变频器应用基础.doc

变频器应用基础

FAE 通用设备技术支援部 Driver PJ

目录
一、 电机基础
二、 控制流程
三、 速度控制
四、 位置控制
五、 定位控制
六、 矢量控制
七、 V/f控制调试步骤
八、 矢量控制调试步骤
九、 3G3RX Devicenet 控制
十、 制动电阻选型计算

电机基础
1. 目的
1) 学习三相异步电机的工作原理和结构
2) 学习三相异步电机的机械特性
3) 学习三相异步电机的电磁转矩
2. 参考资料
《电机与拖动基础》
3. 三相异步电机
3.1三相异步电动机简介
实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。
在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。
对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法。

3.2三相异步电动机的结构与工作原理
1) 三相异步电动机的结构
三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图1-1所示。

图 1-1 三相电动机的结构示意图（2对极对数）

2) 定子
三相异步电动机的定子由三部分组成：
定子
定子铁心
由厚度为0.1mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。
定子绕组
三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。
机座
机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组
3) 转子
三相异步电动机的转子由三部分组成：
转子
转子铁心
由厚度为0.1mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。
转子绕组
转子绕组有两种形式：
鼠笼式 -- 鼠笼式异步电动机。
绕线式 -- 绕线式异步电动机。
转轴
转轴上加机械负载
鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。
4. 三相异步电动机的转动原理
1) 基本原理
为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图1-2所示。

图 1-2 三相异步电动机工作原理

(1)．演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。
(2)．现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。
转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。
(3)．结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。
2) 旋转磁场
（1）．产生
图1-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图1-4)。

图 1-3 三相异步电动机定子接线
其中：iu—A相电流(A)
iv—B相电流（A）
iw—C相电流（A）
Im—最大瞬时电流（A）
ω—角速度（rad/s）
t—时间（s）

图 1-4 旋转磁场的形成
当wt=00时，，AX绕组中无电流；(A)为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；(A)为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-4（a）所示。
当wt=1200时，，BY绕组中无电流；(A)为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；(A)为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-4（b）所示。
当wt=2400时，，CZ绕组中无电流；(A)为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；(A)为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-4（c）所示。
可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。

（2）．旋转磁场的方向
旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。
3)
5. 三相异步电动机的极数与转速
（1）．极数（磁极对数p）
三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。
当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；
当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；
同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（1200p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角q的关系为：
（2）．转速n(r/min)
三相异步电动机旋转磁场的转速n0(r/min)与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：
（1-1）
其中：n0—旋转磁场的转速（r/min）
f1—频率（Hz）
由（1-1）可知，旋转磁场的转速n0(r/min)决定于电流频率f1(Hz)和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1(Hz)和p通常是一定的，所以磁场转速n0(r/min)是个常数。
在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0(r/min)，见表1-1
表1-1
p
1
2
3
4
8
10
n0
3000
1500
1000
750
375
300

（3）．转差率s
电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n(r/min)不可能达到与旋转磁场的转速n0(r/min)相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。
旋转磁场的转速n0(r/min)常称为同步转速。
转差率s—用来表示转子转速n(r/min)与磁场转速n0(r/min)相差的程度的物理量。即：
(1-2)
其中：n—转子转速（r/min）
S—转差率

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。
当旋转磁场以同步转速n0(r/min)开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n(r/min)>0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S<1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n(r/min)降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.011~0.06之间。
根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式
(1-3)
其中：n—电机转速（r/min）
n0—磁场转速（r/min）

（4）．三相异步电动机的定子电路与转子电路
三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。
（5）．总结：
1) 三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。
2) 欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；
3) 三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场；
4) 旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；
A. 三相异步电动机旋转磁场的转速n0(r/min)与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

其中：n0—旋转磁场的转速（r/min）
f1—频率（Hz）

B. 转差率s——用来表示转子转速n(r/min)与磁场转速n0(r/min)相差的程度的物理量。即：

其中：n—转子转速（r/min）
S—转差率
转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.011~0.06之间。
C. 三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。
6. 三相异步电机的转矩特性与机械特性
1) 电磁转矩（简称转矩）
异步电动机的转矩T(N.m)是由旋转磁场的每极磁通F(Wb)与转子电流I2(A)相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I(A)及旋转磁场的强弱有关。
经理论证明，它们的关系是：
（1-4）
其中 T—电磁转矩（N.m）
KT—为与电机结构有关的常数
F—旋转磁场每个极的磁通量(Wb)
I2—转子绕组电流的有效值(A)
j2—转子电流滞后于转子电势的相位角(rad)
若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（1-4）修正为：
（1-5）
其中 —常数
U1—定子绕组的相电压（V）
S—为转差率
R2——为转子每相绕组的电阻（Ω）
X20——为转子静止时每相绕组的感抗（Ω）
由上式可知，转矩T(N.m)还与定子每相电压U1(V)的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T(N.m)还受转子电阻R2（Ω）的影响。图1-5为异步电动机的转矩特性曲线。
2) 机械特性曲线
(N.m)

0

图 1-5 三相异步电动机的机械特性曲线

在一定的电源电压U1(V)和转子电阻R2（Ω）下，电动机的转矩T(N.m)与转差率s之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线T=f(n)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（1-4）得出，如图1-5所示。

在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：
1) 额定转矩TN(N.m)
额定转矩TN(N.m)是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。
（1-6）
其中：TN—额定转矩（N.m）
P2—电机输出功率（w）
n—电机转速（rad/s）
式中P2(W)是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n(r/min)的单位是转/分，TN(N.M)的单位是牛·米。
当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0(N.m)时，阻转矩近似为负载转矩TL(N.m)，电动机作等速旋转时，电磁转矩T(N.m)必与阻转矩TL(N.m)相等，即T(N.m)= TL(N.m)。额定负载时，则有TN(N.m)= TL(N.m)。

2) 最大转矩Tmax(N.m)
Tmax(N.m)又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。
最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率，见图1-5（a）
最大转矩Tmax(N.m)与额定转矩TN(N.m)之比称为电动机的过载系数l，即
l= Tmax/ TN
其中：Tmax—最大转矩（N.m）
TN—额定转矩（N.m）
一般三相异步的过载系数在1.8~2.2之间。
在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。

3) 起动转矩Tq(N.m)
Tq(N.m)为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s＝１时的转矩。
为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：Tq(N.m)>TN(N。m)，一般的三相异步电动机有Tq(N.m)/TN(N.m)=1~2.2。

7. 电动机的负载能力自适应分析
电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T(N.m)的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。

控制流程

速度控制

位置控制

定位控制
一：3G3MX2简易定位
1. 目的
1) 以低成本取代伺服电机实现较低精度的定位控制功能
2) 学习3G3MX2定位功能的实现
3) 参考资料
《SYSDRIVE MX2 系列用户手册》 Cat.No.SBCE-CN-356B
2. 3G3MX2 简易定位功能实现
1) 编码器的连接（编码器需要是PNP型）

连接分为三种方式：双路脉冲输入方式、单路脉冲+方向、仅单路脉冲输入
a) 双路脉冲输入方式的接线如下图：

注意：S7端子能够响应的最高脉冲频率为1.8KHZ，所以编码器反馈的频率不能大于该值
b) 单路脉冲+方向的输入方式接线如下图：

2) 位置指令的给定
通过多功能输入端子的组合来指定。ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３．
可进行最多８段的位置指令。
3) 速度指令的给定
根据输出频率设定　Ａ００１的数值
4) 运行指令的给定
可根据外部输入进行给定：ＦＷ，ＲＶ 需要设定Ａ００２＝１
5) 停止位置的给定
该变频器不能通过外部的脉冲指令给定停止位置，需要在内部参数P060-P067上设置停止的位置，然后通过外部端子进行选择，从而确定电机需要走过的脉冲数
6) 相关参数

参数设定例：
Ａ００２＝００→０１　端子台　ＦＷ／ＲＶ
Ｐ００３＝００→０１　有反馈脉冲
ｐ００４＝００　单相脉冲串
ｐ０１１＝５１２　→　６００
Ｐ０１２＝００→０２简易位置控制有效
Ａ０５１＝００　内部直流制动选择　无效
Ｃ１０２＝００→０３　仅在报警跳闸时解除
Ｃ００６＝　→　４７　ＰＣＬＲ　计数器复位会容易
Ｃ０２１（１１）＝　→　２３　ＰＯＫ　定位完成
7) 在实际应用中，可以结合通讯的方式，实现变频器的连续定位。
如：采用CP1、CP2 的组合实现三段位置的切换，位置0可以预设为原点，通过通讯方式交替变更位置1和位置2的目标值，即可实现变频器的多点连续定位。采用更多的多功能端子可以实现更多的多点定位，不局限于8段位置。

二：3G3RX 定位控制-绝对定位
1. 目的
1) 以相对较低成本取代伺服电机实现相对较低精度的定位控制功能（定位精度远高于MX2简易定位）
2) 学习3G3RX定位功能的实现
3) 参考资料
《SYSDRIVE RX 系列高功能型通用变频器 用户手册》 Cat.No. SBCE-C-347A
2. 3G3RX 简易定位功能实现
所需设备：变频器：3G3RX
PG卡：3G3AX-PG01-Z
1) 安装
将PG卡安装于3G3RX 变频器选件卡插座1或选件卡插座2上。

2) 接线

TM1 端子接编码器反馈
3) 参数设定
a) 设定电机基本参数后进行电机空载自学习
b) 必设参数：
A044=5 闭环矢量模式
P011： 编码器分辨率
P012=2（3） 绝对位置控制模式
P060： PLC 通过通讯向变频器发送绝对目标位置脉冲
P068： 原点搜索模式
P069： 原点搜索方向
P070： 原点搜索低速
P071： 原点搜索高速
P017： 定位完成范围设定 如果定位精度较高的话可以降低范围值
c) 可选参数：
C001-C008=47 位置偏差清除
C001-C008=69 ORL原点复位限制信号
C001-C008=70 ORG原点复位起动信号
C021-C026=23 定位完成输出信号
4) 通讯相关
变频器地址：P060：163E；
P012=2时，按照编码器的1倍频设定
P012=3时，按照编码器的4倍频设定
D029：1036
D030：1038
PLC 通讯时寄存器地址-1.
5) 调试：
将P012=0 速度控制模式，启动正转或反转确定电机旋转方向和编码器计数方向是否一致。如果出现电机来回抖动，电流不断增加直至过载等现象，说明方向不一致。调整编码器A相B相或电机动力线两个边相。在确认变频器和电机在速度模式下能正常工作后，将P012=2。
当电机启停响应慢，定位精度差时适量调大位置环增益P023，可提高响应性，提高定位精度。
当电机上电自己旋转时，进行位置偏差清除操作
6) 原点搜索
方式1

方式2

方式3

在调试时，可根据现场实际情况选择一种合适的原点确认方式

7) 定位时电机旋转方向
在多段位置指令0（P060）中写入目标位置。目标位置大于当前位置为正转，目标位置小于当前位置为反转。类似伺服控制的绝对定位模式。

8) 相关参数（例）
如下表：
数值列的数字可做参考。
参数号
数值
备注

F001
10
6HZ
目标速度

P011
2000

编码器分辨率
P012
2

绝对位置控制模式
A001
2

操作器给定（可用通讯给定）
A002
1

端子台控制启停
A044
5

带传感器的闭环矢量控制
H003
1.10

电机功率
H004
6

电机极数
C008
47

偏差计数器清零
C026
23

定位完成
C006
69

ORL
C007
70

ORG
P068
1

原点搜索模式
P069
0
正转侧
原点搜索方向
P070
3.0

原点搜索低速
P071
10

原点搜索高速
P023
2.5

位置环增益
H023
3.5

额定电流
H024
0.050

电机惯量
F002
3

加速时间
F003
2.5

减速时间
P017
65

定位完成范围设定
P018
0.10

定位完成延时时间

9) 绝对定位

三、两种定位方式的区别
区别一览表
No.
项　目
3G3RX +3G3AX-PG01
3G3MX2
1
ＲＸ并不是简易定位
・脉冲串位置控制
・绝对位置控制(正常/高分辨率)(8点位置控制)
・简易位置控制(8点位置控制)
2
定位动作
・ＡＰＲ控制
(走过头的话会回来)
・由蠕变速度得到的直流励磁
(走过头不会回来)
3
所使用的编码器是不同的
・3G3AX-PG01 :5V线驱动
・A/B A/B/Z
・EA端子：5～24V (～32kHz)
・EB端子：24V (～1.8kHz)
・单相(只能选择A相)
4
固定位置停止功能
・有
・无
5
示教功能
・有
・无
6
最短方向控制(转台)
・无
・有
7
同步运行(主轴/从轴)
・可以
・不可以
8
ＦＯＴ/ＲＯＴ功能
・有
・无

矢量控制

25 / 25
FAE 通用设备技术支援部 Driver PJ