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1、LOGO河南格瑞特科技有限公司河南格瑞特科技有限公司 20112011年年0303月月变频变频、低、低、低、低压电压电气控制系气控制系气控制系气控制系统设计统设计与与与与讲讲解解解解主主讲人：吴人：吴长波波 目目录录u概述概述u变频控制系控制系统设计流程流程u变频控制系控制系统调试u低低压电气控制系气控制系统设计与与选型型u总结概述概述众所周知，众所周知，变频器已器已经广泛广泛应用各行各用各行各业。但。但变频控制系控制系统如何如何设计，变频控制柜控制柜设计与制造与制造对实际应用具体要求，是用具体要求，是许多多电气工程气工程师及制造商，客及制造商，客户想明确了解的。本章从想明确了解的。本章从实际
2、设计及及应用案例中，用案例中，总结设计要点，写出拙要点，写出拙见，供同行参考。，供同行参考。在在变频控制系控制系统设计前，一定要了解系前，一定要了解系统配制，工作方式，配制，工作方式，环境，控制方式，客境，控制方式，客户具体要求。具体要求。具体系具体系统分新分新设计系系统还是是就就设备改造系改造系统。最最终出出发点：根据点：根据实际及客及客户要求要求进行行设计对旧旧设备改造，改造，电气工程气工程师应该确切知道如下技确切知道如下技术参数及要求：参数及要求：v1电机具体参数机具体参数v2出厂日期，出厂日期，v3厂商（国厂商（国产，进口）口）v4电机的机的额定定电压，v5额定定电流，流，v6相数。相
3、数。v7电机的机的负载特性特性类型，型，v8工作制式。工作制式。v9电机起机起动方式。方式。v10工作工作环境。如境。如现场的温度，湿度的温度，湿度v11防防护等等级，v12电磁磁辐射等射等级，v13防爆等防爆等级。v14配配电具体参数。具体参数。v15变频柜安装位置到柜安装位置到电机位置机位置实际距离。（距离。（变频柜到柜到电机距离是非常重要的参数）机距离是非常重要的参数）v16变频柜拖柜拖动电机的数量及方式。机的数量及方式。v17变频柜与旧的柜与旧的电气系气系统的切的切换关系。一般关系。一般为-Y启启动与与变频工作互工作互为备用，切用，切换保保护。v18.变频柜的外柜的外围传感感变送器的送
4、器的选用参数及采用参数及采样地点。地点。v19.变频控制柜的控制方式，如手控制柜的控制方式，如手动/自自动，本地，本地/远程，控制信号的量程，是否通程，控制信号的量程，是否通讯组网。网。v20.强电回路与弱回路与弱电回路的隔离。采集及控制信号的隔离。回路的隔离。采集及控制信号的隔离。v21工作工作场合的供合的供电质量，如防雷，浪涌，量，如防雷，浪涌，电磁磁辐射。射。对新新变频系系统，电气工程气工程师应该与机械工程与机械工程师对传动机械机械负载特性，深入特性，深入了解，才能确定了解，才能确定电机机类型，容量。根据型，容量。根据电机机械机机械负载特性，容量，特性，容量，选用用变频器器的的类型，容量
5、。型，容量。目前，机械目前，机械负载与与电机机转矩特性有矩特性有许多种多种类，常用有三种。，常用有三种。1恒恒转矩矩负载。如。如传送送带，升降机等。，升降机等。用公式表式用公式表式为P=T*N/975P-电机的功率机的功率T-电机机转矩矩N-电机机转速速。对恒恒转矩，系矩，系统设计应注意：注意：电机机应选变频器器专用用电机机变频柜柜应加装加装专用冷却用冷却风扇扇增大增大电机容量，机容量，降低降低负载特性特性增大增大变频器的容量器的容量变频器的容量与器的容量与电机的容量关系机的容量关系应根据品牌根据品牌一般一般为1.11.5电机的容量。机的容量。2平方平方转矩矩负载。如。如风机，机，水水泵类用公
6、式表式用公式表式为T=K1*N2，P=K2*N3P-电机的功率机的功率T-电机机转矩矩N-电机机转速速一般，一般，风机，水机，水泵，采用，采用变频节能，理能，理论与与实际证明明节能能为4050%左右，此左右，此类应用占用占变频器器应用用3040%左右。左右。对平方平方转矩矩负载，系，系统设计应注意：注意：（1）电机通常机通常选异步交流异步交流电机。机。（2）根据）根据环境需要，境需要，选电机防机防护等等级和方式。和方式。（3）大于大于7.5KW变频柜柜,应加装通加装通风散散热设施施。（4）电机，机，变频器容量关系。器容量关系。关系系数关系系数国外国外变频器容量器容量国国产变频器容量器容量国外国
7、外电机机相等相当相等相当电机容量机容量1.3-1.5电机容量机容量国国产电机机1.2电机容量机容量1.5-2电机容量机容量3恒功率恒功率负载。如卷。如卷扬机，机，机床主机床主轴。公式：公式：P=T*N/975一般达到特定速度段一般达到特定速度段时，按恒，按恒转矩，超矩，超过特定速度特定速度时，按恒功率运，按恒功率运转。恒功率机械特性恒功率机械特性较复复杂。对于每个于每个变频控制柜，控制柜，设计是整个系是整个系统重点，最重点，最能体能体现产品品质量关量关键环节。1.变频控制系控制系统的原理的原理图设计2.电路主路路主路设计。3.电路控制路路控制路设计。包括常。包括常规控制控制电路，路，4.PLC
8、控制接口控制接口电路，路，5.变频器器联网等。网等。6.变频控制柜的工控制柜的工艺设计。包括。包括电气工气工艺设计7.柜体板金工柜体板金工艺设计。对于于变频控制柜，控制柜，电气气设计工程工程师应在如下在如下设计方面入手方面入手一一.原理原理图设计根据以上所述的原理根据以上所述的原理规则，参照，参照变频控制柜的原理控制柜的原理图，根据，根据实际需要，画出原理需要，画出原理图。二二.电路主路路主路设计。按如下。按如下顺序序选择主回路主回路电器件。器件。（1）确定机械确定机械负载特性特性（2）功率功率（3）扭矩扭矩（4）转速速（5）确定确定电机特性机特性（6）额定定电压（7）额定功率定功率（8）额定
9、定电流流根据以上条件和根据以上条件和实际客客户的需要，的需要，对下列下列电器元件取舍器元件取舍TR-变压器器为可可选项，根据，根据电压等等级标准准选配。配。FU-熔断熔断丝，一般要，一般要，选择为2.5-4倍倍额定定变频器器电流。注意熔断流。注意熔断丝选速熔速熔类。QA-空开，一般要，空开，一般要，选择为1.2倍倍额定定变频器器电流流KM-接触器，必接触器，必须要要选择为额定定变频器器电流流LY-防雷浪涌器，最好要，特防雷浪涌器，最好要，特别雷暴多雷暴多发区，以及交流区，以及交流电源尖峰浪涌多源尖峰浪涌多发场合，合，保保护变频系系统免遭意外破坏。一般配免遭意外破坏。一般配40KVA浪涌器。浪涌
10、器。DK-电抗器抗器电抗器的作用是抑制抗器的作用是抑制变频器器输入入输出出电流重高次流重高次谐波成份波成份带来的不良影来的不良影响，响，滤波器的作用波器的作用是抑制由是抑制由变频器器带来的无来的无线电电波干波干扰，即，即电波噪声。波噪声。有的有的变频器内置器内置电抗器，有的抗器，有的场合也可不装合也可不装电抗器。一般，多大功率抗器。一般，多大功率变频器配多大器配多大电抗器，抗器，变频器厂商提供参数。器厂商提供参数。选择电抗器的参数，可由下面公抗器的参数，可由下面公式式计算算L=(2%5%)V/6.18*F*IV-额定定电压VI-额定定电流流AF-最大最大频率率HZLBI/LBO输入入输出出滤波
11、器，一般波器，一般应根据根据频率率进行配置行配置R-制制动电阻阻计算算较复复杂，应在在变频器柜制造商指器柜制造商指导下配置。下配置。三三.电路控制回路路控制回路设计，按，按电气工程气工程师知知识及及变频器要求器要求设计。但。但应注意注意输入入/输出的弱出的弱电信号信号与与PLC，仪表，表，传感感变送器，送器，一定采一定采取信号隔离，否取信号隔离，否则控制系控制系统信号混乱，系信号混乱，系统不正常。与不正常。与PLC常常规控制系控制系统接口一定加装浪涌吸收器。接口一定加装浪涌吸收器。控制控制电源源应采用隔离采用隔离变压器，器，进行行电气隔气隔离。离。四四.变频控制柜的工控制柜的工艺设计。（1）电
12、气工气工艺设计电气工程气工程师变频电路控制路控制图设计出来，下一步就是出来，下一步就是电气工气工艺设计，包括：，包括：1.多大功率多大功率变频器器2.配什么配什么类型型电缆，3.多大的多大的线径，径，4.配多配多远。一般可以。一般可以查表格或表格或计算。算。5.接地配接地配线。6.抗干抗干扰布布线。是非常重要的。一般。是非常重要的。一般强电电缆用用带屏蔽屏蔽电缆，7.电缆及屏蔽及屏蔽层用金属卡固定在安装底板上，也有的加装屏蔽用金属卡固定在安装底板上，也有的加装屏蔽金金属属环8.抗干抗干扰。9.进出出线的的电缆管接管接头配置。配置。五五.柜体板金工柜体板金工艺设计应根据以下原根据以下原则设计1变
13、频器的器的环境境温度：温度：变频器器环境温度境温度为-10度度-50度，一定要考度，一定要考虑通通风散散热。湿度：小于湿度：小于95%RH,无水珠凝无水珠凝结震震动：小于：小于5.9米米/秒秒2气体：有无暴炸，腐气体：有无暴炸，腐蚀性气体性气体2柜体承柜体承载重量。重量。3运运输方便性。加装吊装挂方便性。加装吊装挂钩，4搬运安全。搬运安全。5柜体的柜体的铭牌，牌，6制造商的制造商的CI标识。六、六、谐波波对供供电线路的影响路的影响 变频器属于非线性负荷，它从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变，它既是一个谐波源，又是一个谐波接收者。作为谐波源，它对各种电气设备，自动装置、计算机、计量仪器以及通
14、信系统均有不同程度的影响。对于供电线路来说，由于谐波的作用，恶化了电网质量指标，降低了电网的可靠性，增加了电网损失，缩短了电气设备的寿命。其产生的主要危害有： (1)增加了电网中发生谐振的可能性，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。 (2)增加附加损耗，输电及用电设备的效率和设备利用率。 (3)使电气设备(旋转电机、电容器、变压器等)运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。 (4)使测量和计量仪器、仪表、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备运转不正常或者不能正常动作或操作。 (5)干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。 (6)某些情况下
15、，它不仅产生谐波，而且还引起供电电压波动和闪变，甚至引起三相电压不平衡，会危及电网安全经济运行，并影响电气设备的正常用电和周边用户。 要降低谐波的影响程度，可以采取各种措施，但对于变频器来说，主要是在其回路中加装交流电抗器。 变频变频器基本参数的器基本参数的调试调试v变频变频器功能参数很多，一般都有数十甚器功能参数很多，一般都有数十甚至上百个参数供用至上百个参数供用户选择户选择。实际应实际应用中，没必用中，没必要要对对每一参数都每一参数都进进行行设设置和置和调试调试，多数只要采，多数只要采用出厂用出厂设设定定值值即可。但有些参数由于和即可。但有些参数由于和实际实际使使用情况有很大关系，且有的用
16、情况有很大关系，且有的还还相互关相互关联联，因此，因此要根据要根据实际进实际进行行设设定和定和调试调试。因各因各类类型型变频变频器功能有差异，而相同功能器功能有差异，而相同功能参数的名称也不一致，参数的名称也不一致，为为叙述方便，本文以富叙述方便，本文以富士士变频变频器基本参数名称器基本参数名称为为例。由于基本参数是例。由于基本参数是各各类类型型变频变频器几乎都有的，完全可以做到触器几乎都有的，完全可以做到触类类旁通。旁通。v一一加减速加减速时间加速加速时间就是就是输出出频率从率从0上升到最大上升到最大频率所需率所需时间，减速，减速时间是指从最大是指从最大频率下降到率下降到0所需所需时间。通常
17、用。通常用频率率设定信号上定信号上升、下降来确定加减速升、下降来确定加减速时间。在。在电动机加速机加速时须限制限制频率率设定的定的上升率以防止上升率以防止过电流，减速流，减速时则限制下降率以防止限制下降率以防止过电压。加速加速时间设定要求：将加速定要求：将加速电流限制在流限制在变频器器过电流容量以流容量以下，不使下，不使过流失速而引起流失速而引起变频器跳器跳闸；减速；减速时间设定要点是：防定要点是：防止平滑止平滑电路路电压过大，不使再生大，不使再生过压失速而使失速而使变频器跳器跳闸。加减。加减速速时间可根据可根据负载计算出来，但在算出来，但在调试中常采取按中常采取按负载和和经验先先设定定较长加
18、减速加减速时间，通，通过起、停起、停电动机机观察有无察有无过电流、流、过电压报警；然后将加减速警；然后将加减速设定定时间逐逐渐缩短，以运短，以运转中不中不发生生报警警为原原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。二二转矩提升矩提升又叫又叫转矩矩补偿，是，是为补偿因因电动机定子机定子绕组电阻所引起的低阻所引起的低速速时转矩降低，而把低矩降低，而把低频率范率范围f/V增大的方法。增大的方法。设定定为自自动时，可使加速可使加速时的的电压自自动提升以提升以补偿起起动转矩，使矩，使电动机加速机加速顺利利进行。如采用手行。如采用手动补偿时，根据，根据负载特性，尤其是
19、特性，尤其是负载的起的起动特特性，通性，通过试验可可选出出较佳曲佳曲线。对于于变转矩矩负载，如，如选择不当会不当会出出现低速低速时的的输出出电压过高，而浪高，而浪费电能的能的现象，甚至象，甚至还会出会出现电动机机带负载起起动时电流大，而流大，而转速上不去的速上不去的现象。象。v三三电子子热过载保保护本功能本功能为保保护电动机机过热而而设置，它是置，它是变频器内器内CPU根据运根据运转电流流值和和频率率计算出算出电动机的温升，从而机的温升，从而进行行过热保保护。本功能只适用于。本功能只适用于“一拖一一拖一”场合，而在合，而在“一拖多一拖多”时，则应在各台在各台电动机上加装机上加装热继电器。器。电
20、子子热保保护设定定值(%)=电动机机额定定电流流(A)/变频器器额定定输出出电流流(A)100%。四四频率限制率限制即即变频器器输出出频率的上、下限幅率的上、下限幅值。频率限制是率限制是为防止防止误操作或外接操作或外接频率率设定信号源出故障，而引起定信号源出故障，而引起输出出频率的率的过高或高或过低，以防低，以防损坏坏设备的一种的一种保保护功能。在功能。在应用中按用中按实际情况情况设定即可。此功能定即可。此功能还可作限速使用，如有的可作限速使用，如有的皮皮带输送机，由于送机，由于输送物料不太多，送物料不太多，为减少机械和皮减少机械和皮带的磨的磨损，可采用，可采用变频器器驱动，并将，并将变频器上
21、限器上限频率率设定定为某一某一频率率值，这样就可使皮就可使皮带输送机运送机运行在一个固定、行在一个固定、较低的工作速度上。低的工作速度上。v五五偏置偏置频率率有的又叫偏差有的又叫偏差频率或率或频率偏差率偏差设定。其用途是当定。其用途是当频率由外部模率由外部模拟信号信号(电压或或电流流)进行行设定定时，可用此功，可用此功能能调整整频率率设定信号最低定信号最低时输出出频率的高低，如率的高低，如图1。有。有的的变频器当器当频率率设定信号定信号为0%时，偏差，偏差值可作用在可作用在0fmax范范围内，有的内，有的变频器器(如明如明电舍、三舍、三垦)还可可对偏偏置极性置极性进行行设定。如在定。如在调试中
22、当中当频率率设定信号定信号为0%时，变频器器输出出频率不率不为0Hz，而，而为xHz，则此此时将偏置将偏置频率率设定定为负的的xHz即可使即可使变频器器输出出频率率为0Hz。六六频率率设定信号增益定信号增益此功能此功能仅在用外部模在用外部模拟信号信号设定定频率率时才有效。它才有效。它是用来弥是用来弥补外部外部设定信号定信号电压与与变频器内器内电压(+10v)的不一致的不一致问题；同；同时方便模方便模拟设定信号定信号电压的的选择，设定定时，当模，当模拟输入信号入信号为最大最大时(如如10v、5v或或20mA)，求出可，求出可输出出f/V图形的形的频率百分数并以此率百分数并以此为参参数数进行行设定
23、即可；如外部定即可；如外部设定信号定信号为05v时，若，若变频器器输出出频率率为050Hz，则将增益信号将增益信号设定定为200%即可。即可。七七转矩限制矩限制可分可分为驱动转矩限制和制矩限制和制动转矩限制两种。它是根据矩限制两种。它是根据变频器器输出出电压和和电流流值，经CPU进行行转矩矩计算，其可算，其可对加减速和加减速和恒速运行恒速运行时的冲的冲击负载恢复特性有恢复特性有显著改善。著改善。转矩限制功能可矩限制功能可实现自自动加速和减速控制。假加速和减速控制。假设加减速加减速时间小于小于负载惯量量时间时，也能保也能保证电动机按照机按照转矩矩设定定值自自动加速和减速。加速和减速。驱动转矩功能
24、提供了矩功能提供了强大的起大的起动转矩，在矩，在稳态运运转时，转矩功能将控制矩功能将控制电动机机转差，而将差，而将电动机机转矩限制在最大矩限制在最大设定定值内，内，当当负载转矩突然增大矩突然增大时，甚至在加速，甚至在加速时间设定定过短短时，也不会引，也不会引起起变频器跳器跳闸。在加速。在加速时间设定定过短短时，电动机机转矩也不会超矩也不会超过最大最大设定定值。驱动转矩大矩大对起起动有利，以有利，以设置置为80100%较妥。妥。制制动转矩矩设定数定数值越小，其制越小，其制动力越大，适合急加减速的力越大，适合急加减速的场合，如制合，如制动转矩矩设定数定数值设置置过大会出大会出现过压报警警现象。如制
25、象。如制动转矩矩设定定为0%，可使加到主，可使加到主电容器的再生容器的再生总量接近于量接近于0，从，从而使而使电动机在减速机在减速时，不使用制，不使用制动电阻也能减速至停阻也能减速至停转而不会跳而不会跳闸。但在有的。但在有的负载上，如制上，如制动转矩矩设定定为0%时，减速，减速时会出会出现短短暂空空转现象，造成象，造成变频器反复起器反复起动，电流大幅度波流大幅度波动，严重重时会使会使变频器跳器跳闸，应引起注意。引起注意。八八加减速模式加减速模式选择又叫加减速曲又叫加减速曲线选择。一般。一般变频器有器有线性、非性、非线性性和和S三种曲三种曲线，通常大多，通常大多选择线性曲性曲线；非；非线性曲性曲
26、线适用适用于于变转矩矩负载，如，如风机等；机等；S曲曲线适用于恒适用于恒转矩矩负载，其，其加减速加减速变化化较为缓慢。慢。设定定时可根据可根据负载转矩特性，矩特性，选择相相应曲曲线，但也有例外，笔者在，但也有例外，笔者在调试一台一台锅炉引炉引风机机的的变频器器时，先将加减速曲，先将加减速曲线选择非非线性曲性曲线，一起，一起动运运转变频器就跳器就跳闸，调整改整改变许多参数无效果，后改多参数无效果，后改为S曲曲线后就正常了。究其原因是：起后就正常了。究其原因是：起动前引前引风机由于烟道机由于烟道烟气流烟气流动而自行而自行转动，且反，且反转而成而成为负向向负载，这样选取了取了S曲曲线，使，使刚起起动
27、时的的频率上升速度率上升速度较慢，从而避免慢，从而避免了了变频器跳器跳闸的的发生，当然生，当然这是是针对没有起没有起动直流制直流制动功能的功能的变频器所采用的方法。器所采用的方法。九九转矩矢量控制矩矢量控制矢量控制是基于理矢量控制是基于理论上上认为：异步：异步电动机与直流机与直流电动机具有相同的机具有相同的转矩矩产生机理。矢量控制方式就是将定子生机理。矢量控制方式就是将定子电流分解成流分解成规定的磁定的磁场电流和流和转矩矩电流，流，分分别进行控制，同行控制，同时将两者合成后的定子将两者合成后的定子电流流输出出给电动机。因此，从原理机。因此，从原理上可得到与直流上可得到与直流电动机相同的控制性能
28、。采用机相同的控制性能。采用转矩矢量控制功能，矩矢量控制功能，电动机在机在各种运行条件下都能各种运行条件下都能输出最大出最大转矩，尤其是矩，尤其是电动机在低速运行区域。机在低速运行区域。现在的在的变频器几乎都采用无反器几乎都采用无反馈矢量控制，由于矢量控制，由于变频器能根据器能根据负载电流大小和相位流大小和相位进行行转差差补偿，使，使电动机具有很硬的力学特性，机具有很硬的力学特性，对于多数于多数场合合已能已能满足要求，不需在足要求，不需在变频器的外部器的外部设置速度反置速度反馈电路。路。这一功能的一功能的设定，定，可根据可根据实际情况在有效和无效中情况在有效和无效中选择一一项即可。即可。与之有
29、关的功能是与之有关的功能是转差差补偿控制，其作用是控制，其作用是为补偿由由负载波波动而引起的而引起的速度偏差，可加上速度偏差，可加上对应于于负载电流的流的转差差频率。率。这一功能主要用于定位控制。一功能主要用于定位控制。十十节能控制能控制风机、水机、水泵都属于减都属于减转矩矩负载，即随着，即随着转速的下降，速的下降，负载转矩与矩与转速速的平方成比例减小，而具有的平方成比例减小，而具有节能控制功能的能控制功能的变频器器设计有有专用用V/f模式，模式，这种模式可改善种模式可改善电动机和机和变频器的效率，其可根据器的效率，其可根据负载电流自流自动降低降低变频器器输出出电压，从而达到，从而达到节能目的
30、，可根据具体情况能目的，可根据具体情况设置置为有效或无效。有效或无效。要要说明的是，九、十明的是，九、十这两个参数是很先两个参数是很先进的，但有一些用的，但有一些用户在在设备改造改造中，根本无法启用中，根本无法启用这两个参数，即启用后两个参数，即启用后变频器跳器跳闸频繁，停用后一切正常。繁，停用后一切正常。究其原因有：究其原因有：(1)原用原用电动机参数与机参数与变频器要求配用的器要求配用的电动机参数相差太大。机参数相差太大。(2)对设定参数功能了解不定参数功能了解不够，如，如节能控制功能只能用于能控制功能只能用于V/f控制方式中，控制方式中，不能用于矢量控制方式中。不能用于矢量控制方式中。(3)启用了矢量控制方式，但没有启用了矢量控制方式，但没有进行行电动机参机参数的手数的手动设定和自定和自动读取工作，或取工作，或读取方法不当。取方法不当。结论：一个一个质量量较高的高的变频控制柜，从控制柜，从设计，工工艺，制作制造，运，制作制造，运输，包装，是，包装，是实际要求要求较高的高的产品，要求各个品，要求各个环节质量保障，才能作出量保障，才能作出较高高质量和水平的控制柜。量和水平的控制柜。
