变频调速应用技术 第二讲 了解功能调变频.docx

1、变频调速应用技术 第二讲 了解功能调变频变频调速应用技术(三) 第二讲 了解功能调变频1 操作方式先选定1.1 操作方法须预选所谓操作方法，就是进行起动、停止、升速、减速等基本操作的方法。一般说来，变频器的操作方法主要有两种。(1) 键盘操作即通过变频器面板上的键盘来进行操作，也叫作面板操作。如图1(a)所示，基本操作如下:图1变频器的操作方法正转起动:按fwd键; l 反转起动:按rev键;停止:按stop键; l 升速:按p键;降速:按键。(2) 外接端子操作变频器的接线端子中，有一部分端子是用来接受外部的各种控制信号的。主要的控制信号有:频率给定信号 从外部输入电压信号或电流信号，来控制

2、输出频率的大小，如图1(b)中之vi1端，输入的是电位器rp上的分压信号。因为电压信号和电流信号都是模拟量，故也称为模拟量给定信号。常用的模拟量给定信号有:电压给定:给定信号为电压值。电压信号的范围有以下几种:05v、010v、05v、010v。当给定信号可“”可“”时，可通过给定信号的符号来改变电动机的旋转方向。电流给定:给定信号为电流值。大多数电流信号为420ma，有的变频器也可以是020ma。基本操作信号如正转(fwd)、反转(rev)、复位(rst)等，只需用开关触点把这些端子和公共端(com)之间联接起来，即可进行相应的操作了。因为所接受的是外部开关的信号，称为开关量输入。(3) 变

3、频器的操作方式选择功能如表1所示。表1 变频器的操作方式选择功能1.2 模拟给定有曲线由模拟量进行频率给定时，变频器的给定频率fx与对应的给定信号x(电压或电流信号)之间的关系曲线fx=f(x)，称为频率给定线。(1) 基本频率给定线给定信号x从0增大至最大值xmax的过程中，给定频率fx线性地从0增大到最大频率fmax的频率给定线称为基本频率给定线。基本频率给定线的起点为(x=0，fx=0);终点为(x=xmax，fxfmax)，如图2中之曲线所示。例如，给定信号为ug=010v，要求对应的输出频率为fx=050hz。则:ug=0v与fx=0hz相对应;ug=10v与fx=50hz相对应;u

4、g=5v与fx=25hz相对应。图2频率给定线(2) 任意频率给定线频率给定线的起点(给定信号为“0”时对应的频率)和终点坐标(给定信号为最大值时对应的频率)是可以根据拖动系统的需要任意预置的。最小给定频率当给定信号x=0时所对应的给定频率称为最小给定频率，也叫偏置频率，用fbi表示。从而，任意频率给定线的起点坐标为(0，fbi)，如图2-2(b)中之曲线所示。最大给定频率为给定信号x=xmax时对应的给定频率，称为最大给定频率，用fxm表示。所以，任意频率给定线的终点坐标是(xmax，fxm)。部分变频器中，最大给定频率fxm是通过预置“频率增益”g%来设定的。g%的定义是:最大给定频率fx

5、m与最大频率fmax之比的百分数g%()100% (2-1)当g%100%时，fxmfmax。这时的fxm为假想值，其中，fxmfmax的部分，变频器的实际输出频率等于fmax。因此，基本频率给定线也就是fbi=0hz、g%=100%时的频率给定线。2 频率定义记分明变频器中，有许多关于频率的称谓，对这些称谓的含义必须正确理解，方能准确而灵活地对它们进行设定。2.1 基本频率电压从(1) 基本频率的定义基本频率的大小是和变频器的输出电压相对应的。有两种定义方法:和变频器的最大输出电压对应的频率，如图3(a)所示;当变频器的输出电压等于额定电压时的最小输出频率，如图3(b)所示。基本频率用fba

6、表示。在绝大多数情况下，基本频率都和电动机的额定频率相等，如图3(c)所示。图3 基本频率的定义(2) 基本频率的活用举例220v的电动机配用380v变频器 当电动机的额定电压为220v，而所配变频器的额定电压为380v时，可以通过提高基本频率的方法来解决。如图4所示，当把基本频率预置为87hz时，则与87hz对应的电压是380v，而50hz对应的电压便是220v了。图4220v电动机配用380v变频器应用此法时，可以将工作频率上升至87hz，从而增大了电动机的输出功率。但应注意:由于变频器输出电压的脉冲高度仍高达513v上下，因此，所用电动机的槽绝缘必须和380v电动机一样好才行。降压节电

7、当电动机处于“大马拉小车”的状态时，电动机的功率因数和效率都较低，需要通过降低电压来节能。在变频调速中，如遇到这种情况，处理起来将是十分方便的。如图5(a)，负载所需功率只有70kw，而所用电动机的额定功率却是110kw。处于严重的“大马拉小车状态”。如果将基本频率预置为60hz，则与50hz对应的电压是317v，只有额定电压的83%左右。图5降压节电的方法在实际工作中，可以通过反复预置，直至电动机的运行电流最小时为止。2.2 最高频率名、实同最高频率是变频器允许输出的最大频率，用fmax表示。其具体含义因频率给定方式的不同而略有差别:(1) 由键盘进行频率给定时，最高频率意味着能够调到的最大

8、的频率。就是说，到了最高频率后，即使再按键，频率也不能再上升了，如图6(a)所示;图6 最高频率的定义(2) 通过外接模拟量进行频率给定时，最高频率通常指与最大的给定信号相对应的频率，如图6(b)所示，其基本频率给定线如图(c)所示。在大多数情况下，最高频率与基本频率是相等的。例如，风机和水泵，当运行频率超过基本频率时，负载的阻转矩将增加很大，使电动机过载。所以，必须把最高频率限制在基本频率以内。2.3 上限下限工艺控(1) 上限频率和下限频率的确定上限频率和下限频率是根据生产工艺的要求设定的。以某搅拌机为例，生产工艺要求:最高搅拌速度nlh600r/min;最低搅拌速度nll150r/min

9、。如图7(a)所示。图7上限频率与下限频率如传动机构的传动比=2，则电动机的最高转速和最低转速分别是:nmh1200r/min，对应的工作频率便是上限频率fh;nml300r/min，对应的工作频率便是下限频率fl。如图7(b)所示。(2) 上限频率和最高频率的关系上限频率不能超过最高频率:fhfmax如果用户希望增大上限频率，则首先应将最高频率预置得更高一些。当上限频率与最高频率不相等(fhfmax)时，上限频率优先于最高频率，变频器的最大输出频率为上限频率。这是因为，变频调速系统是为生产工艺服务的。所以，生产工艺的要求具有最高优先权。部分变频器中，上限频率与最高频率并未分开，两者是合二为一

10、的。2.4 发生谐振回避用任何机械在运转过程中，都或多或少会发生振动。每台机器又都有一个固有振荡频率，它取决于机械的结构。如果生产机械运行在某一转速时，所引起的振动频率和机械的固有振荡频率相吻合的话，则机械的振动将因发生谐振而变得十分强烈，并可能导致损坏机械的严重后果。设置回避频率fj的目的，就是使拖动系统“回避”掉可能引起谐振的转速，如图8所示。图8 回避频率不同变频器预置回避频率的方法略有差异，大致有以下两种:(1) 预置需要回避的中心频率fj和回避宽度fj;(2) 预置回避频率的上限fjh与下限fjl。大多数变频器都可以预置三个回避频率，如图8(b)所示。2.5 载波频率酌情动如第一讲所

11、述，变频器的输出电压是经过正弦脉宽调制(spwm)后的脉冲序列，如图9(a)所示。由于电动机的定子绕组具有电感性质，故通入定子绕组的电流波形是略带脉动的正弦波，脉动频率与载波频率一致。脉动电流将使电动机铁心的硅钢片中产生涡流，并使硅钢片之间产生电磁力而引起振动，产生电磁噪声。改变载波频率时，电磁噪声的音调也将发生改变。所以，有的变频器对于调节载波频率的功能，称为“音调调节功能”。(1) 载波频率对变频器输出电压的影响逆变桥中，上下两个逆变管是在不停地交替导通的，为了保证只有在一个逆变管完全截止的情况下，另一个逆变管才开始导通，在交替导通过程中必须有一个死区(等待时间)，如图9(b)所示。图9逆

12、变管交替导通时的死区十分明显，死区是不工作的区域。因此，载波频率越高，则死区的累计值越大，变频器的平均输出电压越小。(2) 载波频率对变频器输出电流的影响载波频率对变频器输出电流的影响主要有两个方面:载波频率越高，则电流波形的脉动越小。故适当提高载波频率，可以改善电流波形，减小电动机的电磁噪音。载波频率越高，则死区的累计值越大，也就是在一个周期中不工作的时间越长。因此，载波频率越高，变频器的实际输出电压越小。(3) 载波频率的其他影响载波频率越高，因线路相互之间，以及线路与地之间分布电容的容抗越小，由高频脉冲电压引起的漏电流越大。当电动机与变频器之间的距离较远时，则载波频率越高，由线路分布电容

13、引起的不良效应(如电动机侧电压升高、电动机振动等)越大。载波频率越高，则高频电压通过静电感应对其他设备的干扰也越严重。同时，高频电流产生的高频电磁场将通过电磁辐射对其他设备，尤其是通讯设备产生干扰。3升速降速稳又平3.1 起动电流能减小(1) 工频起动与变频起动工频起动以4极电动机为例，在接通电源瞬间，同步转速高达1500r/min，转子绕组与旋转磁场的相对速度很高，故转子电动势和电流很高，从而定子电流都很大，可达额定电流的(47)倍，如图10(a)和(c)所示。从机械特性上看，则在整个起动过程中，动态转矩tj很大，如图(b)所示。故起动时间很短，起动过程中的机械冲击很大。图10 异步电动机的

14、起动变频起动采用变频调速后，可通过降低起动时的频率来减小起动电流。仍以4极电动机为例，假设在接通电源瞬间，将起动频率降至5hz，则同步转速只有150r/min，转子绕组与旋转磁场的相对速度只有工频起动时的十分之一，如图10(d)所示。同时，电动机定子侧的输入电压也很低。故可以通过逐渐增大频率以减缓起动过程，如图10(e)所示。如果在整个起动过程中，使同步转速与转子转速间的转差限制在一定范围内，则起动电流也将限制在一定范围内，如图10(f)所示;另一方面，起动过程中的动态转矩tj也大为减小，升速过程将能保持平稳，减小了对生产机械的冲击。(2) 变频器的“升速时间”功能升速时间的定义变频器的“升速

15、时间”，指频率从0hz上升到最高频率(或基本频率)所需要的时间。升速时间对起动电流的影响毫无疑问，升速时间长，意味着频率上升较慢，如图11(a)所示，则电动机的转子转速能够跟得上同步转速的上升，在起动过程中的转差较小，如图11(b)，从而起动电流也较小。反之，升速时间短，意味着频率上升较快，如图11(d)所示，如拖动系统的惯性较大，则电动机转子的转速将跟不上同步转速的上升，结果使转差增大，如图11(e)，导致升速电流超过上限值imh，如图11(f)所示。图11升速时间与起动电流预置升速时间的原则在生产机械的工作过程中，升速过程(或起动过程)属于从一种状态转换到另一种状态的过渡过程，在这段时间内

16、，通常是不进行生产活动的。因此，从提高生产力的角度出发，升速时间应越短越好。但如上述，如升速时间过短，容易“过流”。所以，预置升速时间的基本原则，就是在不过流的前提下，越短越好。通常，可先将升速时间预置得长一些，观察拖动系统在起动过程中电流的大小，如起动电流较小，可逐渐缩短升速时间，直至起动电流接近上限值时为止。有些负载对起动和制动时间并无要求，如风机和水泵，其升、降速时间可适当地预置得长一些。(3) 升速过流的自处理功能对于惯性较大的负载，如果升速时间预置得过短，会因拖动系统的转速跟不上频率的变化而引起升速过电流。如因此跳闸而停机，将耽误生产。另一方面，生产工艺又要求尽量缩短起动过程，不宜将

17、升速时间预置得过长。对此，变频器设置了升速过电流的自处理功能，也叫防止跳闸功能。即，如果升速电流超过了上限值imh，变频器或通过暂停升速以减小升速电流，如图12(a)所示;或通过延长升速时间以减小升速电流，如图12(b)所示。待电流下降到上限值以下后再继续升速，从而防止了变频器的跳闸。3.2 起动过程也可调(1) 升速方式根据不同机械对起动过程的不同要求，变频器除了可以控制升、降速时间外，还可以通过对升速方式的预置，对不同时段的加速度进行控制。常见的升速方式有三种:图12 升速自处理线性方式在升速过程中，频率与时间成线性地上升，如图13中的曲线所示，多数负载可预置为线性方式。图13 升速方式s

18、形方式在开始阶段和结束阶段，升速的过程比较缓慢;而在中间阶段，则按线性方式升速。如图中之曲线所示。在电梯中，如果加速度变化过快，会使乘客感到不舒服，故以采用s形方式为宜。半s形方式升速过程呈半s形，如图中之曲线所示。例如，鼓风机在低速时负载转矩很小，升速过程可以快一些，但随着转速的增加，负载转矩增大较多，升速过程应减缓一些，采用半s形升速方式是比较适宜的。(2) 起动功能不同负载，根据其自身的状态，在起动过程中，往往有些特殊的要求。针对这种情况，变频器设置了一些可供用户选择的起动功能。起动频率对于静摩擦系数较大的负载，为了易于起转，起动时须有一点冲击力。为此，变频器设置了起动频率(fs)的功能

19、，使电动机在该频率下“直接起动”，如图14(a)所示。暂停升速功能有些负载，或者因惯性较大，或者因润滑油在低温时凝住的原因，在起动的初始阶段，希望在较低频率下运行一个短时间后再开始升速。为此，变频器设置了暂停升速功能，如图14(b)所示，用户可根据需要预置暂停升速的工作频率fsl和运行时间tsl。图14 起动功能起动前的直流制动功能一般情况下，变频器总是从0hz或较低频率下开始起动的，如果在起动前，电动机的转速不为0的话，则在起动瞬间，有可能引起过电流或过电压。例如:风机在停机状态下，由于有自然风的原因，叶片常自行转动，且往往是反转的;又如电动机以自由制动方式停机时，如在尚未停住的状态下再次起

20、动，如图14(c)所示。为此，变频器可以在起动前，向电动机的定子绕组中短时间地通入直流电流，以保证拖动系统在零速下起动，称为起动前的直流制动，用户须预置直流电压的大小和施加直流电压的时间，如图14(d)所示。3.3 减速须防电压跳(1) 降速过程中电动机的状态在变频调速系统中，转速的下降是通过降低频率来实现的。仍以4极电动机为例，说明如下:正常运行状态正常运行时，电动机的实际转速总是低于同步转速的，设为1440r/min。这时，转子绕组以转差n反方向(与旋转磁场方向相反)切割旋转磁场，转子电流和转子绕组所受电磁力fm的方向如图15(a)所示。由图知，由fm构成的电磁转矩tm的方向是和磁场的旋转

21、方向相同的，从而带动转子旋转。图15 降速时的电动机状态频率下降时的状态在频率刚下降的瞬间，由于惯性原因，转子的转速仍为1440r/min，但旋转磁场的转速却已经下降了。从而，转子绕组变成为正方向切割旋转磁场了，从而转子电动势和电流等都与原来相反，电动机变成了发电机，处于再生制动状态，如图15(b)所示。从能量平衡的观点看，则降速过程是拖动系统释放动能的过程，所释放的动能转换成了再生电能。直流电路的电压电动机在再生状态下发出的电能，经逆变管旁边的反并联二极管vd7vd12全波整流后，反馈至直流电路，使直流电压上升，称为泵升电压。如果直流电压过高，将会损坏整流和逆变模块。因此，当直流电压升高到一

22、定限值时，必须使变频器跳闸。(2) 降速时间与直流电压降速时间的定义变频器的“降速时间”，指频率从最高频率(或基本频率)下降到0hz所需要的时间。降速时间对电流电压的影射毫无疑问，降速时间长，意味着频率下降较慢，则电动机在下降过程中的发电量较小，从而直流电压上升的幅度也较小，如图16(a)所示。图16 降速时间与直流电压反之，降速时间短，意味着频率下降较快，如拖动系统的惯性较大，则电动机转子的转速将跟不上同步转速的下降，电动机的发电量较大，导致直流电压超过上限值，如图16(b)所示。预置降速时间的原则与升速过程一样，在生产机械的工作过程中，降速过程(或停机过程)也属于从一种状态转换到另一种状态

23、的过渡过程，在这段时间内，通常是不进行生产活动的。因此，从提高生产力的角度出发，降速时间也应越短越好。但如上述，如降速时间过短，容易“过电压”。所以，预置降速时间的基本原则，就是在不过压的前提下，越短越好。通常，可先将降速时间预置得长一些，观察拖动系统在停机过程中直流电压的大小，如直流电压较小，可逐渐缩短降速时间，直至直流电压接近上限值时为止。(3) 防止过电压跳闸的方法预置自处理功能和升速过程相仿，对于惯性较大的负载，如果降速时间预置得过短，会因拖动系统的动能释放得太快而引起直流回路的过电压。但某些负载又要求尽量缩短降速过程，不宜将降速时间预置得较长一些。为此，变频器设置了降速过电压的自处理

24、功能。如果在降速过程中，直流电压超过了上限值udh，变频器或通过暂停降速以减小直流电压，如图17(a)所示;或通过延长降速时间以减小直流电压，如图17(b)所示。待直流电压下降到上限值以下后再继续降速，从而防止了变频器的跳闸。图17降速自处理接入能耗电路即在直流回路内接入制动电阻rb和制动单元bv，当直流电压接近或超过上限值udh时，令bv导通，以便将直流电路多余的电能通过制动电阻和制动单元释放掉，如图18所示。图18接入能耗电路由于制动电阻和制动单元的作用是把直流电路多余的电能消耗掉，故称为能耗电路。接入电能反馈单元直流电路中的泵升电压，是拖动系统在降速过程中释放动能的结果。如果把这部分能量

25、反馈到电网去，如图19所示，则其节能效果是显而易见的。图中，rg即为电能反馈单元。图19 接入电能反馈单元这种装置应用在起重机械中，意义尤为重大。在吊钩放下重物的全过程中，电动机始终处于再生状态。采用了电能反馈单元后，相当于把重物的位能简接地反馈给了电网。接入电能反馈单元后，非但节能显著，且制动转矩较大，工作也较可靠。3.4 直流制动爬行消有的负载在停机后，常常因为惯性较大而停不住，有“爬行”现象。这对于某些机械来说，是不允许的。例如龙门刨床的刨台(图20a)，“爬行”的结果将有可能使刨台滑出台面，造成十分危险的后果。为此，变频器设置了直流制动功能。图20直流制动(1) 直流制动的原理所谓直流

26、制动(也叫能耗制动)，就是向定子绕组内通入直流电流，使定子绕组产生空间位置不动的固定磁场。电动机的转子将以很快的速度正方向切割固定磁场，转子绕组中产生很大的感应电动势和电流，进而产生很强烈的制动力和制动转矩，使拖动系统快速停住，如图20(b)所示。此外，停止后，定子的直流磁场对转子铁心还有一定的“吸住”作用，以克服机械的“爬行”。(2) 直流制动功能的预置采用直流制动时，需要预置的功能如图20(c)所示:直流制动的起始频率fdb在大多数情况下，直流制动都是和再生制动配合使用的。即:首先用再生制动方式将电动机的转速降至较低转速，其对应的频率即作为直流制动的起始频率fdb，然后再加入直流制动，使电

27、动机迅速停住。预置起始频率fdb的主要依据是负载对制动时间的要求，要求制动时间越短，则起始频率fdb应越高。直流制动电压udb即在定子绕组上施加直流电压的大小，它决定了直流制动的强度。预置直流制动电压udb的主要依据是负载惯性的大小，惯性越大者，udb也应越大。直流制动时间tdb即施加直流制动的时间长短。预置直流制动时间tdb的主要依据是负载是否有“爬行”现象，以及对克服“爬行”的要求，要求越高者，tdb应适当长一些。3.5 停机方式亦可调(1) 降速方式和升速方式一样，降速方式也有线性方式(曲线)、s形方式(曲线)和半s形方式(曲线)三种，如图21所示。大多数情况下都采用线性方式，对于如电梯

28、一类对加速度有较高要求者，可考虑采用s形方式，而对于在低速时阻转矩较小的负载(如风机)，则以采用半s形方式为宜。图21 降速方式(2) 停机方式停机操作如为键盘操作，只需按下stop键即可;如为外接端子操作，则只需将联接运行端子(run)或正(反)转端子(fwd或rev)与公共端子(com)之间的触点断开即可，如图22(a)所示。图22停机方式停机方式用户可根据实际需要，从如下方式中进行选择:减速停机:即按照用户预置的降速时间减速并停机;自由制动:变频器的逆变管封锁，没有任何输出，使电动机处于切断电源后的自由制动状态;减速停机加直流制动:即先按照降速时间减速到一定频率，然后进行直流制动并停机。

29、2.4 拖动负载须有劲2.4.1电机特性应知晓电动机的带负载能力主要体现在其机械特性上。所谓机械特性，是在某一转速下，电动机所能产生的电磁转矩的大小。电动机在没有人为地改变其参数时的机械特性，称为自然机械特性。异步电动机的自然机械特性及其能量图如图2-23所示。由图可知，转速下降时，由于转差增大，转子绕组切割旋转磁场的速度也增大，转子电流和电磁转矩也都随之增大。图2-23 电动机的自然机械特性自然机械特性的主要特征可由三个点来描述:(1) 理想空载点电动机输出轴上的转矩为0，称为理想空载。这时，电动机的转速可以达到同步转速(旋转磁 场的转速)n0。所以，理想空载点的坐标是:(0，n0)(2)

30、起动点电动机刚接通电源，但转速仍为0时称为起动点，这时的转矩称为起动转矩ts，也叫堵转转矩。因此，起动点的坐标是:(ts，0)通常，异步电动机的起动转矩应大于额定转矩的1.5倍:ts1.5tmn(3) 临界点异步电动机的机械特性有一个拐点k。在这一点，电动机所能产生的电磁转矩最大，称为临界转矩，用tk表示，k点称为临界点。与此对应的转速称为临界转速nk，相应地，有临界转差nk和临界转差率sk。所以，临界点的坐标是:(tk，nk)临界转矩与额定转矩之比就是异步电动机的过载能力。通常，过载能力应大于2:tk2.0tmn(4) 人工机械特性电动机在人为地改变了某个参数后所得到的机械特性，称为人工机械

31、特性。就异步电动机而言，常见的有:改变定子电压异步电动机在改变定子电压后，其机械特性的特点如图2-24(a)中之曲线(曲线是自然机械特性)所示:图2-24 异步电动机的人工机械特性a) 临界转矩减小为tk;b) 临界转速nk不变。改变转子回路的电阻这是绕线转子异步电动机的调速方法。当转子回路的电阻增大后，其机械特性的特点如图2-24(b)中之曲线所示:a) 临界转矩tk不变;b) 临界转速下降为nk。2.4.2 转矩补偿仔细瞧(1) 补偿正好在第一讲曾经提到，电动机在低频时的转矩可以通过提高调节电压与频率的比值(u/f比)来提高。在变频器中，这种方法称为v/f控制法。这种功能称为转矩补偿功能，或转矩提升功能。如图2-25，假设在低频运行时负载较重，如图2-25(a)所示。这时:电动机的电流等于额定电流 imn，定子电路中的阻抗压降