1、13.1 电动机调速13.1.1 皮带轮改变转速l标准的交流异步电动机在固定的频率下运行，其转速是恒定的。例如，2对极50Hz异步电动机的额定转速大约是1400转/分左右。如果负载不要求调速，但要求的工作速度高于或低于额定转速，可以采用皮带轮、链轮、齿轮、涡轮蜗杆等改变转速。l图13-1所示为一皮带轮降速驱动砂轮机。皮带轮的直径按下式计算：其中，Dm=被动皮带轮直径 Dd=主动皮带轮直径 nd=电动机转速 nm=被动轮转速mddmnnDD 图13-1 皮带轮改变转速13.1 电动机调速l对于负载要求很低转速的应用，可以采用齿轮电机或连到齿轮的电机，转速可以降到1转/分，甚至更低，如指针式大电钟
2、。l对于要求连续改变速度的应用，需要采用电动机驱动装置，电动机驱动装置主要指交流电动机调速装置、直流电动机调速装置和步进电动机驱动装置等。13.1.2 负载特性l负载特性是指生产机械的负载转矩与转速之间的关系，一般可以分为以下三类：1).恒转矩负载，如输送带、机床等；2).恒功率负载，如电车、电力机车、压力机等；3).变转矩/变功率负载，如鼓风机、离心泵等。电动机的类型选择应和它拖动的负载类型相适应。1.恒转矩负载特性恒转矩负载特性l 它的特点是负载转矩TL恒定不变，与转速无关。恒转矩负载特性又可以分为反抗性和位能性两种，如图13-2和图13-3中的红线所示：TLnTLn00+n+TL+TL+
3、n+TL-n-TL-n图13-2 反抗性恒转矩 负载特性图13-3 位能性恒转矩 负载特性负载负载1.1.恒转矩负载特性恒转矩负载特性l反抗性恒转矩负载（又称摩擦转矩负载）它的特点是负载转矩的方向总与运动方向相反，即总是反抗运动的，当运动方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。摩擦类型的负载就具有这样的性质，例如机床刀架的平移运动，车辆在平道上的行驶等。l位能性恒转矩负载 它的特点是负载转矩的方向固定不变，而与转速的方向无关。具有位能的拖动对象所产生的转矩就有这样的性质。例如起重机所吊重物的升降运动，不论是提升或下降，重物所产生的负载转矩，其方向总是不变的。2.2.变转矩变转矩/变功率变功率（以
4、风机类为例）负载特性（以风机类为例）负载特性l它的特点是负载转矩基本上与转速的平方成正比，如图13-4所示，即 式中 K比例常数。l属于风机类负载的生产设备有鼓风机、水泵、油泵等，如图13-6所示。风机类负载也属于反抗性负载。2KnTL图13-5 恒功率 负载特性图13-4 通风机 负载特性TLn0TLn02.变转矩变转矩/变功率变功率（以风机类为例）负载特性（以风机类为例）负载特性a)鼓风机b)高压风机c)水泵图13-6 变转矩变功率负载d)离心泵3.3.恒功率负载特性恒功率负载特性 它的特点是负载转矩基本上与转速成反比，如图13-5所示，即 式中,K比例系数。负载功率为 nKTL/常数nT
5、PLL 图13-7 卷绕设备是一种恒功率负载图13-8印刷设备中的卷绕驱动图13-8 印刷设备中的卷绕驱动3.3.恒功率负载特性恒功率负载特性l某些机床的切削加工就具有这种特性，例如车床、刨床等，在粗加工时，切削量大，因而阻力也大，这时常开低速；在精加工时，切削量小，阻力也小，这时常开高速，就具有高、低速下功率近似不变的特性。l要求恒张力恒线速度运行的卷绕设备有类似的特点，也是一种恒功率负载，如图13-7和13-8所示。l以上介绍的是三类典型的负载特性。实际生产机械的负载特性可能是几种典型特性的复合。13.1.3 电动机调速的转矩与功率l电动机允许输出的转矩和功率 电动机长时间工作允许输出的电
6、磁转矩和允许输出的功率由电动机发热条件决定。下面仅以直流他励电动机为例加以说明。直流电动机的发热主要取决于电枢电流Ia,而额定电流IN就是电动机长时间工作所允许的电流值。调电枢电压调速 这种方法调速时，使=N=常数，所以 TM=CTNIN=TN=常数 式中C1=TN/9550 为比例常数；n电机转速，单位为r/min；PM电机允许的功率，单位为kW；可见调压调速时，TM=常数，PM与n成正比，属于恒转矩调速方式属于恒转矩调速方式。nCnTnTTPNMmMM1955095501000TMPMn Te,P nmaxnN0恒转矩调速区恒功率调速区图13-9 直流他励电动机调速时允许输出的转矩与功率曲
7、线可见调压调速时（在额定转速nN以下调速），TM=常数，PM与n成正比，属于恒转矩调速方式。弱磁调速这时U=UN，IM=IN，则 TM 可见弱磁调速时（在额定转速nN以上调速），PM=常数，属于恒功率调速方式。属于恒功率调速方式。nCnCRIUEaNN2nCnICCICNTNT32常数955095503CnTPMM13.1.3 电动机调速的转矩与功率l应当指出的是：电动机的允许输出转矩TM只表示电动机在发热条件允许下的使用限度，并不代表电动机的实际输出。电动机的实际输出应由负载的实际需要来决定。13.1.4调速方式与负载类型的配合1.恒转矩负载配恒转矩调速方式和恒功率负恒转矩负载配恒转矩调速方
8、式和恒功率负载配恒功率调速方式载配恒功率调速方式l它们的特性配合分别如图13-10a）和b）所示，在任何转速下都满足TM=TL，PM=PL。这样电动机既能满足生产机械的需要，本身又能得到充分利用。显然，这样的配合是合适的。要使电动机在任何速度下都能长时间运行，应使负载转矩TL总是小于TM（电机允许的转矩）。TenTMTL0Ten0TMTLa)恒转矩b)恒功率图13-10 调速方式与负载类型的恰当配合TMTeTL 0 nmax nmin n图13-11 恒转矩负载配恒功率调速 2.恒转矩负载配恒功率调速方式恒转矩负载配恒功率调速方式 它的特性配合如图13-11所示。为使电动机在最高转速nmax时
9、能满足负载的需要，应使TM|nnmax=TL，但在其它转速下电机总有不同程度的浪费（TMTL，PMPL)。图13-12 恒功率负载配恒转矩调速TMTL n nmax nmin 0Te3.恒功率负载配恒转矩调速方式恒功率负载配恒转矩调速方式它的特性配合如图13-12所示。为了使电动机在最低转速nmin时能满足负载转矩的需要，应使TM=TL|nmin，但在其它转速下电机都有浪费（TMTL，PMPL），显然，这种配合也是不好的，它将造成高速运行时电机容量的浪费。13.1.4调速方式与负载类型的配合4.风机类负载与两种调速方式的配合风机类负载与两种调速方式的配合l通风机类负载与恒转矩调速和恒功率调速方
10、式的特性配合如图13-13a)和b)所示。l为了使电动机在最高转速时能满足负载的需要，则TM|nmax=TL|nmax,但在其它转速下电动机都有浪费（TMTL，PMPL），转速越低，浪费的越多。可以看出风机类负载与两种调速方式的配合都是不好的。图13-13 风机类负载与两种调速方式的配合a)b)TeTe00nnTLTMTLnmaxnmaxPM13.2 直流电动机速度控制 和直流电动机驱动器l直流电动机有两大优点：1.转速容易被控制；2.输出转矩大。广泛用在需要调速和需要频繁加速/减速的场合。它能短时输出35倍的额定转矩；相比较，多数交流电动机只能短时输出2倍的额定转矩。13.2.1 直流电动机
11、的转矩与速度控制1.串励直流电动机l直流串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，能产生很高的启动转矩，如图13-14a)所示。适用于要求启动转矩大的应用场合，如闸门提升机、公交电车、铁路机车等。l直流电动机的转矩与电枢电流与励磁电流的乘积成正比，它们串联的结果，使产生的转矩与电枢电流的平方成正比。电枢电流增加到2倍，转矩增加到4倍。1.1.串励直流电动机串励直流电动机l串励直流电动机的机械特性软，当负载转矩小的时候，转速高；当负载转矩大的时候，转速低，对闸门提升、电车启动等非常有利；但是，空载和轻载的时候转速能上升到危险的程度，直流串励电动机应直接连接到负载，而不宜通过皮带、链条等连接到负载。l串
12、励直流电动机借助调压调速，尽管它的调速性能不如并励直流电动机好。但是并不是所有的负载都把好的调速性能要求放在第一位，如汽车的启动电动机，对它的主要要求是高启动转矩，这正好是串励直流电动机的强项。+-励磁绕组电枢电枢电流转矩/转速额定电流启动电流电枢电流转矩/转速额定电流启动电流+-电枢励磁绕组图13-14 串励和并励直流电机的转矩/转速特性a）串励b）并励转矩转速转速转矩2.2.并励直流电动机并励直流电动机l并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，这样的结构使它们的调速性能优越。它们的机械特性硬，当负载变化时，其转速变化很小，如图13-14b）所示，适用于对转速的稳定性要求较高的应用场合，如金
13、属切削机床等。l并励电机可以接成分励，分励直流电动机借助分别调节施加在电枢绕组和励磁绕组上的电压调速。如果单独降低电枢电压，转速降低；如果单独降低励磁电压（电流），转速则上升。l电枢回路串接可变电阻或励磁回路串接可变电阻可以调节并励直流电动机的转速，如图13-15所示。+-电枢励磁绕组+-电枢励磁绕组电枢串励绕组并励绕组+-转矩转速电枢电流转矩/转速额定电流启动电流图13-15 并励电机 串电阻调速图13-16 复励直流电动机 转矩转速特性增加电枢绕组串联电阻可以降速；增加励磁绕组串联电阻可以升速。3.3.复励直流电动机复励直流电动机l复励直流电动机既有串联绕组也有并联绕组，如图13-16所示
14、。这样的结构特点使它们既具有串励电动机启动转矩大的优点，又具有并励电动机速度稳定性好的优点。适用于负载波动比较大而对又转速的稳定性要求不高的应用场合，例如，电梯、提升机、传送带等。l调速既可以借助调节电枢绕组电压，也可以借助调节并联励磁绕组电流。可以串电阻，也可以施加可变电压源。13.2.2 直流电动机晶闸管调速l目前，大多数直流电动机的速度控制采用晶闸管，而不是可变电阻。这是因为，与串电阻相比晶闸管直流调速装置体积小、效率高。l晶闸管调节的是施加到直流电动机电枢绕组或励磁绕组上的电压。l调节电枢电压调速属于恒转矩调速，调节励磁电压调速属于恒功率调速。图13-17 直流电动机晶闸管调压调速13
15、.2.2 直流电动机晶闸管调速l图13-17输出了一个简单的晶闸管调压调速系统。触发电路根据速度设定值调节晶闸管一个周期的导通时间，从而调节施加到电枢上的平均电压，使电动机从基速向下调速。l二极管整流桥给励磁绕组提供恒定的励磁绕组电压，系统的调速范围从0到基速。如果要求的调速范围超过基速，则需要用晶闸管代替二极管整流，使励磁绕组电压向下降，弱磁升速。13.2.3 直流电机驱动器 直流电动机驱动器由晶闸管、晶闸管触发电路、速度闭环调节电路等组成，可以完成以下多种功能：l 过载保护；l 制动；l 可编程输出；l 运行状态显示，如电压、电流等；l 故障状态显示，如过流、过压等；l 远距离通讯功能。l
16、 启动l 停止l 点动l 速度调节l 电动机转向控制l 加速时间控制l 减速时间控制 电动机驱动器有软启动功能，它能控制加减速时间，使启动过程平稳，无电流冲击，实际上就是降压软启动。电动机驱动器有制动能力，它能发电制动并能将发电制动的能量反馈回直流电源（回馈制动）。电动机驱动器有正/反转功能，可以设定运转方向。电动机驱动器附带有电子过载保护功能。13.2.3 直流电机驱动器13.2.3 直流电机驱动器l电动机驱动器完全可以代替磁力启动器，完成正反转启动/运行/过载保护/制动等功能。l电动机驱动器可以实现直流电机的四象限连续平滑调速。l电动机驱动器可以实现速度闭环调节，做到速度无静差；如果采用多
17、环控制，例如电流内环，速度外环，还可以达到相当高的动态性能。图13-18 直流电动机驱动器应用及操作图13-19 直流电动机驱动器和电器柜13.3 交流电机速度控制与交流电机驱动器13.3.1 交流异步电动机速度控制l交流异步电机的转速表达式为 l由式可见，异步电机有三种调速方法：1 调定子频率f1 可以在宽广的范围内连续、平滑、高效率地调速，是最有效的调速方法。2 调极对数np 可以在二种或三种速度之间切换，调速不平滑，但效率高。3 调转差率s 效率最差的调速方法，但是技术简单。)1(601snfnp（r/min）13.3.2 变频原理与变频器1.变频原理变频原理l图13-20示出了正弦脉冲
18、宽度调制（SPWM）的一般原理，一个频率fc、幅值VT的三角载波与一个频率f、幅值Vp的正弦调制波比较，交点决定了器件的开关点。图中A相参考电压ua*与三角波的交点控制VT1、VT4的通断，产生了图13-20（b）所示的A相PWM输出ua波形（虚线为它的平均值），它的频率与ua*的相同，幅度与ua*的成正比。即控制正弦调制波的频率就能控制输出电压的频率，控制正弦调制波的幅度就能控制输出电压的幅度。图13-20 正弦脉冲调宽（SPWM）波形的生成2.2.变频器的主电路变频器的主电路l通用变频器主要由主电路、控制电路、检测与保护电路、接口电路和各种外设组成。l主电路主要包括整流电路、中间直流环节和
19、逆变器三部分，如图13-21所示。l整流电路一般采用不可控的二极管整流桥，12千瓦以下的小功率多为单相220V输入，功率稍大多为三相380V输入。2.2.变频器的主电路变频器的主电路l中间直流环节采用电容滤波，电容数值大，所充电压高。为了限制初始电容充电电流，一般在整流桥与电容器之间设置限流电阻R0，在初始充电完成后（几十毫秒），触点K将其短接，避免能量损耗，电阻的功率也可以因此选小些。K可以是继电器触点，也可以是电子开关。VT1 VT3 VT5 VT4 VT6 VT2C1C2KR0VTbRbM3UVW 图13-21 变频器主电路2.2.变频器的主电路变频器的主电路l逆变器可以是单相，也可以是
20、三相，驱动电机用的多为三相逆变器。目前，逆变桥开关元件大都采用高速全控型器件IGBT，由控制电路产生的PWM信号经光电隔离放大后去驱动IGBT。由于采用PWM技术，调压和调频都在逆变器完成。2.2.变频器的主电路变频器的主电路l通用变频器的中间直流环节还设置有泵升电压吸收电路Rb和VTb。它们的作用是：在变频器快速降频的过程中，异步电动机处于发电制动状态，电能通过逆变桥开关元件反并联的二极管回送到中间电容，引起电容电压异常升高，此时触发VTb导通，电容器中的过量储能通过电阻Rb释放掉，维持直流母线电压基本不变，保证逆变器和电解电容的安全。小功率除外，Rb一般装在变频器的外部，作为附件供用户选购
21、；VTb装在变频器的内部，有端子与外部相连。2.2.变频器的主电路变频器的主电路l主电路采用模块化结构，功率不大时，一般整流桥封装在一个模块中，逆变桥封装在另一个模块中；功率在12千瓦以下时，甚至整流桥、逆变桥、驱动电路和部分保护电路封装在一个模块中，称为智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）。3.3.变频器的控制电路变频器的控制电路l现代通用变频器的控制电路大都采用高性能微处理器和专用大规模集成电路作为核心。一个例子是采用专为变频调速开发的数字信号处理器DSP2000系列芯片。16位的DSP24XX具有变频调速所需要的各种专门功能，包括PWM信号生成功能、A/
22、D转换功能、D/A转换功能；各种接口，包括与光电编码器连接的数字测速接口、过流保护需要的紧急封锁接口、变频器组网用的现场总线接口、外部开关量进出的I/O接口；各种存储器，包括程序存储器FLASH、数据存储器RAM等。控制功能大致分如下三部分：l监控,包括设定与显示。主要的设定包括：运行模式的选择（V/F模式、矢量控制模式、速度闭环模式等）、V/f曲线的设定、运行频率的设定、升频时间与降频时间的设定、最高频率限制的设定、最低频率限制的设定等。主要的显示包括：设定值的显示、运行状态的显示（电压、电流、频率、速度、转矩等）、故障状态的显示（故障类型、报警类型、历史纪录等）。显示多采用数码管或液晶屏。
23、控制功能大致分如下三部分：lPWM信号的生成。按照要求的频率、电压、载波比、死区时间自动生成六路PWM信号输出。l各种控制规律和控制功能的实现，如V/F控制、矢量控制、闭环控制、转矩提升、转差补偿、死区补偿、自动电压补偿、工频切换、瞬时停电重启动、DC制动等。光电隔离驱动电 流检测电压检测电 源模块温 度检测CPUP W M生成AD转换I/O接口通 讯接口数字测速显示键盘上位机故 障保护给定M转速检测R0KRb+V图13-22 通用变频器原理框图R1R2C1+C2+VTb单片机或DSP 4.4.信号处理与故障保护信号处理与故障保护l采样电路获取的的电流、电压、温度、转速等信号经信号调理电路进行
24、分压、放大、滤波、光电隔离等适当处理后进入A/D转换器，其结果作为CPU控制算法的依据或供显示用；或者作为一个电平信号送至故障保护电路。故障保护有过流、过载、过压、欠压、过热、缺相、短路等。正是因为这些众多的及时的故障保护，才使得变频器的工作可靠，很少损坏。一般说来，当一台变频器拖动一台电机时，可以根据电动机的容量，相应设定变频器的过载保护门限值，不必再使用外部的热继电器对异步电动机进行热保护。5.I/O5.I/O接口接口lI/O接口电路指从外部（PLC或继电器）输入控制信号，如启动、停止、正转、反转、电动、复位等二位信号或频率给定、附加频率给定等模拟量信号；将故障等二位信号输出供外部使用；或
25、将正常运转的状态信号，如电压、电流、频率、速度、转矩输出供外部显示或使用。它们以接线端子的形式提供给用户，方便现场配线。6.6.通讯接口通讯接口l现代的变频器上都配有通讯接口，如RS-485串行通讯接口，借助上位机，如PLC或工业控制计算机，对变频器实行远程设定和控制。最新的变频器上已经配备有工业以太网接口，从而可以进入企业网，进而与互联网相连。作为配件，用户可以选用各种现场总线（如CAN、Profibus-DC等）板卡，使变频器具备组成工业现场底层网络的能力。l通过通讯接口对变频器实行远程设定和控制，比起接线端子控制和操作面板控制来说，更方便和节省布线，因而也更受欢迎。13.3.3 通用变频
26、器的控制方式1.V/F1.V/F控制与矢量控制控制与矢量控制lV/F控制就是恒压频比控制，是最基本、最普通的变频调速方式，适用于对动态性能要求不高的调速场合。它调速平滑，调速范围宽广，应用面最广。在V/F控制中，变频器对输出的电压和频率进行调节。矢量控制是基于异步电动机动态模型的一种先进的控制技术，在矢量控制中，变频器对输出的电压、频率和相位进行控制，所以能超过V/F控制，达到和直流电动机调速相似的动态性能，是一种比较复杂的控制策略。13.3.3 通用变频器的控制方式2.开环与闭环控制开环与闭环控制lV/F控制可以速度开环，也可以速度闭环；矢量控制则经常是速度闭环的，可以无速度传感器，也可以有
27、速度传感器。无速度传感器矢量控制在低频时能提高输出转矩；有速度传感器矢量控制能达到较高的动态性能。变频器为速度反馈信号留有接口，内部设有闭环用的软件PID调节器。13.3.3 通用变频器的控制方式 3.速度模式与转矩模式速度模式与转矩模式l如果选用高性能的矢量控制方式，那么用户有两种模式可以进一步选择：速度控制模式和转矩控制模式。速度模式的给定是速度或者频率，转矩自动随负载变；转矩模式的给定是转矩，速度可以随系统浮动。转矩模式在卷绕系统中特别有用，使用这种模式，可以很容易构成恒张力卷绕系统。13.3.4 通用变频器的附加功能l通用变频器之所以能称为”通用”,正是因为它的附加功能多，这里不打算全
28、面讲，仅就其中几个主要的，不容易搞清楚的加以介绍。13.3.4 通用变频器的附加功能1.转矩提升转矩提升l通常在f=0Hz时，设定U为大于0的某一确定值。该值应取多大，与负载有关（IR补偿）。如果选取过大，电机容易发热，系统效率降低；如果选取过小，电动机在低频时的转矩变小，带负载能力降低。因此，通常把V/f曲线的选择称为转矩提升。l 转矩提升的范围为030%，与变频器的容量有关，作为例子，举出一种可能的出厂设定为：0.4kW为6%；2.2kW为4%；7.5kW为3%；11kW为2%。13.3.4 通用变频器的附加功能2.转差补偿转差补偿l负载增加时，转速下降、转差增加，通过适当提高变频器的输出
29、频率，使电动机因转差增加而降低了的转速得到补偿。由于用户的给定频率并未改变，因此等效地看，机械特性变硬了。l转差补偿设定内容大致有以下几项：(1).选择补偿功能是否有效 (2).预置补偿量 (3)预置转差补偿的时间常数l某些型号变频器的转差补偿量是通过相关数据自动内部计算决定的，就不必预置补偿量。13.3.4 通用变频器的附加功能3.瞬时断电后自动重启动瞬时断电后自动重启动l瞬时断电后重启动是指变频器允许启动一台正在旋转的电动机。瞬时断电后电源又恢复，如果电动机还没有停止旋转或者被负载带动，在电动机转速回升到给定值以前从0频率再次启动会有制动作用，有可能导致过流。通过捕捉跟踪功能，变频器能捕捉
30、到电动机的当前转速并且从相应的频率开始驱动电动机一直达到给定转速值，在这个过程中不会有过流发生。13.3.4 通用变频器的附加功能4.故障失速后的重启动功能故障失速后的重启动功能l变频器的保护功能十分齐全，且灵敏度比较高，容易受到外部信号的干扰，存在误动作的可能。为此，变频器因故障失速后，可以自动地重启动一次或多次，以避免不必要的停机。需要注意的是：对于模块过热引起的失速，是不允许重启动的。允许的重启动的次数，两次启动之间的时间间隔需要用户设定。4.4.故障失速后的重启动功能故障失速后的重启动功能l这里使用“失速”一词指的是变频器停止（封锁）输出，电机自由停车。与“跳闸”的含义不同，“跳闸”意
31、味着变频器失电。变频器在发生故障后，为了防止事态的进一步扩大，有时需要跳闸。13.3.4 通用变频器的附加功能5.防失速功能防失速功能l变频器发生故障时的保护动作经常采用“失速”，失速意味着电力电子器件的驱动被封锁，意味着本变频器停止工作，可能导致重大的经济损失。因此，变频器在运行过程中，又必须尽量避免不必要的失速。（1）加速过程中的防止失速功能l加速时间设定的过短，容易引起过流保护；加速时间设定的过长，又会影响生产率。如果在变频器设定阶段启动防失速功能，则在加速过程中出现过电流，可以不必失速，自处理程序将停止升频，随着电机速度的上升，转差变小，电流下降，待电流回落到最大允许值IH以下时，再次
32、升频。l因为自处理功能是为了避免不必要的失速而设置的，所以，在许多厂家的说明书中，常常把这种功能称作“防失速”功能。l启用防失速功能需要用户设定的内容为：是否允许自处理功能和自处理功能动作的电流门限值。ftt1 t2 t3 t4 IIHt00图13-23 加速过程防止失速（2）减速过程中的防失速功能l对于某些加、减速比较频繁的生产机械，减速时间过长，影响生产率；而对于某些惯性比较大的负载，如果减速时间预置的过短，会因为动能负载释放的过快而引起中间直流回路过电压。为此，变频器设置了减速过电压的自处理功能。如果在减速过程中，直流电压超过了上限值VDH，变频器的输出频率将不再下降，暂缓减速，直到直流
33、电压下降到VDH以下，再继续减速。l需要用户设定的内容是：减速过电压自处理功能是否启用；自处理动作的过电压门限值VDH。ttft1 t2 t3 t4 VD VDH 00图13-24 减速防止失速（3）运行过程中的防失速功能l当在运行过程中，电流超过了上限值IH，但是，电流变化率di/dt并不是很大，如图13-25所示，变频器不必失速，而是暂时把频率从f1降到f2，由于在频率下降的时候，电压与转差都要下降，因而电流也随之下降。待电流又回到IH之下时，变频器的输出频率再次恢复到原来的水平，从而避免了一次不必要的失速。但频率的下降幅度不宜太大，故某些型号变频器在频率下降之后，电流未能下降到IH之下时
34、，进一步降低电压，直到恢复正常为止。ttIH f1 f2 t1 t2If00图13-25 运行过程中防止失速13.3.4 通用变频器的附加功能6.DC制动制动l通用变频器向异步电动机的定子通直流电时（这意味着逆变器中某三个桥臂短时间内连续导通，不再换相），异步电动机便处于能耗制动状态。在这种情况下，变频器的输出频率为零，定子磁场不再旋转，转动着的转子切割这个静止的磁场而产生转子电流，转子电流与静止磁场相互作用产生制动转矩。旋转系统存储的动能转换成电能，消耗在异步电动机的转子回路中。6.DC6.DC制动制动l这种DC制动方式主要有两个用途：一是用于准确停车控制；二是制止停车中的不规则自由旋转。l
35、一种可能的准确停车方案是，变频器首先开始连续降速，达到某一低频fDB后开始直流制动，使输出频率变为零。电动机则先经历再生发电制动，后经历DC能耗制动，最终停止。如果调整得当，生产机械将准确停止在预定位置上。l通用变频器中对直流制动功能的控制，主要通过设定DC制动起始频率fDB、制动电流IDB和制动时间tDB来实现。13.3.5 通用变频器的保护l当变频器出现故障和非正常运行时，变频器必须有快速可靠的保护。一般，通用变频器提供的保护有：过流、过载、对地短路、过压、欠压、运行出错、CPU错误、外部跳闸、瞬时电源故障、功率模块过热、散热器过热等。变频器在保护功能动作后，通常在面板上会有显示，指示故障
36、的类型。1.1.过电流保护过电流保护l当变频器的输出侧发生短路或电机堵转时、当V/f曲线设定不当时、当负载惯性较大而加速时间设定过短时、当内部故障引起桥臂直通短路时，变频器将流过很大的的电流，从而可能造成电力电子器件的损坏。为了防止过流故障引起的损坏，变频器中设置有过流保护功能。当电流超过某一数值时，变频器或者通过关断电力电子器件切断输出电流（失速），或者调整变频器的运行状态减小输出电流（防止失速）。l电力电子器件在严重过电流的情况下，能坚持的时间很短，常常以微秒或数十微秒计，对这一类过流保护的基本要求是快。通常采用硬件保护电路，例如，直接封锁电力电子器件的驱动电路，事后报告CPU。2.2.过
37、载保护过载保护l在传统的电力拖动系统中，通常采用热继电器保护电动机不因过载超过电动机发热容许的极限而损坏。热继电器具有反时限特性，即电动机的过载电流越大，容许的连续运行时间越短；过载电流越小，容许的连续运行时间越长。在变频器中，这种反时限过载保护功能很容易用软件实现，称为“电子热继电器”。用户可以设定：是否启用电子热继电器和电子热继电器动作的门限值。l 变频器本身也有一定的过载能力。一般说来，中小功率变频器容许过载150%一分钟。超过额定电流的150%，就算是过电流而非过载。可参见生产厂家提供的变频器使用说明书。3.3.过压保护过压保护l当电动机减速或制动时，电动机处于发电状态，电能通过逆变桥
38、反并联的二极管回送直流侧，对直流侧电容充电，使直流侧电压升高，处理不当有可能击穿电力电子器件和中间直流电容，造成变频器损坏，需要设置过压保护功能。3.3.过压保护过压保护l需要根据过电压的程度分别处理。当降速开始,变频器的直流电压超过一定的数值后，再生制动电路开始工作，图13-22中的VTb导通，制动电阻Rb开始耗能，变频器继续降频，电动机继续降速；如果这样还不足以阻止电容电压继续上升，以至于上升到停止降频门限电压值，这时变频器停止降频，再生制动停止，直流电压下降，到一定程度，再次降频减速；在降频减速的过程中，如果两种手段都使用上，仍未能阻止电压攀升，以至于超过了过压保护门限值，将采取最后的手
39、段，逆变器停止工作，使电动机自由停车。过压保护门限停止降频门限再生制动门限ononoff制动单元工作Udtt f逆变器输出封锁图13-26 过电压保护停止降频运行4.4.其它保护其它保护l当变频器的输入电压低于额定电压的7580%时，由于变频器不能为电动机提供足够的电磁转矩，转差增大，电动机发热严重，变频器将停止工作。l电源缺相后，整流电压过低，足以使欠压保护动作，故可以不单独设缺相保护功能。l如果外部干扰使CPU或EEPROM发生非正常运行，变频器也将停止工作。l有些故障是短时出现的，例如由于供电质量造成的短时欠电压或过电压等，在电源恢复正常后，变频器可以继续正常运行；有些故障是永久性的，如
40、功率模块损坏，维修人员必须查出原因加以更换，变频器才能恢复正常运转状态；有些故障是由于变频器的参数设定的不合理造成的，需要修改设定。13.3.6 通用变频器的外围设备l图13-27示出了通用变频器可能的外围设备，用户可视情况选用。lQF-电源侧断路器，用于电源的通断，在出现过电流或短路事故时自动切断电源，防止事故扩大。如果需要进行接地保护，也可以选用漏电保护式断路器。是变频器的必选件。l1KM-电源侧接触器，用于切断电源，在变频器保护功能起作用时，通过变频器的I/O输出口控制接触器释放，切断电源。对于电网停电后的复电，可以防止自动重启动，以保护设备及人身的安全。lFIL-无线电噪声滤波器，用于
41、改善变频器因高次谐波对外界造成的干扰，视情况需要与否选用。变频器FILM1KM3KM2KM1ACL2ACLRQFQF-空气断路器 FIL-无线电噪声滤波器 1KM-电源侧接触器 2KM-电机侧接触器 3KM-工频电网切换接触器 R-制动电阻 1ACL-电源侧交流电抗器 2ACL-电机侧交流电抗器 图13-27 变频器的外围设备13.3.6 通用变频器的外围设备l1ACL、2ACL-交流电抗器，1ACL用于抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因数。选用与否，视电源变压器与变频器的匹配情况，以及电网电压允许的畸变情况而定。一般说来，大容量变压器配小功率变频器时，需要配置输入电抗器。2ACL用于改善
42、变频器的输出电流波形，减小电动机的噪声。lR-制动电阻，用于吸收电动机再生制动时的再生电能，可以缩短大惯量负载的停车时间；还可以在位能负载下放重物时，实现连续再生运行。13.3.6 通用变频器的外围设备l2KM、3KM-电机侧接触器，用于变频器与工频电网的切换。在这种方式下，2KM是必不可少的，它和3KM之间的连锁可以防止变频器的输出端误接到工频电源上，这样的误接将损坏变频器。如果不需要变频器/工频电源的切换，可以不要2KM。注意，某些型号的变频器可能要求2KM只能在变频器不工作时进行切换，工作时切换可能损坏变频器。为了避免切换时引起电流冲击，需要频率，甚至相位的跟踪。一个应用例子是使用一台变
43、频器对多台设备进行软启动，一台设备的启动结束后，切换到工频电源工作，变频器就可以转而启动另一台。13.3.7 通用变频器的接线l通用变频器种类繁多，图13-28示出了其中的一种接线图。l通用变频器内有一排接线端子，标有R、S、T的端子通过熔断器（或断路器）、隔离开关分别接电源线L1、L2、L3，标有U、V、W的端子分别接三相交流电动机的端子T1、T2、T3，如图13-29所示。变频器（驱动器）的地、电动机的外壳和电源的地联结在一起形成公共地。13.3.7 通用变频器的接线l变频器内部有过流保护，速度很快的过硫保护，可以保护电力电子器件不因过流而损坏。l这里设置的熔断器或者自动断路器的作用是为了
44、防止变频器内部的过流保护失败，造成损坏时，限制事故不要扩大。l直流母线（DC BUS）电抗器、动态制动(发电制动)单元、制动（DB）电阻是可选件，图13-29中没有示出。图13-29 变频器主电路接线图通用变频器的控制方法 通用变频器的控制方法有三种：1.面板控制，如图13-31所示。l所有的通用变频器都带有控制面板，上面有“启动”、“停止”、“点动”、“正反转切换”、“升频”、“降频”、“编程”、“复位”等按钮。还有数码显示（LED或者液晶），显示运行状况，如电流、电压、频率等；显示故障类别，如过流、过压、欠压、过载等；显示设定内容，如频率设定、最高频率限制、最低频率限制、过载电流门限等。面
45、板控制是最直接、最简洁的控制方法，适用于单台变频器组成的简单控制系统。需要操作人员控制。通用变频器的控制方法2 接线端子控制，如图13-30所示。l所有的通用变频器中都有一排接线端子条，可接入外部开关量控制变频器的启动、停止、点动、正转、反转等。这些外部开关量可以是“扳钮”，也可以是“按钮”，也可以是“液位开关”、“压力开关”、“温度开关”、“限位开关”等或者是PLC的开关量输出。l控制接线端子条上还有模拟量输入端，用模拟电压或电流输入“频率给定”、“温度给定”、“压力给定”，取决于具体的应用系统。使用时需要外接一个电位器（常常是1k）作为模拟量给定，不需要电源，简单地使用变频器内部提供的电源
46、。通用变频器的控制方法3 串行通讯控制，如图13-30所示。l多数变频器都带有串行通讯接口，主要是RS-485接口。利用串行通讯接口，可以远程设定变频器，远程操控变频器，远程监控变频器，包括运行频率设定、启动、停止、运行状态监控等。也可以利用串行接口构成控制网络，使变频器成为控制网络中的一个节点。l如果增加一个扩展板，变频器立刻就有了现场总线组网能力，扩展版包括“CAN”、“Profibus-DP”、“CC-Link”等现场总线。l串行通讯是最受欢迎、最有前途的变频器控制方法。图13-30图13-31 变频器接线端子控制接线端子主电路接线端子操作面板图13-32 变频器操作面板 图13-33
47、变频器串行通讯13.4 电动机驱动器的应用l直流电动机驱动器与交流电动机驱动器产品已经系列化，从零点几个千瓦到数千千瓦，满足各种用途。以变频器为例，有通用V/F控制变频器、通用矢量控制变频器，伺服控制变频器等；有各种电压级别，低压变频器、中压变频器、高压变频器等。有各种专门用途，电梯用变频器、风机/泵类用变频器、无塔上水器专用变频器等。13.4.1 变频器举例 作为例子，介绍台达V系列矢量控制变频器。该系列变频器采用了32位高速CPU芯片，具有响应速度快、精度高、输出力矩大以及具有定位控制等特点。可广泛应用于数控机床、电梯、起重设备、加工中心及各种高性能应用场合。主要功能及特点:lV/F控制、
48、矢量控制l最高输出频率可达3000Hzl速度控制模式、转矩控制模式、定位控制模式l模拟量输入、数字量输入、RS-485输入、PWM脉冲量输入13.4.1 变频器举例l内置PID控制功能(反馈信号规格:0-10Vdc,4-20mA,+/-10Vdc,PG脉冲量等)l零速运转,输出转矩可达180%以上l具有自动侦测(autotunning)电机参数功能，可储存2台电机参数l精确的速度PI控制lPWM&SoftPWM调制技术l低速励磁补偿lRS-485通讯接口,支持Modbus协议等。台达V系列变频器的主要技术指标如表13-1所示。表13-1 230Vac三相系列变频器型号型号VFDV 007 01
49、5 022 037 055 075 110 150 适用电机功率（kW）0.75 1.52.23.75.57.51115输出额定电流(A)5.07.5111725334965型号型号VFDV185220300370450550750-适用电机功率（kW）18.5223037455575-输出额定电流(A)7590120146182220300-输出频率范围0Hz-400Hz(高速版可到3000Hz)过负载能力150%额定电流,1分钟；200%额定电流,2秒种。最大输出电压对应输入电源相数.电压.频率单相/三相三相200-240Vac,50/60Hz电压允许变动范围电压:10%频率允许变动范围频
50、率：5%冷却散热系统强制风冷表13-2 460Vac三相系列变频器型号型号VFDV007015022037055075110150适用电机功率（kW）0.751.52.23.75.57.51115输出额定电流(A)3.04.25.58.213182432型号型号VFDV185220300370450550750-适用电机功率（kW）18.5223037455575-输出额定电流(A)3845607391110150-输出频率范围0Hz-400Hz(高速版3000Hz)过负载能力150%额定电流，60秒；200%额定电流,2秒种。最大输出电压对应输入电源相数.电压.频率三相380-480Vac,
