变频调速应用技术 第二讲 了解功能调变频.docx
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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:
0～＋5v、0～＋10v、0～±5v、0～±10v。
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4～20ma，有的变频器也可以是0～20ma。
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，fx＝fmax），如图2中之曲线①所示。
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;ug=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②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fxm与最大频率fmax之比的百分数
g%＝（
）·100%（2-1）
当g%＞100%时，fxm＞fmax。
这时的fxm为假想值，其中，fxm＞fmax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4 220v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
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nlh≤600r/min;
最低搅拌速度nll≥150r/min。
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λ=2，则电动机的最高转速和最低转速分别是:
nmh≤1200r/min，对应的工作频率便是上限频率fh;
nml≥300r/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:
fh≤fmax
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（fh≠fmax）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δfj;
（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（4～7）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，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①所示，多数负载可预置为线性方式。
图13升速方式
s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②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③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，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δn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vd7～vd12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①）、s形方式（曲线②）和半s形方式（曲线③）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。
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）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:
ts≥1.5tmn
（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δnk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:
tk≥2.0tmn
（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②（曲线①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③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
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