西门子变频器培训课件

1.电气传动系统的基础知识——定义、结构定义：以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统。结构：第1页/共51页1.电气传动系统的基础知识——目的、意义目的：根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩。意义：

节能——如：风机、鼓风机、水泵等

提高生产效率——如：起重机、注塑机、传送带等

提高产品质量——如：机床、印刷设备、包装线等

改善工作环境——如：电梯、空调的等

实现工厂自动化——如：纤维、纸、膜、钢板加工等注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能！第2页/共51页1.电气传动系统的基础知识——运动方程运动方程：速度模式：以保持转速恒定为目的。控制设备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，恒速时电机转矩肯定等于负载转矩。转矩模式：以控制电机转矩恒定为目的。恒速时电机转矩肯定等于负载转矩，但电机的运转速度不确定。如果电机转矩始终大于负载转矩，则速度持续上升直至设备限速或损坏；如果电机转矩始终小于负载转矩，则速度为0或最低（下限）速度，为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护。第3页/共51页1.电气传动系统的基础知识——电动机的机械特性第4页/共51页1.电气传动系统的基础知识——调速方式第5页/共51页1.电气传动系统的基础知识——负载特性负载特性：

C-负载大小常数；

α-负载转矩形状的系数：0-表示恒转矩负载；1-表示转矩与转速成比例负载；2-转矩与转速的二次方成比例负载；-1-表示恒功率负载。工程上常用式：

PL-电动机轴上输出的有效机械功率，即负载的功率，单位为kW;n-电动机转子转速，单位为r/min.第6页/共51页1.电气传动系统的基础知识——恒转矩负载

负载转矩TL与速度n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。如：传送带、搅拌机、挤压机等摩擦类负载；吊车、提升机等位能负载。由于负载转矩TL恒定，所以负载的功率PL与转速n成正比（PL=TLn/9550）。变频器拖动恒转矩负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。第7页/共51页1.电气传动系统的基础知识——恒功率负载

在不同转速下，负载功率PL基本恒定，即负载功率与转速无关。如：机床主轴电机，轧机、造纸机、塑料薄膜生产线的卷取机、开卷机等。在恒功率负载时，负载转矩TL与转速n成反比。负载的恒功率性质是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。第8页/共51页1.电气传动系统的基础知识——二次方律负载

负载转矩TL与速度n的二次方成正比。此时，负载的功率与转速的三次方成正比（PL=Cn3/9550）。如：各种风机、水泵、油泵等。由于这种负载所需的功率与速度的三次方成正比，当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。高速时所需功率随转速增长过快，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。第9页/共51页1.电气传动系统的基础知识——常见机械的负载特性第10页/共51页1.电气传动系统的基础知识——常见机械的负载特性第11页/共51页1.电气传动系统的基础知识——电动机的选择（1）电动机最大输入功率的确定根据机械队转速（最高、最低）和转矩（启动、连续及过载）的要求，确定机械要求的最大输入功率（即电动机的额定功率最小值）。计算最大输入功率时，机械转速取电动机的额定转速，转矩取设备在启动、连续运行、过载或最高速等状态下的最大连续转矩。避免出现“大马拉小车”现象，尽可能达到最大节能效果，一般设计裕量应控制在10%以内。第12页/共51页1.电气传动系统的基础知识——电动机的选择（2）电动机极数的确定电动机的极数决定了电动机的同步转速，要求电动机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围。为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电动机短时超出同步转速，但必须小于电动机允许的最大速度。

另外：通用性变频器是针对交流异步电动机设计的，而且多数通用变频器的预置电动机模型都是针对4极电动机模型。因此，使用通用变频器时，选择4极笼型异步电动机是合适的。当选择4极电动机配备减速比有困难时，也可以选择2极、6极或8极电动机。第13页/共51页1.电气传动系统的基础知识——电动机的选择（3）散热能力的影响普通笼型电动机是空气自冷式的，外壳的冷却依靠端部的风扇叶片，内部空气流通依靠转子两端的风叶，当转速降低时，也就会失去使空气流通的能力。随着转速的降低，转矩也降低，发热程度降低，因此，对于风机、泵类负载，普通笼型电动机是最佳选择，但不要在40%同步转速下长期运行。通用标准异步电动机的散热能力是按额定转速下进行自扇风冷设计的，对于恒转矩负载下电动机调速运行时，其发热不变，但在低速运行时的散热能力降低，可采用另加恒速冷却风扇的办法或采用较高绝缘等级的电动机，以保证低速时的允许输出转矩。第14页/共51页1.电气传动系统的基础知识——电动机的选择（4）超过额定转速的影响目前变频器的频率变化范围一般在0-120Hz，而我国的标准异步电动机额定工作频率为50Hz，当负载要求的最高转速超过同步转速不多时，可适当增大电动机的容量或选择服务系数大于的电动机，以增加电动机的输出功率，保证超额转速下的输出转矩。

另：由于电动机轴承机械强度和发热等因素的限制，电动机最高转速不能大于同步转速的10%。第15页/共51页2.变频器基础知识——定义、控制对象定义：变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置。控制对象：三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极。第16页/共51页2.变频器基础知识——工作原理第17页/共51页2.变频器基础知识——变频器的控制方式U/f恒定控制：特点——控制电路结构简单、成本低，机械特性硬度较好，能满足一般传动的平滑调速要求。但在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较明显，使输出最大转矩减小。矢量控制：实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度和磁场两个分量进行独立控制。分不带速度反馈型和带速度反馈型。注：控制方式的选择要根据生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定用哪种控制方式的变频器最合适（既要满足工艺和生产的基本条件和要求，又要经济实用）。第18页/共51页3.变频器型式的选择——负载特性确认第19页/共51页3.变频器型式的选择——根据负载特性选择变频器

（1）对于风机、泵类等平方负载对调速低于额定频率且负载转矩较小，在过载能力方面要求又较低，对转速精度没有特殊要求时，选择廉价的普通功能型U/f控制变频器。（2）对于挤压机、搅拌机、起重机的提升机构和提升机等恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，但对静态转速有较高要求，采用具有转矩控制功能的高性能U/f控制变频器则较为合理。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击。另：为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。第20页/共51页3.变频器型式的选择——根据负载特性选择变频器

（3）对于轧钢、造纸、塑料薄膜加工线等恒功率负载对精度、动态性能要求较高、响应快的生产机械，采用矢量控制型高性能变频器是一种很好的选择。矢量控制方式只能一台变频器驱动一台电动机，当一台变频器驱动多台电动机时，只能选择U/f控制模式。（4）对于电力机车、交流伺服系统、电梯、起重机等要求控制系统具有良好的动态、静态性能，可选用具有直接转矩控制功能的专用变频器。第21页/共51页4.变频器容量的选择——确认要点

选择变频器容量时，额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择，负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。

第22页/共51页4.变频器容量的选择——连续运转时必须的变额器容量第23页/共51页3.变频器容量的选择——连续运转时的容量计算第24页/共51页3.变频器容量的选择——驱动多台电机时的容量计算第25页/共51页3.变频器容量的选择——驱动多台电机时的容量计算第26页/共51页3.变频器容量的选择——短时加减速时的容量计算

变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。对于短时的加减速而言，变频器允许达到额定输出电流的130％～150％(视变频器容量)，因此，在短时加减速时的输出转矩也可以增大；反之，如只需要较小的加减速转矩时，也可降低选择变频器的容量。由于电流的脉动原因，此时应将变频器的最大输出电流降低10％后再进行选定。第27页/共51页3.变频器容量的选择——频繁加减速运转时的容量计算

根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：第28页/共51页3.变频器容量的选择——工频直接起动时的容量计算

根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：通常，三相异步电动机直接用工频起动时起动电流为其额定电流的5～7倍，对于电动机功率小于10kW的电机直接起动时，可按下式选取变频器。I1CN≥IK/Kg

式中：

IK：在额定电压、频率下电机起动时的堵转电流(A)；

Kg：变频器的允许过载倍数Kg＝～在运行中，如电机电流不规则变化，此时不易获得运行特性曲线，这时可使电机在输出最大转矩时的电流限制在变频器的额定输出电流内进行选定。第29页/共51页3.变频器容量的选择——大惯性负载起动时的容量计算

根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：通常，三相异步电动机直接用工频起动时起动电流为其额定电流的5～7倍，对于电动机功率小于10kW的通过变频器过载容量通常多为125％/60s或150％/60s。需要超过此值的过载容量时，必须增大变频器的容量。这种情况下，一般按下式计算变频器的容量：式中：

GD2：换算到电机轴上的转动惯量值(N·m2)TL：负载转矩(N·m)η，cosφ，nM分别为电机的效率(取0.85)，功率因数(取0.75)，额定转速(r/min)。

tA：电机加速时间(s)由负载要求确定

K：电流波形的修正系数(PWM方式取～1.10)PCN：变频器的额定容量(KVA)第30页/共51页3.变频器容量的选择——惯性负载起动时的容量计算第31页/共51页3.变频器容量的选择——轻载时的容量选择

电动机的实际负载比电动机的额定输出功率小时，多认为可选择与实际负载相称的变频器容量，但是对于通用变频器，即使实际负载小，使用比按电机额定功率选择的变频器容量小的变频器并不理想，这主要是由于以下原因；

①电机在空载时也流过额定电流的30％～50％的励磁电流。

②起动时流过的起动电流与电动机施加的电压、频率相对应，而与负载转矩无关，如果变频器容量小，此电流超过过流容量，则往往不能起动。

③电机容量大，则以变频器容量为基准的电机漏抗百分比变小，变频器输出电流的脉动增大，因而过流保护容量动作，往往不能运转。

④电机用通用变频器起动时，其起动转矩同用工频电源起动相比多数变小，根据负载的起动转矩特性，有时不能起动。另外，在低速运转区的转矩有比额定转矩减小的倾向，用选定的变频器和电机不能满足负载所要求的起动转矩和低速区转矩时，变频器和电机的容量还需要再加大。第32页/共51页4.变频器周边设备的选择

（1）进线断路器在变频器电源侧，为保护原边配线，需设置配线用断路器。断路器的选择取决于电源侧的功率因数(随电源电压、输出频率、负载而变化)。其动作特性受高频电流影响而变化，有必要选择大容量的。（2）进线接触器变频器没有进线接触器可以使用。进线接触器可进行停止操作，但这时变频器的制动功能将不能使用。（3）电机侧接触器变频器和电机间若设置接触器，原则上禁止在运行中切换。变频器运行中接入时，会有大冲击电流，因此变频器过电流保护动作。为了和电网切换而设置接触器时，务必在变频器停止输出后进行切换，并合适地使用速度搜寻功能。第33页/共51页4.变频器周边设备的选择

（4）热继电器为防止电机过热，变频器有电子热保护功能。但一台变频器驱动多台电机及多极电机时，请在变频器和电机间设置热继电器。热继电器在50Hz设定为电机铭牌的1倍，60Hz时设定为倍。

（5）功率因数的改善(取消调相电容器)

改善功率因数，可在变频器的进线中插入交流电抗器。变频器输出侧接改善功率因数的电容滤波器时，有因变频器输出的高频电流造成破损和过热的危险，另外会使变频器过电流，造成过电流保护发生，请不要接电容滤波器。

第34页/共51页4.变频器周边设备的选择

（6）关于电磁干扰变频器的输出(主回路)中有高频成份，对变频器附近使用的通信器械(如AM收音机)会产生干扰。此时可以安装滤波器，减少干扰。另外，还可将变频器和电机及电源配线套上金属管接地，也是有效的。（7）功率电缆的线径和配线距离变频器和电机间配线距离较长时(特别是低频输出时)，由于电缆压降会引起电机转矩下降。应用充分粗的电缆配线；操作器装在别处时，请使用专用的连接电缆；远程操作时，模拟量、控制线和变频器间的距离应控制在50米以内；控制信号妥善屏蔽接地。第35页/共51页4.变频器周边设备的选择第36页/共51页5.西门子MM4系列变频器——MM410、MM420性能比较第37页/共51页5.西门子MM4系列变频器——MM430、MM440性能比较第38页/共51页5.西门子MM4系列变频器——规格（订货号）第39页/共51页6.PID闭环控制功能实现——PI控制器

在工业场合中，闭环控制广泛用于控制多种过程量。过程控制工程是一个综合的课题，但一个简单的闭环控制可用一个过程量信号（如：温度、压力、速度）作为反馈，和期望值或手动设定的给定值做比较，可以得到一个偏差信号。通过处理这个偏差信号，去控制变频器和电机来减少这个偏差。由于系统的滞后，偏差信号的处理过程实际上很复杂。通常用带有比例增益和积分时间的内部PI控制器，通过调整P、I参数来优化系统的动态性能和稳定性。一旦系统设定，一个稳定、有效、精确的系统就完成了。第40页/共51页6.PID闭环控制功能实现——MM4实现PID控制MM4内置PI调节器可实现闭环控制。一旦PI调节器使能(P2200=1)，PI调节器将调节电机的电源频率来使PI调节器设定值和反馈值的偏差减少，通过不断比较反馈和给定来确定电机所需要的频率。通常频率给定(P1000选择)和斜坡时间(P1120&P1121)自动取消，但最小和最大输出频率(P1080&P1082)设定保持有效。第41页/共51页6.PID闭环控制功能实现——配置PI调节器（1）访问PI调节器参数

PI调节器参数范围在P2200和P2294之间。运用时，需用2级授权来配置PI调节器。为访问PI调节器参数，可设置一下参数来过滤参数：

P0003=2；P0004=22

（2）使能PI调节器

PI调节器使能用参数P2200控制，PI调节器使能时应设为1。也可以用一个开关量输入(或另外的BiCo功能)来使能PI调节器，例如：PI调节器用DIN2来使能，设置：P0702=99；这样变频器不运行时，允许用户在频率控制和PI调节器控制之间切换。

第42页/共51页6.PID闭环控制功能实现——配置PI调节器（3）PI反馈信号

PI控制器需要一个反馈信号来监控系统的运行，在大多数的场合，这需要一个模拟量的检测元件。

MM420由一个由端子3&4构成的模拟量输入口，反馈信号可以连接到这儿。PI反馈信号源必须用P2264=755(反馈源等于模拟量输入1)，若需要可以用P0757-P0760来标定模拟量输入。如果用别的反馈信号(如USS)，必须正确的设置P2264。

r2266参数显示反馈信号的实际值。传感器信号和PI控制器输出的关系必须事先定义，P2271可设置PI反馈类型。该参数有两种可能：0或1，两者的不同在于：对于一个正偏差信号(反馈低于给定)，PI控制器是升高输出频率还是降低输出频率。第43页/共51页6.PID闭环控制功能实现——配置PI调节器（3）PI给定

PI控制器通过比较实际反馈信号和系统预期设定来控制变频器的频率。系统预期被定义为给定，用户可通过参数P2253来选择给定源。MM420只有一个模拟量输入口且大多数情况下此口已作为反馈信号，所以通常给定只能使用内部设定。有两种做法：用“固定PI给定”或“键盘给定”(电动电位器)。应该注意的是给定值是%值而不是Hz，而变频器运行频率是由PI的给定和反馈的差决定(当PI控制器有效时)。

a.P2253=2224“固定给定”，这种方法允许用户用P2201到P2207定义7个给定，通常可以用开关量输入来切换，P2201描述了切换的方法。

b.P2253=2250“键盘(电动电位器)给定”，这种方式允许用户在P2240中设定一个固定值，并可通过BOP或其他方式来升高或减低给定。(如：开关量输入P0702=13升高；P0702=14降低)

第44页/共51页6.PID闭环控制功能实现——配置PI调节器（3）PI给定斜坡时间

当PI控制器用参数P2200使能后，普通斜坡上升和下降时间(P1120和P1121)被旁路。PI由自己的斜坡上升和下降时间：P2257和P2258来决定PI给定的变化。上升时间P2257：当PI给定改变或加上一个运行命令时有效。下降时间P2258：只当PI给定改变时有效。OFF1和OFF3有效时，斜坡下降时间由P1121和P1135来响应。（4）PI控制器的比例增益参数和积分参数

用户可以通过调整比例增益P参数P2280和积分时间I参数P2285，使PI控制器适合过程控制的要求。过程控制的需求决定了响应的最佳特性，快速恢复的响应伴随着大超调。调节P参数和I参数可以得到不同的响应。第45页/共51页（5）PI输出限幅

PI控制器在变频器运行时的输出频率，该输出是P2000设定的Hz数的%值。用户可用参数P2291和P2292对该输出的范围进行限幅控制。当变频器只允许在最小频率Fmin(P1080)和最大频率Fmax(P1082)之间运行时，PI输出限幅能够被用于对输出频率更深一步的限制。一旦其中的一个限幅达到，信号或将被置1，该位信号可用P0731连接到一个数字量输出，或当作BICO用于内部控制。设定时，如果最高频率Fmax(P1082)大于P2000(基准频率)，那麽，P2000或P2291都必须变为最高频率Fmax。设定限幅P2292，允许PI控制器正负调节。6.PID闭环控制功能实现——配置PI调节器第46页/共51页6.PID闭环控制功能实现——配置PI调节器（6）系统调整

当优化调试系统时，推荐用示波器来监视反馈信号，观察系统的响应曲线。模拟量输出可用作P0771=2266(滤波后的反馈信号)。在没有PI斜坡时间()的情况下，用一个小的PI给定阶跃(1%~10%)来试验系统的响应。一旦理想的响应确定下来，再设定合适的斜坡时间。如果没有示波器，建议在小比例(例如)下调整I参数，直到系统稳定。通过调整参数，可以在小的PI给定变化时得到上图所示的趋势。通常，通过PI参数调整可以达到多数稳定的控制。如果系统容易受到冲击扰动，不建议将P参数设置值大于。第47页/共51页6.PID闭环控制功能实现——一种简单实用的PI调试方法

在完成“快速调试”和电机参数自动识别后，就可以由操作器或端子控制变频器运转了。在设定PID有效(即P2200=1)之前，必须先带负载进行开环小给定运行。这时主要注意两方面：电机和负载是否正常、标定反馈模拟量输入通道(系数和极性)。然后设定PID有效(即P2200=1)，将I积分参数(P2285)设置为0。在观察压力表或输出频率表的同时，缓慢逐渐的从小到大调整P比例参数(P2280)值。调整过程中，参数值每加大一次，都要观察变频器是否以达到稳态；变频器稳定运行时，压力是否稳定(设否振荡、波动)。当变频器稳定运行、压力开始波动时，记下此时的P参数值A。将A值除以3，结果写入P2280参数中。同理，在观察压力表或输出频率表的同时，缓慢逐渐的从小到大调整I比例参数(P2285)值。当变频器稳定运行、压力开始波动时，记下此时的I参数值B。将B值除以2，结果写入P2285参数中。注意：在调整PID调节器PI参数时，不要进行电机切换操作。推荐先设定压力给定(PID的给定值)，保证变频器运行于40Hz左右，再进行上述调整。等PI参数完成调整后，再将压力给定设置到正常需要值，完成电机分级切换程序调整。第48页/共51页6.