双色图解变频器及软起动器控制线路(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-06-30 11:10:48

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作者:韩雪涛,韩广兴,吴瑛等

出版社:人民邮电出版社

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双色图解变频器及软起动器控制线路

双色图解变频器及软起动器控制线路试读:

丛书前言

随着科技的进步,人们生产和生活中的电气化程度越来越高,无论是我们日常的生活照明、小区智能控制,还是工业生产,随处都可以看到智能化的电子电气设备。这些现代化的智能设备或电气系统在线路的驱动控制下,为我们的生产和生活提供便利与帮助。尤其是近几年,社会整体的电气化程度得到了显著的提升,社会对电工电子从业人员的需求也越来越多。电力控制、生产、传输,电气线路安装、调试、检修等各个从业岗位需要大量专业技术人员。为了能够跟上电工电子技术发展的潮流,对于从事或希望从事电工电子技术工作的人员来说,都需要不断学习与电工电子技术相关的知识和技能。

然而,如何能够在短时间内掌握电工电子方面的实用技术,如何能够应对各种复杂的从业环境,如何能够成功地完成知识和技能的更新与转型,并能轻松地跟上技术快速发展的节奏,已成为电工电子行业从业人员和求职者急需解决的重要问题。为此,我们针对目前电工电子领域中的设计、安装、调试、检验、维修等重点岗位进行了调研,发现摆在从业者面前最难以逾越的问题是对电工电子线路的“畏惧”。也就是说,是否能够读懂种类多样、原理复杂的电工电子线路是从业者能否进步和发展的关键因素。

针对这一现状,我们特别策划和组织编写了这套“双色图解电工线路丛书”。这是一套非常实用的电工电子从业人员的技术培训及辅导教材。

本套丛书共6本,包括《双色图解电工基础线路》、《双色图解电动机控制线路》、《双色图解电气设备控制线路》、《双色图解常用供电用电线路》、《双色图解变频器及软起动器控制线路》、《双色图解PLC梯形图和语句表》。

为了使图书更具实用性和实效性,我们对工业生产、居民生活、智能控制、城市用电等各个领域的电工电子从业岗位进行了细致的调研,将我们日常生产和生活中所涉及与应用的电工电子线路根据原理、用途的不同,进行细致的划分,并根据从业特性和工作需求对收集整理的线路进行系统的归纳和整理,使得每一本图书都具备鲜明的技术特色和可满足用户需求。

本套丛书并不是传统意义上线路图的汇总,而是以传授识图方法和技巧为突破口,希望通过对各种不同电工电子线路图的识读,让学习者在了解识图方法的基础上,能够了解线路设计上的构思,洞察线路中各元器件及电气部件的使用方法,领悟线路的控制细节,进而达到会用、活用线路图完成设计、安装、调试、检修等实用技能的目的。

为了达到良好的消息传达效果,为了将学习时间尽可能地缩减,为了让整个学习过程不致过于乏味和枯燥,也为了让不同层次的学习者能够通过丛书获益,我们对图书的策划和内容编写进行了精心的设计,充分考虑了当前电子电工从业人员的技术特点和学习习惯。1.在编写理念上

本套丛书强调实用性和时效性,不仅要能够给学习者带来技能上的提升,同时在学习的周期双色图解变频器及软起动器控制线路上也希望能够尽可能缩短技能掌握所需的时间。2.在内容编排上

充分考虑当前市场需求和学习者的情况,本套丛书打破以往图书的编排和表述模式,对于识图的讲解完全模拟实际读图过程,将读图过程中的分析笔记引入到识图学习中。通过笔记的跟图走向、标记重点、标注提示等方法让学习者能够完全跟上讲解的节奏,达到“跟随”学习的效果。

本书在内容安排上充分以岗位需求作为导向,对目前电工电子岗位作业中的实用线路进行收集、整理、筛选,从中挑选出极具代表性的电工电子线路进行讲解。讲解的目的是希望学习者不仅能够了解该线路的功能和原理,而且可以掌握读图的技能和方法,能够将线路图“消化”、“吸收”,将实用技术自如地应用到电子电工线路安装、调试、维修的岗位作业中。3.在表现形式上

在表现形式上,本套丛书更多地借鉴读书笔记的形式,重点放在读图的过程上,而非单纯地了解线路的工作原理和功能。因此,如何能够将读图的整个过程通过书本载体的形式再现成为本书表达的关键。为此,本书采用识读笔记的形式,将读图初期的标记重点,到读图过程中流程线的“分路识读”,直至最终搞清楚整个线路全部通过笔记形式再现,让学习者能够跟上讲解的思路,洞悉线路识图中的规律,明确线路识读的关键环节,真正实现以学习识读技能作为重点。

书中所讲解的案例均来源于实际的线路,极具针对性和代表性,可指引学习者深入学习,也可作为宝贵的资料使用。4.在内容保证上

本套丛书由原信息产业部职业技能鉴定指导中心资深专家韩广兴担任顾问,亲自指导;充分以市场需求和社会就业需求为导向,确保图书内容符合职业技能鉴定标准,达到规范性就业的目的;同时根据韩广兴专家多年的教授经验,将从业者刚刚入门时遇到的问题结合实际线路进行系统整理,使凌乱的问题按照岗位需求的技能特点和从业规律融合到目录中。5.在技术服务上

为了更好地满足学习者的需求,达到最佳的学习效果,本套丛书依托数码维修工程师鉴定指导中心作为技术咨询服务机构,向学习者开通了专门的技术服务咨询平台。学习者在学习和职业规划等方面有任何问题均可通过网站、电话或信件的方式进行咨询。

学习者通过学习与实践还可参加相关资质的国家职业资格或工程师资格认证,获得相应等级的国家职业资格或数码维修工程师资格证书。如果学习者在学习或考核认证方面有什么问题,可通过以下方式获得帮助。数码维修工程师鉴定指导中心

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第1章 初步认识软起动器

1.1 软起动器的功能和结构特点

1.1.1 软起动器的功能与应用

软起动器是将电动机的软起动、软停车、轻载节能、多种保护功能等优点集成在一起的一种电动机控制装置。图1-1所示为软起动器的实物外形。图1-1 软起动器的实物外形

传统的大中型电动机的启动方式通常采用硬启动,即通过接触器、继电器、启动电阻器、自耦变压器、启动按钮、停止按钮等控制部件控制电动机启动的方式。硬启动有电阻器降压启动、自耦降压启动和Y-△降压启动等多种方式。

图1-2所示为电动机Y-△降压启动时各相绕组所承受的电压值。电动机Y-△降压启动是指先由线路控制电动机定子绕组连接成Y形方式进入降压运行状态,在这种方式中电动机每相定子绕组承受的电压均为220V,待电动机转速达到一定值后,再由线路控制定子绕组换接成△形,使电动机每相定子绕组承受的电压均为380V,此后电动机进入正常(全压)的运转状态。

图1-3所示为电动机电阻器降压启动时各相绕组所承受的电压值。电动机电阻器降压启动是指电动机启动时利用串入的电阻器起到降压限流作用,在这种方式中电动机每相定子绕组承受的电压小于380V,待电动机转速达到一定值后,再由线路控制将串联的电阻器短接,使电动机每相定子绕组承受的电压上升为380V,此后电动机进入正常(全压)的运转状态。图1-2 电动机Y-Δ降压启动时各相绕组所承受的电压值图1-3 电动机电阻器降压启动时各相绕组所承受的电压值

这种传统的降压启动方式可以减小电动机启动时的启动电流,但当电动机转为额定电压下运转时,即电动机绕组上的较低电压上升到全压时,电动机的转矩会有一个跳跃,不平滑,因此电动机的每次启动或停机控制都会对电网以及机械设备带来一定的冲击。

随着技术的不断更新,软起动器已逐渐替代了传统的硬启动方式。软起动器也采用降压启动方式,与传统降压启动方式不同的是软起动器采用无级降压启动,它内置调压装置,在规定的时间内,将电动机的启动电压由零慢慢地提升到额定电压。图1-4为软起动器的功能原理图。

软起动器内置的调压装置实际上就是一个晶闸管调压线路,通过改变晶闸管的导通角,来调节软起动器的输出电压,随着软起动器的输出电压逐渐增大,电动机的速度也逐渐提高,当晶闸管完全导通时,电动机在额定电压下运转。采用软起动器对电动机进行启动时,电动机的转矩会平滑地增大到最大转矩,可减少对电网以及机械设备的冲击。图1-4 软起动器的功能原理图1.软起动器的功能

软起动器是将控制功能、保护功能、显示功能、按键设置功能、通信功能集于一体的电动机控制装置。(1)控制功能

软起动器收到外部的启动、停车指令后,按照预先设定的启动和停车方式对电动机进行控制。

①启动控制功能。

软起动器可根据设备的特点选择不同的启动模式,设置不同的参数,对电动机进行软启动控制。通常软起动器的启动方式主要有斜坡软启动、阶跃启动、脉冲冲击启动、全压启动等。

◆斜坡软启动。

斜坡软启动方式是在电动机启动的初始阶段将启动电压逐渐增大,当电压达到预先设定的值后保持恒定,电动机在全压状态下运转。电压变化的速率可根据电动机负载进行调整设定,电压变化速率大,则启动转矩大,启动时间短。图1-5为斜坡软启动方式的曲线图。

◆阶跃启动。

阶跃启动是以最短时间将启动电流迅速达到设定值的启动方式,通过调节斜率,实现快速启动电动机。图1-6为阶跃启动方式的曲线图。图1-5 斜坡软启动方式的曲线图图1-6 阶跃启动方式的曲线图

◆脉冲冲击启动。

脉冲冲击启动方式是在启动初期,让晶闸管在很短时间内以较大的电流导通一段时间后再回落,然后按照原来的设定值呈线性上升,并达到恒流恒速状态。图1-7为脉冲冲击启动方式的曲线图。

◆全压启动。

在传统的电动机启动控制中,通过接触器等控制部件控制电动机在全压状态下直接进行启动,而软起动器也具有该功能,能够快速达到最大的冲击电流和转矩。图1-8为全压启动方式的曲线图。图1-7 脉冲冲击启动方式的曲线图图1-8 全压启动方式的曲线图

②停车控制功能。

软起动器可根据设备的特点选择不同的停车模式,设置不同的参数,对电动机进行停机控制。通常软起动器的停车方式主要有自由停车、软停车和制动停车等。

◆自由停车。

自由停车是指软起动器对电动机不施加任何控制,电动机依惯性自由停机。图1-9为自由停车方式的曲线图。图1-9 自由停车方式的曲线图

◆软停车。

软停车是指通过调节晶闸管的导通和截止时间逐渐降低电动机的工作电压,使电动机的转速逐渐下降,直至停机,避免了自由停车引起的转矩冲击。图1-10为软停车方式的曲线图。

◆制动停车。

制动停车是指在电动机停机时产生一个制动转矩,控制电动机快速减速并停机,缩短了自由停车时产生的惯性。图1-11为制动停车方式的曲线图。图1-10 软停车方式的曲线图图1-11 制动停车方式的曲线图(2)保护功能

软起动器集成了传统电动机保护线路的功能,如电动机的过热保护、断相保护、欠载保护、过载保护、过电压保护、欠电压保护、堵转和失速保护以及软起动器自身的过热保护等。

①过热保护。

在启动电动机工作后,软起动器会根据额定电流和实际的工作电流计算电动机的温升,当电动机的温度超过预设的极限温度时,软起动器立即切断线路,实施过热保护。

有些电动机控制线路采用PTC电阻直接过热保护,将PTC电阻嵌入电动机的定子绕组上,当绕组温度升高时,PTC电阻的阻值逐渐增大,对电动机实施过热保护。

②断相保护。

当电动机供电电源的某一相较低或断相时,会使三相电流不平衡,当不平衡的电流达到软起动器预设的脱扣级别,且超过脱扣设定的延时后,电动机停止运转,实施断相保护。

③欠载保护。

欠载保护也就是欠电流保护。电动机在全压状态下工作时,软起动器的欠载保护功能实时监测,若电动机电流突然下降,超出欠载脱扣的设定范围,且超过脱扣设定的延时后,电动机停止运转,实施欠载保护。

④过载保护。

过载保护也就是过电流保护。电动机在全压状态下工作时,软起动器的过载保护功能实时监测,若电动机电流突然上升,超出过载脱扣的设定范围,且超过脱扣设定的延时后,电动机停止运转,实施过载保护。

⑤过电压保护。

当电动机控制线路的输入电压突然升高,超过软起动器过电压脱扣的设定范围,且超过脱扣设定的延时后,电动机停止运转,实施过电压保护。

⑥欠电压保护。

当电动机供电线路由于故障等原因,电压大幅度降低或消失时,软起动器的欠电压保护功能动作,控制电动机停止运转,实施欠电压保护。

⑦堵转和失速保护。

当电动机出现堵转或失速故障时,电动机承受的电流升高,转矩增大,容易造成电动机损坏。当软起动器检测到电动机出现堵转或失速时,控制电动机停止运转,实施堵转或失速保护。

⑧软起动器自身的过热保护。

软起动器内部设有热敏传感器,用于监视晶闸管的温度,当晶闸管的温度达到额定温度时,软起动器控制晶闸管截止,实施过热保护。

为了便于软起动器的良好散热,通常在软起动器中都设有散热风扇,用于散去软起动器工作时内部元器件产生的热量。图1-12所示为软起动器的散热风扇。图1-12 软起动器的散热风扇(3)显示及按键设置功能

软起动器的显示及按键设置功能是通过软起动器的操作显示面板实现的。如图1-13所示,软起动器的操作显示面板上主要分为LED指示灯、液晶显示屏和操作按键3个模块。

液晶显示屏是人机对话的界面,通过与操作按键进行配合,实现对软起动器的功能设置,以及通过液晶显示屏查看电气参数、负载状况及运行时间等信息,而LED指示灯则可帮助用户查看软起动器的当前工作状态。图1-13 软起动器的操作显示面板(4)通信功能

为了便于通信以及人机交互,软起动器上通常设有不同的通信接口,用于连接远程操作盘、通信模块、计算机等通信装置。2.软起动器的整机结构

软起动器是将驱动、控制和检测等功能集于一体的控制装置,其可靠性、便捷性以及安全性是非常重要的。图1-14所示为软起动器的整机结构。图1-14 软起动器的整机结构

在软起动器上设有许多的输入/输出端子,如逻辑输入端、逻辑输出端、继电器输出端、模拟输出端、I/O端等。通过这些端子可实现电动机控制参数的输入/输出以及控制指令的输入,对电动机进行不同方式的启停控制,选择软起动器时应注意它的适应范围。3.软起动器的应用

软起动器是一种对不同的负载设备进行启停控制的装置,在工农业生产中,产品的加工、组装、运输等大量的工作都是由电动机来提供动力的,而电动机的重载启停、频繁启停、快速启停等不同的启动和停机要求,会对电动机造成不同程度的危害,从而缩短电动机的使用寿命,而选用软起动器对电动机进行控制克服了传统启动的不足,减小了对电动机的损害,使电动机适用于不同的工作场合,从而来实现不同的功能。图1-15所示为典型软起动器在实际中的应用。图1-15 典型软起动器在实际中的应用

从图1-15可看出,软起动器、控制开关、旁路交流接触器等都安装在控制箱内,电源线经控制开关后连接到软起动器的输入端,通过软起动器的一些控制设置,去控制电动机的启动和停机。电动机工作后带动机械设备正常工作,如带动泵类、压缩机、升降机、电梯、离心机、鼓风机、压碎机、搅拌机、传送带等机械设备进行工作。(1)软起动器的应用实例

图1-16所示为软起动器在污水处理厂鼓风机房中的应用实例。

主站控制中的可编程控制器通过网络与3台鼓风机组的分站控制中的可编程控制器进行数据交换。图1-16 软起动器在污水处理厂鼓风机房中的应用实例

主站控制中的可编程控制器用于实现对鼓风机组的远程控制、数据调节、实时监控鼓风机组的运行状态、接收分站控制中可编程控制器上传的控制信息、控制分站控制中可编程控制器的工作。

分站控制中的可编程控制器按照主站控制中的可编程控制器为软起动器提供工作指令,并随时监视和控制单台鼓风机的运行状态、显示单台鼓风机运行的参数等,电源经软起动器对电动机进行启动控制。

根据各鼓风机的工作环境,在各软起动器中设置鼓风机的启动方式和停机方式以及各参数,当软起动器接收到可编程控制器的控制指令后,根据预先设定的鼓风机启动方式和停机方式对单台鼓风机进行启动和停机控制。(2)软起动器的应用线路

图1-17所示为软起动器在锅炉风机电动机控制中的应用线路。

总断路器QF用于接通锅炉风机系统的供电电源;转换开关SA1用于选择电动机的启动方式(直接启动或软启动);交流接触器KM1用于接通电动机的供电回路;直接启动交流接触器KM2用于电动机的直接启动控制;旁路交流接触器KM3用于电动机启动后代替软起动器为电动机正常运转提供额定电压,降低软起动器的热损耗,延长软起动器的使用寿命,提高工作效率;软起动器用于对电动机不同的启动和停机方式进行设定和控制。图1-17 软起动器在锅炉风机电动机控制中的应用线路

图1-18和图1-19所示为软起动器在锅炉风机电动机控制中的控制过程。

将转换开关SA1拨至软启动位置,合上总断路器QF,接通锅炉控制系统的供电电源,按下启动按钮SB1,交流接触器KM1线圈得电,常开辅助触点KM1-2闭合自锁,常开主触点KM1-1闭合,接通软起动器的三相电源,软起动器根据预先设定的启动方式对锅炉风机电动机进行启动控制。

当锅炉风机电动机启动过程完成后电动机进入全速状态,由软起动器控制旁路交流接触器KM3线圈得电,常开主触点KM3-1闭合,三相电源经闭合的常开主触点KM3-1为锅炉风机电动机供电,为电动机正常运行提供额定电压,代替软起动器,从而降低了软起动器的损耗。图1-18 锅炉风机电动机的启动过程图1-19 锅炉风机电动机正常运行过程

1.1.2 软起动器的结构特点

(1)软起动器的外部结构

图1-20所示为典型软起动器的外部结构。由图可看出,软起动器的外部主要由主线路接线端子、复位按钮、功能设置开关、过载设定刻度盘、运行/出错指示灯、控制接线端子等构成。

①主线路接线端子。

电源侧的主线路接线端子主要用于连接三相供电电源,而负载侧的主线路接线端子主要用于连接电动机。图1-21所示为典型软起动器主线路的接线方法。

②复位按钮。

复位按钮主要用于软起动器出现各种错误信息或恢复软起动器出厂默认参数时的复位操作。图1-22所示为典型软起动器复位按钮的使用方法。图1-20 软起动器的外部结构

③过载设定刻度盘。

通过旋转过载设定刻度盘上的调节旋钮可将行程电流设为电动机的满载电流。图1-23所示为典型软起动器的过载设定刻度盘。

④功能设置开关。

功能设置开关用于设置软起动器的相关功能,如启动时间、启动模式、过载级选择等。图1-24所示为典型软起动器的功能设置开关。

⑤指示灯。

指示灯用于显示软起动器启动前、运行中的状态以及错误信息指示等,不同软起动器的指示灯显示有所不同。图1-21 软起动器主线路的接线方法图1-22 复位按钮的使用方法图1-23 过载设定刻度盘图1-24 功能设置开关

目前大多数的软起动器都是通过操作显示面板上的操作按键、指示灯、液晶显示屏,设置、监视软起动器的工作状态,通过液晶显示屏与操作按键的配合,实现对软起动器的功能设置,并通过指示灯观察软起动器的当前工作状态。图1-25所示为典型软起动器操作显示面板的结构。图1-25 软起动器操作显示面板的结构

⑥控制接线端子。

控制接线端子是用于连接软起动器控制信号的输入和输出的部件,通过外接控制器件控制软起动器的工作方式,软起动器根据输入的控制信号和预先设置的参数值,启动负载设备工作。当负载设备启动完成后,由启动完成输出端子和旁路控制端子输出信号,启动旁路接触器工作,为电动机正常运行提供额定电压;当负载设备运转出现故障时,软起动器的故障输出端子输出控制信号,启动报警装置工作。图1-26所示为典型软起动器的控制接线端子。图1-26 典型软起动器的控制接线端子(2)软起动器的内部结构

图1-27所示为典型软起动器的内部结构。由图可看出,软起动器内部主要由低压控制线路板、高压控制线路板、晶闸管调压线路以及风扇电动机等构成。高压控制线路板为晶闸管调压线路提供触发信号,通过改变晶闸管的导通角,来调节软起动器的输出电压;低压控制线路板上设有许多的输入、输出端子,用于参数及控制指令的输入,对电动机进行不同方式的启停控制;风扇电动机用于驱动风扇旋转,来散发软起动器内部产生的热量。图1-27 典型软起动器的内部结构

图1-28为软起动器的内部框图以及引脚图。由图可知,三相电源经总断路器QF送入软起动器的R、S、T 3个输入端;U、V、W输出端接电动机;KM为旁路接触器,用于电动机启动后代替软起动器为电动机提供正常的额定电压;过热保护继电器FR连接在旁路接触器KM的回路中,用于电动机运行时的过热保护;远程控制输入端分为启动、停车、自由停车、复位、点动等;可编程输出端分为延时继电器输出、旁路接触器输出、故障继电器输出;此外还有电流表输出端和RS-485串口通信。图1-28 软起动器的内部框图以及引脚图

1.2 常用软起动器的结构与功能特点

1.2.1 威尔凯WKR5000型软起动器的结构与功能特点

威尔凯WKR5000型软起动器适用于交流电路380~1140V、频率为50/60Hz、额定电流为1200A以下的三相交流笼型异步电动机的启停控制。图1-29所示为威尔凯WKR5000型软起动器的实物外形。图1-29 威尔凯WKR5000型软起动器实物外形1.威尔凯WKR5000型软起动器的结构(1)外部结构

图1-30所示为威尔凯WKR5000型软起动器的外部结构。由图可看出,该软起动器的外部主要由主线路接线端子(电源侧和负载侧)、控制接线端子、旁路接触器接线端子、操作显示面板、计算机通信接口等构成。

①主线路接线端子、旁路接触器接线端子。

图1-31所示为威尔凯WKR5000型软起动器主线路接线端子、旁路接触器接线端子的连接关系。三相电压经总断路器由电源侧的主线路接线端子送入软起动器,软起动器可以设置启动电压、电流等选项,然后由其负载侧的主线路接线端子输出到三相交流笼型异步电动机,从而控制电动机的启动。图1-30 威尔凯WKR5000型软起动器的外部结构图1-31 威尔凯WKR5000型软起动器主线路部分的连接关系

软起动器的旁路接触器接线端子连接旁路交流接触器,而交流接触器的另一端连接三相交流笼型异步电动机的3个绕组端,用于代替软起动器为电动机正常运行提供额定电压。电动机启动后,由交流接触器为电动机直接供电。

②控制接线端子。

图1-32所示为威尔凯WKR5000型软起动器控制接线端子。控制接线端子用于连接输入和输出部件的接口装置。威尔凯WKR5000型软起动器控制接线端子的输入端子包含瞬停、停车、启动,用于控制软起动器的工作状态;而输出端子包含旁路输出、延时输出、故障输出、DC0~20mA输出,根据输入的信号和预先设定的参数控制、监测电动机的工作状态。图1-32 威尔凯WKR5000型软起动器控制接线端子结构

③操作显示面板。

图1-33所示为威尔凯WKR5000型软起动器的操作显示面板的结构。其主要包含操作按键、指示灯和数码显示屏3个模块,通过操作按键、数码显示屏。以及速度指示灯、百分比指示灯和电流指示灯配合对软起动器的参数进行设置。工作时通过准备指示灯、运行指示灯和故障指示灯观察软起动器的工作状态。图1-33 威尔凯WKR5000型软起动器操作显示面板结构

④计算机通信接口。

威尔凯WKR5000型软起动器的计算机通信接口包括RJ-45接口和DB9接口。其中RJ-45接口为标准的网络接口;而DB9接口内置RS-485接口和RS-232接口,可以分别与RS-485接口和RS-232接口进行数据通信。图1-34所示为威尔凯WKR5000型软起动器的计算机通信接口外形及各引脚功能含义。图1-34 威尔凯WKR5000型软起动器的计算机通信接口外形及各引脚功能(2)内部结构

图1-35为威尔凯WKR5000型软起动器主线路部分的内部结构框图及引脚图。三相电源经总断路器QF加到软起动器的主线路接线端子R、S、T端,U、V、W端分别接电动机的三相绕组;旁路交流接触器KM接在软起动器L1、L2、L3和电动机的三相绕组间,用于代替软起动器为电动机提供额定工作电压;远程控制输入的接线端子外接控制按钮,控制软起动器的工作状态,连锁延时、故障输出、直流输出以及旁路输出端均输出软起动器发出的不同控制信号。图1-35 威尔凯WKR5000型软起动器结构框图及连接关系

图1-36所示为威尔凯WKR5000型软起动器主控线路板的内部结构。由图可看出,主控线路板主要由各种接口、变压器、控制接线端子、控制芯片、继电器等元器件构成。2.威尔凯WKR5000型软起动器的功能(1)控制功能

①启动控制功能。

威尔凯WKR5000型软起动器设有5种启动方式,分别为限电流启动方式、电压斜坡启动方式、电流斜坡启动方式、脉冲冲击启动方式(脉冲冲击限电流和脉冲冲击电压斜坡)、电压限流双闭环启动方式。

◆限电流启动方式。

威尔凯WKR5000型软起动器的限电流启动方式一般用于对启动电流没有严格要求的场合。

通过预先设定电动机的启动限流值,当电动机启动时,输出电压迅速增加,电动机的启动电流迅速增加到设定的电流值且不大于该值,此过程电动机的转速逐渐增高,当电动机的转速达到额定转速时,旁路交流接触器闭合,代替软起动器为电动机提供额定电压,软起动器的输出电流迅速下降至电动机的额定电流,结束电动机的启动工作。图1-37为威尔凯WKR5000型软起动器限电流启动方式的曲线图。图1-36 威尔凯WKR5000型软起动器内部主控线路板结构图1-37 威尔凯WKR5000型软起动器限电流启动方式的曲线图

◆电压斜坡启动方式。

威尔凯WKR5000型软起动器的电压斜坡启动方式适用于对电动机的启动电流要求不高,而对启动平稳性要求较高的场合。

通过预先设定电动机的初始电压值,当电动机启动时,输出电压迅速上升至初始电压,然后从初始电压开始按所设定的启动参数逐渐上升,电动机的转速也随之平稳提高,当启动电压达到电动机的额定电压时,电动机达到额定转速,旁路交流接触器闭合,代替软起动器为电动机提供额定电压,结束电动机的启动工作。图1-38为威尔凯WKR5000型软起动器电压斜坡启动方式的曲线图。

◆电流斜坡启动方式。

威尔凯WKR5000型软起动器的电流斜坡启动方式具有较强的加速能力,可缩短电动机的启动时间,适用于两极电动机。

通过预先设定电动机的限流值和时间值,使电动机启动时按照所设定的限流值和时间值逐渐上升,当电动机的转速达到额定转速时,旁路交流接触器闭合,代替软起动器为电动机提供额定电压,软起动器的输出电流迅速下降至电动机的额定电流,结束电动机的启动工作。图1-39为威尔凯WKR5000型软起动器电流斜坡启动方式的曲线图。图1-38 威尔凯WKR5000型软起动器电压斜坡启动方式的曲线图图1-39 威尔凯WKR5000型软起动器电流斜坡启动方式的曲线图

◆脉冲冲击启动方式(脉冲冲击限电流和脉冲冲击电压斜坡)。

脉冲冲击启动方式适用于重载并需要克服较大静摩擦的启动场合。

电动机启动初期,先对电动机施加一个较高的固定电压,一段时间后再回落,然后按照限电流启动方式或电压斜坡启动方式启动。图1-40为威尔凯WKR5000型软起动器脉冲冲击启动方式的曲线图。图1-40 威尔凯WKR5000型软起动器脉冲冲击启动方式的曲线图

◆电压限流双闭环启动方式。

电压限流双闭环启动方式适用于要求电动机启动平稳并对启动电流有严格要求的场合。

该启动方式采用电压斜坡和限电流双闭环回路控制,其曲线图根据电动机和负载的情况会有所不同。

②停车控制功能。

威尔凯WKR5000型软起动器设有2种停车方式,分别为软停车方式和自由停车方式。

◆软停车方式。

通过参数设定软停车的限流值,当按下停车按键,电动机的供电由旁路交流接触器切换到软起动器的晶闸管调压线路,控制软起动器的输出电压逐渐减小,从而控制电动机的速度逐渐降低。其晶闸管调压线路输出的停车截止电压与启动时的初始电压相同。

◆自由停车方式。

当设置的电动机停车方式为自由停车时,按下停车按键,软起动器立即断开电动机旁路交流接触器的供电回路,同时截止晶闸管调压线路的输出,电动机按惯性停止运转。(2)保护功能

威尔凯WKR5000型软起动器设有10种保护方式,分别为电动机软起动器过热保护、输入断相保护、输出断相保护、三相不平衡保护、启动过电流保护、持续过载运行保护、电源欠电压保护、电源过电压保护、负载短路保护、电动机欠载保护。表1-1所列为威尔凯WKR5000型软起动器的保护动作延时时间以及动作值。

表1-1 威尔凯WKR5000型软起动器的保护动作延时时间以及动作值

威尔凯WKR5000型软起动器设置了5个保护级别,分别为初级、轻载、标准、重载和高级,适用于电动机不同工作场合的保护。表1-2所列为威尔凯WKR5000型软起动器的保护级别设定值。表1-2 威尔凯WKR5000型软起动器的保护级别设定值

①初级保护。

初级保护适用于无条件紧急启动的场合,它包含过热、短路和回路故障保护功能,禁止了外接瞬停端子的保护功能。

②轻载、标准、重载保护。

轻载、高级保护标准、重载保护包含了完整的保护功能,适用于不同的电动机启动场合。

③高级保护。

高级保护适用于对电动机启动要求较为严格的场合,它的启动保护标准较为严格。

图1-41所示为运行过载脱扣时间曲线(过热保护)。图1-41 运行过载脱扣时间曲线(过热保护)(3)自动重启功能

威尔凯WKR5000型软起动器带有的自动重启功能是指软起动器由于发生故障或断电,停止工作,而当软起动器再次上电时,延时60s或设定的自动启动时间后,重新启动工作。

该软起动器带有欠电压保护功能,当软起动器断电而再次上电时,则重新启动功能失效,只有当软起动器禁止失电保护,允许运行状态记忆恢复功能且允许自动重启功能时,欠电压保护功能才会解除。

1.2.2 丹佛斯MCD3000型软起动器的结构与功能特点

丹佛斯MCD3000型软起动器的功能包含对三相交流电动机进行启动控制、停车控制、保护控制、监控控制等。图1-42所示为丹佛斯MCD3000型软起动器的实物外形及型号含义。图1-42 丹佛斯MCD3000型软起动器的实物外形及型号含义1.丹佛斯MCD3000型软起动器的结构(1)外部结构

图1-43所示为丹佛斯MCD3000型软起动器的外部结构。由图可看出,该软起动器的外部主要由操作显示面板、远程控制输入状态指示灯面板、端子盖板、背部盖板等构成。

图1-44所示为丹佛斯MCD3000型软起动器的操作显示面板。该操作显示面板包含操作按键、指示灯和数码显示屏3个模块,通过操作按键、数码显示屏以及各指示灯的配合,对软起动器的参数进行设置,工作时可通过指示灯观察软起动器的工作状态。(2)内部结构

图1-45所示为丹佛斯MCD3000型软起动器的内部结构。由图可看出,软起动器的内部主要由主线路、控制线路、主线路接线端子、旁路接触器接线端子、控制接线端子、电源变压器、电流互感器、冷却风扇、散热片等构成。图1-43 丹佛斯MCD3000型软起动器的外部结构图1-44 丹佛斯MCD3000型软起动器的操作显示面板

①主线路。

图1-46为丹佛斯MCD3000型软起动器的主线路接线图。主线路主要由晶闸管调压线路,主线路电源侧接线端子L1、L2、L3,主线路负载侧接线端子T1、T2、T3,旁路交流接触器接线端子B1、B2,电流互感器TA1、TA2等构成。图1-45 丹佛斯MCD3000型软起动器的内部结构图1-46 丹佛斯MCD3000型软起动器的主线路接线图

三相电源经电源开关(总断路器)后,由软起动器的主线路电源侧接线端子L1、L2、L3送入软起动器的主线路中,由触发控制线路控制晶闸管调压线路,使其输出的电压逐渐增大,并由主线路负载侧接线端码汉卡T1、T2、T3输送到电动机中,控制电动机进行软启动。

旁路交流接触器的主触点连接在软起动器的旁路交流接触器接线端子B1、B2和主线路电源侧接线端子L2上,当电动机启动完成后,由旁路交流接触器代替软起动器为电动机直接供电。

电流互感器TA1、TA2连接在三相电源的L1和L3两相上,用于检测线路中的工作电流,以便在电流过大时进行报警和保护。

②控制线路。

图1-47为丹佛斯MCD3000型软起动器的控制线路接线图。控制线路主要由控制芯片、数码显示屏、接口、继电器、控制接线端子等构成,其中控制接线端子主要包含远程控制输入端、可编程输出端、热敏电阻器接入端、RS-485串口通信端。图1-47 丹佛斯MCD3000型软起动器的控制线路接线图

远程控制输入端包含启动端子、停车端子、复位端子、参数设置端子,主要用于控制软起动器的工作状态;可编程输出端包含继电器输出A、B、C3个端子,主要用于软起动器的故障输出、旁路输出或制动输出等;热敏电阻器接入端主要用于连接热敏电阻器,用于监测电动机的温度;RS-485串口通信端用于与计算机进行通信。

③冷却风扇、散热片、上通风口、下通风口

图1-48所示为冷却风扇、散热片、上通风口、下通风口的结构。由图可看出,冷风从下通风口吹向软起动器,冷却风扇用于增强气流将软起动器产生的热量带走,气流从软起动器的下部向上部流动,其热量由软起动器的上通风口散发出去。图1-48 冷却风扇、散热片、上通风口、下通风口的结构2.丹佛斯MCD3000型软起动器的功能(1)控制功能

丹佛斯MCD3000型软起动器具有软启动、软停车、软制动、直接制动停车4种启停控制功能。(2)保护功能

丹佛斯MCD3000型软起动器具有欠载保护、过载保护、软起动器自身过热保护、重启延时保护、跳闸前报警、三相不平衡保护等保护功能。(3)通信功能

丹佛斯MCD3000型软起动器具有一条非隔离的RS-485串口通信线路,用于与计算机进行连接,可控制软起动器的运行状态,设置、查询、编写软起动器的参数。(4)测量功能

丹佛斯MCD3000型软起动器可对其启动特性、运行特性、电源线路(晶闸管触发线路等)、控制输入等进行测试,以保证软起动器启动、运行以及远程控制的正常。

第2章 初步认识变频器

2.1 变频器的功能和结构特点

变频器的英文缩写为VFD或VVVF,它是一种利用逆变线路的方式将恒频恒压的电源变成频率和电压可变的电源,进而对电动机进行调速控制的装置。图2-1所示为典型变频器的实物外形。图2-1 典型变频器的实物外形

2.1.1 变频器的功能与应用

变频器与软起动器的功能有所不同,软起动器主要是对电动机进行启动控制,而变频器则主要是对电动机进行调速控制。

前一章所述的软起动器只相当于一个调压器,用于改变电动机启动时的输入电压,不改变频率(即不能改变电动机的转速);而变频器用于需要调整转速的设备中,既可以改变输出的电压,又可以改变频率(即可改变电动机的转速)。图2-2为变频器的功能原理图。

由图2-2可以看到,变频器用于将频率一定的交流电源转换为频率可变的交流电源,从而实现对电动机的启动及转速进行控制。

注意:变频器的输出不但改变电压而且同时改变频率,适用于需要调速的地方,它还具有软启动的功能;而软起动器的输出只改变电压并没有改变频率,用于电动机的启动控制,它只是在电动机启动的瞬间,作为降压启动控制,不参与运行。变频器具备所有软起动器的功能。图2-2 变频器的功能原理图1.变频器的功能特点

变频器是一种集启停控制功能、变频调速功能、显示及按键设置功能、保护功能等于一体的电动机控制装置。(1)启停控制功能

变频器收到启动和停止指令后,可根据预先设定的启动和停车方式控制电动机的启动与停机,其主要的控制功能包含软启动控制、加/减速控制、停车及制动控制等。

①软启动功能。

变频器基本上包含了软起动器的各项软启动功能,可实现被控负载电动机的启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流的150%的变化,降低了对电网的冲击和对供电容量的要求。图2-3所示为电动机在硬启动、软起动器启动和变频器启动3种启动方式中,其启动电流、转速上升状态的比较。

硬启动方式如图2-3(a)所示。电源经开关直接为电动机供电,由于电动机处于停机状态,为了克服电动机转子的惯性,绕组中的电流很大,在大电流作用下,电动机转速迅速上升,在短时间内(小于1s)到达额定转速,在转速为NK时转矩最大。这种情况转速不可调,其启动电流为运行电流的6~7倍,因而启动时电流冲击很大,对机械设备和电气设备都有较大的冲击。图2-3 电动机硬启动、软起动器启动和变频器启动的比较图2-3 电动机硬启动、软起动器启动和变频器启动的比较(续)

在软启动方式中,由于采用了降压启动方式,加给电动机的电压缓慢上升,延长了电动机从停机到额定转速的时间,因而启动电流相比硬启动方式时的冲击电流减小为原来的1/3~1/2。正常运行状态时的电流与硬启动方式相同。

在变频器启动方式中,由于采用的是降压和降频的启动方式,电动机启动的过程为线性上升过程,因而启动电流只有额定电流的1.2~1.5倍,对电动机和电气设备几乎无冲击作用,而且进入运行状态后会随负载的变化改变频率和电压,从而使转矩随之变化,达到节省能源的最佳效果,这也是变频启动方式的优点。

变频器的软启动方式有多种,可根据需要进行设置。

变频器的启动频率可在启动之前进行设定,变频器可实现其输出由零直接变化为启动频率对应的交流电压,然后按照其内部加速曲线逐步提高输出频率和输出电压直到设定频率,如图2-4所示。

需要注意的是,设定启动频率不宜过大,否则会造成启动冲击或过电流,而导致启动功能失常。

②可受控的加/减速功能。

在使用变频器对电动机进行控制时,变频器输出的频率和电压可从低频低压加速至额定频率和额定电压,或从额定频率和额定电压减速至低频低压,而加/减时的快慢可以由用户选择加/减速方式进行设定,即改变上升或下降频率。其基本原则是,在电动机的启动电流允许的条件下,尽可能缩短加/减速时间。图2-4 变频器中启动频率的设定

例如,三菱FR-A700通用型变频器的加/减速方式有直线加/减速、S曲线加/减速A、S曲线加/减速B和齿隙补偿4种,如图2-5所示。图2-5 三菱FR-A700通用型变频器的加/减速方式

◆直线加/减速方式。

直线加/减速方式(该变频器中其设定值为“0”)是指频率与时间按一定比例变化的方式。在变频器运行模式下,改变频率时,为不使电动机及变频器突然加/减速,使其输出频率呈直线变化,达到设定频率。

◆S曲线加/减速A方式。

S曲线加/减速A方式(该变频器中其设定值为“1”)用于需要在基准频率以上的高速范围内短时间加/减速的场合,如工作机械主轴电动机的驱动系统。

◆S曲线加/减速B方式。

S曲线加/减速B方式(该变频器中其设定值为“2”)从f(当前2频率)到f(目标频率)提供一个S形加/减速曲线,具有缓和加/减速1时的振动效果,可防止负载冲击力过大,适用于运输机械等的负载冲击太大的场合,如在皮带传送的运输类负载设备中,用来避免货物在运送的过程中滑动。

◆齿隙补偿方式。

齿隙补偿方式(该变频器中其设定值为“3”)是指为了避免齿隙,在加/减速时暂时中断加/减速的方式。

齿隙是指电动机在切换旋转方向时或从定速运行转换为减速运行时,驱动齿轮所产生的齿隙。

③可受控的停车及制动功能。

在变频器控制中,停车及制动方式可以受控,且一般变频器都具有多种停车方式及制动方式以供设定或选择,如减速停车方式、自由停车方式、减速停车+制动方式等。该功能可减少对机械部件和电动机的冲击,从而使整个系统更加可靠。

在变频器中经常使用的制动方式有2种,即直流制动、外接制动电阻和制动单元制动,用来满足不同用户的需要。

◆直流制动方式。

变频器的直流制动方式是指当电动机的工作频率下降到一定的范围时,变频器向电动机的绕组间接入直流电压,从而使电动机迅速停止转动。在直流制动方式中,用户需对变频器的直流制动电压、直流制动时间以及直流制动起始频率等参数进行设置。

◆外接制动电阻和制动单元制动方式。

当变频器输出频率下降过快时,电动机将产生回馈制动电流,使直流电压上升,可能会损坏变频器。此时为回馈线路中加入制动电阻和制动单元,将直流回路中的能量消耗掉,以便保护变频器并实现制动。(2)变频调速功能

变频器的变频调速功能是其最基本的功能,也是其明显区别于软起动器等控制装置的地方。

通常,交流电动机转速的计算公式为

式中,N为电动机转速,f为电源频率,p为电动机磁极对数11(由电动机内部结构决定)。可以看到,电动机的转速与电源频率成正比。

在普通电动机供电及控制线路中,电动机直接由工频电源(50Hz)供电,即其供电电源的频率f是恒定不变的,例如,当交流1电动机磁极对数p=2时,可知其在工频电源下的转速为

而由变频器控制的电动机线路中,变频器可以将工频电源通过一系列的转换使输出频率可变,从而可自动完成电动机的调速控制。目前,多数变频器的调速控制主要有压/频控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式4种。

①压/频控制方式。

压/频控制方式又称为U/f控制方式,即通过控制逆变线路输出电源频率变化的同时也调节输出电压的大小(即U增大则f增大,U减小则f减小),从而调节电动机的转速。图2-6为典型压/频控制线路框图。图2-6 典型压/频控制线路框图

采用该类控制方式的变频器多为通用型变频器,适用于调速范围要求不高的场合,如风机、水泵的调速驱动线路等。

②转差频率控制方式。

转差频率控制方式又称为SF控制方式,该方式采用测速装置来检测电动机的转速频率,然后与设定转速频率进行比较,根据转差频率去控制逆变线路。图2-7为转差频率控制方式的工作原理示意图。图2-7 转差频率控制方式的工作原理示意图

采用该类控制方式的变频器需要测速装置检测出电动机转速,因此多为一台变频器控制一台电动机的形式,通用性较差,适用于自动控制系统中。

③矢量控制方式。

矢量控制方式仿照直流电动机的控制特点,将异步电动机的定子电流在理论上分成两部分:产生磁场的电流分量(磁场电流)和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量(转矩电流),并分别加以控制。

采用该类控制方式的变频器具有低频转矩大、响应快、机械特性好、控制精度高等特点。

④直接转矩控制方式。

直接转矩控制方式又称为DTC方式,是目前最先进的交流异步电动机控制方式,该方式不是间接地控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来进行变频控制。

目前,该类方式多用于一些大型的变频器设备中,如重载、起重、电力牵引、惯性较大的驱动系统以及电梯等设备中。(3)显示及按键设置功能

变频器前面板上一般都设有显示屏及操作按键,可用于对变频器各项参数进行设定以及对设定值、运行状态等进行显示。图2-8所示为三菱FR-DU04型变频器的显示屏及操作按键部分。图2-8 典型变频器的显示屏及操作按键部分

由图2-8可以看到,该变频器的前面板上安装有操作按键、LED数码显示屏和状态指示灯,通过操作按键便可对各种控制和功能等进行操作,同时通过显示屏和指示灯来显示工作状态。(4)保护功能

变频器内部设有保护线路,可实现对其自身及负载电动机的各种异常保护功能,其中主要实现过载保护和防失速保护。

①过载保护功能。

变频器的过载保护即过电流保护或过热保护。在所有的变频器中都配置了电子热保护功能或采用热继电器进行保护。过载保护功能是通过监测负载电动机及变频器本身温度来实现的,当变频器所控制的负载惯性过大或因负载过大引起电动机堵转时,其输出电流超过额定值或交流电动机过热时,保护线路动作,使电动机停转,防止变频器及负载电动机损坏。

②防失速保护功能。

失速是指当给定的加速时间过短,电动机加速变化远远跟不上变频器的输出频率变化时,变频器将因电流过大而跳闸,停止运转。

为了防止上述失速现象,使电动机正常运转,变频器内部设有防失速保护线路,该线路可检测出电流的大小并进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率,当减速电流过大时也适当放慢减速速率,以防出现失速情况。

另外,变频器内部的保护线路可在运行中实现过电流短路保护、过电压保护、冷却风扇过热保护和瞬时停电保护等,当检测到异常状态后可控制内部线路实现停机保护。(5)通信功能

为了便于通信以及人机交互,变频器上通常设有不同的通信接口,可用于与可编程控制器(PLC)自动控制系统以及远程操作盘、通信模块、计算机等进行通信连接,如图2-9所示。图2-9 变频器上的通信接口及连接(6)其他功能

变频器作为一种新型的电动机控制装置,除上述功能特点外,还具有运转精度高、功率因数可控等特点。

无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低会导致电网有功功率的降低,使大量的无功电能消耗在线路当中,使设备的效率低下,能源浪费严重。使用变频调速装置后,由于变频器内部设置了功率因数补偿线路(滤波电容的作用),从而减小了无功损耗,增加了电网的有功功率。2.变频器的应用

变频器是一种依托于变频技术开发的新型智能驱动和控制装置,广泛地应用于交流异步电动机速度控制的各种场合,高效率的驱动性能及良好的控制特性,使其成为目前公认的最理想、最具有发展前景的调速方式之一。

变频器的各种突出功能使其在节能、提高产品质量或生产效率、改造传统产业使其实现机电一体化、工厂自动化、改善环境等各种方面得到了广泛的应用。其所涉及的行业领域也越来越广泛,简单来说,只要使用到交流电动机的地方,几乎都可以应用变频器。(1)变频器在节能方面的应用

变频器在节能方面的应用主要体现在风机、泵类等作为负载设备的领域中,一般可实现20%~60%的节电率。

由流体力学可知,风机、泵类负载的实际消耗功率P(功率)=Q(流量)×H(压力)。其中,流量Q与电动机转速N的一次方成正比,压力H与转速N的二次方成正比,由此可知,该类负载的实际消耗功率P与转速N的三次方成正比。

对于传统风机、泵类负载采用调节挡板、阀门进行流量调节的节能方式,当用户需要较小流量时,其可实现对流量的调节,但由于电动机转速不变(电源频率不变,转速N=60×电源频率f/电动机磁极对数p),其节能效果并不明显,耗电功率下降较小。

而采用变频器进行调速(电源频率可变)控制时,当要求调节流量下降时,转速N可成比例地下降,而此时实际消耗功率P成三次方关系下降,即水泵电动机的耗电功率与转速近似成三次方比的关系。所以当所要求的流量Q减少时,可调节变频器输出频率,使电动机转速N按比例降低,这时,电动机的功率P将按三次方关系大幅度降低,比调节挡板、阀门节能40%~50%,从而达到节电的目的。

图2-10所示为变频器在锅炉和水泵驱动线路中的节能应用。

图2-10所示系统中有两台风机驱动电动机和一台水泵驱动电动机,这3台电动机都采用了变频器驱动方式,耗能下降25%~40%,大大节省了能耗。

例如,若将系统中的一台功率为55kW的水泵采用变频器调速方式控制,当其转速下降到原转速的4/5时,其耗电量与转速成三次方关系大幅度降低,即,省电48.8%;当其转速下降到原转速的1/2时,其耗电量与转速成三次方关系大幅度降低,即,省电87.5%。据统计,在我国风机、泵类负载主要应用于发电厂、水处理、中央空调、液压泵等各种场合,在全国用电量中占相当大的比例,若将这些领域进行变频改造,每年节电量将十分可观。(2)变频器在提高产品质量或生产效率方面的应用

变频器的控制性能使其在提高产品质量或生产效率方面得到广泛应用,如传送带、起重机、挤压机、注塑机、机床、纸/膜/钢板加工设备、印刷板开孔机等各种机械设备控制领域。图2-10 变频器在锅炉和水泵驱动线路中的节能应用

图2-11所示为变频器在典型挤压机驱动系统中的应用。图2-11 变频器在典型挤压机驱动系统中的应用

挤压机是一种用于挤压一些金属或塑料材料的压力机,其具有将金属或塑料锭坯一次加工成管、棒等型材的功能,且完成在瞬息之间。

采用变频器对该类机械设备进行调速控制,不仅可根据机械特点调节挤压机螺杆的速度,提高生产量,还可检测挤压机柱体的温度,实现控制螺杆的运行速度;另外,为了保证产品质量具有均质的品况,不间断的均匀供料是挤压机正常工作必不可少的前提条件,变频器可用于检测因挤压状态不良导致的传动机构电动机过载或过热状态,实现运行自动控制、自动检测和自动保护。(3)变频器在改造传统产业、实现机电一体化方面的应用

近年来,变频器的发展十分迅速,在工业生产领域和民用生活领域都得到了广泛的应用,特别在一些传统产业的改造建设中起到了关键作用,使它们从功能、性能及结构上都有一个质的提高,同时可实现国家节能减排的基本要求。

图2-12所示为变频器在纺织机械中的应用。图2-12 变频器在纺织机械中的应用

纺织工业是我国最早产生的民族工业之一,在工业生产中占有举足轻重的地位,传统纺织机械的自动化也是我国工业自动化发展的一个重要项目。可编程控制器、变频器、伺服电动机、人机界面是驱动控制系统中不可缺少的组成部分。

在纺织机械中有多个电动机驱动的传动机构,互相之间的转动速度和相位都有一定的要求。通常,纺织机械系统中的电动机普遍采用通用变频器控制,所有的变频器则统一由可编程控制器控制。(4)变频器在自动控制系统中的应用

随着控制技术的发展,一些变频器除了基本的软启动、调速控制之外,还具有多种智能控制、多电动机一体控制、多电动机级联控制、力矩控制、自动检测和保护功能,输出精度可达0.1%~0.01%。由此其在自动化系统中也得到了广泛的应用,常见的主要有化纤工业中的卷绕、拉伸、计量,各种自动加料、配料、包装系统及电梯智能控制中。

图2-13所示为变频器在电梯智能控制中的应用。图2-13 变频器在电梯智能控制中的应用

在图2-13所示的电梯智能控制系统中,电梯的停车、上升、下降、停车位置等根据操作控制输入指令,变频器通过检测线路或传感器实时监测电梯的运行状态,根据检测线路或传感器传输的信息,实现自动控制。(5)变频器在空调器中的应用

随着人们对生活质量和环境的要求不断提高,变频器除在工业上得到发展外,在民用改善环境方面也得到了一定范围的应用,如在空调系统及供水系统中,采用变频器具有可有效减小噪声、平滑加速度、防爆、高安全性等优势。

图2-14所示为变频器在中央空调系统中的应用。

变频器在中央空调系统中分别对主机压缩机、冷却水泵电动机、冷冻水泵电动机进行变频驱动,从而可实现对温度、温差的控制。该类控制系统可以通过两种途径实现节能效果。

①压差控制为主,温度/温差控制为辅。以压差信号为反馈信号,反馈到变频器线路中进行恒压差控制,而压差的目标值可以在一定范围内根据回水温度进行适当调整。当房间温度较低时,使压差的目标值适当下降一些,减小冷冻泵的平均转速,提高节能效果。图2-14 变频器在中央空调系统中的应用

②温度/温差控制为主,压差控制为辅。以温度/温差信号为反馈信号,反馈到变频器线路中进行恒温度、温差控制,而目标信号可以根据压差大小做适当调整。当压差偏高时,说明负载较重,应适当提高目标信号,增加冷冻泵的平均转速,确保最高楼层具有足够的压力。

2.1.2 变频器的结构特点

1.变频器的外部结构

不同品牌的变频器外形各异,甚至即使同一品牌不同型号的变频器外形也根据其驱动对象的功率或应用场合的不同而存在差异,但基本上包含了各种接线端子、操作显示面板(显示屏、操作按键或键钮、指示灯)、外壳等部分。

图2-15所示为典型变频器的外部结构。由图可看出,变频器的外部主要由操作显示面板、主线路接线端子、控制接线端子、控制逻辑切换跨接器、PU接口、电流/电压切换开关、冷却风扇等构成。图2-15 典型变频器的外部结构(1)操作显示面板

操作显示面板是变频器与外界实现交互的关键部分,目前多数变频器都是通过操作显示面板上的显示屏、操作按键或键钮、指示灯等进行相关参数的设置及运行状态的监视。图2-16所示为典型变频器操作显示面板的结构。图2-16 典型变频器操作显示面板的结构

不同类型的变频器其操作显示面板的组成也有所不同。图2-17所示为另一种变频器操作显示面板的结构,由图可看出其与图2-16所包含按键的功能及形式有所区别,但基本的功能按键十分相似。图2-17 其他变频器(安川J1000型变频器)操作显示面板的结构(2)主线路接线端子

电源侧的主线路接线端子主要用于连接三相供电电源,而负载侧的主线路接线端子主要用于连接电动机。图2-18所示为典型变频器的主线路接线端子部分及其接线方式。(3)控制接线端子

控制接线端子一般包括输入信号端子、输出信号端子及生产厂家设定用端子部分,用于连接变频器控制信号的输入、输出、通信等部件。其中,输入信号端子一般用于为变频器输入外部的控制信号,如正反转启动方式、频率设定值、PTC(正温度系数)热敏电阻输入等;输出信号端子则用于输出对外部装置的控制信号,如继电器控制信号等;生产厂家设定用端子一般不可连接任何设备,否则可能导致变频器故障。图2-18 典型变频器的主线路接线端子部分及其接线方式

图2-19所示为典型变频器的控制接线端子部分。图2-19 典型变频器的控制接线端子部分(4)控制逻辑切换跨接器

控制逻辑切换跨接器是指用于切换变频器控制逻辑方式的器件。一般变频器的控制逻辑方式分为漏型逻辑和源型逻辑(指控制场效应晶体管的漏极和源极),类似计算机主板上的跳线和跳线帽的关系。图2-20所示为典型变频器的控制逻辑切换跨接器。图2-20 典型变频器的控制逻辑切换跨接器

漏型逻辑是指信号输入端子中有电流流出时信号为ON的逻辑,源型逻辑是指信号输入端子中有电流流入时信号为ON的逻辑。(5)PU接口

PU接口是指变频器的通信接口,通过该接口及相应的连接电缆可实现变频器与操作面板、计算机等的连接。图2-21所示为典型变频器的PU接口部分。图2-21 典型变频器的PU接口部分

变频器通过PU接口连接计算机时,用户可以通过客户端程序对变频器进行操作、监视或读写参数。(6)电流/电压切换开关

电流/电压切换开关用于切换输入模拟信号的类型,所设定类型需要与输入模拟信号类型相符,否则可能损坏变频器。图2-22所示为典型变频器的电流/电压切换开关部分。(7)冷却风扇

大多数变频器内部都安装有冷却风扇,用于对变频器内部主线路中的半导体等发热器件进行冷却,不同类型变频器其冷却风扇的安装位置有所不同。图2-23所示为典型变频器的冷却风扇部分。2.变频器的内部结构

变频器的内部是由构成各种功能线路的电子、电力元器件构成的。图2-24所示为典型变频器的内部结构。图2-22 典型变频器的电流/电压切换开关部分图2-23 典型变频器的冷却风扇部分图2-24 典型变频器的内部结构

如图2-25所示,变频器内部主要是由整流单元(整流线路模块)、控制单元(控制线路板)、逆变单元(智能变频功率模块)、高容量电容、电流互感器等部分构成的。图2-25 典型变频器内部的单元模块3.变频器的线路结构

变频器的种类多种多样,不同类型的变频器其线路结构也有所不同,但基本上都可分为主线路和控制线路两大部分,如图2-26所示。图2-26 变频器的线路结构(1)变频器的主线路部分

变频器的主线路是指将频率一定的工频电源转换为频率及电压可调的变频电源,输出给交流异步电动机的线路部分。不同结构的变频器其主线路部分的具体结构也不相同,其中,目前最常采用的为交—直—交型变频器,即先将工频交流电通过整流线路转换成脉冲的直流电,再经中间线路中的电容平滑滤波后,由逆变线路再转换成频率和电压可调的交流电。图2-27所示为该类变频器的主线路部分。图2-27 变频器的主线路部分

由图2-27可以看到,其主线路部分主要是由整流线路、平波线路、制动线路和逆变线路等部分构成的。(2)变频器的控制线路部分

变频器的控制线路是指用于给主线路提供控制信号的线路部分,其主要是完成对逆变线路中功率晶体管的开关控制、对整流线路的电压控制以及完成各种保护功能等。图2-28为变频器控制线路部分的结构框图。图2-28 变频器控制线路部分的结构框图

图2-29为典型变频器的内部结构框图。图2-29 典型变频器的内部结构框图

2.2 常用变频器的结构与功能特点

目前,市场上流行的变频器种类繁多、型号各异,应用场合和具体功能特性也有所差异,下面以几种典型变频器为例介绍其结构及功能特点。

2.2.1 富士FRN1.5G1S-4C型变频器的结构与功能特点

富士FRN1.5G1S-4C型变频器适用于三相交流电压380~480V、频率为50/60Hz主电源供电,1.5kW及以下功率的交流异步电动机作为变频调速控制负载的场合。图2-30所示为富士FRN1.5G1S-4C型变频器的实物外形及型号命名含义,表2-1所列为该系列变频器的基本规格参数。图2-30 富士FRN1.5G1S-4C型变频器的实物外形及型号命名含义表2-1 富士FRN1.5G1S-4C型变频器的基本规格参数1.富士FRN1.5G1S-4C型变频器的结构(1)外部结构

图2-31所示为富士FRN1.5G1S-4C型变频器的外部结构。由图可看出,该变频器的外部主要由操作显示面板、主线路接线端子(电源侧和负载侧)、控制接线端子、计算机通信接口等构成。图2-31 富士FRN1.5G1S-4C型变频器的外形结构

①操作显示面板。

图2-32所示为富士FRN1.5G1S-4C型变频器的操作显示面板,其主要包含操作按键、LED指示灯和LED显示屏3个模块。通过操作按键、LED显示屏以及各LED指示灯配合可对变频器的参数进行设置,工作时可通过运行指示灯、LED显示屏指示变频器的工作状态。图2-32 富士FRN1.5G1S-4C型变频器操作显示面板(远程操作)的结构

操作显示面板各指示灯、操作按键等的功能及含义见表2-2。表2-2 富士FRN1.5G1S-4C型变频器操作显示面板各指示灯、操作按键等的功能及含义

②主线路和控制接线端子。

富士FRN1.5G1S-4C型变频器中的接线端子根据连接设备及用途可分为主线路接线端子和控制接线端子。

主线路接线端子为主电源接线及负载接线端,三相电压经总断路器由电源侧的主线路接线端子送入变频器,变频器可以设置启动频率等选项,然后由其负载侧的主线路接线端子输出到三相交流异步电动机,从而控制电动机的启动和变速。图2-33所示为富士FRN1.5G1S-4C型变频器的主线路接线端子及其连接方式。图2-33 富士FRN1.5G1S-4C型变频器的主线路接线端子及其连接方式

控制接线端子是用于连接输入和输出部件的接口装置,变频器的控制接线端子通常有很多个,可实现模拟信号和数字信号的输入以及脉冲信号输出、报警信号输出等。

③计算机通信接口。

富士FRN1.5G1S-4C型变频器采用基本的USB接口作为与计算机的通信接口,可用普通的USB数据线(mini USB)无需转换器,即可与计算机直接连接,如图2-34所示。

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