PLC技術(shù)與變頻器技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目教程（三菱系列）課件：通用變頻器的基本操作

任務(wù)一認(rèn)識(shí)通用變頻器任務(wù)二變頻器操作面板(PU)控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行任務(wù)三變頻器外部接線控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行任務(wù)四送料小車自動(dòng)控制【項(xiàng)目概述】電動(dòng)機(jī)是各類生產(chǎn)機(jī)械的主要?jiǎng)恿碓矗牟蛔阒幨钦{(diào)速比較困難。生產(chǎn)機(jī)械如機(jī)床、起重機(jī)等在傳動(dòng)中需要采取相應(yīng)的調(diào)速措施以滿足生產(chǎn)工藝要求。隨著大功率晶體管電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，極大地促進(jìn)了交流變頻技術(shù)的進(jìn)步。目前，交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)已成為主要的交流調(diào)速方式，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。本項(xiàng)目主要學(xué)習(xí)變頻器的基本結(jié)構(gòu)和在生產(chǎn)中的操作、接線方法。任務(wù)一認(rèn)識(shí)通用變頻器【任務(wù)目標(biāo)】(1)懂得異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理及通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理。(2)了解三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速后的機(jī)械特性。(3)了解通用變頻器在生產(chǎn)中的應(yīng)用?！救蝿?wù)分析】異步電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械設(shè)備的主要?jiǎng)恿碓?，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防科技、醫(yī)藥衛(wèi)生、家用電器等領(lǐng)域，可對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以滿足生產(chǎn)工藝的各種需要。例如，機(jī)床加工根據(jù)工件精度的不同進(jìn)行調(diào)速；電梯為了提高舒適度也需要調(diào)速；風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械為了節(jié)能，需要根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)速；生產(chǎn)過程為了提高控制要求，還必須進(jìn)行閉環(huán)速度控制等。變頻器已廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。本任務(wù)主要學(xué)習(xí)變頻器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和在生產(chǎn)中的應(yīng)用?！局R(shí)鏈接】1.異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=n0(1?-?s)?=?(1?-?s)知，通過改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率f1，可改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。由于電源頻率f1可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍寬、平滑性好，具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性，是一種理想的高性能調(diào)速手段。2.通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理變頻器是利用電力電子器件的通斷作用，將工頻交流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的交流電的電能控制裝置，如圖6-1所示。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，廣泛用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。1)通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)目前，通用變頻器大多采用交-直-交變頻變壓方式，基本構(gòu)成框圖如圖6-2所示。其工作過程是：先把三相(或單相)工頻交流電通過整流器(電路)變成直流電，又經(jīng)逆變電路把直流電逆變成頻率和電壓任意可調(diào)的交流電。其中，變頻器的核心部分是逆變電路。通用變頻器主要由主電路和控制電路組成。主電路包括整流電路、直流電路和逆變電路三部分。(1)通用變頻器的主電路。圖6-3所示為交-直-交變頻器的主電路，各部分的作用如下：①整流電路。由6只二極管構(gòu)成三相橋式整流電路，將交流電全波整流為直流電。②直流電路。由電容C1、C2、R1、R2構(gòu)成直流電路，具有濾平橋式整流后的電壓紋波，保持直流電壓平穩(wěn)的作用。為了防止剛接通電源時(shí)對(duì)電容器充電電流過大，可串入限流電阻R，當(dāng)充電電壓上升到正常值后，并聯(lián)開關(guān)S閉合，將R短接。③逆變電路。由6只絕緣柵雙極晶體管(IGBT)V1～V6和6只續(xù)流二極管VD1～VD6(在換相過程中為電流提供通路)構(gòu)成三相逆變橋式電路。晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，按一定規(guī)律輪流導(dǎo)通，將直流電逆變成三相正弦頻率和電壓都可調(diào)的交流電，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。(2)通用變頻器的控制電路。變頻器的控制電路為主電路提供控制信號(hào)，其主要任務(wù)是對(duì)逆變器開關(guān)元件進(jìn)行開關(guān)控制和提供多種保護(hù)功能。通用變頻器控制電路框圖如圖6-4所示，它主要由主控電路、鍵盤與顯示電路、控制電源與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、外接輸入/輸出控制電路等構(gòu)成。2)通用變頻器的工作原理(1)逆變的基本工作原理。將直流電變換為交流電的過程稱為逆變；完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的核心部分。電壓型逆變器的工作原理如圖6-5所示，圖中V1、V2、V3、V4為開關(guān)器件，組成單相逆變器，接到直流電源P(+)與N(-)之間，電壓為UD，R為負(fù)載。當(dāng)V1、V2與V3、V4輪流閉合和斷開時(shí)，在負(fù)載上即可得到如圖6-5(b)所示的交流電壓波形，完成由直流到交流的逆變過程。實(shí)際單相逆變電路結(jié)構(gòu)和輸出電壓波形如圖6-6所示。改變逆變器開關(guān)元件的導(dǎo)通與截止時(shí)間，就可改變輸出電壓的頻率而完成變頻。生產(chǎn)中常用的變頻器采用三相逆變電路，電路結(jié)構(gòu)如圖6-7(a)所示。在每個(gè)周期中，各逆變器開關(guān)元件的工作情況如圖6-7(b)所示，圖中陰影部分表示各逆變管的導(dǎo)通時(shí)間。下面以U、V之間的電壓為例，分析三相逆變電路的輸出線電壓。①在Δt1、Δt2時(shí)間內(nèi)，V1、V4同時(shí)導(dǎo)通，U為“+”、V為“-”，uUV為“+”，且Um?=?UD。②在Δt3時(shí)間內(nèi)，V2、V4均截止，uUV?=?0。③在Δt4、Δt5?時(shí)間內(nèi)，V2、V3同時(shí)導(dǎo)通，U為“-”、V為“+”，uUV為“-”，且Um?=?UD。④在Δt6時(shí)間內(nèi)，V1、V3均截止，uUV=0。由上述分析，可畫出U與V之間的電壓波形。同理可畫出V與W之間、W與U之間的電壓波形，如圖6-7(c)所示。從圖中可看出，三相電壓的幅值相等、相位互差2π/3?？梢?，只要按照一定的規(guī)律來控制6個(gè)逆變開關(guān)元件的導(dǎo)通和截止，就可把直流電逆變成三相交流電。因此，可在6個(gè)逆變開關(guān)元件導(dǎo)通規(guī)律不變的前提下，通過改變控制信號(hào)的頻率來調(diào)節(jié)逆變后的交流電的頻率。由于電動(dòng)機(jī)工作的自身特點(diǎn)，因此得到的交流電還不能直接用于電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，還需進(jìn)一步改進(jìn)與完善。(2)?U/f控制。U/f控制是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時(shí)改變輸出電壓的幅值，以維持電動(dòng)機(jī)磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。U/f控制是目前通用變頻器中廣泛采用的基本控制方式。三相交流異步電動(dòng)機(jī)在工作過程中，鐵芯磁通接近飽和狀態(tài)，使得鐵芯材料得到充分利用。在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的阻抗將隨之變化，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過強(qiáng)的情況。在勵(lì)磁不足時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低；而勵(lì)磁過強(qiáng)時(shí)，又會(huì)使鐵芯中的磁通處于飽和狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的鐵耗，降低其效率和功率因數(shù)，并易使電動(dòng)機(jī)溫升過高。因此在改變頻率進(jìn)行調(diào)速時(shí)，必須采取措施保持磁通恒定并為額定值。由異步電動(dòng)機(jī)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值E?=?4.44kf1N1Φm，得式中，k為定子繞組的繞組系數(shù)；N1為每相定子繞組的匝數(shù)；f1為定子電源的頻率，單位為Hz；Φm為鐵芯中每極磁通的最大值，單位為Wb；U為電源電壓。從上式可以看出，要使電動(dòng)機(jī)的磁通在整個(gè)調(diào)速過程中保持不變，只要在改變電源頻率f1的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的電源電壓U，使其滿足U/f為常數(shù)即可。采用這種控制方式的變頻器稱為U/f控制變頻器。采用U/f控制的調(diào)速系統(tǒng)在工作頻率較低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將下降。為了改善低頻時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，一般采用補(bǔ)償電源電壓的方法，即低頻時(shí)適當(dāng)提升電壓U來補(bǔ)償定子阻抗上的壓降，以保證電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)域運(yùn)行時(shí)仍能得到較大的輸出轉(zhuǎn)矩，這種補(bǔ)償功能稱為變頻器的轉(zhuǎn)矩提升功能。通用型變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電調(diào)速，一般要求兼有調(diào)壓和調(diào)頻功能，通常將這種變頻器稱為變頻變壓(VVVF)型變頻器。(3)脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)。目前實(shí)現(xiàn)變頻器變頻變壓功能應(yīng)用較廣泛的方法是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，簡(jiǎn)稱PWM技術(shù)。PWM技術(shù)是指在保持整流得到的直流電壓大小不變的條件下，在改變輸出頻率的同時(shí)，通過改變輸出脈沖的寬度(或用占空比表示)，達(dá)到改變等效輸出電壓的一種方法。PWM的輸出電壓基本波形如圖6-8所示。在半個(gè)周期(簡(jiǎn)稱半周)內(nèi)，輸出電壓平均值的大小由半周中輸出脈沖的總寬度決定。在半周中保持脈沖個(gè)數(shù)不變而改變脈沖寬度，可改變半周內(nèi)輸出電壓的平均值，從而達(dá)到改變輸出電壓有效值的目的。PWM輸出電壓的波形是非正弦波的，用于驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)性能較差。如果使整個(gè)半周內(nèi)脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，即使脈沖寬度先逐步增大，然后逐漸減小，則輸出電壓也會(huì)按正弦規(guī)律變化。這就是目前變頻器中應(yīng)用最多的正弦PWM法，簡(jiǎn)稱SPWM。如圖6-9所示，在每半個(gè)周期內(nèi)輸出若干個(gè)寬度不同的矩形脈沖波，每個(gè)矩形波的面積近似對(duì)應(yīng)于正弦波各相應(yīng)波形下的面積，則輸出電壓可近似認(rèn)為與正弦波的等效。如將一個(gè)正弦波的正半周劃分為若干等份，每一等份正弦波下的面積可用一個(gè)與該面積近似相等的矩形脈沖來代替，則這若干個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖的面積之和與正弦波所包圍的面積等效。3)三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速后的機(jī)械特性(1)在基頻f1N以下調(diào)速。在基頻f1N(一般為電動(dòng)機(jī)的額定頻率)以下調(diào)速時(shí)，采用的是U/f恒定控制方式。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性基本上是平行下移的，如圖6-10所示。由圖可看出，在頻率較低時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩將減小(此時(shí)定子阻抗上的壓降不能忽略，電動(dòng)機(jī)主磁通有較大削弱)，采用轉(zhuǎn)矩提升后的特性曲線如圖中的虛線所示。由于采用U/f恒定控制時(shí)電動(dòng)機(jī)主磁通基本恒定，因此在基頻以下調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(2)在基頻f1N以上調(diào)速。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從f1N向上增高，但電壓U1不能超過額定電壓U1N，最大值只能保持U1?=?U1N。在基頻f1N以上變頻調(diào)速時(shí)，電壓U1保持不變，頻率提高，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，如圖6-11所示。頻率提高而電壓不變，氣隙磁動(dòng)勢(shì)必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。但由于轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變，因此在基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。把上述兩種情況結(jié)合起來，可得圖6-12所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。4)變頻器在生產(chǎn)中的應(yīng)用變頻器與籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)合是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最佳選擇，它具有顯著的節(jié)能效果，較高的控制精度及較寬的調(diào)速范圍，便于使用和維護(hù)以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制等性能。變頻器不僅可以用于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，而且也可以用于其他調(diào)速電動(dòng)機(jī)。從工廠設(shè)備到家用空調(diào)都可以采用，在節(jié)能、減少維修、提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量等方面都取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前，變頻器已在鋼鐵、有色冶金、油田、煉油、石化、紡織印染、醫(yī)藥、造紙、高層建筑供水、建材及機(jī)械行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。任務(wù)二變頻器操作面板(PU)控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行【任務(wù)目標(biāo)】(1)熟悉變頻器基本參數(shù)的功能。(2)掌握變頻器功能單元及參數(shù)設(shè)置方法。(3)熟練掌握利用變頻器控制電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行?！救蝿?wù)分析】升降機(jī)是工廠生產(chǎn)機(jī)械中常見的設(shè)備，其上升與下降是由電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行來拖動(dòng)的。為了安全、高效、節(jié)能，人們已廣泛應(yīng)用變頻器控制三相籠型異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)來牽引重物上升與下降，在其起始和結(jié)束階段，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能太快，否則會(huì)因慣性作用對(duì)機(jī)械設(shè)備及被起吊的物體產(chǎn)生較大的沖擊力，影響機(jī)械設(shè)備的使用壽命或損壞被起吊的物體。如何利用變頻器操作面板(PU)控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)變速運(yùn)行？下面介紹變頻器的參數(shù)設(shè)置和面板操作方法?！局R(shí)鏈接】設(shè)置和修改變頻器的參數(shù)必須了解各參數(shù)的功能。變頻器主要有以下基本功能參數(shù)：(1)轉(zhuǎn)矩提升(Pr.0)。轉(zhuǎn)矩提升用于設(shè)定電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩大小。它主要用于改善電動(dòng)機(jī)低頻低速啟動(dòng)和運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩性能，一般最大值設(shè)定為10%。(2)上限頻率(Pr.1)和下限頻率(Pr.2)。上限頻率和下限頻率用于設(shè)定電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)上限頻率和下限頻率的兩個(gè)參數(shù)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)變頻器的輸出頻率被鉗位在設(shè)定的上限頻率和下限頻率范圍內(nèi)，如圖6-20所示。(3)基底頻率(Pr.3)?；最l率用于調(diào)整變頻器輸出到電動(dòng)機(jī)的額定值。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)，將其設(shè)定為電動(dòng)機(jī)的額定頻率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)需在工頻電源與變頻器之間切換運(yùn)行時(shí)，將其設(shè)定為電源頻率。(4)多段速度(Pr.4、Pr.5、Pr.6)。多段速度用于設(shè)定多段不同的運(yùn)行速度，通過輸入端子進(jìn)行各段速度間的切換。各輸入端子名稱與參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系參見表6-3。Pr.24、Pr.25、Pr.26和Pr.27也是多段速度的運(yùn)行參數(shù)，與Pr.4、Pr.5、Pr.6組成七種運(yùn)行速度。設(shè)定多段速度參數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①在變頻器運(yùn)行期間，每種速度(頻率)均能在0～400?Hz范圍內(nèi)被設(shè)定。②多段速度在參數(shù)單元PU運(yùn)行和外部運(yùn)行時(shí)都可以設(shè)定。③多段速度比主速度優(yōu)先。④以上各參數(shù)之間的設(shè)定沒有優(yōu)先級(jí)。(5)加、減速時(shí)間(Pr.7、Pr.8)及加、減速基準(zhǔn)頻率(Pr.20)。Pr.7、Pr.8用于設(shè)定電動(dòng)機(jī)加速和減速時(shí)間，加速時(shí)間Pr.7的值設(shè)定得越大，加速時(shí)間越長(zhǎng)；減速時(shí)間Pr.8的值設(shè)定得越大，減速越慢。Pr.20是加、減速基準(zhǔn)頻率，Pr.7設(shè)定值就是從0?Hz加速到Pr.20所設(shè)定的基準(zhǔn)頻率的時(shí)間，Pr.8設(shè)定值就是從Pr.20所設(shè)定的基準(zhǔn)頻率減速到0Hz的時(shí)間，如圖6-21所示。(6)電子過流保護(hù)(Pr.9)。通過設(shè)定電子過流保護(hù)的電流值，可防止電動(dòng)機(jī)過熱。當(dāng)控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，此參數(shù)的值應(yīng)設(shè)定為1～1.2倍的電動(dòng)機(jī)額定電流。(7)直流制動(dòng)相關(guān)參數(shù)(Pr.10、Pr.11、Pr.12)。Pr.10是直流制動(dòng)時(shí)的動(dòng)作頻率，Pr.11是直流制動(dòng)時(shí)的動(dòng)作時(shí)間(作用時(shí)間)，Pr.12是直流制動(dòng)時(shí)的電壓(轉(zhuǎn)矩)，通過這三個(gè)參數(shù)的設(shè)定，可以提高停止的準(zhǔn)確度，使之符合負(fù)載的運(yùn)行要求，如圖6-22所示。(8)啟動(dòng)頻率(Pr.13)。啟動(dòng)頻率用于設(shè)定電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)的頻率，如圖6-23所示。(9)?MRS端子輸入選擇。MRS端子輸入選擇用于選擇MRS端子的邏輯，如圖6-24所示。(10)參數(shù)禁止寫入選擇(Pr.77)和防止逆轉(zhuǎn)選擇(Pr.78)。Pr.77用于參數(shù)寫入禁止或允許，主要用于參數(shù)被意外改寫；Pr.78用于泵類設(shè)備，防止反轉(zhuǎn)。Pr.77、Pr.78具體設(shè)定值見表6-4。任務(wù)三變頻器外部接線控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行【任務(wù)目標(biāo)】(1)掌握變頻器各端子的功能并能正確接線。(2)會(huì)對(duì)三菱變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、外部接線與調(diào)試。【任務(wù)分析】注塑機(jī)是塑料制品廠常用的機(jī)械設(shè)備，其開模、合模