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变频调速应用技术(三)
作者:全球MRO综合服务商    仪器仪表技术文章来源:全球MRO仪器仪表交易网    点击数:    更新时间:2007-5-20

1  操作方式先选定
1.1 操作方法须预选

所谓操作方法,就是进行起动、停止、升速、减速等基本操作的方法。一般说来,变频器的操作方法主要有两种。
(1) 键盘操作
即通过变频器面板上的键盘来进行操作,也叫作面板操作。如图1(a)所示,基本操作如下:

图1 变频器的操作方法
正转起动:按FWD键; l 反转起动:按REV键;
停止:按STOP键;   l 升速:按p键;
降速:按▼键。
(2) 外接端子操作
变频器的接线端子中,有一部分端子是用来接受外部的各种控制信号的。主要的控制信号有:
频率给定信号  
从外部输入电压信号或电流信号,来控制输出频率的大小,如图1(b)中之VI1端,输入的是电位器RP上的分压信号。因为电压信号和电流信号都是模拟量,故也称为模拟量给定信号。
常用的模拟量给定信号有:
电压给定:给定信号为电压值。电压信号的范围有以下几种:
 0~+5V、0~+10V、0~±5V、0~±10V。
当给定信号可“+”可“-”时,可通过给定信号的符号来改变电动机的旋转方向。
电流给定:给定信号为电流值。大多数电流信号为4~20mA,有的变频器也可以是0~20mA。
基本操作信号
如正转(FWD)、反转(REV)、复位(RST)等,只需用开关触点把这些端子和公共端(COM)之间联接起来,即可进行相应的操作了。因为所接受的是外部开关的信号,称为开关量输入。
(3) 变频器的操作方式选择功能
如表1所示。

表1   变频器的操作方式选择功能

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1.2 模拟给定有曲线
由模拟量进行频率给定时,变频器的给定频率fX与对应的给定信号X(电压或电流信号)之间的关系曲线fX=f(X),称为频率给定线。
(1) 基本频率给定线  
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。
基本频率给定线的起点为(X=0,fX=0);终点为(X=Xmax,fX=fmax),如图2中之曲线①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;UG=5V与fX=25Hz相对应。

图2 频率给定线
(2) 任意频率给定线
频率给定线的起点(给定信号为“0”时对应的频率)和终点坐标(给定信号为最大值时对应的频率)是可以根据拖动系统的需要任意预置的。
最小给定频率
当给定信号X=0时所对应的给定频率称为最小给定频率,也叫偏置频率,用fBI表示。从而,任意频率给定线的起点坐标为(0,fBI),如图2-2(b)中之曲线②所示。
最大给定频率
为给定信号X=Xmax时对应的给定频率,称为最大给定频率,用fXM表示。所以,任意频率给定线的终点坐标是(Xmax,fXM)。   
部分变频器中,最大给定频率fXM是通过预置“频率增益”G%来设定的。
G%的定义是:最大给定频率fXM与最大频率fmax之比的百分数 &nbs  >> 

p;
     G%=()·100%      (2-1)
当G%>100%时,fXM>fmax。这时的fXM为假想值,其中,fXM>fmax的部分,变频器的实际输出频率等于fmax。
因此,基本频率给定线也就是fBI=0Hz、G%=100%时的频率给定线。

2  频率定义记分明
变频器中,有许多关于频率的称谓,对这些称谓的含义必须正确理解,方能准确而灵活地对它们进行设定。
2.1 基本频率电压从
(1) 基本频率的定义 
基本频率的大小是和变频器的输出电压相对应的。有两种定义方法:
和变频器的最大输出电压对应的频率,如图3(a)所示;
当变频器的输出电压等于额定电压时的最小输出频率,如图3(b)所示。
基本频率用fBA表示。在绝大多数情况下,基本频率都和电动机的额定频率相等,如图3(c)所示。

图3  基本频率的定义
(2) 基本频率的活用举例
220V的电动机配用380V变频器  
当电动机的额定电压为220V,而所配变频器的额定电压为380V时,可以通过提高基本频率的方法来解决。如图4所示,当把基本频率预置为87Hz时,则与87Hz对应的电压是380V,而50Hz对应的电压便是220V了。

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图4 220V电动机配用380V变频器
应用此法时,可以将工作频率上升至87Hz,从而增大了电动机的输出功率。但应注意:由于变频器输出电压的脉冲高度仍高达513V上下,因此,所用电动机的槽绝缘必须和380V电动机一样好才行。
降压节电  
当电动机处于“大马拉小车”的状态时,电动机的功率因数和效率都较低,需要通过降低电压来节能。在变频调速中,如遇到这种情况,处理起来将是十分方便的。
如图5(a),负载所需功率只有70kW,而所用电动机的额定功率却是110kW。处于严重的“大马拉小车状态”。如果将基本频率预置为60Hz,则与50Hz对应的电压是317V,只有额定电压的83%左右。

图5 降压节电的方法
在实际工作中,可以通过反复预置,直至电动机的运行电流最小时为止。
2.2 最高频率名、实同
最高频率是变频器允许输出的最大频率,用fmax表示。其具体含义因频率给定方式的不同而略有差别:
(1) 由键盘进行频率给定时,最高频率意味着能够调到的最大的频率。就是说,到了最高频率后,即使再按▲键,频率也不能再上升了,如图6(a)所示;

图6  最高频率的  >> 

定义
(2) 通过外接模拟量进行频率给定时,最高频率通常指与最大的给定信号相对应的频率,如图6(b)所示,其基本频率给定线如图(c)所示。
在大多数情况下,最高频率与基本频率是相等的。例如,风机和水泵,当运行频率超过基本频率时,负载的阻转矩将增加很大,使电动机过载。所以,必须把最高频率限制在基本频率以内。
2.3 上限下限工艺控
(1) 上限频率和下限频率的确定  
上限频率和下限频率是根据生产工艺的要求设定的。以某搅拌机为例,生产工艺要求:
最高搅拌速度nLH≤600r/min;
最低搅拌速度nLL≥150r/min。
如图7(a)所示。

图7 上限频率与下限频率
如传动机构的传动比λ=2,则电动机的最高转速和最低转速分别是:
nMH≤1200r/min,对应的工作频率便是上限频率fH;
nML≥300r/min,对应的工作频率便是下限频率fL。
如图7(b)所示。
(2) 上限频率和最高频率的关系
上限频率不能超过最高频率:fH≤fmax
如果用户希望增大上限频率,则首先应将最高频率预置得更高一些。
当上限频率与最高频率不相等(fH≠fmax)时,上限频率优先于最高频率,变频器的最大输出频率为上限频率。这是因为,变频调速系统是为生产工艺服务的。所以,生产工艺的要求具有最高优先权。
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。
2.4 发生谐振回避用
任何机械在运转过程中,都或多或少会发生振动。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,并  >> 

可能导致损坏机械的严重后果。
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8所示。

图8    回避频率
不同变频器预置回避频率的方法略有差异,大致有以下两种:
(1) 预置需要回避的中心频率fJ和回避宽度ΔfJ;
(2) 预置回避频率的上限fJH与下限fJL。
大多数变频器都可以预置三个回避频率,如图8(b)所示。
2.5 载波频率酌情动
如第一讲所述,变频器的输出电压是经过正弦脉宽调制(SPWM)后的脉冲序列,如图9(a)所示。由于电动机的定子绕组具有电感性质,故通入定子绕组的电流波形是略带脉动的正弦波,脉动频率与载波频率一致。脉动电流将使电动机铁心的硅钢片中产生涡流,并使硅钢片之间产生电磁力而引起振动,产生电磁噪声。改变载波频率时,电磁噪声的音调也将发生改变。所以,有的变频器对于调节载波频率的功能,称为“音调调节功能”。
(1) 载波频率对变频器输出电压的影响
逆变桥中,上下两个逆变管是在不停地交替导通的,为了保证只有在一个逆变管完全截止的情况下,另一个逆变管才开始导通,在交替导通过程中必须有一个死区(等待时间),如图9(b)所示。

图9 逆变管交替导通时的死区
十分明显,死区是不工作的区域。因此,载波频率越高,则死区的累计值越大,变频器的平均输出电压越小。
(2) 载波频率对变频器输出电流  >> 

的影响
载波频率对变频器输出电流的影响主要有两个方面:
载波频率越高,则电流波形的脉动越小。故适当提高载波频率,可以改善电流波形,减小电动机的电磁噪音。
载波频率越高,则死区的累计值越大,也就是在一个周期中不工作的时间越长。因此,载波频率越高,变频器的实际输出电压越小。
(3) 载波频率的其他影响
载波频率越高,因线路相互之间,以及线路与地之间分布电容的容抗越小,由高频脉冲电压引起的漏电流越大。
当电动机与变频器之间的距离较远时,则载波频率越高,由线路分布电容引起的不良效应(如电动机侧电压升高、电动机振动等)越大。
载波频率越高,则高频电压通过静电感应对其他设备的干扰也越严重。同时,高频电流产生的高频电磁场将通过电磁辐射对其他设备,尤其是通讯设备产生干扰。

3 升速降速稳又平
3.1 起动电流能减小

(1) 工频起动与变频起动 
工频起动
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,故转子电动势和电流很高,从而定子电流都很大,可达额定电流的(4~7)倍,如图10(a)和(c)所示。从机械特性上看,则在整个起动过程中,动态转矩TJ很大,如图(b)所示。故起动时间很短,起动过程中的机械冲击很大。

图10    异步电动机的起动
变频起动  
采用变频调速后,可通过降低起动时的频率来减小起动电流。仍以4极电动机为例,假设在接通电源瞬间,将起动频率降至5Hz,则同步转速只有150r/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,如图10(d)所示。同时,电动机定子侧的输入电压也很低。故可以通过逐渐增  >> 

大频率以减缓起动过程,如图10(e)所示。如果在整个起动过程中,使同步转速与转子转速间的转差限制在一定范围内,则起动电流也将限制在一定范围内,如图10(f)所示;另一方面,起动过程中的动态转矩TJ也大为减小,升速过程将能保持平稳,减小了对生产机械的冲击。
(2) 变频器的“升速时间”功能
升速时间的定义
变频器的“升速时间”,指频率从0Hz上升到最高频率(或基本频率)所需要的时间。
升速时间对起动电流的影响
毫无疑问,升速时间长,意味着频率上升较慢,如图11(a)所示,则电动机的转子转速能够跟得上同步转速的上升,在起动过程中的转差较小,如图11(b),从而起动电流也较小。
反之,升速时间短,意味着频率上升较快,如图11(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升,结果使转差增大,如图11(e),导致升速电流超过上限值IMH,如图11(f)所示。

图11 升速时间与起动电流
预置升速时间的原则
在生产机械的工作过程中,升速过程(或起动过程)属于从一种状态转换到另一种状态的过渡过程,在这段时间内,通常是不进行生产活动的。因此,从提高生产力的角度出发,升速时间应越短越好。但如上述,如升速时间过短,容易“过流”。所以,预置升速时间的基本原则,就是在不过流的前提下,越短越好。
通常,可先将升速时间预置得长一些,观察拖动系统在起动过程中电流的大小,如起动电流较小,可逐渐缩短升速时间,直至起动电流接近上限值时为止。
有些负载对起动和制动时间并无要求,如风机和水泵,其升、降速时间可适当地预置得长一些。
(3) 升速过流的自处理功能
对于惯性较大的负载,如果升速时间预置得过短,会因拖动系统的转速跟不上频率的变化而引起升速过电流。如因此跳闸而停机,将耽误生产。另一方面,生产工艺又要求尽量缩短起动过程,不宜将升速时间预置得过长。
对此  >> 

,变频器设置了升速过电流的自处理功能,也叫防止跳闸功能。即,如果升速电流超过了上限值IMH,变频器或通过暂停升速以减小升速电流,如图12(a)所示;或通过延长升速时间以减小升速电流,如图12(b)所示。待电流下降到上限值以下后再继续升速,从而防止了变频器的跳闸。
3.2 起动过程也可调
(1) 升速方式
根据不同机械对起动过程的不同要求,变频器除了可以控制升、降速时间外,还可以通过对升速方式的预置,对不同时段的加速度进行控制。常见的升速方式有三种:

图12     升速自处理
线性方式
在升速过程中,频率与时间成线性地上升,如图13中的曲线①所示,多数负载可预置为线性方式。

图13     升速方式
S形方式
在开始阶段和结束阶段,升速的过程比较缓慢;而在中间阶段,则按线性方式升速。如图中之曲线②所示。在电梯中,如果加速度变化过快,会使乘客感到不舒服,故以采用S形方式为宜。
半S形方式
升速过程呈半S形,如图中之曲线③所示。例如,鼓风机在低速时负载转矩很小,升速过程可以快一些,但随着转速的增加,负载转矩增大较多,升速过程应减缓一些,采用半S形升速方式是比较适宜的。
(2) 起动功能
不同负载,根据其自身的状态,在起动过程中,往往有些特殊的要求。针对这种情况,变频器设置了一些可  >> 

供用户选择的起动功能。
起动频率
对于静摩擦系数较大的负载,为了易于起转,起动时须有一点冲击力。为此,变频器设置了起动频率(fS)的功能,使电动机在该频率下“直接起动”,如图14(a)所示。
暂停升速功能
有些负载,或者因惯性较大,或者因润滑油在低温时凝住的原因,在起动的初始阶段,希望在较低频率下运行一个短时间后再开始升速。为此,变频器设置了暂停升速功能,如图14(b)所示,用户可根据需要预置暂停升速的工作频率fSL和运行时间tSL。

图14     起动功能
起动前的直流制动功能
一般情况下,变频器总是从0Hz或较低频率下开始起动的,如果在起动前,电动机的转速不为0的话,则在起动瞬间,有可能引起过电流或过电压。例如:风机在停机状态下,由于有自然风的原因,叶片常自行转动,且往往是反转的;又如电动机以自由制动方式停机时,如在尚未停住的状态下再次起动,如图14(c)所示。
为此,变频器可以在起动前,向电动机的定子绕组中短时间地通入直流电流,以保证拖动系统在零速下起动,称为起动前的直流制动,用户须预置直流电压的大小和施加直流电压的时间,如图14(d)所示。
3.3 减速须防电压跳 
(1) 降速过程中电动机的状态
在变频调速系统中,转速的下降是通过降低频率来实现的。仍以4极电动机为例,说明如下:
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,设为1440r/min。这时,转子绕组以转差Δn反方向(与旋转磁场方向相反)切割旋转磁场,转子电流和转子绕组所受电磁力FM的方向如图15(a)所示。由图知,由FM构成的电磁转矩TM的方向是和磁场的旋转方向相同的,从而带动转子旋转。

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