变频技术及应用 课件 石磊 学习情境1-4 变频器的基础知识- 变频器的运行调试

学习情境1

变频器基础知识变频器基础知识一、电力拖动系统的认识二、电力电子器件的选择与检测三、变频器的组成原理分析一、电力拖动系统的认识

电力拖动系统的运行状态可分为稳定运行状态(静态)和不稳定运行状态(动态或过渡状态)两种。电动机工作的运行状态，决定于电动机的机械特性和生产机械的负载转矩特性，即决定于电动机所产生的电磁转矩与负载转矩是否平衡。为了分析和研究电动机的静态和动态特性，需要用数学模型来描述，应用动力学平衡条件建立系统运动方程式，作为分析系统运行状态的工具。由电动机带动生产机械运行的系统称做电力拖动系统;一般由电动机、传动机械、生产机械、控制设备等部分组成。异步交流电动机调速改变输入频率（无级调速）——变频器n=60f/P（1-S）P：磁极对数f：频率S：转差率改变转差率（方法多实现困难）调速原理：调速方法：改变磁极对数（机械的有级调速）负载的类型传动机构电动机生产机械负载特性摩擦恒转矩生产流水线起重行走速度势能恒转矩电梯起重机提升恒功率（速度越低，负载转矩越大）机床开卷机/收卷机变转矩（速度越低，负载转矩越小）风机水泵负载转矩大小于与转速无关二、电力电子器件

电力电子器件的分类

半控型器件--通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，比如晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。全控型器件--通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。如绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor--IGBT）、电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）及门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor--GTO）等。不可控器件--不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。比如电力二极管（PowerDiode），只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。典型电力电子器件电力二极管半控型器件--晶闸管典型电力电子器件IGBT图1=26IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号三、变频器的组成原理分析交-直-交变频器主电路定义：交-直-交变频器又称为间接变频器，它是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经逆变器将直流电变成频率和电压可调的交流电。学习情境2

认识变频器认识变频器一、了解通用变频器二、认识西门子SINAMICS变频器三、G120变频器的安装与接线一、了解通用变频器

1、电力电子器件是变频器发展的基础第一代电力电子器件是出现于1956年的晶闸管。

（半控型器件）第二代电力电子器件是以门极可关断（GTO）晶闸管和电力晶体管（GTR）为代表。（电流自关断器件）其开关频率仍然不高，一般在5kHz以下。第三代电力电子器件是以电力MOS场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表。（电压自关断器件）其开关频率可达到20kHz以上。第四代是以智能功率模块（IPM）为代表，IPM是以IGBT为开关器件，但集成有驱动电路和保护电路。1、在节能方面的应用（1）节能的前景：在2003年的中国电力消耗中，60-70％为动力电，而在总容量为5．8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。

（2）节能的原理：（以风机水泵为例）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。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，因而设计裕量偏大。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。因此，变动负载的节能潜力巨大。

2、在自动控制系统方面的应用3、在产品工艺和质量方面的应用

由于变频器内置有32位或16位的微处理器，具有多种算术逻辑运算和智能控制功能，输出频率精度高达0.01%-0.1%，还设置有完善的检测、保护环节。因此，变频器在自动化控制系统中获得了广泛的应用。例如：化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制等。变频器还广泛用于传动、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域，它可以提高工艺水平和产品质量，减少设备的冲击和噪声，延长设备的使用寿命。采用变频调速控制后，使机械系统简化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备的功能。变频器的应用4、在家用电器方面的应用变频器的应用除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等方面也受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。变频器的分类二、认识西门子SINAMICS变频器

西门子G120变频器

G120内置式变频器由控制单元CU、功率模块PM、操作面板BOP/IOP以及变频器系统其他部件组成，通常称之为标准变频器。三、G120变频器的安装与接线

变频器的设置场所为了使变频器能稳定地工作，发挥所具有的性能，必须确保设置环境能充分满足IEC标准及国标对变频器所规定环境的允许值。总体要求是：电气室应湿气少、无水浸入；无爆炸性、燃烧性或腐蚀性气体和液体，粉尘少；装置容易安装；应有足够的空间，使维修检查容易进行；应备有通风口或换气装置以排出变频器产生的热量；应与易受变频器产生的高次谐波和无线电干扰影响的装置隔离；安装在室外必须单独按户外配电装置设置。G120变频器安装与接线

变频器的机械安装

（1）安装功率模块附件

G120变频器安装与接线

（2）安装功率模块

① 将功率模块安装在控制柜中。

② 保持与控制柜中其他组件之间的最小间距。

③ 垂直安装功率模块，电源和电机端子朝下。

④ 根据功率模块端子配置连接电机电缆和电源电缆。

⑤ 使用紧固件，按照要求的紧固扭矩（3Nm）对功率模块进行固定和安装。G120变频器安装与接线

（3）安装控制单元

G120变频器安装与接线

（4）安装操作面板

电气连接

（1）电磁兼容

G120变频器控制端子及接线

CU240E-2控制单元端子排及接线图学习情境3

变频器的基本调试BOP-2面板对变频器调试BOP-2面板对变频器调试任务概述：该任务要求使用BOP-2基本操作面板对G120变频器进行基本调试。具体包括安装控制面板、变频器工厂复位、进入快速模式、设置基本参数、输入电机参数、静态优化、使用面板操作变频器控制电动机点动、起停、按照设定速度运行等任务。所需设备：

G120变频器、G120控制单元、BOP-2基本操作面板、开关、三相异步电动机。所需工具和材料万用表、螺丝刀、拔线钳、扳手、电线。任务要求（1） 完成变频器主回路接线；（2） 安装BOP-2基本操作面板；（3） 使用BOP-2基本操作面板对变频器进行工厂复位；（4） 使用BOP-2基本操作面板进入变频器快速调试模式；（5） 输入三相异步电动机铭牌参数到变频器中；（6） 设置变频器基本参数；（7） 对电动机进行静态优化，建立电机模型；（8） 使用BOP-2面板操作变频器安全要求（1） 送电前检查变频器输入侧无对地短路现象；（2） 送电前检查变频器输出侧无对地短路现象；（3） 检查电动机无短路、断路、接地现象且三相电阻平衡；（4） 检测控制回路按照控制要求接线准确无误；（5） 保证接线正确牢固；（6） 送电后检查面板显示是否正常；（7） 主回路接线时要在变频器停电5分钟后进行，防止触电事故。BOP-2面板对变频器调试任务分析：

根据任务要求，要完成使用BOP-2面板对G120变频器进行基本调试，要熟悉BOP-2基本操作面板，熟悉PM240功率模块的主回路接线，熟悉BOP-2面板菜单。一、G120基本操作面板BOP-2

①释放制动片②LCD屏幕③门安装螺丝凹槽④连接变频器的接口⑤产品铭牌BOP-2面板按键功能（1）BOP-2面板按键功能（2）显示屏图标功率模块接线①解扣杆菜单结构BOP-2面板对变频器调试任务实施：

要完成任务，首先要进行硬件的接线，安装BOP-2面板，然后进行参数复位，基本参数的设置，最后进行变频器的运行。一、硬件接线

二、BOP-2的安装

三、上电前的检查在设备通电前要遵守说明书中要求采取的安全措施和给予的警告。（1）G120变频器是在高电压下运行。（2）电气设备运行时，设备的某些部件上存在危险电压。（3）变频器不运行时，电源、电动机及相关的端子仍可能带有危险电压。（4）“紧急停车设备”必须在控制设备的所有工作方式下都保持可控性。无论紧急停车设备是如何停止运转的，都不能导致电气设备不可控的或者未曾预料的再次启动。（5）必须采取附加的外部预防措施或者另外安装用于确保安全运行的装置（例如，独立的限流开关、机械联锁等），避免短路故障。（6）在输入电源故障并恢复后，一些参数设置可能会造成变频器的自动再启动。（7）为了保证电动机的过载保护功能正确动作，电动机的参数必须准确地配置。（8）可按照UL508C标准在变频器内部提供电动机过载保护。电动机的过温保护功能也可以采用外部PTC或KTY84来实现。四、参数复位G120变频器使用BOP-2面板恢复出厂设置有两种方法，第一种是使用操作面板利用参数复位，第二种是使用操作面板（BOP-2）利用菜单复位。五、快速调试在变频器第一次通电或者变频器参数与所控制电动机不适合时，需要对变频器进行闭环矢量控制或者时V/f控制，必须进行快速调试及电机参数识别操作。完成了快速调试，也就完成了电机-变频器的基本调试；您必须在调试开始之前拥有以下数据，或者已经把它们输入到了变频器：输入进线电源频率输入电动机铭牌数据命令/设定值来源最小频率/最大频率及上升斜坡/下降斜坡时间闭环控制方式电机参数识别。六、调试运行

电机数据静态识别后，G120变频器会退出快速调试模式，此时可以利用面板对变频器进行启动、设定值给定、点动和反向控制。记录以下下变频器和电动机的运行数据。IOP面板对变频器调试学习情境3

变频器的基本调试IOP面板对变频器调试任务概述：该任务要求使用IOP智能型操作面板对G120变频器进行基本调试。具体包括安装控制面板、变频器工厂复位、进入快速模式、设置基本参数、输入电机参数、静态优化、使用面板操作变频器控制电动机点动、起停、按照设定速度运行等任务。所需设备：

G120变频器、G120控制单元、BOP-2基本操作面板、开关、三相异步电动机。所需工具和材料万用表、螺丝刀、拔线钳、扳手、电线。任务要求（1） 完成变频器主回路接线；（2） 安装IOP智能型操作面板；（3） 使用IOP智能型操作面板对变频器进行工厂复位；（4） 使用IOP智能型操作面板进入变频器快速调试模式；（5） 输入三相异步电动机铭牌参数到变频器中；（6） 设置变频器基本参数；（7） 对电动机进行静态优化，建立电机模型；（8） 用IOP智能型面板操作变频器。安全要求（1） 送电前检查变频器输入侧无对地短路现象；（2） 送电前检查变频器输出侧无对地短路现象；（3） 检查电动机无短路、断路、接地现象且三相电阻平衡；（4） 检测控制回路按照控制要求接线准确无误；（5） 保证接线正确牢固；（6） 送电后检查面板显示是否正常；（7） 主回路接线时要在变频器停电5分钟后进行，防止触电事故。IOP面板对变频器调试任务分析：根据任务要求，要完成使用IOP面板对G120变频器进行基本调试，要熟悉IOP智能型操作面板，熟悉PM240功率模块的主回路接线，熟悉IOP面板菜单。一、G120智能型操作面板IOP

IOP面板按键功能（1）IOP面板按键功能（2）IOP面板按键功能（3）显示屏图标（1）显示屏图标（2）显示屏图标（3）菜单结构IOP-面板对变频器调试任务实施：

要完成任务，首先要进行硬件的接线，安装IOP面板，然后进行参数复位，基本参数的设置，最后进行变频器的运行。一、硬件接线

二、BOP-2的安装

三、上电前的检查在设备通电前要遵守说明书中要求采取的安全措施和给予的警告。（1）G120变频器是在高电压下运行。（2）电气设备运行时，设备的某些部件上存在危险电压。（3）变频器不运行时，电源、电动机及相关的端子仍可能带有危险电压。（4）“紧急停车设备”必须在控制设备的所有工作方式下都保持可控性。无论紧急停车设备是如何停止运转的，都不能导致电气设备不可控的或者未曾预料的再次启动。（5）必须采取附加的外部预防措施或者另外安装用于确保安全运行的装置（例如，独立的限流开关、机械联锁等），避免短路故障。（6）在输入电源故障并恢复后，一些参数设置可能会造成变频器的自动再启动。（7）为了保证电动机的过载保护功能正确动作，电动机的参数必须准确地配置。（8）可按照UL508C标准在变频器内部提供电动机过载保护。电动机的过温保护功能也可以采用外部PTC或KTY84来实现。四、参数复位G120变频器使用IOP面板恢复出厂设置有两种方法，第一种是使用操作面板利用参数复位，第二种是使用操作面板（IOP-2）利用菜单复位。五、快速调试在变频器第一次通电或者变频器参数与所控制电动机不适合时，需要对变频器进行闭环矢量控制或者时V/f控制，必须进行快速调试及电机参数识别操作。完成了快速调试，也就完成了电机-变频器的基本调试；您必须在调试开始之前拥有以下数据，或者已经把它们输入到了变频器：输入进线电源频率输入电动机铭牌数据命令/设定值来源最小频率/最大频率及上升斜坡/下降斜坡时间闭环控制方式电机参数识别。六、调试运行

电机数据静态识别后，G120变频器会退出快速调试模式，此时可以利用面板对变频器进行启动、设定值给定、点动和反向控制。记录以下下变频器和电动机的运行数据。使用STARTER软件进调试学习情境3

变频器的基本调试使用STARTER软件调试任务概述：

STARTER软件是一个用来调试西门子SINAMICS系列变频器的PC调试工具。STARTER调试工具易于操作，它可以用于西门子SINAMICS系列所有变频器的调试、优化和诊断。该软件不仅可以作为单独的PC应用程序运行，也可以通过DriveESBasic集成到与TIA兼容的SIMATICSTEP7中，或者还可以集成到SCOUT配置系统（用于SIMOTION）中。不管如何使用，它的基本功能和操作都不变。该任务要求使用STARTER软件对G120变频器进行基本调试。使用STARTER软件完成USB电缆与变频器的通讯连接，在线/离线创建项目，快速调试，使用软件中的controlpanel控制变频器的启停和转速。所需设备：

G120变频器、G120控制单元、安装有STARTER软件的计算机、USB编程电缆、开关、三相异步电动机。所需工具和材料万用表、螺丝刀、拔线钳、扳手、电线。任务要求（1） 完成变频器主回路接线；（2） STARTER软件的安装；（3） STARTER软件的USB通讯设置；（4） 用STARTER软件创建一个新项目；（5） 使用STARTER软件快速调试变频器；（6） 设置基本参数；（7） 电机辨识优化；（8） 用STARTER软件控制变频器。安全要求（1） 送电前检查变频器输入侧无对地短路现象；（2） 送电前检查变频器输出侧无对地短路现象；（3） 检查电动机无短路、断路、接地现象且三相电阻平衡；（4） 检测控制回路按照控制要求接线准确无误；（5） 保证接线正确牢固；（6） 送电后检查面板显示是否正常；（7） 主回路接线时要在变频器停电5分钟后进行，防止触电事故。使用STARTER软件调试任务分析：根据任务要求，要完成使用STARTER软件对G120变频器进行基本调试，要熟悉STARTER软件，熟悉STARTER软件的安装及界面。一、STARTER软件的安装

STRTER软件可以在西门子的官方,STARTER软件可以单独安装，也可以与特定版本的STEP7软件安装到同一台计算机上，建议安装STARTER软件前先安装与之兼容的STEP7软件。兼容性也可以到上述网址查询。STARTER软件的安装需要注意以下几个问题：（1）安装前根据自己的操作系统选择STARTER的版本，如果要安装最新版STARTER软件最好选择Windows1064位操作系统；（2）安装前先安装与所安装版本兼容的STEP7软件；（3）将西门子官方网站下载的STARTER软件所有的安装包解压到同一个文件夹下，压缩包的解压路径不能有中文；（4）安装前最好能重启计算机；（5）安装时建议关闭其他程序，包括杀毒软件、其他西门子软件等；（6）安装路径不能有中文；（7）如果已经安装了STARTER软件以及其中一部分SSP,也可以单独安装其他的安装包。二、STARTER软件的界面二、STARTER软件的界面使用STARTER软件调试任务实施：

要完成任务，首先要进行硬件的接线，连接装有STARTER软件的PC与G120变频器，新建一个项目，基本参数的设置，最后使用controlpannel面板进行变频器的运行。一、硬件接线

二、通讯设置

在实现STARTER软件与变频器通讯前需要首先做好以下准备工作：将传动系统接好线，并将变频器送电；所使用的编程PC已经安装好STARTER软件；通过USB电缆连接PC和变频器。二、通讯设置

三、创建项目

在使用STARTER软件调试G120之前，需要先创建项目。项目创建的方法有四种：使用菜单离线创建、使用向导离线创建、使用向导在线创建上传创建。四、使用STARTER软件快速调试变频器

在STARTER软件中已经创建好项目，且与变频器联机并进入在线模式后，通常对一台新的变频器要进行三个步骤的调试我们主要介绍使用软件进行参数复位和快速调试。参数复位

初次使用G120变频器，在调试过程中出现异常或已经使用过需要再重新调试。需要将变频器恢复到出厂设置。快速调试在变频器第一次通电或者变频器参数与所控制电动机不适合时，需要对变频器进行闭环矢量控制或者时V/f控制，必须进行快速调试及电机参数识别操作。完成了快速调试，也就完成了电机-变频器的基本调试；您必须在调试开始之前拥有以下数据，或者已经把它们输入到了变频器：输入进线电源频率输入电动机铭牌数据命令/设定值来源最小频率/最大频率及上升斜坡/下降斜坡时间闭环控制方式电机参数识别。五、调试运行电机数据静态识别后，可以利用Controlpanel对变频器进行启动、设定值给定、和反向控制。记录以下下变频器和电动机的运行数据。G120变频器本地/远程控制的装调学习情境4

变频器的运行调试G120变频器本地/远程控制的装调任务概述：在某些应用中，变频器需要由不同的上级控制器操作。SINAMICSG120变频器支持多个命令参数组(CDS)的切换功能，通过该功能可实现多种不同控制方式的切换，为客户在实际的应用过程中提供了更灵活的选择。所需设备：

G120变频器、G120控制单元、安装有STARTER软件的计算机、USB编程电缆、开关、三相异步电动机、操