有两个功能：一是滤平全波整流后的有两个功能：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。电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。电源指示

21、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。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152 2能耗电路能耗电路 电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超过此时的同步转速超过此时的同步转速n=60f/Pn=60f/P而处于再生制动发电而处于再生制动发电状态，拖动系统的动能将反响到直流电路中使直流母线状态，拖动系统的动能将反响到直流电路中使直流母线滤波电容两端电压滤波电容两端电压UDUD不断上升即所说的泵升电压，不断上升即所说

22、的泵升电压，这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反响能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这局部能而需将反响能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这局部能量的。制动单元由开关管量的。制动单元由开关管VTBVTB与驱动电路构成，其功能是用与驱动电路构成，其功能是用来控制流经来控制流经RBRB的放电电流的放电电流IBIB 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15电动和制动运行变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15泵生电压泵生电压 当电动机处于再生发电制动状

23、态时，会导致电压源型变频器直流侧电压UD升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。为了限制泵升电压，如图1-11所示，可给直流侧电容并联一个由电力晶体管VTB和能耗电阻RB组成的泵升电压限制电路。当泵升电压超过一定数值时，使VTB导通，再生回馈制动能量消耗在RB上，所以又将该电路称为制动电路。 知识链接变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15单管IGBT IGBT单管：IGBT，封装较模块小，电流通常在100A以下3逆变电路 逆变管VT1VT6组成逆变桥将直流电逆变成频率、电压都可调的交流电，是变频器的核心局部。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、

24、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15IGBT模块：就是将多个IGBT集成封装在一起。目前市场上15kW以上变频器使用的是150A/200A/300A/400A/450A的两单元IGBT模块或100A/150A的三相逆变IGBT模块。全桥IGBT单桥IGBTIGBT单桥等效电路及接线方法变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15IGBT整流桥与IGBT整流桥与封装好的IGBT变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍202

25、2-4-15 集成整流桥+制动单元PFC+三相逆变IGBT桥 15kW以下小功率变频器多采用25A/50A/75A的PIM模块。PIM结构包括三相全波整流和67个IGBT单元，即变频器的主回路全部封装在一个模块内，在中小功率变频器上15kW以下均使用PIM模块以降低本钱。PIM功率集成模块 知识拓展功率集成模块功率集成模块PIM变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15 智能IPM模块问世已有十年之久。它将IGBT、驱动电路、保护电路集成化成功率器件，用电流传感功能芯片，对过流和短路进行保护。IPM有四种电路形式：单管封装H，双管封装D，六合一封装C，七

26、合一封装R。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，国内外55KW以下的变频器多数采用IPM模块。IPM有：短路保护SC，过流保护OC，欠压保护UV，过热保护OT，过压保护OV等。 智能功率模块智能功率模块IPMIGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护 IPM 智能功率模块 知识拓展变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152.控制电路变频器控制局部一般有：CPU单元、显示单元、电流检测、电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源等。CPU单元： 采用16位、32位单片机或DSP，变频器专用

27、单片机如：INTEL 87C196MH，速度为几十ns级。矢量控制型采用双CPU。主控制电路板DSP 电机控制专用CPU 软件烧制在DSP板上的DSP中，其核心是根据电压及负载电流，来控制6个逆变IGBT的导通与关断，从而控制电机的运转。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15电流检测单元：对于电流检测单元：对于变频器加速、减速、运行中过流、变频过载及电机过载的检测。 显示单元：显示单元：其功能为人机界面、参数设定、状态/故障显示、远距离操作等。 驱动电路驱动电路：CPU产生的PWM波经专用驱动芯片、驱动放大电路后给IGBT。驱动电路板变频及伺服应用技

28、术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15类别类别作用作用主要构成器件主要构成器件主电路整流部分将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分将直流转换为频率、电压均可变的交流电，输出无相序要求IGBT制动部分消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT 和制动电阻,大功率制动单元外置上电缓冲降低上电冲击电流，上电结束后开关自动闭合，而后变频器允许运行限流电阻和开关储能部分保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态MCU（单片机）控制电路交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护D

29、SP（或两个MCU）变频器的构成变频器的构成变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种变频器的构成变频器的构成变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-153.3.外部端子外部端子主回路接口主回路接口 工频电网输入380V 3PH/220V 3PH220V 1PHM3制动电阻直流电抗器三相交流电机 R S T P 1 (+ ) P B (-

30、) U V W P E P O W E R S U P P LY M O T O R P/+ PR变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15主电路接口3.3.外部端子外部端子控制电路端子控制电路端子控制电路输入端子开关量输入模拟量输入编码器接口控制电路输出端子开关量输出模拟量输出通信接口外接控制端子主要用于远距离、多功能控制通信接口主要用于多电动机、系统控制变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15通信接口 变频器通常采用标准装备RS485接口，配上选择通信卡可以对应世界各地的变频器进行通信。现 场 总 线OBUS

31、（标准装备）DeviceNetProfibus-DPCC-LinkCANopenLonWorks通信选用卡InterBus-SRS485板变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15通信接口通信接口人机界面通信接口使用场合： 各类中大型生产线或系统特 点：l 所有控制均通过通信电缆l 线路相对简单，自动化水平高，信息交换量大l 实时性好，抗扰能力强,为防止网络故障，特设独立急停功能l 投入大，调试维护困难变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-151.按变换环节分类 按变换环节来分可以分为交-交直接变频器和交-直-交间

32、接变频器。优点：没有中间环节，变换效率高。缺点：总设备投资大，交-交变频器的最大输出频率为30HZ，其应用受到限制。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变的大小即可调节矩形波的幅值四、变频器的分类变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15整流逆变直流电压电源电压输出电压 变频器的电压波形变化输出电压的平均值是正弦波正弦波脉宽调制控制方式整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流直流直流交流交-直-交变频器： 目前变频器大都为交-直-交变频器。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152按直流电路的滤波方式分

33、类 交-直-交变频器中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。 输出交流电压是矩形波或阶梯波，电流波形接近于正弦波 中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压UD恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交-直-交电压型变频器。电压型变频器现在变频器大多都属于电压型变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15电流型变频器 输出交流电流是矩形波或阶梯波，电压波形接近于正弦波 中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流ID可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为

34、交直交电流型变频器。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-153 3按输出电压的调制方式分类按输出电压的调制方式分类 按输出电压的调制方式分为脉幅调制PAM方式和脉宽调制PWM方式。 1脉幅调制可控整流器调压，逆变器调频，调压和调频分别在两个不同的环节上进行，控制复杂，较少采用。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152脉宽调节 脉宽调节Pulse Width Modulation，PWM方式指变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。调节过程中，逆变器负责调频调压。 变频及伺服应用技术变频及伺服

35、应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15SPWM调制载波PWMPulse Width Moduration调制PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频率可变的电压脉冲列。SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同GTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题2脉宽调节 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2

36、022-4-15交流电动机调速系统4按变频控制方式分类 根据变频控制方式的不同，变频器大致可以分4类：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器。 5按用途分类 分为通用变频器和专用变频器。此外，变频器按电压等级可分低压变频器和高压变频器，低压变频器分为单相220V、三相380V、三相660V、三相1 140V。高压国际上称作中压变频器分为3kV、6kV和l0kV 3种。如果采用公共直流母线逆变器，那么要选择直流电压，其等级有24V、48V、110V、200V、500V、1 000V等。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4

37、-151.U/f控制方式 U/f控制方式是指在变频调速过程中为了保持主磁通的恒定，而使U/f=常数的控制方式，这是变频器的根本控制方式。 特点：结构简单，本钱低，机械特性硬度好，可满足一般传动平滑调速的需要；缺点是低频运行时，电动机容易出现输出转矩缺乏，必须进行转矩补偿；开环运行时，控制性能相对差些。 应用场合：多用于通用变频器，进行风机、泵类、生产线的工作台传动、空调等的控制。五、变频器的控制方式变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152、转差频率控制方式 1U/f控制方式可满足普通系统的控制要求，其转速控制精度及系统的响应性较差。2 转差频率控制变

38、频器是利用闭环控制环节，根据电动机转速差和转矩成正比的原理，通过控制电动机的转差n，来控制电动机的转矩，从而到达控制电动机转速精度的目的。 3转差频率控制变频器内设比较电路和PID控制电路，处理目标信号和反响信号。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15U/f控制变频器和转差频率控制变频器的区别： U/控制变频器内部不用设置PID控制功能，不用设置反响端子。而转差频率控制在变频器的内部要设比较电路和PID控制电路。如果用U/控制变频器实现闭环控制，要在变频器之外配置PID控制板。 用U/控制变频器实现PID控制变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工

39、业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15 矢量控制理论是上世纪70年代西门子公司工程师首先提出，用来解决交流电动机控制问题。 磁场定向原理：分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而到达控制异步电动机转距的目的。 利用“等效的概念，将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量励磁电流和产生转矩的电流分量转矩电流分别加以控制，并同时控制两分量间的幅度和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。1 控制策略3.矢量控制方式变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15l 不仅可在调速范围上与直流电动机相媲美，而且可以控制异步电动

40、机的转距。l 异步电动机上需同轴安装编码器，用于转子角位移测量和转速测量。l 矢量变频器具有异步电动机参数自动检测、辩识和自适应等功能。在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对异步电动机进行有效的矢量控制。2 矢量控制的性能特点变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-153矢量控制种类： 有速度传感器的矢量控制 需外接 无反响矢量控制 内部已有反响4优点：动态响应快，调速范围宽，低频转矩大，转矩控制精确、控制灵活； 缺点：是结构复杂，通用性差，只能带一台电动机。5矢量控制的实现：

41、矢量控制专用芯片， AD2S100等。6应用场合： 要求高速响应的工作机械； 恶劣工作环境中的工作机械，高温、高湿、腐蚀气体； 高精度拖动； 四象限运转的设备；变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-154、直接转矩控制方式 直接转矩控制DTCDirect Torque Control是继矢量控制VC之后开展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，于1985年由德国首先提出来。直接转矩控制是因为利用转矩反响直接控制电动机的电磁转矩而得名。 1直接转矩控制变频器是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。 2特点：转矩动

42、态响应好，控制结构简单，设计简便。缺点是低速区电流和磁链的畸变严重，低速时转矩脉动大，因此调速范围减小。 3应用场合：电力机车牵引等大功率交流传动。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15项目项目通用变频器通用变频器高性能变频器高性能变频器控制算法U/f控制转矩提升同步机异步机控制算法基本相同开环矢量控制（无速度传感器矢量控制）闭环矢量控制（有速度传感器矢量控制）异步机和同步机需要不同的控制算法调速范围1:401:100（开环矢量),1:1000(闭环矢量)启动转矩无要求180% 0.5Hz（开环矢量)，200% 0速(闭环矢量)稳速精度与转差有关（2

43、-3%)0.5%(开环矢量)，0.05%(闭环矢量)转矩控制无有控制算法简单复杂电机参数不依赖电机参数，支持同时驱动不同类型不同功率的电机电机参数对控制性能的影响较大，一般只能驱动一台电机变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15任务实施任务实施【训练工具、材料和设备】【训练工具、材料和设备】西门子MM440变频器1台西门子MM440通用变频器使用手册通用电工工具一套变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍一、西门子MM440变频器认识型号型号特点特点应用场合应用场合备注备注MM410紧凑型、迷你型紧凑型、迷你型三相电动机的调速三

44、相电动机的调速200、LOGOMM420通用型、基本型通用型、基本型调速，网络控制调速，网络控制200/300/400MM430风机水泵专用型风机水泵专用型风机、水泵风机、水泵节能节能MM440矢量型、功能型矢量型、功能型高精度调速、力矩高精度调速、力矩张力控制等张力控制等西门子变频器主要型号为：MICROMASTER410/420/430/440系列。简称MM4X系列。市场上主要流行的为MM430和MM440系列。2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍MM410变频器该变频器为“廉价型，功能较少，价格低。主要应用于单相、三相电动机的变速驱动，如泵类

45、、风机、广告牌、移动门以及自动化机械的驱动。功能：线性U/f控制；多点设定的U/f控制；磁通电流控制。功率范围：2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍MM420变频器该变频器为“通用型主要应用于三相电动机的变速驱动。可以用于传送带、材料运输机、泵类、风机和机床的驱动等。功能：线性U/f控制；多点设定的U/f控制；磁通电流控制(U/f控制的一种)，内置PI控制器。功率范围：11kW。2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍MM430变频器该变频器为“风机泵类专用型，主要应用于风机和水泵的变频调速。功能：线性U/

46、f控制；多点设定的U/f控制；磁通电流控制，内置PID控制器。功率范围：250kW。该变频器为西门子现行风机泵类 主流专用变频器。2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍MM440变频器该变频器为“通用型变频器，主要应用于三相电动机的变速驱动，尤其适合用于吊车和起重系统、立体仓储系统、食品、饮料和烟草工业以及包装工业的定位系统。功能：线性U/f控制；多点设定 的U/f控制；磁通电流控制，内 置PID控制器，矢量控制。功率范围：250kW。2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-151MM440变频

47、器主要特性如下。 易于安装，参数设置和调试。 可由IT中性点不接地电源供电。 具有3个继电器输出。 具有2个模拟量输出020mA。 6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线。 2个模拟输入：AIN1：010 V，020mA和10+10 V；AIN2：010 V，020mA。 2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入。 BiCo二进制互联连接技术。 有多种可选件供用户选用：用于与PC通信的通信模块，根本操作面板BOP，高级操作面板AOP，用于进行现场总线通信的PROFIBUS通信模块。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15MM440变频器按功

48、率及其外形尺寸分，可分为A型、B型、C型、D型、E型、F型6种类型，A型、B型、C型，外形如图1-21所示。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2MM440变频器的性能特征变频器的性能特征1具有矢量控制性能2具有U/f控制性能3具有快速电流限制FCL功能，可防止运行中不应有的跳闸。4具有内置的直流注入制动，还具有复合制动功能。5具有内置的制动单元限外形尺寸为AF的MM440变频器。6加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能，包括起始和结束段带平滑圆弧，以及起始和结束段不带平滑圆弧两种方式。7具有比例、积分和微分PID 控制功能的闭环控制。8各组参数的设定值可以相互切换

49、，包括电动机数据组DDS、命令数据组和设定值信号源CDS。10具有动力制动的缓冲功能，定位控制的斜坡下降曲线。2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍MM440变频器在标准供货方式时装有状态显示板SDP，对于很多用户来说，利用SDP和制造厂的默认设置值，就可以使变频器成功地投入运行。如果工厂的默认设置值不适合用户的设备情况，用户可以利用根本操作板BOP或高级操作板AOP修改参数，使之匹配起来。 2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15图1-23 西门子变频器订货号说明变频及伺服应用技术变频及伺

50、服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15二、西门子变频器的拆装训练1拆卸及更换变频器操作面板拆卸及更换变频器操作面板按下变频器顶部的锁扣按钮，向外拔出操作面板就可以将操作面板卸下，然后将要更换的操作面板下部的卡子放在机壳上的槽内，再将面板上部的卡子对准锁扣，轻轻推进去，听到咔的一声轻响，新的面板就被固定在变频器上了。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152拆卸及更换变频器的机壳前盖板拆卸及更换变频器的机壳前盖板如果想要拆卸A型变频器的机壳前盖板，可以在卸下操作面板后，将机壳前盖板向下方推动，再拔起，就可以将其从固定槽中卸下，如图1-2

51、5所示。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15图1-26 拆卸前后变频器比照变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-153拆卸拆卸I/O板板 （a）拆卸 I/O 板的方法 （b）拆卸下来的 I/O 板 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-154用标准安装导轨安装变频器的方法用标准安装导轨安装变频器的方法A型尺寸MM440变频器的底座结构如图1-28所示。其安装步骤如下。1把标准35mm导轨用螺钉安装到底板上，如图1-29a所示。2用变频器的上闩销把MM440变频器挂到导轨

52、上。3向导轨上按压变频器，直到导轨的下闩销嵌入到位， 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-155拆卸变频器的方法拆卸变频器的方法1为了松开变频器的释放机构，将螺丝刀插入释放机构中，如图1-29b所示。2向下施加压力，导轨的下闩销就会松开。3向上提起变频器，将变频器从导轨上取下。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15知识拓展知识拓展一、变频器的安装方式1变频器对安装环境的要求1环境温度：变频器的工作环境温度范围一般为1040。2环境湿度：变频器工作环境的相对湿度为20%90%无结露现象。3海拔高度：变频器应用

53、的海拔高度应低于1000m。4周围空气：无水滴、蒸汽、酸、碱、腐蚀性气体及导电粉尘。5电磁辐射：变频器柜内的仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地。6振动：变频器在运行的过程中，要注意防止受到振动和冲击。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152变频器的安装方式变频器的安装方式1墙挂式安装墙挂式安装变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152柜式安装柜式安装变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15二、变频器的应用及主流变频器1变

54、频器的应用变频器的应用1变频器在节能方面的应用：变频器在风机和水泵的应用中，节能效果尤其明显，有关资料显示，风机、泵类负载使用变频调速后节能率可达20%60%。这类负载的应用场合是恒压供水、风机、中央空调、液压泵变频调速等。2变频器在精确自动控制中的应用：算术运算和智能控制是变频器的另一特色，输出精度可达0.1%0.01%。这类负载的应用场合是印刷、电梯、纺织、机床、生产流水线等行业的速度控制。3变频器在提高工艺方面的应用：可以改善工艺和提高产品质量，减少设备冲击和噪声，延长设备使用寿命，使操作和控制更具人性化，从而提高整个设备的功能。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院

55、 郭艳萍2022-4-152主流变频器介绍主流变频器介绍1日本品牌：富士Fuji、三菱Mitsubishi)、安川Yaskawa)、三肯等。 2欧美品牌：代表性的品牌有：德国SIEMENS西门子、瑞士ABB阿西亚布朗勃法瑞、法国Schneider施耐德、美国艾默生、丹麦Danfoss丹佛斯、美国罗克韦尔等，其中 ABB和西门子两大外资顶级品牌，市场份额远超其他品牌，具有大局部外资品牌难以企及的综合实力。3中国品牌：代表性的品牌有：汇川、英威腾、普传、安邦信、欧瑞和台湾的台达等。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15 任务任务1.2西门子变频器的面板运

56、行操作西门子变频器的面板运行操作任务导入任务导入利用变频器操作面板上的按键控制变频器启动、停止及正反转。按下变频器操作面板上的“ 键，变频器正转启动，经过10s，变频器稳定运行在40Hz。变频器进入稳定运行状态后，如果按下“ 键，经过10s，电动机将从40Hz运行到停止，通过变频器操作面板上的键“ 和“ 键可以在0Hz60Hz之间调速。按“ 键，电动机还可以按照正转的相同启动时间、相同稳定运行频率，以及相同停止时间进行反转。按“ 键，电动机可以10Hz的频率点动运行。 变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-15相关知识相关知识一、变频器的端子接线图DIP

57、拨码开关是供用户设置电动机频率的开关，共有2个，DIP开关1不供用户使用。DIP开关2置于OFF位置，用于欧洲地区工厂默认频率值为50Hz，功率单位为kW；DIP开关2置于ON位置，用于北美地区工厂默认频率值为60Hz，功率单位为hp。变频器故障触点变频器报警触点变频器准备就绪触点变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍 控制电路端子1、2是变频器为用户提供的1个高精度的10V直流稳压电源。模拟输入端子3、4和10、11为用户提供了2对模拟电压给定输入端作为频率给定信号。开关量输入5、6、7、8、16、17端子为用户提供了6个完全可编程的输入端，开关量信号经光电隔离输入

58、CPU，对电动机进行正、反转、正、反向点动、固定频率设定值控制等。输入端子9、28是24V直流电源端，为变频器的控制电路提供24V直流电源。输入14、15端子为电动机的过热保护输入端；输入29、30端子为RS485USS协议端。变频器故障触点变频器报警触点变频器准备就绪触点DIP拨码开关是供用户设置电动机频率的开关，共有2个，DIP开关1不供用户使用。DIP开关2置于OFF位置，用于欧洲地区工厂默认频率值为50Hz，功率单位为kW；DIP开关2置于ON位置，用于北美地区工厂默认频率值为60Hz，功率单位为hp。2022-4-15变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2

59、022-4-151、主电路、主电路主电路端子L1、L2、L3通过断路器连接至三相交流380V电源，也可以接单相交流220V电源。端子U、V、W连接至电动机。其余4个端子DC/R+、B+/DC+、B-、DC-，其中DC/R+与B+/DC+出厂时短接，均接三相桥整流电路输出的直流母线的正端，B-经一个开关管接到直流母线的负端，DC-直接接到直流母线的负端。变频及伺服应用技术变频及伺服应用技术重庆工业职业技术学院 郭艳萍2022-4-152、控制电路、控制电路1模拟量输入模拟量输入ADC端子端子1、2：变频器为用户提供的：变频器为用户提供的1个个高精度的高精度的10V直流稳压电源直流稳压电源AIN1

60、：3、4AIN2：10、11AIN1可接受：可接受： 010V、020mA和和1010V模拟量信号模拟量信号AIN2可接受：可接受： 010V和和020mA模拟量信号模拟量信号利用利用 I/O 板上的板上的 2 个开关个开关 DIP11，2和利用参数和利用参数 P0756 可可将将2对模拟量输入端子设定为电对模拟量输入端子设定为电压输入或电流输入，压输入或电流输入， 如图如图 所示。所示。2个模拟量输入端子可以另行配个模拟量输入端子可以另行配置，用于提供两个附加的数字置，用于提供两个附加的数字量输入端子量输入端子DIN7 和和 DIN8，如，如图图1-35所示。所示。变频及伺服应用技术变频及伺