变频器教材.docx
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变频器教材
上海石化公用事业公司
变频器教材
一．变频器定义3
二．变频器应用及显著优点3
三.变频器在上海石化公用事业公司分布表3
四.变频器原理简述：
4
五.变频器在上海石化企业的典型应用9
六：
几种常见工况介绍：
13
七．变频器参数设置。
15
一．变频器定义
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
二．变频器应用及显著优点
随着大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术已日趋完善。
变频调速具有较高的控制精度及较宽的调速范围，也易于实现自动控制和远程控制。
变频器在石化企业中一般应用在风机、泵、挤压机、搅拌机、传送带等传动领域。
在石化企业中最显著的优点：
1.节能：
石化企业是高能耗企业，上海能源规划局每年都会给出节能降耗指标，“十二.五”节能指标更为严峻。
以风机为例，某工况下工频的风机风量偏大，假设依靠风门角度来减小风量，那么大量的风力外泻造成能源浪费，而使用变频就能准确控制到所需要的风量。
根据流体力学原理，风机的风量与转速度成正比，风机的轴功率与转速成立方比，也就是说风机转速提高一倍，风的阻力就成立方比，需要做8倍的功才能把风速提高一倍。
那么风机的速度降1/2，电动机输出功率就要降低到原来的1/8功率。
比如在工频下的电机输出功率假设80KW，风速需要降低一半时，使用变频器只需要10KW，节电70KW。
2.远程控制：
工艺需要控制风力、流量、扬程等，需要外出操作挡板和阀门而且很难准确控制。
而使用变频器可以在中央控制室内通过对仪表4~20ma模拟量的调节设定就可以远程控制变频器的输出频率，达到需要的交流电动机转速。
这也是工艺人员喜欢变频器的最直接的原因。
三.变频器在上海石化公用事业公司分布表
变
频
器
清
册
制造厂
一站
二站
三站
四站
五站
制造厂统计数量
ABB
20
23
13
7
63
丹佛斯
38
27
65
西门子
1
5
30
36
富士
15
6
5
4
30
施耐德
16
16
日本安川
11
1
12
AB
9
9
东芝
6
6
SANKEN
4
4
爱默生
1
1
深圳英威腾
1
1
部门统计数量
79
81
34
48
1
总计
243
统计截止日期：
2010.11.8
四.变频器原理简述：
异步电动机的转速n=60f/p,
n—转速
f—频率
p—电动机的磁极对数
对异步电动机来说极对数是恒定的，只要改变其供电电源的频率，即可改变电动机的转速，达到调速的目的。
但是由于电动机定子绕组的感应电动势E：
E=4.44kN∮f
k-电动机定子绕组系数
N-定子每相绕组的匝数
∮-每极的主磁通
f与E成正比,所以变频器在变频同时电动机定子电压U也成正比变化（E减去定子绕组压降等于U），所以变频器通称为变压变频VVVF装置（VariableVoltageVariableFrequency）。
随着电力电子和计算机控制技术的发展，现阶段的变频器都采用了数字控制，而晶闸管变压变频装置已逐步让位给全控型电力电子器件的SPWM变频器（只有兆伏安级别的变频器还留有晶闸管的一席之地，IGBT受开关器件额定电压和电流限制）。
目前由IGBT组成的SPWM通用变频器占了市场0.5~500KVA小、中容量的绝大部分。
图中主电路由不可控整流器UR、SPWM逆变器UI和滤波器C组成。
1.不可控整流器简介：
不可控整流器由二极管全波整流电路构成，电路结构如下图所示：
由于二极管是不可控器件（晶闸管有导通角控制称为可控），整流桥的输出电压不具有可调性，输出直流电压Ud=1.35Uuv（Uuv为交流线电压）。
所以直流输出电压Ud=1.35*380=514伏。
Ud是直流等效值，其波形是脉动较大的直流电压也就是我们通常说的纹波。
虚线以上的波动就是脉动幅度，三相全波整流波形的脉动幅度为71V。
所以在整流器后面要并联电容进行滤波平滑，这样输出的直流电压脉动就很小了。
2.直流中间回路简介：
直流纹波较大会影响逆变器输出的交流电压或电流，使输出交流电也会产生纹波。
因此直流中间回路通过大容量的电容对整流器的输出电压进行滤波，把直流纹波平滑，以减少直流电压电压或电流的波动。
因此直流中间回路也成为滤波电路。
由于大容量的电解电容在电源接通时会产生很大的浪涌电流（对电容进行充电的充电电流），有可能会烧坏二极管，所以通常采取以下几种方法：
1）在整流器的输入端加交流电抗器
交流电抗器的另一作用：
由于大电容的存在，交流电压峰值超过电容电压时，整流电路才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流立即中止，因此输入电流呈脉冲波形，这样的波形有较大的谐波分量，使电网电源受污染。
所以为了抑制谐波电流，对较大容量的SPWM变频器都应在输入端加进线电抗器。
2）在整流器的输出端加直流电抗器（现阶段产品都内置直流电抗器）。
3）在整流器的输出端串联由电阻和开关器件并联的充电电阻。
逆变器结构图及P21图。
为了便于理解逆变器工作原理，下面介绍正弦脉宽调制SPWM原理：
3.SPWM（正弦脉宽调制）逆变器是将直流电压逆变成可调控的变频变压交流电源。
逆变器原理介绍：
逆变是将直流转变为交流。
用IGBT（绝缘栅双极晶体管）功率开关元件组成脉宽调制逆变器，
通过控制逆变器开关元件的通断时间，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈现两边窄中间宽的一系列不等宽的矩形方波。
按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效，所以这些矩形波就等效成正弦波。
这些矩形波要经过滤波电容，才能输出正弦波。
在单相逆变器的基础上移相120°、240°，即可得到三相正弦波。
上面所说的还只是逆变输出的正弦波的原理，下面介绍如何控制频率、电压的大小：
脉宽调制方法是利用正弦波作为基准，称为正弦调制波或信号波Ur,受其调制的信号称为载波，在SPWM中常用三角波作为载波Ut。
当信号波与载波相交时由其交点确定逆变器开关通断时刻。
当信号波Ur瞬时值大于载波Ut时，相应的开关器件导通，输出正的脉冲电压，反之，开关器件关断，输出电压为零。
改变信号波Ur的频率时，输出的电压波频率也随之改变，也就是变频。
降低信号波的幅值，各段脉冲的宽度都将变窄，从而使输出电压波的幅值相应减小，也就是变压。
假如信号波频率不变，提高三角载波的频率，可使一个周期里信号波与三角波的交点增多，也使一个周期里的脉冲数增多，使输出波形更接近于正弦波。
下图就是三角波载波频率ft逐渐增大后的输出正弦波比较。
IGBT的开关频率可达10KHZ，所以输出的波形已经非常逼近正弦波。
五.变频器在上海石化企业的典型应用
上海石化企业对通用变频器的要求：
1.能通过对变频器远程控制对电动机进行调速。
2.能在变频器故障情况下自动（不建议采用自动）或者手动切换至工频，使电动机继续运行保证生产装置正常生产（有的电动机只能在特定的频率下运行，如挤出机改变了特定频率出来的产品就会变形成为废品）。
3.部分变频器因工艺需求设有仪表联锁对变频器进行开/停控制。
4.需要电气给出变频运行及旁路运行信号。
下图为变频器在上海石化企业应用比较典型的一次接线图和二次原理图：
截取上图左半侧，简单介绍变频器主回路图。
L1、L2、L3、N：
进线电源A相、B相、C相和零线N。
QF：
主回路空气开关。
作用：
停送电通断电源、短路保护。
KM2：
接触器。
作用：
旁路通断电动机电源，由现场开闭器控制或二次控制回路自动控制。
TA1、TA2、TA3旁路电流互感器，将模拟量传送至电机保护器。
TA4接旁路电流表。
QL1：
主回路变频器电源侧熔断器，短路保护、变频器过载后备保护，检修明显隔离点，试验通断电源。
输入电抗：
因为变频器直流回路有电容滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时造成很大的谐波干扰，所以较大容量的变频器需要安装输入电抗。
此电抗一般是可选件（根据制造厂使用手册选择）。
输出电抗：
变频器输出电磁干扰、脉冲电流、还有输出电缆超长都可以考虑安装输出电抗器，此电抗一般是可选件（根据制造厂使用手册选择）。
KM1：
变频器输出接触器，二次控制熔丝放上即吸合，在变频器故障时断开与旁路联锁。
QL2：
主回路变频器负荷侧熔断器，电动机过载、短路保护，检修明显隔离点，试验时断开起到与电动机隔离作用。
启动信号输入：
变频器远程控制起动接点，此接点导通，变频器起动；此接点断开，变频器停止运行。
现场通过开闭器分/断来控制某中间继电器，通过该中间继电器常开接点来远动控制变频器起动、停止。
调速信号输入：
调速信号4~20ma,是由仪表控制，4ma代表0HZ，20ma代表50HZ，8Mma代表25HZ，成正比关系。
另一种调速信号采用0~10V。
一般我们企业都用4~20ma恒流源信号调速，恒流源对电缆回路接触不良无影响，而0~10V恒压源对电缆回路接触不良会引起电压降，明显影响控制精度。
变频器正常/故障接点输出：
变频器上电后，通过自身自检正常后输出正常输出信号，此时代表变频器可以起动，反之闭锁。
运行中发生故障，故障接点输出参与电气联锁。
变频器自身带有风机，一般在功率模块（整流/逆变模块）、通风通道中安装。
变频器低压柜中也要安装风机以便将变频器热量散走（变频器一般热损耗是其功率的3%）。
电机保护器：
接模拟量及开关量输入，有输出跳闸出口，有故障记录等。
截取右侧二次原理图：
六：
几种常见工况介绍：
1.正常开/停车：
放上二次控制熔丝FU，合上一次回路熔丝QL1、QL2，合上空气开关QF，将转换开关SA放变频位置。
仪表调速信号4~20ma给定。
工艺条件具备后仪表允许开车接点RL闭合。
由装置操作工在现场开闭器按开机按钮SB，变频器起动，电动机起动。
读图顺序：
开机：
a）看箭头1回路：
回路中在放上二次控制熔丝，转换开关SA放变频位置后，接触器KM1线圈得电。
变频器一次回路中输出接触器常开接点KM1闭合。
b）看箭头2回路：
按下SB，合闸回路导通，KAI线圈得电并回路自保。
c）看箭头3回路：
KAI常开接点闭合，回路导通，KA3线圈得电，输出接点KA3去变频器本体，变频器得到KA3起动命令起动，变频器运行灯亮。
d）传送给仪表的变频运行信号：
QF常开辅助接点与KA3起动信号需要串联，闭合输出。
停机：
按下SB按钮，合闸回路断路，KA1线圈失电释放，KA3线圈失电释放，变频器起动信号KA3断开，变频器关闭。
传送给仪表的变频停止信号由于KA3的断路，向仪表输出变频停止信号。
2．在上述变频运行中发生变频器故障引起变频器停止运行：
电动机故障（短路、缺相、过载、接地等）与变频器自身故障（整流故障、逆变故障、进线电源欠压、过压、直流母线过电压等），变频器都会输出故障接点停止运行。
a）看箭头1回路：
变频器故障，变频器内部01、02常开接点导通，KA2线圈得电并自保，变频器故障灯亮。
同时01、03常闭接点打开后导致KA3线圈失电释放，变频器起动信号断开。
b）看箭头2回路：
KA2常闭接点打开，KM1线圈失电释放导致KM1线圈失电释放，一次回路输出接触器断开（同时也为转旁路作准备，旁路运行时KM1必须要断开）
c）QF与KA3串联的运行信号因KA3断开，向仪表输出变频器停止信号。
3．上述2变频器故障后查阅菜单后发现是变频器自身故障后手动转旁路运行（若是电动机故障引起，需对电动机检修处理）。
1．电气值班人员记录故障情况，发现是变频自身故障引起，将转换开关SA由变频位置转旁路位置，此过程中，转换开关位置在箭头1回路中从“变频—停止—旁路”行程中有断开过程，所以在开闭器回路中有个断路过程，这样SB的自保断开，KAI线圈失电释放。
（否则没有断开过程电动机在转到旁路时会直接起动）。
2．变频故障黄灯HR1还是亮。
待变频器检修时再去复归。
3．通知装置操作工现场开电动机。
按下SB合闸回路通，KAI得电，看箭头2回路，KAI常开接点闭合，回路导通，KM2线圈得电，变频器一次回路中输出接触器常开接点KM2闭合，电动机工频起动。
七．变频器参数设置。
1．电动机铭牌参数都需要在变频器中设置：
额定电压、额定电流、额定功率、额定转速、额定频率。
（特殊的电动机设有最低运行频率，防止在低速下散热不良，因为普通电动机的散热分扇是安装在电动机轴上，所以速度低了风扇转速也低）。
2．设置电动机开机加速时间，在这段时间内电流是按照正比斜坡慢慢增加到想要的运行频率。
设置电动机减速时间，在这段时间内电动机是按照反比斜坡慢慢减小到停止。
3．变频器由于品牌不同，正常、故障信号在开机自检时有区别，所以二次原理图在正常、故障接线是有所不同的。
不同品牌的变频器缺省设置也有所不同，所以在安装调试中需要开放的功能也不相同，这些在项目前期、安装调试中尤其要注意的，否则就可能给运行带来潜在的隐患。
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