变频器电气传动

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1、电气传动,变极调速 变频调速 转子电路串接电阻调速,变频器功能解析,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

2、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。,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，如图所示。,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

3、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:010V、210V、010V、05V、15V、05V等。电流信号以电流大小作为给定信号。给定信号的范围有:020mA、420mA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

4、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

5、率fX之间的关系曲线fXf()，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(X0，fX0); 终点为 (XXmax，fXfmax)，如图3(a)和(b)所示。 例如，给定信号为UG010V，要求对应的输出频率为fX050Hz。 则:UG0V与fX0Hz相对应;UG10V与fX50Hz相对应。,(3) 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

6、频率。(4) 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。,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。(b)

7、 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“”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“”速附近设定一个死区X，使给定信号从-X到X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

8、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(Xmin0)。如果给定信号X0，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“”预置为0.3V。则:当给定信号X0.3V时, 变频器的输出频率为fmin;当给定信号X0.3V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。滤波的目的, 是消除 干扰

9、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中的曲线和曲线所示。,(2) 应用举例多单元拖动系统的同步运行 在造纸、印染等机械中，整台机器具有若干

10、个单元，每个单元都有各自独立的拖动系统, 如图所示:第单元 由电动机拖动，第二 单元由电动机拖动 。通常, 把第单元称为 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。,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

11、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

12、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(a)所示。要求的最高转速是600r/min，最低转速是150r/min。,(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2，则: (2) 上限频率与最高频率的

13、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。,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

14、宽度fJ即回避区域，如图 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 , 如图所示。,6变频引出的特殊问题,6.1 保持磁通不变的必要性和途径 (1) 保持磁通不变的必要性(a) 磁通减小 任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小，导致带载能力降低。(b) 磁通增大 电动机的磁路 将饱和，由于在变频调速 时，运行频率fX是在相当 大的范围内变化的，因此 ，如不采取措施的话，磁 通的变化范围也是非常大 的。它极容易使电动机的 磁路严重饱和，导致励磁 电流的波形严重畸变，产生峰值很

15、高的尖峰电流，如图所示。图的上半部是电动机的磁化曲线;下半部则是励磁电流的波形。,所以，变频调速的一个特殊问题便是:当频率fX变化时，必须使磁通保持不变:const(2) 保持磁通不变的方法保持const的准确方法是:在调节频率时，必须保持反电动势E1X和频率fX的比值不变。但反电动势是由定子绕组切割旋转磁通而感生的，无法从外部进行控制。于是用保持定子侧输入电压和频率之比等于常数来代替: 所以, 在改变频率时, 必须同时改变定子侧的输入电压。 6.2 变压变频存在的问题及原因分析 (1) 存在的问题(a) 衡量调速性能的主要因素电动机的基本功能是拖动生产机械旋转，因此，在低频时的带负载能力便是

16、衡量变频调速性能好坏的一个十分重要的因素。(b) 调压调频存在的问题 满足const的情况下进行变频调速时，随着频率的下降，电动机的临界转矩和带负载能力(用有效转矩MEX表示)也有所下降，如图所示。,(2) 临界转矩下降的原因分析(a) 电磁转矩的产生 异步电动机的电磁转矩是转子电流和磁通相互作用的结果。因此，问题的关键便是:在满足式(16)的情况下，低频时能否保持磁通量基本不变？(b) 电磁转矩减小的原因 反电动势是定子侧输入电压减去阻抗压降的结果。当频率fX下降时，输入电压U1X随之下降。但在负载不变的情况下，电流I1及其阻抗压降却基本不变, 于是反电动势E1X所占的比例必将减小。磁通M也必减小，磁通不变的要求并没有真正得到满足，结果是导致电动机的临界转矩也减小。,