施耐德电气变频器软起动器电路设计宝典Word格式.docx
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风机类负载（或二次方负载）恒转矩类负载恒功率类负载适用于变频器
根据负载起动难易程度
标准负载（10级标准应用）重型负载（20级重载应用）适用于软起动器
空载起动轻载起动
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常见负载转矩特性：
负载转矩—转速关系
恒转矩负载
位能性，方向总是不变，与运动方向无关，如起吊的重物函数关系：
TL=f（n）=C反抗性，方向总是与运动方向相反，如传送带函数关系：
TL=f（n）=±
C
位能性恒转矩反抗性恒转矩
风机类负载
转矩与转速的二次方成正比函数关系：
TL=f（n）=T0+kn2典型负载：
离心泵、风机
恒功率负载
转矩与转速成反比关系函数关系：
TL=f（n）=k/n常见负载类型：
绕线机、卷板机
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调速方式与负载类型的配合
风机类负载配变转矩调速、恒转矩负载配恒转矩调速、恒功率负载配恒功率调速方式
任何转速下都能满足Te=TL，Pe=PL电动机既能满足生产的需要，本身又得到充分利用是最恰当的配合方式ATV61/21适用于风机类（离心类）负载ATV71适用于恒转矩、恒功率负载
恒转矩负载配变转矩调速、风机类负载配恒转矩调速
恒转矩负载起动转矩要求很高变转矩调速提供的起动转矩很小风机类负载转矩与转速二次方成正比恒转矩调速在转速降低时，输出转矩可以维持不变造成电机容量的浪费
风机类负载配恒功率调速方式
恒功率调速在低速时，输出转矩增大与风机特性不匹配造成电机容量的浪费
SchneiderElectric-Division-Name–Date7
负载类型—标准负载与重型负载
标准负载
对应电机工作负荷S1，从冷态下以4In起动不超过23秒或以3In起动不超过46秒对应电机工作负荷S4，即循环工作类负载，若负载系数为50%，每小时起动10次，以3In起动不超过23秒或4In不超过12秒电机热保护符合10级保护等级典型：
离心泵判断负载是标准型还是重型，取决于每次起动的困难程度以及起动的频繁程度。
负载类型参见《ATS48产品目录》第9页，组合表已经列出了标准或重载的组合直接根据选型表选型即可。
重型负载
对应电机工作负荷S4，从冷态下以4In起动不超过48秒或以3In起动不超过90秒对应电机工作负荷S4，即循环工作类负载，若负载系数为50%，每小时起动5次，以4In起动持续23秒电机热保护符合20级保护等级典型：
研磨机、大功率风机
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电机热保护曲线：
IEC60947-4-2
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设计要素——起动过程
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设计要素—起动过程
空载起动
起动过程中不带载典型工况
水泵空转传送带上没有物料搅拌机中没有物料
轻载起动
起动过程中带少量负荷典型工况
水泵进口阀门未完全关闭传送带上有少量物料搅拌机中有少量物料
与负载类型无关
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设计要素—负荷分级
一级负荷
中断供电会造成人身伤亡、重大政治影响、重大经济损失公共场所秩序严重混乱一级负荷中特别重要的负荷需由两路独立电源供电，当一路电源故障时，另一路不应同时受到破坏
二级负荷
中断供电将造成较大政治影响、较大经济损失公共场所秩序比较混乱电力变压器或线路发生常见故障，不致中断供电或中断后能及时恢复两回路供电、自备柴油发电机、双电源自动切换
三级负荷
不属于一级、二级负荷的负荷中断供电不会有什么影响
SchneiderElectric-Division-Name–Date12
设计要素小结
起动过程不带负载
起动过程中带少量载荷
负荷分级
一级、二级、三级负荷
SchneiderElectric-Division-Name–Date13
应用分类、负载分类、负荷分类
变频器、软起动器基本原理
变频器基本原理软起动器基本原理变频器、软起动器的区别
变频器、软起动器选件功能说明变频器、软起动器一次图常见错误设计变频器、软起动器二次图常见错误设计变频器、软起动器招标技术规范书注意事项变频器、软起动器、电机管理控制器典型应用图集变频器、软起动器特殊应用方案变频器、软起动器工程应用方案
SchneiderElectric-Division-Name–Date14
脉宽调制变频—SPWM（sinusoidalpuslewitdhmodulation）
变频器的理论基础为“面积等效原理”：
冲量（窄脉冲面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上，其效果基本相同将正弦波看成是n个彼此相连的脉冲波用n个等高不等宽的脉冲序列代替正弦波脉冲宽度按正弦规律变化根据“面积等效原理”，SPWM波形与正弦波作用在电动机上等效目前应用最为广泛的一种脉冲调制技术
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变频器电路结构及注意事项
整流环节利用二极管（或晶闸管）将交流整流为直流电容稳压储能，并向电机提供无功功率6个逆变管将直流电压逆变为一系列电压脉冲制动环节用于释放电机制动能量变频器主回路供电瞬间会有冲击电流变频器输入侧一定会向电网注入谐波变频器输出一定会产生过电压变频器一定会产生电磁干扰思考题：
变频器待机状态下是否会向电网注入谐波电流，为什么？
SchneiderElectric-Division-Name–Date16
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电子式软起动器基本原理
通过“削波降压”来减小起动电压和电流主回路一般由6个反并联晶闸管构成通过控制触发角α实现移相，输出电压逐渐增加电动机端电压缓慢连续增加，其转速平滑上升至额定转速根据技术实现方式的不同，可分为：
电压型传统软起动器电流型传统软起动器转矩控制型软起动器
技术实现方式不同，性能差别很大思考题：
软起动器待机状态下，是否会产生谐波电流，为什么？
为什么说软起动器的原理和主电路结构决定了其不可能加制动单元和制动电阻器这样的选件？
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软起动器应用注意事项
电子式软起动器本质上是一种无级降压起动装置
减小起动电压和电流实现对负载的平滑起动牺牲起动转矩，Ts=0.2~0.4Tn电压型和电流型软起动器起动性能较差转矩控制型软起动器加速转矩可以为恒值，软起、软停性能优越
ATS48是一款典型的TCS软起动器
采用了转矩控制技术（TCS）软起、软停性能优越，有效消除起动冲击和水锤效应提供了基于电流检测的很多保护可靠性高，寿命长，旁路运行可长达20年出线电机电缆和旁路接线必须分开接
电流互感器
旁路后电流
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设计要素变频器、软起动器基本原理变频器、软起动器选件功能说明变频器选件
主回路接触器线路电抗器直流电抗器无源滤波器EMC滤波器电机电抗器正弦滤波器其它选件，如通讯卡
软起动器选件
进线接触器和旁路接触器快速熔断器进线电抗器通讯模块
SchneiderElectric-Division-Name–Date20
变频器选件—主回路接触器
为提高安全性而设置
正常情况下闭合故障时受控断开，形成一个物理断点
KM1
用法非常重要
禁止正常起停操作通断此接触器受变频器故障触点控制
ATV61/21主回路接触器建议放在出线侧
用于驱动离心风机、离心泵离心风机、离心泵属于简单机械
ATV71主回路接触器应放在出线侧
用于驱动复杂机械用于罗茨风机等简单机械时建议放在出线侧
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变频器选件—进线侧谐波电流抑制选件
变频器输入侧产生谐波电流的原因
整流器件为二极管或晶闸管储能电容加大了电流的不连续性
谐波电流的危害
产生谐波损耗，使发、变电设备和电机发热严重，效率降低加速电气设备的老化，缩短电气设备的使用寿命产生电磁干扰，影响通讯系统影响设备（如电机、继电保护、自动装置、检测装置等）的正常工作容易引起串联或并联谐振，放大谐波，产生危险地过电压和过电流3次谐波会汇集到中性点，使中性点偏移，容易引起火灾IEC标准要求单台变频器回路的THDI≤48%
变频器输入侧抑制谐波电流的选件
直流电抗器线路电抗器无源滤波器
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电抗器抑制谐波电流的工作原理
电抗器可抑制电流的变化，使电流波形变得比较平滑其感抗值为ωL，与电流频率有关电流频率越高，感抗值越大，阻碍电流变化的能力越强感抗值越大，电抗器上的压降越大压降过大会影响电机电磁转矩的输出电抗率一般为3—5%，40%＜THDI＜48%抑制谐波的能力较小，效果较差
直流电抗器PA/+PO限流电阻电网线路电抗器
UVW
采用电抗器输入电流波形
ithdi
PC/-
线路电抗器
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电抗器的功能小结
直流电抗器
抑制谐波电流，能力较弱提高变频器输入侧功率因数，一般可到0.9
抑制谐波电流，能力较弱提高变频器输入侧功率因数，一般可到0.85减小电网电压波动对变频器的影响减小三相不平衡对变频器的影响减小传导性干扰减小低阻抗供电时对变压器的影响
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无源滤波器吸收谐波原理
电容容抗为1/ωC，电流频率越高，越容易通过电容利用电容器和电抗器与频率有关的特性，合理设计电路结构和参数使得滤波器对特定频率的谐波电流呈低阻抗特定次数的谐波电流在无源滤波器—变频器之间形成通路从电网侧看，特定次数的谐波电流将大量流入无源滤波器取得很好地谐波电流吸收效果（≤16%或10%）配合直流电抗器，将谐波电流抑制到10%或5%以下
无源滤波器
采用无源滤波器输入电流波形
ithd
i
无源滤波器吸收谐波电流
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施耐德电气变频器谐波电流抑制选件
ATV61/71
线路电抗器线路电抗器（+直流电抗器）线路电抗器有优先权，可以使用线路电抗器而不是直流电抗器无源滤波器+直流电抗器，效果最好，价格最高
ATV21
选用小容量电容储能稳压输入侧充电时间增长，电流不连续性减小谐波电流较小，THDI<
35%，满足IEC标准THDI≤35%不需要电抗器
L2直流电抗器POPA/+R1PEL1线路电抗器器L1L2L3PC/整流环节C1制动环节Q1储能环节变频器Z1无源滤波器变频器及各种功能选件电气连接原理图
SchneiderElectric-Division-Name–Date26
V1
V3
V5Lm电机电抗器
V4
V6
V2
逆变环节Z2正弦滤波器
变频器输出产生过电压原理
变频器的理论依据为“面积等效原理”输出电压波形为矩形脉冲输出回路中电流波形为正弦波变频器开关频率越低，输出电流谐波分量越大脉冲前后沿dv/dt（电压变化率）非常大电机电缆存在分布电容C和电抗值Z变频器输出过电压U=Z·
C·
dv/dt过电压以传导性方式加在电机端如果过电压过大，会击穿电机绝缘，致使电机烧毁
变频器输出电压脉冲序列及回路中电流波形
SchneiderElectric-Division-Name–Date27
变频器输出三相电压波形（40HZ）
28
电机端单相电压波形（40HZ）
29
变频器输出侧三相电流波形（40HZ）
30
电机端子三相电流波形（40HZ）
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变频器输出过电压抑制方案
变频器输出过电压U=Z·
dv/dt减小电机电缆电抗值
减小电机电缆长度增大电缆截面积不具实用性
减小分部电容
采用普通电缆，但射频干扰严重减小电机电缆长度减小电缆截面积实用性差或不具实用性
减小dv/dt
适当减小开关频率，但输出电流谐波分量增加采用电机电抗器采用正弦滤波器
SchneiderElectric-Division-Name–Date32
抑制dv/dt——电机电抗器
电抗器中通过变化的电流会产生自感电势自感电势抵消一部份过电压但过电压仍然会加到电机端过电压抑制能力相对较差电机电缆超过50米需加电机电抗器，小功率变频器更短电机电缆一般不超过300米，小功率变频器更短选用时查阅变频器产品目录
过电压过电压变频器过电压
电机电抗器实物
采用电机电抗器抑制dv/dt
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正弦滤波器——吸收变频器过电压
变频器输出电压为矩形脉冲利用电抗器产生自感电势抵消dv/dt效果较差利用电容两端电压不能突变的特性C1组电容稳压，C2组电容将过电压释放到大地矩形脉冲电压被正弦化，根本上消除了过电压可将电机电缆延长到1000米
电机电缆不能采用屏蔽电缆变频器运行频率不能大于100HZ变频器控制方式绝不能采用无传感器磁通矢量控制变频器控制方式只能采用2点或5点压/频比
UT/1变频器VT/2WT/3C1R1R2
过电压1UU过电压1UU过电压1UU
UV
WC2
正弦滤波器吸收过电压
SchneiderElectric-Division-Name–Date34
变频器EMC滤波器
变频器产生的射频干扰——传导和辐射
整流产生的高次谐波逆变产生的高频辐射
EMC包括两大方面内容：
电磁干扰（EMI），设备其向环境发送的电磁干扰强度不能影响其它设备电磁敏感度（EMS），环境中的电磁干扰在一定强度内不影响自身正常工作设备或系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中其它设备构成不能承受的电磁干扰
U
EMC电磁兼容（Electro-MagneticCompatibility）
变频器EMC滤波器类别
A类EMC滤波器，适用于工业环境B类EMC滤波器，适用于民用环境附加的EMC滤波器，适用于对电磁要求更高的环境
适用于TT和TN系统，不适用于IT系统
EMC滤波器注意事项
EMC滤波器本质是接地，会有高频电流泄露空气开关不能选漏电开关
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变频器制动能量释放
电动机三种运行状态
电动机状态，能量由电网电动机，转差率01
变频器电路中，电机反馈能量的处理方式
不做任何处理，适用于反馈功率较小的场合（如ATV21）利用制动电路，以热能形式损耗利用能量回馈单元逆变为交流，反馈回电网
拖动状态下能量的传递
制动、发电状态下能量的传递
ATV71
能量回馈单元
能量回馈单元电动机各种运行状态下能量传递方向
SchneiderElectric-Division-Name–Date36
变频器其它选件
对话工具
高级图文终端，包括中文在内6种语言ATV61/71***N4系列，功率90KW及以上标配可增加相应的选件安装到柜门
通讯卡
ATV61/71集成Modbus和CANopenATV21集成Modbus有多种通讯卡可选
CI控制卡
相当于PLC可用于ATV61/71
I/O扩展卡
逻辑I/O卡VW3A3201，扩展DI/DO扩展I/O卡VW3A3202，扩展AI/AO/DI/DO
编码器接口卡
闭环应用主要用于ATV71
多泵卡
多泵控制，主要用于恒压供水，可节省成本适用于ATV61的OEM客户，需二次开发
编码器接口卡除外，最多可同时采用两种卡
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变频器电路设计各种选件应用小结
主回路接触器
为提高安全性而设置故障时受控断开正常起停严禁控制其通断
EMC滤波器
减小电磁干扰A、B、附加的EMC滤波器
电机电抗器
抑制dv/dt，从而抑制过电压价格相对便宜，效果较差
抑制谐波电流其他功能
正弦滤波器
吸收过电压，将矩形脉冲电压“正弦化”价格相对较高，效果好应用注意事项
抑制谐波电流提高功率因数至0.9
吸收谐波电流效果好，价格较高宜同时选配直流电抗器
PEL1线路电抗器器L1L2L3PC/整流环节C1L2直流电抗器POPA/+R1
其它选件
对话工具、各种通讯卡、I/O扩展卡CI控制卡、编码器卡
制动环节Q1
储能环节
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Z1无源滤波器
变频器变频器及各种功能选件电气连接原理图
变频器ATV61/71典型应用方案原理图
L2直流电抗器POPA/+PEL1线路电抗器器L1L2L3PC/整流环节储能环节变频器Z1无源滤波器逆变环节Z2正弦滤波器C1R1制动环节Q1V1V3V5Lm电机电抗器
输入侧谐波抑制方案
进线电抗器进线电抗器+直流电抗器满足IECTHDI≤48%无源滤波器+直流电抗器THDI≤10%或5%
传导干扰辐射干扰EMIEMS
输出过电压抑制方案
电机电抗器：
抑制dv/dt正弦滤波器
吸收过电压?
正弦化输出电压
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低压变频器ATV61/71典型应用方案电路组成
EMC滤波器IO扩展卡、通讯扩展卡、多泵切换卡直流电抗器
断路器
进线电抗器或无源滤波器
接触器变频器
电机电抗器或正弦滤
升级会员 