變頻器與電機的選擇

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上變頻器一.變頻器的歷史變頻技術誕生背景是交流電機無級調(diào)速的廣泛需求。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術因體積大故障率高而應用受限。 20世紀60年代以后，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠遠無法滿足需要。 20世紀70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWMVVVF)調(diào)速的研究得到突破，20世紀80年代以后微處理器技術的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實現(xiàn)。 20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的 VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速

2、搶占市場。 二.變頻器的分類1.按變換的環(huán)節(jié)分類（1）交-直-交變頻器，則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接式變頻器，是目前廣泛應用的通用型變頻器。 （2）可分為交-交變頻器，即將工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱直接式變頻器； 2.按直流電源性質分類（1）電壓型變頻器電壓型變頻器特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容，負載的無功功率將由它來緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負載電壓變化較大的場合。 （2）電流型變頻器 電流型變頻器特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，即扼制

3、電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點（優(yōu)點）是能扼制負載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負載電流變化較大的場合。 3.按主電路工作方法電壓型變頻器、電流型變頻器 4.按照工作原理分類可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等； 5.按照開關方式分類可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器； 6.按照用途分類可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。此外，變頻器還可以按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類，按控制方式分類，按主開關元器件分類，按輸入電壓高低分類。 7.按變頻

4、器調(diào)壓方法PAM變頻器是一種通過改變電壓源Ud 或電流源Id的幅值進行輸出控制的。 PWM變頻器方式是在變頻器輸出波形的一個周期產(chǎn)生個 脈沖波個脈沖，其等值電壓為正弦波，波形較平滑。 8.按工作原理分U/f控制變頻器（VVVF控制）、SF控制變頻器（轉差頻率控制）、VC控制變頻器（Vectory Control 矢量控制) 9.按電壓等級分類高壓變頻器、中壓變頻器、低壓變頻器三.數(shù)控機床對變頻器的要求（1）要求低頻力矩大選用矢量變頻器，低頻時（110Hz）能出來高的額定轉矩。（2）轉矩動態(tài)響應速度快，穩(wěn)速精度高選用矢量變頻器，能實現(xiàn)很好的動態(tài)響應效果，依據(jù)負載的變化，通過輸出轉矩的變化很快做出

5、響應，從而實現(xiàn)轉軸速度的穩(wěn)定。（3）減速停車速度快通常數(shù)控機床的加減速時間都是比較短的，加速時間靠變頻器的性能保證，減速時間則依靠外加制動電阻或制動單元。（4）進行電機參數(shù)自學習選用矢量變頻器后，要達到很好的控制性能通常都需要對電機進行參數(shù)自學習，其目的是獲取準確的電機內(nèi)部參數(shù)，以用于矢量控制計算。參數(shù)自學習所需要的電機銘牌參數(shù)有：電機額定功率、電機額定頻率、電機額定轉速、電機額定電壓、電機額定電流。有的變頻電機的銘牌上可能沒標額定轉速值，可以根據(jù)經(jīng)驗值估計一下額定轉速。在進行參數(shù)自學習時，務必要在空載（電機軸上不接負載）的時候進行。只有在空載的時候才能保證自學習出來的電機參數(shù)的準確性。如果現(xiàn)

6、場條件沒辦法進行空載運行，可以考慮用變頻器出廠的電機參數(shù)試運行。(5)頻率指令和運行指令數(shù)控機床上使用的變頻器其頻率指令和運行指令都來源于CNC控制器，一般給定的的通道有兩種，一種是模擬量給定，另一種是多段速給定，或者兩者同時給定，以多段速優(yōu)先。模擬量給定以電壓型模擬量為主，也有電流型的。變頻器對這兩種類型的模擬量都可以采集。(6)抗干擾問題變頻器在出廠的時候作了很好的抗干擾試驗，具有很強的抗干擾能力，但變頻器同時也是一個干擾源，在使用中很難避免不對其它設備進行干擾，在數(shù)控機床上最容易被干擾的設備是CNC控制器。一旦CNC控制器受干擾后，系統(tǒng)將不能正常工作。特別是變頻器的頻率指令和運行指令也可

7、能會受到干擾，干擾嚴重的會造成頻率指令不穩(wěn)定，變頻器誤動作等。解決此類問題的辦法是在變頻器的輸出線上加磁環(huán)以減少高頻輻射。一般進口的CNC的抗干擾能力較強。四.交流異步電動機變頻調(diào)速原理：變頻器原理圖是利用電力的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流的軟起動、提高運轉精度、過流/過壓/等功能。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。（

8、1）交-直部分整流電路：由VD1-VD6六個整流二極管組成不可控全波整流橋。對于380V的額定電源，一般二極管反向耐壓值應選1200V，二極管的正向電流為電機額定電流的1.414-2倍。變頻器元件作用電容C1：是吸收電容,整流電路輸出是脈動的直流電壓，必須加以濾波，變壓器是一種常見的電氣設備， 可用來把某種數(shù)值的交變電壓變換為同頻率的另一數(shù)值的交變電壓，也可以改變交流電的數(shù)值及變換阻抗或改變相位。壓敏電阻：有三個作用,一過電壓保護,二耐雷擊要求,三安規(guī)測試需要.熱敏電阻：過熱保護霍爾:安裝在UVW的其中二相,用于檢測輸出電流值。選用時額定電流約為電機額定電流的2倍左右。充電電阻：作用是防止開機

9、上電瞬間電容對地短路，燒壞儲能電容開機前電容二端的電壓為 0V；所以在上電（開機）的瞬間電容對地為短路狀態(tài)。如果不加充電電阻在整流橋與電解電容之間，則相當于380V電源直接對地短路，瞬間整流橋通過無窮大的電流導致整流橋炸掉。一般而言變頻器的功率越大，充電電阻越小。充電電阻的選擇范圍一般為：10-300。儲能電容：又叫電解電容，在充電電路中主要作用為儲能和濾波。PN端的電壓電壓工作范圍一般在 430VDC700VDC 之間，而一般的高壓電容都在 400VDC左右，為了滿足耐壓需要就必須是二個400VDC的電容串起來作800VDC。容量選擇60uf/A均壓電阻：防止由于儲能電容電壓的不均燒壞儲能電

10、容；因為二個電解電容不可能做成完全一致，這樣每個電容上所承受的電壓就可能不同，承受電壓高的發(fā)熱嚴重（電容里面有等效串聯(lián)電阻）或超過耐壓值而損壞 。C2電容;吸收電容,主要作用為吸收IGBT的過流與過壓能量。（2）直-交部分VT1-VT6逆變管（IGBT絕緣柵雙極型功率管）：構成逆變電路的主要器件，也是變頻器的核心元件。把直流電逆變頻率，幅值都可調(diào)的交流電。VT1-VT6是續(xù)流二極：作用是把在電動機在制動過程中將再生電流返回直流電提供通道并為逆變管VT1-VT6在交替導通和截止的換相過程中，提供通道。（3）控制部分:電源板、驅動板、控制板（CPU板）電源板：開關電源電路向操作面板、主控板、驅動電

11、路、檢測電路及風扇等提供低壓電源， 開關電源提供的低壓電源有：5V、15V 、24V向CPU其附屬電路、控制電路、顯示面板等提供電源。驅動板：主要是將CPU生成的PWM脈沖經(jīng)驅動電路產(chǎn)生符合要求的驅動信號激勵IGBT輸出電壓?？刂瓢澹–PU板）：也叫CPU板相當人的大腦，處理各種信號以及控制程序等部分五.變頻器的作用變頻器集成了高壓大功率晶體管技術和電子控制技術，得到廣泛應用。變頻器的作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復雜的調(diào)速控制簡單化，用變頻器+交流鼠籠式感應電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小

12、了體積，降低了維修率，使傳動技術發(fā)展到新階段。六.變頻器的選用1.數(shù)控機床的變頻器配置：在機床的調(diào)速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)復雜的齒輪箱式分級調(diào)速方式，在數(shù)控機床中得到極大的改進，采用更為先進的變頻無級調(diào)速方式。對于5.5kW三相交流異步電動機，選配FR-E700系列變頻器是經(jīng)濟型高性能變頻器，F(xiàn)R-E700變頻控制系統(tǒng)優(yōu)勢。(1)完全滿足數(shù)控車床高生產(chǎn)率、高削切精度、高穩(wěn)定性、高柔性要求。(2)FR-E700先進磁通矢量控制模式，0.5Hz時200%轉矩輸出(3)滿足復雜、不規(guī)則形狀零件的高深度和高強度削切要求(4)抗干擾性強，通過嚴格CNC綜合測試，不會對系統(tǒng)造成任何干擾。(5)穩(wěn)速精度高，低速時速度

13、變化率小，運行平滑。2.FR-E74變頻器的特點FR-E740進磁通矢量變頻器采用先進磁通控制技術，電機在低速時轉矩大，速度精度高，價格合理，功能齊全，具有瞬停電處理及速度跟蹤再啟動功能，確保系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)運行機制，以保證電機運轉在最高效率狀態(tài)，因此，采用FR-E740高性能矢量變頻器代替主軸交流伺服系統(tǒng)，是機床行業(yè)最佳的選擇。FR-E740變頻器具有以下特點（1）采用先進的磁通控制算法，實現(xiàn)了真正的無速度傳感器矢量控制，在控制性能上比傳統(tǒng)的V/F控制方式有很大的改善。（2）停止精度提高（3）載波頻率范圍0.110KW；可根據(jù)溫度和負載的特性自適應調(diào)整（4）提供標準的0-10V和0-5v模擬量接

14、口，能夠與大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)接口兼容，通用性強（5）擴充PID，柔性PWM（6）內(nèi)置Modbus-RTU協(xié)議（7）加選件卡FR-A7NC，可以支持CC-Link通訊（8）加選件卡FR-A7NL，可以支持LONWORKS通訊（9）加選件卡FR-A7ND，可以支持Deveice Net通訊(10) 加選件卡FR-A7NP，可以支持Profibus-DP通訊調(diào)試結果事實證明采用FR-E740高性能矢量變頻器完全能夠滿足機床主軸控制的要求。ECOM采用的領先的磁通算法，即使在低轉速（低頻）運行下也能平穩(wěn)輸出150%的轉矩，以滿足不同零件的加工需要，完全可以取代傳統(tǒng)的滾動軸承主軸結構，并且此主軸結構簡單、緊

15、湊、可以實現(xiàn)真正的無級調(diào)速。此主軸的轉速由外部模擬量信號來控制輸出頻率，在不同的加工工藝（如；粗加工、精加工等）需要不同的轉速，此時可由數(shù)控系統(tǒng)輸出不同的模擬量電壓信號給變頻器，實現(xiàn)不同的轉速，同時啟停信號也由數(shù)控系統(tǒng)控制，提高了自動化程度、延長了刀具的使用壽命。3.主軸變頻控制的基本原理由異步電機理論可知，主軸電機的轉速公式為:n=(60f/p)(1-s)其中P電動機的極對數(shù)，s轉差率，f供電電源的頻率，n電動機的轉速。從上式可看出，電機轉速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機轉速，而對于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0400Hz(甚至更高頻率)之間任意調(diào)節(jié)，因此主軸電

16、機轉速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。主軸變頻控制的系統(tǒng)構成不使用變頻器進行變速傳動的數(shù)控車床一般用時間控制器確認電機轉速到達指令速度開始進刀，而使用變頻器后，機床可按指令信號進刀，這樣一來就提高了效率。4.變頻器節(jié)能效果(1)變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調(diào)速時，如

17、果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。 由流體力學可知，P（功率）Q（流量）H（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。所隊當所要求的流量Q減少時，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關系大幅度地降低，比調(diào)節(jié)擋板、閥門節(jié)能40一50，從而達到節(jié)電的目的。 以上海正藝信息科技有限公司生產(chǎn)的變頻器應用到風機水泵型負載的節(jié)能的例子來說：一臺離心泵電機功

18、率為55千瓦，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8，當轉速下降到原轉速的l2時，其耗電量為6.875千瓦，省電87.5。 (2)、功率因數(shù)補償節(jié)能 無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。 (3)、軟啟動節(jié)能 電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利

19、用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設備的維護費用。5.結束語 對于數(shù)控車床的主軸電機，使用了無速度傳感器的變頻調(diào)速器的矢量控制后，具有以下顯著優(yōu)點:大幅度降低維護費用，甚至是免維護的;可實現(xiàn)高效率的切割和較高的加工精度;實現(xiàn)低速和高速情況下強勁的力矩輸出。數(shù)控機床主軸一般交流伺服系統(tǒng)、進口品牌矢量控制變頻器以及變頻專用電機，購置費用很高；EC3000系列變頻器以其獨特的性能（啟動電流小、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍大、節(jié)能環(huán)保、運行穩(wěn)定、精度高、低頻轉矩大、保護功能齊全、可靠性高、操作維護簡便等）和優(yōu)

20、越的性價比，在數(shù)控機床的應用上迅速崛起。七.變頻器的安裝與調(diào)試1. FR-E740外部接線圖變頻器型號FR-E740-7.5K-CHT電壓級數(shù)變頻器容量：3相400V級變頻器容量：顯示變頻器容量7.5KW2. 變頻器常用調(diào)試參數(shù)設定參數(shù)名稱設定范圍最小設定值初始值P1上限頻率0120Hz0.01Hz120HzP2下限頻率0120Hz0.01Hz0HzP3基準頻率0400Hz0.01Hz50HzP7加速時間03600/360s0.1/0.01s5/10s 2P8減速時間03600/360s0.1/0.01s5/10s 2P9電子過電流保護0500A0.01A變頻器額定電流P13啟動頻率060Hz

21、0.01Hz0.5HzP15點動頻率 0400Hz 0.01Hz 5HzP16點動加減速時間03600/360s0.1/0.01s0.5sP18高速上限頻率120400Hz 0.01Hz 120HzP37轉速顯示0、0.0199980.0010P40RUN鍵旋轉方向選擇0、110P41頻率到達動作范圍0100%0.10%10%P42輸出頻率檢測0400Hz0.01Hz6HzP43反轉時輸出頻率檢測0400Hz、99990.01Hz 9999P55頻率監(jiān)視基準0400Hz0.01Hz 50HzP56電流監(jiān)視基準0500A0.01A變頻器額定電流P72PWM頻率選擇01511P73模擬量輸入選擇0

22、、1、10、1111P77參數(shù)寫入選擇0、1、210P80電機容量0.115kW、9999 0.01kW 9999P83電機額定電壓01,000V 0.1V 400VP84電機額定頻率10120Hz 0.01Hz 50HzP117PU通訊站號031(0247) 10P118PU通訊速率48、96、192、384 1192P120PU通訊奇偶校驗0、1、2 12P145PU顯示語言切換0711P147加減速時間切換頻率0400Hz、9999 0.01Hz 9999P150輸出電流檢測水平0200% 0.10%150%P306模擬量輸出信號選擇13、5、712、14、21、24、52、5312P3

23、09模擬量輸出信號電壓電流切換0、1、10、1110八.電機的選擇機床的主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機床主傳動的工作特點，早期的機床主軸傳動全部采用三相異步電動機加上多級變速箱的結構。隨著技術的不斷發(fā)展，機床結構有了很大的改進，從而對主軸系統(tǒng)提出了新的要求，而且因用途而異。在數(shù)控機床中，數(shù)控車床占42，數(shù)控鉆鏜銑床占33，數(shù)控磨床、沖床占23，其他只占2。為了滿足量大面廣的前兩類數(shù)控機床的需要，對主軸傳動提出了下述要求：主傳動電動機應有2.2250kW的功率范圍；要有大的無級調(diào)速范圍，如能在1：1001000范圍內(nèi)進行恒轉矩調(diào)速和1：10的恒功率調(diào)速；要求主傳動有四象限的驅動能力；為了

24、滿足螺紋車削，要求主軸能與進給實行同步控制；在加工中心上為了自動換刀，要求主軸能進行高精度定向停位控制，甚至要求主軸具有角度分度控制功能等等。 主軸傳動和進給傳動一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術和大功率晶體管技術的進展，現(xiàn)在又進入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代，目前已很少見到在數(shù)控機床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。但是國內(nèi)生產(chǎn)的交流主軸伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品尚很少見，大多采用進口產(chǎn)品。交流伺服電動機有永磁式同步電動機和籠型異步電動機兩種結構形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動機的結構形式。而交流主軸電動機的情況則不同，交流主軸電動機均采用異步電動機的結構形式，這是因為，一

25、方面受永磁體的限制，當電動機容量做得很大時，電動機成本會很高，對數(shù)控機床來講無法接受采用；另一方面，數(shù)控機床的主軸傳動系統(tǒng)不必像進給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用成本低的異步電動機進行矢量閉環(huán)控制，完全可滿足數(shù)控機床主軸的要求。但對交流主軸電動機性能要求又與普通異步電動機不同，要求交流主軸電動機的輸出特性曲線（輸出功率與轉速關系）是在基本速度以下時為恒轉矩區(qū)域，而在基本速度以上時為恒功率區(qū)域。數(shù)控機床使用的主軸驅動系統(tǒng)，可分為直流主軸驅動系統(tǒng)和交流主軸驅動系統(tǒng)兩大類。下面根據(jù)這兩大類主軸驅動系統(tǒng)的特點來選擇主軸驅動系統(tǒng)。3.1 直流主軸驅動系統(tǒng)得特點在數(shù)控機床高速,高效,高精度的控制要求,

26、使得FANUC直流主軸驅動與通常的速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比有以下特點:（1） 調(diào)速范圍寬, 采用FANUC主軸驅動的數(shù)控機床,在機械結構方面，小型機床通常采用電機與主軸直接或皮帶變速的結構形式、中、大型機床通常只設置高,低速兩級簡單的機械變速機構，因此，主軸電動機的調(diào)速必須全部依賴主軸驅動器進行控制。為保證數(shù)控機床的加工范圍,使加工工藝相對集中，并達到理想的切削效果，主軸驅動器必須實現(xiàn)無級變速，且具有教寬的調(diào)速范圍。（2） 在結構上，直流主軸電動機為全封閉的結構形式，可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。（3） 在冷卻系統(tǒng)上，為了縮小體積，提高效率，主軸電動機采用了特殊法人熱管冷卻系統(tǒng)，可以將轉子產(chǎn)生的熱量迅速的向外界發(fā)散。（4） 在磁路設計上，為了使電機發(fā)熱最小，煮粥電動機定子采用了獨特的附加磁極，以減小損耗，提高了效率。3.2 交流主軸驅動系統(tǒng) 在近幾年，很多機床都采用交流主軸驅動系統(tǒng)，下面談論一下交流主軸驅動系統(tǒng)與交流主軸驅動系統(tǒng)的一些特點：（1） 由于驅動系統(tǒng)采用了微處理器和現(xiàn)代控制理論進行控制，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，振動和噪音小，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉矩，可以較方便地與數(shù)控機床相配套。（2） 較大功率驅動系統(tǒng)采用了難度較大的“回饋制動”技術，在制動時，既可將電動機能量反饋回電網(wǎng)，起到