變頻器(第三章)1

1、1李方園2008年4月18日2l 變頻調速系統(tǒng)的設計原理變頻調速系統(tǒng)的設計原理 l PID控制應用控制應用 l 轉速控制應用轉速控制應用 l 通訊設計通訊設計 3l 變頻調速系統(tǒng)的設計原理變頻調速系統(tǒng)的設計原理 l PID控制應用控制應用 l 轉速控制應用轉速控制應用 l 通訊設計通訊設計 4 針對電力拖動而言，主要是由變頻器、電動機和工作機械等裝置組成的機電系統(tǒng)。任務就是使電動機實現(xiàn)由電能向機械能的轉換，完成工作機械啟動、運轉、調速、制動工藝作業(yè)的要求。鉆床變頻控制系統(tǒng)5 1. 1. 機械特性機械特性所謂機械特性就是描述電動機轉速n與轉矩T之間的關系n=f（T）的函數(shù)特性。在變頻調速系統(tǒng)中，

2、有兩種機械特性，即電動機的機械特性和機械設備（或負載設備）的機械特性。機械特性機械特性1 負載特性負載特性26 1. 1. 機械特性機械特性由曲線1和曲線2處于交點Q時，電動機和負載的轉矩處于平衡狀態(tài)，這時的穩(wěn)定運行速度為nQ，拖動系統(tǒng)的功率PQ則由下式進行計算：PQ=TQnQ/9550式中，如TQ的單位為Nm，nQ的單位為r/min，則PQ的單位為kW。Q點稱為電力拖動的工作點，也是變頻調速系統(tǒng)的工作點。7 2. 2. 負載的機械特性分類負載的機械特性分類 正確地把握變頻器驅動的機械負載對象的機械特性（即轉速轉矩特性）是選擇電動機及變頻器容量、決定其控制方式的基礎。機械負載種類繁多、包羅萬象

3、，但歸納起來，主要有以下三種：恒轉矩負載、平方降轉矩負載和恒功率負載。8 2. 2. 負載的機械特性分類負載的機械特性分類 （1）恒轉矩負載對于傳送帶、攪拌機、擠出機等摩擦負載以及行車、升降機等勢能負載，無論其速度變化與否，負載所需要的轉矩基本上是一個恒定的數(shù)值，此類負載就稱為恒轉矩負載。例如，行車或吊機所吊起的重物，其重量在地球引力的作用下產(chǎn)生的重力是永遠不變的，所以無論升降速度大小，在近似勻速運行條件下，即為恒轉矩負載。由于功率與轉矩、轉速兩者之積成正比，所以機械設備所需要的功率與轉矩、轉速成正比。電動機的功率應在最高轉速下的負載功率相適應。9 2. 2. 負載的機械特性分類負載的機械特性

4、分類 （2）平方降轉矩負載離心風機和離心泵等流體機械，在低速時由于流體的流速低，所以負載只需很小的轉矩。隨著電動機轉速的增加，而氣體或液體的流速加快，所需要的轉矩大小以轉速平方的比例增加或減少，這樣的負載稱為平方降轉矩負載。在這種方式下，因為負載所消耗的能量正比于轉速的三次方，所以通過變頻器控制流體機械的轉速，與以往那種單純依靠風門擋板或截流閥來調節(jié)流量的定速風機或定速泵相比，可以大大節(jié)省浪費在擋板、管壁上的能源，從而起到節(jié)能的顯著作用。10 2. 2. 負載的機械特性分類負載的機械特性分類 （3）恒功率負載機床的主軸驅動、造紙機或塑料片材的中心卷取部分、卷揚機等輸出功率為恒值，與轉速無關，這

5、樣的負載特性稱為恒功率負載。例如，卷紙機要求以一定的速度和相同的張力卷取紙張。在卷取初期，由于轉矩可以較小，但隨著紙卷直徑的逐漸變大，紙卷的轉速也隨之變低，而轉矩必須相應增大。11 3. 3. 負載的運行工藝分類負載的運行工藝分類 由于不同的工藝要求對機械設備也提出了不同的工作狀態(tài)和控制模式，歸納起來主要有以下幾種：連續(xù)恒定負載連續(xù)恒定負載是指負載在足夠長的時間里連續(xù)運行，并且在運行期間，轉矩基本不變。所謂“足夠長的時間”是指這段時間內，電動機的溫升將足以達到穩(wěn)定值。典型例子就是恒速運行的風機。連續(xù)變動負載連續(xù)變動負載是指負載也是在足夠長的時間里連續(xù)運行的，但在運行期間，轉矩是經(jīng)常變動的。車床

6、在車削工件時的工況以及塑料擠出機的主傳動就是這種負載的典型案例。這類負載除了滿足溫升方面大的要求外，還必須主語負載對過載能力的要求。12 3. 3. 負載的運行工藝分類負載的運行工藝分類 斷續(xù)負載斷續(xù)負載是指負載時而運行，時而停止。在運行期間，溫升不足以達到穩(wěn)定值；在停止期間，溫升也不足以降至零。起重機械如行車、電梯等都屬于這類負載。這類負載常常是允許電動機短時間過載的，因此，在滿足溫升方面要求的同時，還必須有足夠的過載能力。有時，過載能力可能是更主要的方面。短時負載負載每次運行的時間很短，在運行期間，溫升達不到穩(wěn)定值；而每二次運行之間的間隔時間很長，足以使電動機的溫升下降至零。水閘門的拖動系

7、統(tǒng)屬于這類負載。對于這類負載，電動機只要有足夠的過載能力即可。13 3. 3. 負載的運行工藝分類負載的運行工藝分類 沖擊負載加有沖擊的負載叫沖擊負載。例如，在軋鋼機的鋼錠壓入瞬間產(chǎn)生的沖擊負載、沖壓機沖壓瞬間產(chǎn)生的沖擊負載等最具代表性。這類機械，沖擊負載的產(chǎn)生事先可以預測，容易處理。當然，也有一些不測現(xiàn)象產(chǎn)生的沖擊負載，入處理含有粉塵、粉體空氣的風機，當管道中長期堆積的粉體硬塊落入葉片上時，就是一種沖擊負載。沖擊負載會引起兩個問題：過流跳閘；速度的過渡變動。對于沖擊負載，國內通常都使用YH系列高轉差率三相異步電動機，它是Y系列電機的派生系列，具有堵轉轉矩大、堵轉電流小、轉差率高和機械特性軟等

8、特點，尤其適用于不均勻沖擊負載以及正、反轉次數(shù)多的工作場合，如錘擊機、剪刀機、沖壓機和鍛冶機等機械設備。14 3. 3. 負載的運行工藝分類負載的運行工藝分類 脈動轉矩負載在往復式壓縮機中利用曲軸將電機的旋轉運動轉換成往返運動，轉矩隨著曲軸的角度而變動。在這種情況下，電動機的電流隨著負載的變化而產(chǎn)生達的脈動。這類負載是一種周期性的曲軸類負載，它必須考慮到飛輪慣量GD2，因為一旦采用加大飛輪的方法來平滑脈動轉矩時，加減速時間就會隨之增加，否則減速時的回饋能量就會變大。15 3. 3. 負載的運行工藝分類負載的運行工藝分類 負負載當負載要求電機產(chǎn)生的轉矩與電機轉動方向相反時，此類負載就是負負載。負

9、負載的類型通常有兩種：（a）由于速度控制需要而在四象限運行的機械設備。如起重機下放重物運轉時，電機向著被負載牽引的方向旋轉，此時電機產(chǎn)生的轉矩是阻礙重物下放的，即與旋轉方向相反。這類負載包括行車、吊機、電梯等升降機械和傾斜下坡的皮帶輸送機。（b）由于轉矩控制需要而在四象限運行的機械設備。在卷取片材狀物料進行加工作業(yè)時，為了給加工物施加張力而設置的卷送轉送裝置就是負負載。這里使用的電機速度決定于其對應的卷取機和原動機的運轉速度，而電機只被要求用來產(chǎn)生制動轉矩。這類負載包括造紙用的放卷和收卷設備、鋼鐵用的夾送輥、紡織用的卷染機等。16 3. 3. 負載的運行工藝分類負載的運行工藝分類 大起動轉矩負

10、載類似攪拌機、擠出機、金屬加工機床等在啟動初期必須克服很大的摩擦力才能啟動，因此很多情況下都被當作重載使用。大慣性負載離心分離機等負載慣性大，不僅啟動費力，而且停車也要費時。17 1. 1. 根據(jù)負載的機械特性選擇變頻器根據(jù)負載的機械特性選擇變頻器1從理想的角度來說，對于恒轉矩類負載或有較高靜態(tài)轉速精度要求的機械則應采用具有轉矩控制功能的高性能變頻器。因為這種變頻器低速轉矩大，靜態(tài)機械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性。三菱公司的V500、艾默生公司的TD3000、AB公司的PowerFlex700系列、安川公司的VS G7系列、西門子公司的6SE70系列變頻器屬于此類。2風機類、泵類負

11、載是工業(yè)現(xiàn)場應用最多的設備，變頻器在這類負載上的應用最多。它是一種平方降轉矩負載。一般情況下，具有V/f恒壓頻比控制模式的變頻器基本都能滿足這類負載的要求 18 1. 1. 根據(jù)負載的機械特性選擇變頻器根據(jù)負載的機械特性選擇變頻器3恒功率負載根據(jù)變頻器在基本運行頻率以上的弱磁恒功率特性，可以將此應用于高速磨床等主軸電機的傳動系統(tǒng)中。對于中心卷取的負載，變頻器選擇應根據(jù)空卷直徑和滿卷直徑比來選擇變頻器的調速范圍，如卷取金屬片材時對于低速要求有高轉矩輸出的，必須選擇具有矢量控制的變頻器。19 2. 2. 根據(jù)負載的工藝特性選擇變頻器根據(jù)負載的工藝特性選擇變頻器正確選用變頻器的類型，首先要按照生產(chǎn)機

12、械的類型、調速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉矩的要求，然后決定選用那種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求為前提。20 3. 3. 變頻器的容量選擇變頻器的容量選擇 變頻器的容量直接關系到變頻調速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補充。21 3. 3. 變頻器的容量選擇變頻器的容量選擇 從電流的角度大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電

13、壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 22 3. 3. 變頻器的容量選擇變頻器的容量選擇 從效率的角度系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都

14、處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（a）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。（b）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。（c）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（d）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（e）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節(jié)能程序的設置，以利達到

15、較高的節(jié)能效果。23 3. 3. 變頻器的容量選擇變頻器的容量選擇 從效率的角度24 3. 3. 變頻器的容量選擇變頻器的容量選擇 從計算功率的角度對于連續(xù)運轉的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式：（a）滿足負載輸出：PCNPM（b）滿足電動機容量：PCN3kUeIe10-3（c）滿足電動機電流：ICNkIe式中PCN為變頻器容量（單位kVA），PM-負載要求的電動機軸輸出功率（單位kW），Ue為電動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），為電動機效率（通常約為085），cos為電動機功率因數(shù)（通常約為075），k是電流波形補償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有

16、高次諧波的成分，其電流應有所增加，通常k約為10511）。25 4. 4. 變頻器箱體結構的選用變頻器箱體結構的選用 變頻器的箱體結構要與環(huán)境條件相適應，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素，這與能否長期、安全、可靠運行有很大關系。常見有下列幾種結構類型可供用戶選用：（1）敞開型IP00本身無機箱，適用裝在電控箱內或電氣室內的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用時，選用這種型式較好，但環(huán)境條件要求較高；（2）封閉型IP20適用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合；（3）密封型IP45適用工業(yè)現(xiàn)場條件較差些的環(huán)境；（4）密閉型IP65適用環(huán)境條件差，有水、塵及一定腐蝕性

17、氣體的場合。 26l 變頻調速系統(tǒng)的設計原理變頻調速系統(tǒng)的設計原理 l PID控制應用控制應用 l 轉速控制應用轉速控制應用 l 通訊設計通訊設計 27 1. 1. 速度控制范圍和精度速度控制范圍和精度 根據(jù)具體的工藝條件和機械設備，在以轉速為控制對象的變頻調速系統(tǒng)中，必須選擇速度控制范圍符合要求的變頻器以及變頻器的控制方式。速度控制范圍有以下幾種表示方式，如轉速范圍表示或變速比率表示，前者如175轉/分到1750轉/分或5Hz到60Hz，后者如1:10或者以百分比表示如5。在轉速控制方式下，可以根據(jù)變頻器轉速控制精度來選擇不同類型的變頻器及其參數(shù)設置。28 2. 2. 避開特定的不安全速度避

18、開特定的不安全速度 電機轉動時，轉矩的脈動頻率與負載和電機構成的系統(tǒng)固有振動頻率一致時，會發(fā)生系統(tǒng)共振，共振狀態(tài)的出現(xiàn)將破壞傳動系統(tǒng)的正常運轉，甚至將造成破壞性系統(tǒng)損壞。每臺設備都有一個固有振蕩頻率，它取決于設備本身的結構。由于變頻器是通過改變電動機的工作頻率來改變電動機轉速來進行工作的，這就有可能在某一電動機轉速下與負荷軸系的共振點、共振頻率重合，造成負荷軸系因發(fā)生諧振而變得十分強烈以及不能容忍的振動，有時會造成設備停運或設備損壞，因此必須根據(jù)負荷軸系（或生產(chǎn)設備）的共振頻率，通過共振預防，來避免系統(tǒng)發(fā)生此類現(xiàn)象。29 2. 2. 避開特定的不安全速度避開特定的不安全速度 為了預防諧振和共振

19、，變頻器都設置有跳躍頻率，其目的就是使電動機拖動系統(tǒng)回避掉可能引起諧振的轉速，或者說讓變頻器的輸出頻率跳過該頻率區(qū)域。變頻器的設定頻率按照圖3.中的方式可以在某些頻率點做跳躍運行，一般可以定義三個跳躍頻率及每一個跳躍范圍，如跳躍頻率f1、f2、f3及跳躍范圍1、跳躍范圍2、跳躍范圍3。30 3. 3. 低速情況的考慮低速情況的考慮 對于電動機的自冷方式情況下（采用普通電動機），轉速下降則電機冷卻能力降低。因此對于平方降轉矩負載的設備如離心風機和離心泵，如對低速運行無要求時可以設置一個最低運行頻率。正常運行時負載在最低頻率與最高頻率之間變化，如長時間位于最低頻率時，則可以考慮采用變頻器特有的休眠

20、喚醒功能，尤其對于空調風機和供水泵在夜間?。ɑ蛄悖┝髁繒r，休眠喚醒功能不僅考慮了低速冷卻效果，還能充分節(jié)能。31 PGPG閉環(huán)閉環(huán) 高精度的速度控制往往能夠體現(xiàn)速度的精度和穩(wěn)定性，其典型應用如造紙機的傳動，精度控制在0.01%到0.05%之間，其他如膠卷和鋼鐵生產(chǎn)線也要求有0.02%到0.1%之間。 32應用范圍 在紡織、印染、造紙等工業(yè)生產(chǎn)中，多電機速度同步傳動的應用十分廣泛。當一臺整機或一條生產(chǎn)線中各個傳動單元分別由獨立的變頻器驅動時，為了保證整機在一個主令轉速的設置下（總調），各單元同步恒線速工作，需要配置該同步控制器。 同步控制器可對各單元傳動速度分別整定（分調），以實現(xiàn)各單元以一定的

21、比例速度同步工作（或補償各單元的機械傳動比的差異），各單元可加入松緊架等同步調節(jié)器信號（以實現(xiàn)各單元速差的自動調整）?？偟闹髁钤O定電壓通過給定積分器輸出，可實現(xiàn)軟起動和軟停車（變頻器的加減速時間可以設置為較小值，以保證同步調整的動態(tài)快速性）。配置同步控制器，使系統(tǒng)設計、變頻器選型及安裝調試都變得方便易行。33應用范圍 34l 變頻調速系統(tǒng)的設計原理變頻調速系統(tǒng)的設計原理 l PID控制應用控制應用 l 轉速控制應用轉速控制應用 l 通訊設計通訊設計 35用于流體工藝 與一般的以轉速為控制對象的變頻系統(tǒng)不同，涉及流體工藝的變頻系統(tǒng)通常都是以流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)為控制量，實現(xiàn)恒量或變量控制，這就需要變頻器工作于PID方式下，按照工藝參數(shù)的變化趨勢來調節(jié)泵或風機的轉速。在大多數(shù)的流體工藝或流體設備的電氣系統(tǒng)設計中，PID控制算法是設計人員常常采用的恒壓控制算法。常見的PID控制器控制形式主要有三種：（1）硬件型，通用PID溫控器；（2）軟件型，使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器上做PID控制器；（3）使用變頻器內置PID控制功能，相