变频器知识点.docx
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变频器知识点
变频器知识点
变频器知识点
1 电动机过载的保护功能
1.1基础概念
电动机过载的基本特征是温升超过额定温升。
因此，从根本上说，对电动机进行过载保护的目的，是使电动机不因过热而烧坏。
1.1.1电动机的温升曲线
（1）温升曲线及其含义
电动机运行时，其损耗功率（主要是铜损）必然要转换成热能，使电动机的温度升高。
图1 电动机的温升曲线
电动机的发热过程属于热平衡的过渡过程。
因此，基本规律和其他的过渡过程相同，其温升也遵循按指数曲线上升（或下降）的规律，如图1（a）中曲线①所示。
其物理意义是:
由于电动机在温度升高的同时，必然要向周围散热，温升越大，散热也越快。
故温升不可能按线性规律上升，而是越升越慢。
当电动机产生的热量和散发的热量相平衡时，温升不再增......
讲座一
—频率的给定与相关功能Reference and Interrelated Function for Inverter
摘 要:
本文综述了变频器的各种频率给定功能，以及某些相关的功能，并举例说明了它们的应用。
关键词:
频率给定 面板给定 外接模拟量给定 频率给定线 偏置频率
Abstract:
This paper introduced all reference and interrelated function with inverter. And gave some examples for application.
Keywords:
Frequency command Keyboard frequency command External analog input Curve of analog frequency command
1频率给定的方式与选择
1.1基础概念
（1）给定方式的基本含义
要调节变频器的输出频率，必须首先向变频器提供改变频率的信号，这个信号，称为频率给定信号，也有称为频率指令信号或频率参考信号的。
所谓给定方式，就是调节变频器输出频率的具体方法,也就是提供给定信号的方式。
（2）面板给定方式
通过面板上的键盘或电位器进行频率给定（即调节频率）的方式，称为面板给定方式，面板给定又有两种情况如图1所示:
（a）键盘给定频率的大小通过键盘上的升键（▲键）和降键（q键）来进行给定。
键盘给定属于数字量给定，精度较高。
（b）电位器给定部分变频器在面板上设置了电位器，如图1（a）所示。
频率大小也可以通过电位器来调节。
电位器给定属于模拟量给定，精度稍低。
图1频率的面板给定方式
多数变频器在面板上并无电位器，故说明书中所说的"面板给定"，实际就是键盘给定。
变频器的面板通常可以取下，通过延长线安置在用户操作方便的地方，如图2所示。
图2面板遥控给定
此外,采用哪一种给定方式,须通过功能预置来事先决定。
（3）外部给定方式
从外接输入端子输入频率给定信号，来调节变频器输出频率的大小，称为外部给定，或远控给定。
主要的外部给定方式有:
（a）外接模拟量给定
通过外接给定端子从变频器外部输入模拟量信号（电压或电流）进行给定，并通过调节给定信号的大小来调节变频器的输出频率。
模拟量给定信号的种类有:
·电压信号
以电压大小作为给定信号。
给定信号的范围有:
0~10V、2~10V、0~±10V、0~5V、1~5V、0~±5V等。
·电流信号
以电流大小作为给定信号。
给定信号的范围有:
0~20mA、4~20mA等。
（b）外接数字量给定
通过外接开关量端子输入开关信号进行给定。
（c）外接脉冲给定
通过外接端子输入脉冲序列进行给定。
（d）通讯给定
由PLC或计算机通过通讯接口进行频率给定。
1.2选择给定方式的一般原则
（1）面板给定和外接给定
优先选择面板给定。
因为变频器的操作面板包括键盘和显示屏，而显示屏的显示功能十分齐全。
例如，可显示运行过程中的各种参数，以及故障代码等。
但由于受联接线长度的限制，控制面板与变频器之间的距离不能过长。
（2）数字量给定与模拟量给定
优先选择数字量给定。
因为:
（a）数字量给定时频率精度较高;
（b）数字量给定通常用触点操作，非但不易损坏，且抗干扰能力强。
（3）电压信号与电流信号
优先选择电流信号。
因为电流信号在传输过程中，不受线路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应以及感应噪声等等的影响，抗干扰能力较强。
但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况下，仍以选用电压给定方式居多。
2模拟量给定的调整功能
2.1基础概念
（1）频率给定线的定义
由模拟量进行频率给定时，变频器的给定信号X（X是给定信号的统称，既可以是电压信号UG，也可以是电流信号IG与对应的给定频率fX之间的关系曲线fX＝f（Ｘ），称为频率给定线。
（2）基本频率给定线
（a）定义
在给定信号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。
其起点为（X＝0，fX＝0）;终点为（X＝Xmax，fX＝fmax），如图3（a）和（b）所示。
图3基本频率给定线
例如，给定信号为UG＝0～10V，要求对应的输出频率为fX＝0～50Hz。
则:
UG＝0V与fX＝0Hz相对应;UG＝10V与fX＝50Hz相对应。
（2）最大频率fmax
在数字量给定（包括键盘给定、外接升速/降速给定、外接多档转速给定等）时，是变频器允许输出的最高频率;在模拟量给定时，是与最大给定信号对应的频率。
（3）频率给定线的调整
在生产实践中，生产机械所要求的最低频率及最高频率常常不是0Hz和额定频率，或者说，实际要求的频率给定线与基本频率给定线并不一致。
所以，需要对频率给定线进行适当的调整，使之符合生产实际的需要。
因为频率给定线是直线，所以，调整的着眼点便是:
（a）频率给定线的起点
即当给定信号为最小值时对应的频率;
（b）频率给定线的终点
即当给定信号为最大值时对应的频率。
2.2偏置频率和频率增益设定方式
（1）偏置频率
部分变频器把与给定信号为"0"时的对应频率称为偏置频率，用fBI表示，如图4所示。
偏置频率的表示方式主要有:
图4偏置频率
（a）频率表示
即直接用频率值fBI值表示;
（b）百分数表示
用百分数fBI％表示:
（2）频率增益
当给定信号为最大值Xmax时，对应的最大给定频率fXM与变频器预置的最大输出频率fmax之比的百分数，用G％表示:
式中，Ｇ％─频率增益，％;
fmax─变频器预置的最大频率，Hz;
fXM─虚拟的最大给定频率，Hz。
在这里，变频器的最大给定频率fXM不一定与最大频率fmax相等。
当Ｇ％＜100％时，变频器实际输出的最大频率就等于fXM，如图5中之曲线②所示（曲线①是基本频率给定线）;
当Ｇ％＞100％时，变频器实际输出的最大频率等于fmax，如图5中的曲线③所示。
图5频率增益
2.3坐标设定方式
部分变频器的频率给定线是通过预置其起点和终点坐标来进行调整的。
不同变频器的具体方法又略有差异，介绍如下:
（1）直接坐标预置
通过直接预置起点坐标（Xmin，fmin）与坐标（Xmax，fmax）来预置频率给定线，如图6（a）所示。
如果要求频率与给定信号成反比的话，则起点为（Xmin，fmax），坐标为（Xmax，fmin），如图6（b）所示。
图6直接预置坐标调整频率给定线
（2）上、下限值预置
有的变频器并不直接预置坐标点，而是通过预置给定信号或给定频率的上、下限值来间接地进行坐标预置。
具体地说，又有:
（a）预置给定信号的上、下限值
给定信号的最大限值用Xmax表示;最小限值用Xmin表示，也可以用百分数Xmin％来表示，如图7（a）所示。
图7频率给定线的起点与终点
（b）预置给定频率的上、下限值
即给定频率的最大值fmax和最小值fmin,如图7（b）所示。
2.4频率给定线的应用举例
实例1
某用户要求:
当模拟量给定信号为1～5V时，变频器输出频率为0～50Hz。
要满足上述要求，各种变频器的处理方法大致可分为两大类:
（1）变频器的给定信号范围可选
对于这类变频器，可以将给定信号范围直接预置为1～5V，使:
与1V对应的频率为0Hz，与5V对应的频率为50Hz，作出频率给定线如图8（a）中之曲线②所示（曲线①为基本频率线）。
图8实例1示意图之一
举例说明如下:
（a）选用明电VT230S系列变频器，如图8（b）所示:
将功能码B00-1（最大频率的简单设定）预置为"1"，则最高频率选择为"50Hz";
将功能码C12-0（FSV端子输入模式）预置为"3"，则端子FSV输入的给定信号范围预置为"1～5Ｖ"。
（b）选用瓦萨CX系列变频器如图8所示。
将功能码1.2（最大频率）预置为"50Hz";
将功能码2.3（Ｕin信号的范围）预置为"1"，则给定信号范围由用户设定;
将功能码2.4（Ｕin信号的最小值）预置为"10%"，则端子Ｕin输入的给定信号的最小值为"10×10％＝1V";
将功能码2.5（Ｕin信号的最大值）预置为"50％"，则端子Ｕin输入的给定信号的最大值为"10×50％＝5V"。
（2）变频器的给定信号范围不可选
这类变频器的模拟量给定信号范围通常规定为0~10V，针对这种情况，首先应正确作出频率给定线。
如图9（a）所示，由"ＸG＝1V、fX＝0Hz"得到频率给定线②的起点Ａ;又由"ＸG＝5V、fX＝50Hz"得到频率给定线②的终点Ｂ。
图9中，曲线①为基本频率给定线。
图9实例1示意图之二
由曲线②的延长线知:
与XG＝0V对应的频率是fBI＝-12.5Hz，为最高频率的-25％;
与XG＝10V对应的频率是fXM＝112.5Hz，为最高频率fmax的225％。
不同变频器的功能预置情况举例如下:
（a）选用富士G11S系列变频器，如图9（b）所示。
将功能码F01（频率设定1）预置为"1"，则给定信号从端子12输入，信号范围为"0～＋10V";
将功能码F03（最高输出频率1）预置为"50Hz";
将功能码F17（频率设定信号增益）预置为"225％"，使与5V对应的频率为50Hz;
将功能码F18（频率偏置）预置为"-12.5Hz"，使与1V对应的频率为0Hz。
（b）选用安川G7A系列变频器，如图9（c）所示。
将功能码E1-04（最高输出频率）预置为50Hz;
将功能码H3-01（选择频率指令端子A1的信号值）预置为"0"，则给定信号的范围为0～＋10V;
将功能码H3-02（频率指令端子A1输入增益）预置为"225％"，使与5V对应的频率为50Hz;
将功能码H3-03（频率指令端子A1输入偏置）预置为"-25％"，使与1V对应的频率为0Hz。
实例2
用户要求:
当模拟量给定信号为（0～10）V时，变频器的输出频率为（0～30）Hz。
解决方法:
可将最大给定信号时的频率增益G％预置为60％，如图10中曲线②所示。
图10实例2之频率给定线
注意:
变频器的最大频率不能小于基本频率（通常等于额定频率），故本例中不能把最大频率预置为"30Hz"。
3模拟量给定的正、反转控制与滤波
3.1模拟量给定的正、反转功能
（1）控制方式
主要有两种方式:
（a）由双极性给定信号控制
给定信号可"－"可"＋"，正信号控制正转，负信号控制反转，如图11（a）所示。
图11模拟量给定的正、反转控制
（b）由单极性给定信号控制
给定信号只有"＋"值，由给定信号中间的任意值作为正转和反转的分界点，如图11（b）所示。
（2）死区的设置
用模拟量给定信号进行正、反转控制时，"0"速控制很难稳定，在给定信号为"０"时，常常出现正转或反转的"蠕动"现象。
为了防止这种"蠕动"现象，需要在"０"速附近设定一个死区ΔX，使给定信号从-ΔX到＋ΔX的区间内，输出频率为0Hz。
（3）有效"0"的功能
在给定信号为单极性的正、反转控制方式中，存在着一个特殊的问题。
即，万一给定信号因电路接触不良或其他原因而"丢失"，则变频器的给定输入端得到的信号为"0"，其输出频率将跳变为反转的最大频率，电动机将从正常工作状态转入高速反转状态。
十分明显，在生产过程中，这种情况的出现将是十分有害的，甚至有可能损坏生产机械。
对此，变频器设置了一个有效"0"功能。
就是说，变频器的最小给定信号不等于0（Xmin≠0）。
如果给定信号X＝0，变频器将认为是故障状态而把输出频率降至0Hz。
例如，将有效"０"预置为0.3V。
则:
当给定信号X＝0.3V时,变频器的输出频率为fmin;
当给定信号X＜0.3V时,变频器的输出频率降为0Hz。
3.2模拟量给定的滤波时间
（1）滤波时间的含义
变频器在接受模拟量给定信号时，首先要进行滤波，其物理意义与图12中的滤波电容类似（通常都采用数字滤波）。
图中，综坐标是给定信号的百分数X％。
图12给定信号的滤波
滤波的目的,是消除干扰信号对频率给定信号的影响。
滤波时间常数，是指给定信号上升至稳定值63％所需的时间。
（2）滤波时间的影响
·滤波时间太短
当变频器显示"给定频率"时，有可能不够稳定;
·滤波时间太长
当调节给定信号时，给定频率随给定信号改变时的响应速度较慢。
4辅助给定与其他功能
4.1辅助给定功能
（1）基本概念
当变频器有两个或多个模拟量给定信号同时从不同的端子输入时，其中必有一个为主给定信号，其他为辅助给定信号。
大多数变频器的辅助给定信号都是叠加到主给定信号（相加或相减）上去的。
叠加后在频率给定线如图13中的曲线②和曲线③所示。
图13主给定与辅助给定
（2）应用举例
（a）多单元拖动系统的同步运行
图14自动同步控制
在造纸、印染等机械中，整台机器具有若干个单元，每个单元都有各自独立的拖动系统,如图14所示:
第１单元由电动机Ｍ１拖动，第二单元由电动机Ｍ２拖动……。
通常,把第１单元称为主令单元,后面的各单元称为从动单元。
在这种情况下，总是要求被加工物在各单元的线速度一致:
显然，如果后面的速度低于前面，将导致被加工物的堆积;反之，如果后面的速度高于前面，将导致被加工物的撕裂。
因此，对于多单元拖动系统的要求是:
·在调速时,各单元必须同时调节;
·各单元的运行线速度必须步调一致,即实现同步运行。
（b）同步信号的取出
通常，各单元都有线速度的检测装置，如图14中的SV1和SV2所示。
把SV1和SV2取出的线速度信号在数据处理器中进行比较后变换成同步信号，接至各从动单元的辅助给定输入端，通过功能预置，使VR1端的主给定信号与VR2端的辅助给定信号相减。
（c）电路特点，如图14所示。
·统调信号
将各变频器的主给定端VR1-COM都并联起来,与统调给定信号相接,使各变频器的主给定信号同时改变,实现了统调。
·各单元的微调
当从动单元与主令单元的不一致时，数据处理器将输出一个微调信号给从动单元，使从动单元的线速度和主令单元相等。
1单元是主令单元，不需要进行微调。
4.2频率给定的其他功能
（1）频率指令的保持功能
变频器在停机后,是否保持停机前的运行频率的选择功能。
再开机时,变频器的运行频率有两种状态可供选择:
·保持功能无效
运行频率为0Hz，如要回复到原来的工作频率，须重新加速。
·保持功能有效
运行频率自动上升到停机前的工作频率。
（2）点动频率功能
点动是各类机械在调试过程中经常使用的操作方式。
因为主要用于调试，故所需频率较低，一般也不需要调节。
所以，点动频率（用fJ表示）是通过功能预置来确定的。
有的变频器也可以预置多档点动频率。
（3）频率给定异常时的处理功能
给定信号异常大致有以下两种情形:
（a）给定信号丢失
当外接模拟频率给定信号因电路接触不良或断线而丢失时，变频器处理方式的选择功能。
例如，是否停机，如继续运行，则在多大频率下运行等。
（b）给定信号小于最低频率时的处理功能
有的负载在频率很低时实际上不能运行，因而需要预置"最低频率"。
对应地，也就有一个最小给定信号。
当实际给定信号小于最小给定信号时，应视为异常状态。
5频率的限制功能
5.1上、下限频率
（1）基础概念
（a）生产机械对转速范围的要求
生产机械根据工艺过程的实际需要，常常要求对转速范围进行限制。
以某搅拌机为例，如图15（a）所示。
要求的最高转速是600r/min，最低转速是150r/min。
图15上限频率和下限频率
（b）变频器的上、下限频率
根据生产机械所要求的最高与最低转速，以及电动机与生产机械之间的传动比，可以推算出相对应的频率，分别称为上限频率（用fH表示）与下限频率（用fL表示）。
在上例中，如传动比λ＝2，则:
（2）上限频率与最高频率的关系
·上限频率小于最高频率
·上限频率比最高频率优先
这是因为，上限频率是根据生产机械的要求来决定的，所以具有优先权。
5.2回避频率
（1）基础概念
任何机械在运转过程中，都或多或少会产生振动。
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下时，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（也称为机械共振），并可能导致机械损坏的严重后果。
图16回避频率
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16所示。
（2）回避频率的预置
预置回避频率时，必须预置以下两个数据:
·中心回避频率fJ即回避频率所在的位置;
·回避宽度ΔfJ即回避区域，如图16（a）所示。
（3）回避频率的数量
大多数变频器都可以预置三个回避频率,如图16（b）所示。
6载波频率的选择功能
6.1基础概念
变频器输出电压的波形，都是经过脉宽调制后的系列脉冲波。
脉宽调制的基本方法是:
各脉冲的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交点决定的，如图17所示。
在这里，正弦波称为调制波，三角波称为载波。
三角波的频率就称为载波频率，用fC表示。
图17变频器输出电压波的形成
图17中，uU、ｕV、ｕW是各相的相电压波形,uUV则是U相和V相间线电压的波形。
显然,电压脉冲序列的频率必等于载波频率。
在PWM电压脉冲序列的作用下,电流波形是脉动的,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之间产生电磁力并引起振动，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"。
6.2载波频率大小的影响
（1）载波频率对变频器输出电流的影响
（a）载波频率与电流波形
运行频率越低,则电压波的平均占空比越小,电流高次谐波成分越大,故适当提高载波频率,可以改善电流波形。
（b）载波频率与死区
逆变桥中,同一桥臂的上、下两个逆变管是在不停地交替导通的，为了保证在交替导通时,只有当一个逆变管完全截止的情况下,另一个逆变管才开始导通。
在交替过程中，必须有一个死区（等待时间）。
载波频率和死区的关系有如下的几个方面:
·变频器的输出电流越大，每次交替所要求的死区也越大;
·载波频率越高，则死区的累计值越大，变频器的平均输出电流越小。
图18载波频率对输出电流的影响
因此，载波频率越高，变频器的允许输出电流越小，如图18所示（图中曲线系根据西门子440系列变频器提供的资料作出）。
（c）载波频率引起的漏电流
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，如图19（a）所示。
图19载波频率的影响
（2）载波频率对其他设备的影响
（a）高频电压的影响
·对电动机运行的影响
当电动机与变频器之间的距离较远时，则载波频率越高，由线路分布电容引起的不良效应（如电动机侧电压升高、电动机振动等）越大;
·对其他设备的干扰
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。
（b）高频电流的影响
如图19（b）所示。
·电磁感应对其他设备的干扰
高频电流产生的高频磁场将通过电磁感应对其他设备的控制线路产生干扰;
·电磁辐射对其他设备的干扰
高频电磁场具有强大的辐射能量，使其他设备，尤其通讯设备受到干扰。
（3）载波频率与输出功率的关系
·载波频率越高，谐波电流的频率也越高，则电动机定子绕组的趋表效应越严重，有效电阻值及其损失增大，电动机的输出功率越小;
·载波频率越高，死区的累计时间越大，变频器实际工作的时间越短，输出功率越小。
（4）载波频率与环境温度
当环境温度升高时，逆变桥中，上、下两个逆变管在交替导通过程中的死区将变窄，严重时可导致桥臂"直通"（短路）而损坏变频器。
参考文献
（略）
作者简介
张燕宾（1937-）男高级工程师退休前在宜昌市自动化研究所工作，曾任自动化研究所副所长、宜昌市科委驻深圳联络处主任;宜昌市自动化学会理事长、湖北省自动化学会常务理事。
著作:
SPWM变频调速应用技术（编著，机械工业出版社1997年12月初版;2002年４月第二版）;变频调速应用实践（主编，机械工业出版社2001年1月出版）;变频器应用基础（副主编，机械工业出版社2003年1月出版）。
讲座二
—电动机特性的控制功能Control Function for Improving the Mechanical Characteristics of Motor
摘 要:
本文综述了变频器为了改善电动机的机械特性而设置的各种控制模式及其相关功能。
关键词:
控制模式 V/F控制 转矩补偿 矢量控制 自动检测 旋转编码器 转矩控制
Abstract:
This paper introduced all control mode for improving the mechanical characteristics of motor. And it's interrelated function.
Keywords:
Control mode V/F control Torque boost Vector control Auto-tuning Encoder Torque control
1 变频引出的特殊问题
1.1异步电动机在频率下降后出现的问题
异步电动机的输入输出如图1所示。
图1 异步电动机的输入和输出
（1）问题的提出
（a）电动机的输入功率
众所周知，电动机是将电能转换成机械能的器件。
三相交流异步电动机输入的是三相电功率P1:
（b）电动机的输出功率
电动机是用来拖动负载旋转的，因此，其输出功率便是轴上的机械功率:
式
（2）中:
P2─电动机输出的机械功率，kW;
TM─电动机轴上的转矩，N·m;
ｎM─电动机轴上的转
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