罗克韦尔自动化变频器应用 -...

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罗克韦尔自动化

变频器应用

王卫锋

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Rockwell自动化传动业务

• 北美第一

• 全球领先


主题

• 主题：

1. 变频调速系统基础1. 变频调速系统基础

2. 变频器外围设备选用2. 变频器外围设备选用

3. 变频器安装及接线规范3. 变频器安装及接线规范

4. 罗克韦尔变频器介绍4. 罗克韦尔变频器介绍

5. 变频器常见故障处理方法5. 变频器常见故障处理方法


主题

• 主题：


• 回顾电机基础

• PWM交流变频器拓扑结构

• 控制方式及应用对象

• 变频器选择

• 电动机选择


三相异步电动机结构图三相异步电动机结构图三相异步电动机结构图

交流电动机基础

电动机机壳电动机机壳电动机机壳

转子/轴承转子转子//轴承轴承

定子绕组定子绕组定子绕组



定子定子铁芯：由互相绝缘的硅钢片叠成：由互相绝缘的硅钢片叠成

定子绕组定子绕组：三相绕组对称分布在：三相绕组对称分布在定子铁芯上定子铁芯上

机座：铸钢或铸铁机座：铸钢或铸铁

定子铁芯


交流电动机基础－定子绕组



转子转子

注：转子电路必须是闭合的

注：转子电路必须是闭合的

转子铁芯：转子铁芯：由外周有槽的硅钢片叠成由外周有槽的硅钢片叠成

绕线式绕线式

鼠笼式鼠笼式转子绕组转子绕组

转轴转轴

铁芯槽内放铜条，端部

用导电铜环将所有铜条

短接成一个回路。

或铸铝形成转子绕组。

鼠笼式转子



定子作用：定子作用：

转子作用：转子作用：

鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：

鼠笼式：鼠笼式：

结构简单、价格低廉、工作可靠、使用方便

绕线式：绕线式：

结构复杂、价格较贵、维护工作量大，适用

于要求具有较大起动转矩及一定调速范围的场合

产生旋转磁场，并从电网吸收电能。产生旋转磁场，并从电网吸收电能。

产生电磁转矩，并输出机械能。产生电磁转矩，并输出机械能。


电机铭牌的功率是在基速下取得的电机铭牌的功率是在基速下取得的

P(kWP(kW) = ) = T(NmT(Nm) *) *n(rpmn(rpm) / 9550) / 9550Torque

RPMBase Speed

100%Power

恒转距段恒转距段恒功率段恒功率段


电机铭牌的功率是在基速下取得的，

而不是在低于基速时!电机铭牌的功率是在基速下取得的，电机铭牌的功率是在基速下取得的，

而不是在低于基速时而不是在低于基速时!!



n1=60f1/PNn1=60f1(1-s)/PN

变频调速：改变电源的频率

变极调速：改变电机的极对数

改变转差率：绕线电机转子串电阻调速、

定子调压调速、串级调速、

双馈调速



磁通Φm恒定

基频以下调速

基频以上调速

磁通增大－电机负载能力降低，功率因数变坏磁通减小－电机在一定负载下有过电流危险

1 1 14.44g N mE f N k

U1N

U1

f

f1N

恒转矩调速恒功率调速


PWM交流变频器拓扑结构


正弦波脉宽调制技术

• SPWM脉宽调制

三角波

发生器

调制

发生器SPWM电压输出波形

输出电流波形


正弦波脉宽调制技术

PWM波形实际上就是一组方波直流电压。

它直接应用于电动机上。

产生频率和电压可变的三相交流波形


V/Hz控制方式

斜坡函数发生器 V/Hz模式形成控制脉冲发生器

压频比控制是简单的开环控制压频比控制是简单的开环控制

M


如果我们能够分离并且调整如果我们能够分离并且调整电流电流, , 电机产生力矩的电机产生力矩的

元素，元素，而不仅仅是电机速度。而不仅仅是电机速度。

Current Regulation allows Torque ControlCurrent Regulation allows Torque ControlCurrent Regulation allows Torque Control

这是矢量控制的前提条件！这是矢量控制的前提条件！

矢量控制


•• Motor Magnetizing CurrentMotor Magnetizing Current--电机磁通电流电机磁通电流

•• Motor Full Load AmpsMotor Full Load Amps--电机额定电流电机额定电流

•• Motor VoltageMotor Voltage--电机额定电压电机额定电压

•• Motor Base FrequencyMotor Base Frequency--电机额定频率电机额定频率

•• Motor Base (Slip) RPMMotor Base (Slip) RPM--电机额定转速电机额定转速

•• Motor HorsepowerMotor Horsepower--电机额定功率电机额定功率

Correct Motor Data is the most important factor for successCorrect Motor Data is the most important factor for successCorrect Motor Data is the most important factor for success

矢量变频器－电动机模型建立

变频器基于一下参数建立电机模型变频器基于一下参数建立电机模型 ““Motor ModelMotor Model””


PowerFlex变频器的控制方式

电压/频率控制Volts/Hertz Control

(V/Hz)

电压/频率控制Volts/Hertz Control

(V/Hz)

无速度传感器矢量控制Sensorless Vector Control

(SVC)


(SVC)

磁通矢量控制Flux Vector Control

(FVC)


(FVC)

磁场定向控制Field Oriented Control

磁场定向控制Field Oriented Control


(SVC)


(SVC)


(FVC)


(FVC)


Flux Vector Drives act very much like DC DrivesFlux Vector Drives act very much like DC Drives

Field Weakening occurs whenever we exceed Motor Base RPM Field WeakeningField Weakening occurs whenever we exceed Motor Base RPM occurs whenever we exceed Motor Base RPM

Magnetizing Current is decreased above Motor Base RPMMagnetizing Current is decreased above Motor Base RPMMagnetizing Current is decreased above Motor Base RPM

AC Drive Basics - Vector Operation

Torque Current

Magnetizing Current

100%

90

Torque Current

Magnetizing Current

100%

9090


Key Points of UnderstandingKey Points of Understanding

Motor information, measured or programmed is key to successMotor information, measured or programmed is key to successMotor information, measured or programmed is key to success

•• Errors in Encoder Feedback affect the MicroErrors in Encoder Feedback affect the Micro--ProcessorProcessor•• Speed instability will occur Speed instability will occur

•• Encoder Feedback Signals must be NOISE FREEEncoder Feedback Signals must be NOISE FREE•• Select an appropriate encoder for Vector Motor useSelect an appropriate encoder for Vector Motor use•• Proper grounding is very importantProper grounding is very important

•• Motor Data programmed in the drive must be accurateMotor Data programmed in the drive must be accurate

AC Drive Basics - Summary


SVC with SVC with V/Hz Core TechnologyV/Hz Core Technology

V/Hz Core SVC Drives can operate multiple motorsV/Hz Core SVC Drives can operate multiple motorsV/Hz Core SVC Drives can operate multiple motors

•• Use sophisticated Use sophisticated ““Current LimitingCurrent Limiting”” algorithms to algorithms to improve constant torque & starting torque operationimprove constant torque & starting torque operation

•• Typically needs less motor information for setup adding Typically needs less motor information for setup adding some simplicitysome simplicity

•• Can operate multiple motors from one driveCan operate multiple motors from one drive

•• ONLY regulates V/Hz output, clamps CURRENTONLY regulates V/Hz output, clamps CURRENT

•• Can only operate as a Speed Regulator, NOT TORQUECan only operate as a Speed Regulator, NOT TORQUE

AC Drive Basics - Sensorless Vector Operation


矢量控制的应用要点

• (1) 应用矢量控制的注意点

• 由于矢量控制必须根据电动机的参数进行一系列的演算，因此，其使用范围受限制。

• (a) 电动机的容量

• 电动机的容量应尽可能与变频器说明书中标明的“配用电动机容量”相符，最多低一

个档次。

• 例如，变频器的“配用电动机容量”为45kW，电动机的下一档容量为37kW。则该变频

器只能在配接45kW或37kW的电动机时，矢量控制功能是有效的。

• (b) 电动机的磁极数

• 以2p=4(4极电动机)为最佳，要注意说明书中对磁极数的规定。

• (c) 电动机的型号

• 以变频调速专用电动机为最佳，一般的通用电动机也都可用。但特殊电动机(如高转

差电动机等)则不能用。

• (d) 电动机的台数

• 矢量控制只适用于一台变频器控制一台电动机的场合。

矢量控制功能


• (2) 速度控制的PID功能

• 有反馈矢量控制模式时，变频器为转速反馈的系统专门配置了PID调节系统。以利于在调

节转速的过程中，或者拖动系统发生扰动(负载突然加重或减轻)时，能够使控制系统既反映

迅速，又运行稳定。

• 因此，在矢量型变频器中，有两套PID调节功能:

• (a) 用于速度闭环控制的PID调节功能;

• (b) 用于系统控制(例如供水系统的恒压控制等)的PID调节功能。

• 两种PID调节功能中，P(比例增益)、I(积分时间)、D(微分时间)的作用对象不

同，但原理是相同的。

• 矢量控制的主要优点

• ·低频转矩大

• 即使运行在1Hz(或0Hz)时, 也能产生足够大的转矩,且不会产生在V/F控制方式中容易遇

到的磁路饱和现象。

• ·机械特性好

• 在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特性基本上都是平行的。

• ·动态响应好

• 尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间一般都能小于100ms。

• ·控制精度高。

矢量控制功能


变频器容量选择

• 影响变频器选型的因素

a、电机负载类型

b、电动机额定电流

c、过载要求

d、电机电缆长度

e、海拔

f、环境条件


电动机选择

• 图常见的传动机构

a）连轴器 b）带轮 c）齿轮 d）减速箱 e）螺杆与螺母


电动机选择

• 常规选择：

4极，同步转速1500r/min，f＝50Hz

配置减速机构与工艺要求相符。（调速上限 < 同步转速为宜）

开环u/f调速范围：150～1470 r/min

SVC调速范围：60~1500r/min

FVC/FOC调速范围：5~1500r/min

• 选用四极配制减速机构困难－2P,6P,8P,10P等


电动机选择

图电动机和负载的工作点


电动机选择

• 平方转矩负载

转速降－转矩降－热量降选用普通笼型电机，建议不可在40%同步速

下长期运行

恒转矩负载

满载长期运行60%以上同步速,普通笼型电机

满载长期运行25%~60%同步速,变频电机


Some motor frames are sized so that just the surface area is suitable to dissipate motor heat w/o the need

of a fan or blower

Some motor frames are sized so Some motor frames are sized so that just the surface area is suitable that just the surface area is suitable to dissipate motor heat w/o the need to dissipate motor heat w/o the need

of a fan or blowerof a fan or blower

Blowers may be added to motors to allow operation at low speed including “0” RPM with 100% Torque continuous

Blowers may be added to Blowers may be added to motors to allow operation at motors to allow operation at low speed including low speed including ““00”” RPM RPM with 100% Torque continuouswith 100% Torque continuous

AC Motor Basics - Inverter Duty


主题

• 主题：



• 正确选择变频器外围设备主要是为了以下几个目的：

– 保证变频器驱动系统能够正常工作；

– 提供对变频器和电机的保护；

– 减少对其他设备的影响。


主题

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安装环境要求－安装场所

• 1、电气室应湿汽少、无水浸

• 2、无爆炸性、燃烧性或腐蚀性气体和液体，粉尘少

• 3、维修检查容易进行

• 4、应备有通风口或换气装置以排出变频器产生的热量


安装环境要求－使用条件

• 1、变频器运行温度：0~40℃，注意柜体通风

• 2、周围湿度90%以下

• 3、变频器周围不应有腐蚀性、爆炸性或燃烧性气体以及粉尘和油雾。

• 4、变频器的振动问题。

• 5、变频器的海拔高度多规定在1000ｍ以下，高海拔地区应考虑绝缘、温

升、降容使用等


变频器接线一般规范

• 变频器典型接线示意图


变频器接线

• 1、进出线要正确

• 2、控制回路接线要远离主回路

• 3、AI/AO模拟量要屏蔽

• 4、接地要良好

• 5、雷区要有防护措施


主题

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5. 变频器常见故障处理方法5. 变频器常见故障处理方法

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