施耐德电气(中国)投资有限公司-上海服务部 变频器原理培训 施耐德电气(中国)投资有限公司-上海服务部

宋孝利: 华东地区现场服务主管 12年电气相关工作经验 4年驱动类产品维修经验 6年工程项目现场调试经验

变频器原理概述 异步电机的机械特性 异步电机的调速方法及其效果 变频器的一般结构和工作原理 矢量控制的原理 直接转矩控制的原理 通讯网络中的变频器 变频器应用带来的问题及处理方法 a. 对电网的影响 b. 对电机的影响 多传动协调控制

异步电机的机械特性 异步电机转矩公式：M＝2Mm/(S/Sm+Sm/S)

几个有用的公式: p (f1:电源频率;p:电机极对数; s:转差率) 额定扭矩：Me=9550Pe/ne 电机转速: n= 60f1 (1-s) p (f1:电源频率;p:电机极对数; s:转差率) U1=Es= 4.44f1 W1 K W1Φm 输出功率: P= 转矩*转速 风机离心泵类负载:阻力 Mfz =Kn2

特点：实现简单；转矩随电压下降呈二次方下降；特性变软； 异步电动机的调速方法及其效果 调压调速 特点：实现简单；转矩随电压下降呈二次方下降；特性变软；

转子串电阻调速 特点：转矩基本不变；特性变软；转差功率完全以热能形式释放。

特点：特性平移，不变软；最大转矩随频率降低略有降低； 变频调速 特点：特性平移，不变软；最大转矩随频率降低略有降低；

变频调速需要注意的问题 必须保持磁通恒定 每相电动势 Eg=4.44f1 W K Φ 为使磁通不变，Eg/ f 必须保持不变 若忽略定子压降，可近似认为U/f不变。但在电压较低（低频）时，应给予一定量的电压补偿。

变频器的一般结构和工作原理 一般通用变频器为交－直－交结构

SPWM的产生办法 规则采样法 参考波与三角波比较决定开关时刻。 指定谐波消去法 电流滞环比较法 设定电流滞环，根据实际电流的大小决定相应桥臂开通、关断。 空间电压向量法 不以生成正弦波为最终目的，以产生圆形磁场为目的，调整开关组合形成的磁通矢量的作用时间，来实现以尽量多的多边形来模拟圆形磁场。 Power rating

矢量控制的原理简述 直流调速系统有着优异的动静态调速性能。原因是直流电机的磁通可通过单独调节励磁电流来实现控制，与电枢电流调节彼此互不影响，容易做到磁通恒定，在磁通恒定的情况下，扭矩与电枢电流成正比。而交流电机的磁通无法单独控制。异步电机的模型是多输入（电压，电流，频率，相位）、多输出（磁通、转矩），并且多个变量耦合在一起的－－－－调节电压、电流既影响磁通又同时影响转矩。 矢量控制的出发点是通过数学的方法，对交流电机的模型进行解耦，使各物理量分解为励磁分量和转矩分量，然后模仿直流电机的控制方法进行控制。

解耦的基本方法 以产生同样的旋转磁场为约束条件 产生旋转磁场不一定非用三相绕组、通三相交流电不可。也可采用通两相交流电的两相绕组。 再进一步采用以同步速旋转的坐标系，则两相绕组中通的就是直流电，此时的模型与直流电机一样。

坐标变换矩阵

矢量控制的具体思路

矢量控制的原理框图

直接矢量控制的原理 直接转矩控制摈弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机地磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。

通讯中的变频器

DRIVECOM 状态转移图. DRIVECOM 标准 : 规范参与通讯的变频器的标准功能。 状态图 : 图中的每个方框代表了变频器所处状态（ETA)。状态图的转换的转换由控制字CMD决定。

ATV 58 and the DRIVECOM standard Chart showing ATV 58 to DRIVECOM standard Control via control register (Control word) The commands are combinations of the 5 mandatory bits. Control WORD Initializes state Switch on disabled SHUT DOWN SWITCH ON DISABLE VOLTAGE QUICK STOP DISABLE OPERATION ENABLE OPERATION RESET MALFUNCTION Bit 7 1 x 0>1 Bit 3 x 1 Bit 2 1 x Bit 1 1 x Bit 0 1 x Transition in DRIVECOM diagram 1 2, 6, 8 3 7, 9, 10, 12 11 5 4 15 Examples of value of control register 00 F0H 00 76H 00 77H 00 70H 00 72H 00 7FH x : state is not significant 0>1 : "rising edge" (switch from 0 to 1) Test of speed controller status in status register (Status Word) The states are coded in combinations of bits : (Note : bit 4 is not significant and is therefore not shown in the table). Value of status register Status WORD NOT RDY TO SWITCH ON SWITCH ON DISABLED READY TO SWITCH ON SWITCH ON OPERATION ENABLED MALFUNCTION MALFUNC. REACT. ACTIVE QUICK STOP ACTIVE Bit 6 1 Bit 5 x 1 Bit 3 1 Bit 2 1 Bit 1 1 Bit 0 1 Expected value after masking - 00 40H 00 21H 00 23H 00 27H 00 08H 00 00H Mask - 00 4FH 00 6FH 00 08H x : state is not significant Description of other bits : Bit 4 - Voltage disabled = 1 power absent Bit 7 - Warning = 1 a standard or user-specific warning is given Bit 8 - Message = 1 a message (event) is present (optional) Bit 9 - Remote = 1 if the parameters can be modified using the bus outside local forcing Bit 10 - Setpoint reached = 1 if the reference (setpoint) value is reached Bit 11 - Limit value = 1 if a limit value is reached (min-max speed)

ATV 58 and adaptation to DRIVECOM standard Chart showing ATV 58 adapted to DRIVECOM standard Control via control register (Control word) CMD (W400) The bits in the control register (CMD) have the following meaning : Bit 0 SWITCH ON Switch to speed controller ready Bit 1 DISABLE VOLTAGE Return to ATV 58 powered up status Bit 2 QUICK STOP Emergency stop Bit 3 ENABLE OPERATION Run/ stop Bit 4 Optional Reserved Bit 5 Optional Reserved Bit 6 Optional Reserved Bit 7 RESET MALFUNCTION Reset fault acknowledged DRIVECOM CMD word Bit 8 Reserved Bit 9 Reserved Bit 10 Reserved Bit 11 Specific to manufacturer Reverse motor direction Bit 12 Specific to manufacturer Run/stop Bit 13 Specific to manufacturer Stop by injection Bit 14 Specific to manufacturer Fast stop Bit 15 Specific to manufacturer Reserved DRIVECOM CMD word Note : the gray boxes correspond to the "DRIVECOM" standard, the white boxes correspond to the adaptation of the ALTIVAR 58 to this standard. Test of speed controller status in status register ETA (W458) The bits in the status register (ETA) have the following meaning : Bit 0 Ready to switch on Not ready/ Ready for startup Bit 1 Switched on Speed controller not ready/Ready Bit 2 Operation enabled Stop/run Bit 3 Malfunction No malfunction/ Malfunction Bit 4 Voltage disabled Power on/off Bit 5 Quick Stop Emergency stop in progress Bit 6 Switch on disabled Speed controller locked Bit 7 Warning Alarm DRIVECOM ETA word Bit 8 Message Reserved Bit 9 Remote Local/ Remote forcing Bit 10 Setpoint reached Bit 11 Limit value Min or max value reached Bit 12 Reserved Bit 13 Reserved Bit 14 Specific to manufacturer Stop via stop key Bit 15 Specific to manufacturer Direction of rotation forward/reverse DRIVECOM ETA word Note : the gray boxes correspond to the "DRIVECOM" standard, the white boxes correspond to the adaptation of the ALTIVAR 58 to this standard.

4-2-2 其余参数通过对内部寄存器的读写进行修改 4-2-2 其余参数通过对内部寄存器的读写进行修改

通信的两种硬件配置 利用本机的SUB-D9针接口，协议为Modbus 加通讯选件卡，实现各种现场总线、网络的接入。

Modbus通讯协议的报文格式 协议的报文格式 读从机的数据

Modbus协议的报文格式 向从机写数据 CRC-16的计算

ATV 58 和 TSX Modicon PLC进行Modbus通讯 利用2条指令，程序中无需作成帧的工作 Read variables READ_VAR (ADR# m.v.i, %MW, 450, 3, %MW3101:3, %MW3150:4) (refer to UNI-TELWAY section for explanations of requests) WRITE_VAR (ADR# m.v.i, %MW, 400, 3, %MW3001:3, %MW3050:4) ATV58与其他品牌带RS485口的PLC通讯 PLC必须允许用户自由地通过编程向通讯口发送任意数据 成帧工作（功能代码，CRC等）由用户程序完成 差错控制由用户完成 !

通信扩展卡通讯 变频器使用通讯卡与PLC通讯的一般规律 周期性交换：只需用软件做相应配置，无需编程。一般是过程数据：起 动停止命令；变频器状态；频率给定；实际电流电压等。 非周期性交换：一般需要编程。多为变频器的各种参数，如加减速时间等。

变频器应用带来的问题及处理方法 对电网的谐波影响。流过整流电路的电流不是正弦波，而含有较丰富的谐波分量。

减少谐波的方法 进线电抗可以减少驱动器向电网注入的谐波电流 原理是增加整流时的换流阻抗，延缓换相过程。

减少谐波的方法 进线电抗可以减少驱动器向电网注入的谐波电流 电抗大小与各次谐波的关系

Altivar 38 进线电抗器的作用 进线电抗可以减少驱动器向电网注入的谐波电流 无进线电抗 带1mH电抗

减少谐波的其他方法 变压器移相多重连接

减少谐波的其他方法 IGBT整流桥

SPWM产生的正弦波，在电缆长度较长时影响电气性能的原理： 由于电缆阻抗与电机不匹配，而造成高频信号的回波反射

各种滤波器对性能的改善

各种滤波器对性能的改善

各种滤波器对性能的改善

多传动协调控制

同步控制 A.模拟给定链 1.调节一点会影响全局 2.线性度不好 3. 易受干扰。并存在漂移问题

B。数字式PLC逻辑控制加电动电位器的方式 1. 可靠性、稳定性好 2. 系统简单 3. 线性比例难以保证，所以连续加减速时会导致速比发生变化 4. 由于同步靠积分时间来保证线性比例，所以系统中任何一点的开关延迟都会造成比例失调。

C. 通讯网络软件速度链控制系统 1. 全数字信号传输路径，可靠性，精确性很高。 2. 可根据工艺要求，随时改变设计，灵活性好。 3. 省去大量信号线，施工、维护方便。

负荷平衡 当两个以上电机驱动同一机械结构时，就需要进行负载平衡控制 A. 采用负荷平衡调节器 一般变频器在开环运行的状态下无法获得准确的力矩信号。此时，采用负荷平衡调节器根据电机的电流送出相应电机的加减速信号，通过调节电机速度来达到负荷平衡分配。 由于不能获得电机负荷的准确反馈信号，这种方式调试较困难，负荷平衡的效果也比较差，响应慢。

B. 主从方式，从机仅控制力矩 1. 变频器需为矢量控制型，且闭环应用 2. 一般适用于刚性连接（如电机轴直接相连）的场合，不适用于柔性连接的场合。

C. 速度控制，力矩比较调速法 比较两台电机的扭矩，当差值较大时调节其中一台的转速来恢复平衡态

D. 主从控制，速度比较调整法 主机速度控制，从机力矩控制。从机力矩动态跟随主机力矩。当两电机速度偏差在一定范围内，从机PID输出为0，力矩保持与主机一致。当偏差超出设定范围时，PID调节器输出使电机扭矩输出增减，停止转速的进一步上升和下降，达到新的平衡。

卷取机张力控制 A. 闭环张力控制 1。原理简单，易于理解 2。传感器安装困难，易受各种干扰的影响，系统难以稳定。 3。响应较慢

B. 开环张力控制 1。系统易于调试，响应较快 2。控制精度不够高

C. 开环张力控制＋闭环补偿 1。以开环张力控制为粗调节，以张力反馈控制为精调，能兼顾快速性与精确性 2。需安装较精确的张力计。扰动的影响仍然存在，只是变小了。