1、变频器应用教程（第二版）张燕宾 编著第2章变频器的常用功能第2章变频器的常用功能2.1变频器的控制方式2.2VF控制方式2.3Uf线的选择与调整2.4矢量控制和直接转矩控制方式2.5变频器频率给定功能2.6电动机加速和起动2.7变频减速和制动2.8制动电阻和制动单元2.9预置加、减速时间的依据2.1变频器的控制方式2.1.1控制方式要解决的问题1.异步电动机的自然机械特性图2-1电动机的自然机械特性2.1变频器的控制方式(1)理想空载点电动机输出轴上的转矩为0，称为理想空载。(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，见图中的S点。(3)临
2、界点异步电动机的机械特性有一个拐点K。2.机械特性说明的问题(1)从电动机的角度看如图2-2a所示，当转速较高，为n1时，转差n1较小，转子绕组切割旋转磁场所产生的感应电动势和电流也较小。图2-2机械特性说明的问题a)从电动机侧看b)从负载侧看2.1变频器的控制方式(2)从负载的角度看如图2-2b所示，当负载较轻、阻转矩为TL1时，用于克服TL1所需要的电磁转矩较小，拖动系统的工作点为Q1点，转速较高，为n1。3.变频后的机械特性1)同步转速n0随频率的下降而下降。2)临界转速nK也下降，但临界转差基本不变。3)临界转矩TK随频率的下降而略有减小。4)机械特性基本平行。图2-3时的机械特性2.
3、1变频器的控制方式2.1.2电动机变频后的磁通1.带负载能力下降的原因2.数字举例图2-4低频时临界转矩减小的原因a)额定频率时的磁通b)频率下降时的磁通2.1变频器的控制方式(1)电动机的工作频率为50Hz(2)电动机的工作频率为fX10Hz(kf0.2)2.2VF控制方式2.2.1VF控制的基本思想图2-5电压补偿的原理a)补偿的含义b)补偿的结果2.2VF控制方式图2-6电压补偿的实施a)未补偿时的波形b)补偿后的波形2.2.2变频器的VF控制功能2.2VF控制方式1.Uf线的类型(1)恒转矩类也叫直线型，如图2-7a中曲线所示，大多数生产机械都选择这种类型。(2)二次方类如图a中曲线所
4、示，只有离心式风机、水泵和压缩机等选择这种类型。图2-7变频器的转矩提升功能a)U/f线的类型b)转矩提升量2.2VF控制方式2.转矩提升量2.3Uf线的选择与调整2.3.1转矩提升量的确定1.电流与电压的关系图2-8电流和电压的关系a)I-U关系曲线b)不同负载率的曲线2.转矩提升量的初定(见图2-9)2.3Uf线的选择与调整图2-9确定转矩提升量3.转矩提升量的调整(见图2-10)2.3Uf线的选择与调整图2-10转矩提升量的调整a)试验方法b)调整方法2.3Uf线的选择与调整(1)许多机械在设计时，常常对电动机的容量留有裕量。(2)部分生产机械可能有一些特殊要求。2.3.2基本频率及其调
5、整1.基本频率的定义1)和变频器的最大输出电压对应的频率，如图2-11所示；2)当变频器的输出电压等于额定电压时的最小输出频率。图2-11基本频率的定义a)变频器的对应关系b)基本U/f线2.3Uf线的选择与调整2.基本频率的调整(1)电压匹配图2-12不同电压的匹配a)220V电动机配380V变频器b)420V、60Hz电动机配380V变频器2.3Uf线的选择与调整(2)“大马拉小车”的节能如图2-13所示实例，负载实际消耗功率只有45kW，但电动机容量却是75kW的，明显属于“大马拉小车”。图2-13大马拉小车的节能a)实例b)降压节能原理c)降压方法2.4矢量控制和直接转矩控制方式2.4
6、.1矢量控制的基本思想1.直流电动机的特点(1)磁场特点1)主磁通由定子的主磁极产生，用0表示。2)电枢磁通由转子绕组中的电枢电流IA产生，用A表示。图2-14直流电动机的特点a)磁场特点b)电路特点c)调速后的机械特性2.4矢量控制和直接转矩控制方式(2)电路特点励磁绕组的电路和电枢电路是互相独立的，如图b所示。(3)调速特点在这两个互相垂直而独立的磁场中，只需调节其中之一即可进行调速，两者互不干扰，调速后的机械特性如图c所示。图2-15矢量控制框图2.4矢量控制和直接转矩控制方式2.矢量控制的基本考虑(1)矢量控制框图(见图2-15)仿照直流电动机的特点，当变频器得到给定信号后，首先由控制
7、电路把给定信号分解为两个互相垂直的磁场信号：励磁分量M和转矩分量T，与之对应的控制信号分别为*和*。(2)矢量控制特点1)矢量控制能够保持主磁通不变。2)矢量控制调整的是定子电流的转矩分量，也就是转子的等效电流。2.4.2应用矢量控制方式的基本要领1.矢量控制需要的参数2.4矢量控制和直接转矩控制方式(1)电动机的铭牌数据包括额定容量、额定电压、额定电流、额定频率、额定转速、磁极数等。图2-16矢量控制所需参数a)铭牌数据b)等效电路参数(2)电动机定、转子绕组的参数如定子每相绕组的电阻和漏磁电抗、转子每相等效绕组的电阻和漏磁电抗、空载电流等，2.4矢量控制和直接转矩控制方式如图2-16b所示
8、。2.变频器的自测定功能(1)准备工作1)输入电动机的额定数据；2)使变频器处于“键盘操作”方式；3)将自测定功能预置为“自动”方式。(2)静止自测量用手制住电动机的输出轴，使电动机处于堵转状态，如图2-17a所示。图2-17电动机参数的自测量a)静止自测量b)旋转自测量2.4矢量控制和直接转矩控制方式(3)旋转自测量将电动机和负载脱开，处于空载状态，如图2-16b所示。3.矢量控制方式的适用范围1)矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机。2)电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能相差一个档次。3)磁极数一般以2、4、6极为宜，极数较多时须查阅有关说明书(不同变频器对极数的限制
9、也不一样)。4)特殊电动机不能使用矢量控制功能。2.4.3矢量控制的反馈1.有反馈矢量控制2.4矢量控制和直接转矩控制方式(1)信号特点输出信号分为A相和B相，两者在相位上互差9045，如图2-18b所示，和分别是A相和B相的“非”。图2-18编码器的信号与接线a)接线b)输出信号(2)旋转编码器的接线2.4矢量控制和直接转矩控制方式1)直接连接如图2-19a所示。图2-19编码器与变频器的连接a)直接连接b)通过控制卡连接2.4矢量控制和直接转矩控制方式2)通过控制卡连接以安川CIMRG7系列变频器为例，须配置专用的PG速度控制卡，如图b中的PGB2。(3)旋转编码器的安装普通电动机的输出轴
10、较短，在安装了带轮后，已经没有位置再安装旋转编码器了。1)轴套型旋转编码器的安装在电动机的后端盖上开一个孔，并在后部的轴上安装一个轴径与编码器匹配的过渡轴，如图2-20a中的灰色部分所示。图2-20编码器的安装a)加装过渡轴b)轴型编码器的安装2.4矢量控制和直接转矩控制方式2)轴型编码器的安装安装轴型编码器时，可加装一个连接器。2.无反馈矢量控制图2-21无反馈矢量控制的机械特性a)基本接线b)机械特性2.4矢量控制和直接转矩控制方式2.4.4直接转矩控制1.控制框图图2-22直接转矩控制框图2.4矢量控制和直接转矩控制方式2.脉宽调制(1)不需要SPWM发生器，结构简单，且动态响应快；(2
11、)输出电流的谐波分量较大，冲击电流也较大，逆变器输出端常常需要接入输出滤波器或输出电抗器；(3)逆变电路的开关频率不固定，电动机的电磁噪声较大。3.直接转矩控制的优点(1)只需要电动机的定子电阻一个参数，既易于测量，准确度也高；(2)不必进行如矢量控制那样的等效变换，故动态响应快，只需15ms；(3)容易实现无速度传感器控制。2.4.5各种控制方式的主要特点和应用范围2.4矢量控制和直接转矩控制方式表2-1各种控制方式的主要特点和应用范围2.5变频器频率给定功能2.5.1模拟量频率给定功能1.模拟量给定方法图2-23模拟量给定a)面板给定b)外接给定c)标准频率给定线2.标准频率给定线2.5变
12、频器频率给定功能(1)给定信号范围当用户选择模拟量给定时，还需要对变频器提供的模拟量的标准信号范围进行选择，如010V、210V、020mA、420mA等。(2)最高频率变频器允许输出的最大频率，称为最高频率，用fmax表示。(3)频率给定线变频器的输出频率和给定信号之间的关系曲线，称为频率给定线，当给定信号为标准给定信号时，则称为标准频率给定线。3.任意频率给定线根据控制系统的具体情况，控制设备实际提供的给定信号范围不一定符合变频器的标准给定信号。2.5变频器频率给定功能图2-24任意频率给定a)频率给定方式b)频率给定线2.5变频器频率给定功能(1)直接坐标法即直接预置起点的坐标和终点的坐
13、标。1)起点坐标横坐标是给定信号的最小值UGmin2V；纵坐标是与最小给定信号对应的给定频率fmin0Hz。2)终点坐标横坐标是给定信号的最大值UGmax8V；纵坐标 是与最大给定信号对应的给定频率，fmax50Hz。表2-2变频器的功能设置2.5变频器频率给定功能图2-25偏置频率和频率增益(2)偏置频率和频率增益法2.5变频器频率给定功能1)偏置频率延长BA至C点，得到当给定信号UG0V时所对应的给定频率称为偏置频率，用fBI表示，如图2-25所示。2)频率增益延长AB至D点，得到与标准的最大给定信号UGM对应的给定频率，称为最大给定频率，用fXM表示。表2-3变频器的功能设置2.5.2数
14、字量频率给定功能1.数字量给定方法(1)键盘给定即利用键盘上的升键和降键进行频率给定，如图2-26a所示。2.5变频器频率给定功能图2-26数字量频率给定a)面板给定b)外接端子给定c)时序图2.外接端子给定2.5.3频率的限制功能2.5变频器频率给定功能1.上限频率和下限频率(1)上、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。图2-27上限频率与下限频率a)搅拌机的工艺要求b)上、下限频率2.5变频器频率给定功能(2)上限频率和最高频率的关系1)上限频率不能超过最高频率：2)当上限频率小于最高频率(fHfmax)时，上限频率优先于最高频率，变频器的实际最大输出频率为上限频率
15、。3)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。(3)下限频率与起始频率1)电动机起动时，变频器的输出频率从0Hz开始上升；停机时，变频器的输出频率也能下降至0Hz。2)在运行过程中调节变频器的输出频率时，最低的工作频率为下限频率。2.回避频率 2.5变频器频率给定功能(1)设置回避频率的目的任何机械在运转过程中，都会发生振动，振动的频率和转速有关。图2-28回避频率a)决定回避频率的参数b)三个回避频率2.5变频器频率给定功能(2)回避的具体过程如图2-28a所示。(3)回避频率的预置方法1)预置需要回避的中心频率fJ和回避宽度fJ；2)预置回避频率的上限fJH与下限fJL
16、。3.点动频率(见图2-29)点动控制就是“点-点，动-动”，如图2-29a所示。图2-29点动频率a)点动控制b)点动频率的含义2.6电动机加速和起动2.6.1异步电动机的起动1.工频起动(1)起动方法就是把电动机直接与工频电源相接，如图2-30a所示。图2-30工频起动电流a)工频起动b)特点c)起动电流d)影响2.6电动机加速和起动(2)起动电流以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，如图2-30b所示。(3)起动过程图2-31工频起动过程a)动态转矩b)升速过程2.6电动机加速和起动2.变频起动(1)起动方法变频器通电后，由继
17、电器KA将FWD和COM之间接通，电动机即按预置的加速时间从“起动频率”开始起动，如图2-32a所示。图2-32变频起动的特点与电流a)变频起动b)起动特点c)起动电流2.6电动机加速和起动(2)起动电流仍以4极电动机为例，假设在接通电源瞬间，将起动频率预置为5Hz，则同步转速只有150 r/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。(3)起动过程变频起动过程中，电动机的机械特性曲线簇如图2-33a所示。图2-33变频起动过程a)机械特性曲线b)转速上升过程2.6电动机加速和起动1)在整个起动过程中的动态转矩很小，故升速过程将能保持平稳，减小了对生产机械的冲击。2)转速的上
18、升过程取决于用户预置的“加速时间”，用户可根据生产工艺的实际需要来决定加速过程。3)电动机起动转矩的大小，可根据实际需要通过准确地预置变频器的功能来调整。2.6.2加速时间与起动电流1.加速时间的定义图2-34加速时间定义a)频率显示b)加速时间定义2.6电动机加速和起动2.加速时间对起动电流的影响(1)加速时间长意味着频率上升较慢，则旋转磁场的转速也缓慢上升，如图2-35a所示，电动机转子的转速跟得上同步转速的上升，在起动过程中能够保持较小的转差，如图b所示。(2)加速时间短意味着频率上升较快，旋转磁场的转速也迅速上升，如图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
19、升，使转差增大，如图e所示。图2-35加速时间与电流a)加速慢b)转差小c)电流小d)加速时间短e)转差增大f)电流增大2.6电动机加速和起动(3)预置加速时间的原则在生产机械的工作过程中，加速过程(或起动过程)属于从一种运行状态转换到另一种运行状态的过渡过程，在这段时间内，通常是不进行生产活动的。2.7变频减速和制动2.7.1电动机的自由停机(1)停机方法电动机切断电源，即处于自由停机状态，如图2-36a所示。图2-36电动机的自由制动a)停机方法b)减速曲线2.7变频减速和制动(2)停机过程在电动机的自由停机状态，其减速过程如图b中之曲线所示，从全速运行到完全停住所需时间的长短tSP，取决
20、于拖动系统的惯性。2.7.2电动机的变频停机1.停机方法图2-37电动机的变频停机a)停机方法b)停机过程2.7变频减速和制动2.停机过程3.频率下降时电动机的状态(1)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，以4极电动机为例，设工作频率为50Hz，电动机转速为1480rmin。图2-38降速过程中的电动机状态a)运行时b)减速时c)直流电压2.7变频减速和制动(2)频率下降时的状态假设将频率下降为48Hz，在频率刚下降的瞬间，由于惯性原因，转子的转速仍为1480r/min，但旋转磁场的转速却已经下降为1440 r/min了。(3)直流电路的电压如上述，在减速过程中，电动机
21、处于发电机状态，所产生的电能通过反并联二极管流向直流回路，使直流电压上升，称为泵升电压。2.7.3减速时间与直流电压1.减速时间的定义2.减速时间对直流电压的影响2.7变频减速和制动图2-39降速时间与直流电压a)减速时间定义b)减速时间长c)减速时间短2.7变频减速和制动3.预置减速时间的原则2.7.4直流制动1.异步电动机的能耗制动图2-40异步电动机的能耗制动a)通入直流电流b)制动原理2.7变频减速和制动2.变频器的直流制动功能图2-41直流制动的原理与预置a)直流制动b)相关功能(1)直流制动的起始频率fDB通常，直流制动都是和再生制动配合使用的。2.7变频减速和制动(2)直流制动电
22、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。(3)直流制动时间tDB即施加直流制动的时间长短。2.8制动电阻和制动单元2.8.1制动电阻和制动单元的作用与工况1.制动电阻的作用图2-42接入能耗电路a)制动电阻的作用b)制动单元的作用2.制动单元的作用2.8制动电阻和制动单元3.能耗电路的工况(1)不反复再生制动的工况生产机械在运行过程中并不经常减速，每次减速后的稳定运行时间较长，再生制动的次数较少，称之为不反复再生制动。图2-43不连续再生制动的工况a)不反复减速b)反复减速2.8制动电阻和制动单元1)不反复减速的工况如图2-43a所示的带式输煤机，减速运行的次数很少。
23、2)反复减速的工况生产机械时而加速、时而减速，如图2-43b所示龙门刨床的刨台的工况。(2)连续再生制动的工况当起重机械的吊钩带着重物连续下降，如图2-44所示时，电动机将处于连续再生制动的状态。图2-44连续再生制动的工况a)起重机械b)能耗电路工况2.8制动电阻和制动单元2.8.2制动电阻的选择1.制动电流的近似估算2.制动电阻的计算(1)电阻值(2)直流电压的上限值(3)制动电阻的容量2.8.3制动单元的基本原理1.制动单元的作用(见图2-45)：图2-45制动单元的构成2.8制动电阻和制动单元2.制动单元的框图和原理2.9预置加、减速时间的依据2.9.1拖动系统的惯性(1)惯性较小者加、减速时间可以预置得短一些。图2-46加、减速时间与惯性a)小惯性负载b)大惯性负载2.9预置加、减速时间的依据(2)惯性较大者加、减速时间应适当预置得长一些。2.9.2生产机械的要求(1)对于部分起动与制动比较频繁的机械来说，由于拖动系统的加、减速过程属于不进行生产的过渡过程。图2-47生产机械对加、减速的要求a)龙门刨床的刨台b)液料瓶传输带2.9预置加、减速时间的依据(2)部分起、制动并不频繁的生产机械，出于对生产实际的要求，希望在加、减速过程中尽量减小速度的变化。
