电气传动变频器知识教程

电气传动•１变极调速•２变频调速•３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:0~10V、2~10V、0~±10V、0~5V、1~5V、0~±5V等。·电流信号以电流大小作为给定信号。给定信号的范围有:0~20mA、4~20mA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与对应的给定频率fX之间的关系曲线fX＝f(Ｘ)，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(X＝0，fX＝0);终点为(X＝Xmax，fX＝fmax)，如图3(a)和(b)所示。例如，给定信号为UG＝0～10V，要求对应的输出频率为fX＝0～50Hz。则:UG＝0V与fX＝0Hz相对应;UG＝10V与fX＝50Hz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)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“０”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“０”速附近设定一个死区ΔX，使给定信号从-ΔX到＋ΔX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(Xmin≠0)。如果给定信号X＝0，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“０”预置为0.3V。则:当给定信号X＝0.3V时,变频器的输出频率为fmin;当给定信号X＜0.3V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②和曲线③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，整台机器具有若干个单元，每个单元都有各自独立的拖动系统,•如图所示:第１单元•由电动机Ｍ１拖动，第二•单元由电动机Ｍ２拖动…•…。通常,把第１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λ＝2，则:•(2)上限频率与最高频率的关系•·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;•·回避宽度ΔfJ•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Φ保持不变:•Φ＝const(2)保持磁通不变的方法•保持Φ＝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Φ＝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ＴMEX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ΦM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。7V/F控制功能•7.1V/F控制模式•(1)指导思想•为了确保电动机在低频运行时，反电动势和频率之比保持不变，真正实现Φ＝const，适当提高U/f比，使KU＞Kf，从而使转矩得到补偿，提高电动机在低速时的带负载能力。如图中之曲线②所示(曲线①是KU＝Kf的U/f线)。这种方法称为转矩补偿或转矩