软起动器与变频器.docx
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软起动器与变频器
1.什么是软起动器？
它与变频器有什么区别？
软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。
它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。
运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。
软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。
变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率;软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。
变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。
2.什么是电动机的软起动？
有哪几种起动方式？
运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。
软起动一般有下面几种起动方式。
（1）斜坡升压软起动。
这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。
其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。
（2）斜坡恒流软起动。
这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1至t2阶段），直至起动完毕。
起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。
电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。
该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。
（3）阶跃起动。
开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。
通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。
（4）脉冲冲击起动。
在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。
该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。
3.软起动与传统减压起动方式的不同之处在哪里？
笼型电机传统的减压起动方式有Y-Δ起动、自耦减压起动、电抗器起动等。
这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。
软起动与传统减压起动方式的不同之处是:
（1）无冲击电流。
软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。
（2）恒流起动。
软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。
（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。
1软启动器工作原理与主电路图
软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。
这种电路如三相全控桥式整流电路，主电路图见图1。
使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。
待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。
软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。
软启动与软停车的电压曲线见图2，3。
2软启动器的选用
（1）选型：
目前市场上常见的软启动器有旁路型、无旁路型、节能型等。
根据负载性质选择不同型号的软启动器。
旁路型：
在电动机达到额定转数时，用旁路接触器取代已完成任务的软启动器，降低晶闸管的热损耗，提高其工作效率。
也可以用一台软启动器去启动多台电动机。
无旁路型：
晶闸管处于全导通状态，电动机工作于全压方式，忽略电压谐波分量，经常用于短时重复工作的电动机。
节能型：
当电动机负荷较轻时，软启动器自动降低施加于电动机定子上的电压，减少电动机电流励磁分量，提高电动机功率因数。
（2）选规格：
根据电动机的标称功率，电流负载性质选择启动器，一般软启动器容量稍大于电动机工作电流，还应考虑保护功能是否完备，例如：
缺相保护、短路保护、过载保护、逆序保护、过压保护、欠压保护等。
3Alt48软启动器的特点
Alt48软启动器启动时采用专利技术的转矩控制。
转矩斜坡上升更快速，损耗更低。
具有电动机和软启动器综合保护功能，能全时连续检测电机电流，提供电机可靠和完整保护，这种保护功能在启动结束旁路后仍能起作用，这是其它软启动器都不具备的。
Alt48在保持加速力矩的同时，实时计算定子和转子的功率。
在整个加速周期连续计算电机功率因数和定子损耗，通过检测电压和电流来计算功率因数，并扣除定子损耗，得到实际的转子功率和电机力矩。
4Alt48软启动器的应用
设计采用一拖二方案，见图4，即一台软启动器带两台水泵，可以依次启动，停止两台水泵。
一拖二方案主要特点是节约一台软启动器，减少了投资，充分体现了方案的经济性，实用性。
（1）启动过程：
首先选择一台电动机在软启动器拖动下按所选定的启动方式逐渐提升输出电压，达到工频电压后，旁路接触器接通。
然后，软启动器从该回路中切除，去启动下一台电机。
（2）停止过程：
先启动软启动器与旁路接触器并联运行，然后切除旁路，最后软启动器按所选定的停车方式逐渐降低输出电压直到停止。
5应用效果
通过一年的运行，表明该装置可靠性高，性能完善，能满足生产要求。
主要体现在以下几点：
（1）使用软启动器后，启动电流明显降低，减少配电容量与增容投资。
（2）软启动器实现平稳启动，对水泵及管道无冲击，提高供电可靠性和供水可靠性。
（3）采用软停车方式减少对机械的冲击，防止水锤效应，延长水泵及其相关设备的使用寿命。
（4）多种启动模式及保护功能融于一体，防止事故的产生。
1、基本概念
（1）VVVF改变电压、改变频率（VariableVoltageandVariableFrequency）的缩写。
（2）CVCF恒电压、恒频率（ConstantVoltageandConstantFrequency）的缩写。
各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。
通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。
为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。
然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。
变频器也可用于家电产品。
使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。
用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。
但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。
汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。
变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。
例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。
2.电机的旋转速度为什么能够自由地改变？
r/min电机旋转速度单位：
每分钟旋转次数，也可表示为rpm。
例如：
4极电机60Hz1,800[r/min]，4极电机50Hz1,500[r/min]，电机的旋转速度同频率成比例。
本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。
感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。
电机的极数是固定不变的。
由于极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适合改变极对数来调节电机的速度。
另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。
因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。
n=60f/p，n:
同步速度，f:
电源频率，p:
电机极数，改变频率和电压是最优的电机控制方法。
如果仅改变频率，电机将被烧坏。
特别是当频率降低时，该问题就非常突出。
为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：
为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。
例如：
为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。
3、关于散热的问题
如果要正确的使用变频器,必须认真地考虑散热的问题。
变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。
使用寿命随温度升高而成指数的下降。
环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。
因此，我们要重视散热问题啊！
在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的,变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。
通常，变频器安装在控制柜中。
我们要了解一台变频器的发热量大概是多少，可以用以下公式估算：
发热量的近似值＝变频器容量（KW）×55[W]在这里,如果变频器容量是以恒转矩负载为准的（过流能力150%*60s）如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器,并且也在柜子里面,这时发热量会更大一些。
电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。
这时可以用估算:
变频器容量（KW）×60[W]因为各变频器厂家的硬件都差不多,所以上式可以针对各品牌的产品.注意：
如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大，因此最好安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。
那么,怎样采能降低控制柜内的发热量呢?
当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。
根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。
因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。
如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。
由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。
还可以用隔离板把本体和散热器隔开,使散热器的散热不影响到变频器本体。
这样效果也很好。
变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的!
关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。
同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。
进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。
注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。
另外，散热问题还要注意以下两个问题：
（1）在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。
理论上变频器也应考虑降容，1000m每-5%。
但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大，所以也要看具体应用。
比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。
（2）开关频率：
变频器的发热主要来自于IGBT，IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。
因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。
有的厂家宣称降低开关频率可以扩容，就是这个道理。
4、矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的？
转矩提升：
此功能增加变频器的输出电压，以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，从而改善电机的输出转矩。
改善电机低速输出转矩不足的技术,使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。
对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。
为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。
变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。
转矩提升功能是提高变频器的输出电压。
然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。
因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。
"矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。
"矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。
此功能对改善电机低速时温升也有效。
5、变频器制动的有关问题
（1）制动的概念:
指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能.动能（由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。
当动能减为零时，该事物就处在停止状态。
机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。
对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。
这时会产生制动过程.由制动产生的功率将返回到变频器侧。
这些功率可以用电阻发热消耗。
在用于提升类负载,在下降时,能量（势能）也要返回到变频器（或电源）侧,进行制动.这种操作方法被称作"再生制动"，而该方法可应用于变频器制动。
在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫 做"功率返回再生方法"。
在实际中，这种应用需要"能量回馈单元"选件。
（2）怎样提高制动能力？
为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。
为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。
请选用"制动电阻"、"制动单元"或"功率再生变换器"等选件来改善变频器的制动容量。
6、当电机的旋转速度改变时，其输出转矩会怎样？
（1）：
工频电源由电网提供的动力电源（商用电源）
（2）：
起动电流当电机开始运转时，变频器的输出电流变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动。
我们经常听到下面的说法：
"电机在工频电源供电时（*1）时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些"。
如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流（*2））。
而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。
所以变频器驱动的电机起动电流要小些。
通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减些减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。
通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。
当变频器调速到大于60Hz频率时，电机的输出转矩将降低。
通常的电机是按50Hz（60Hz）电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。
因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速.（T=Te,P<=Pe）变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
当电机以大于60Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。
举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。
因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速（P=Ue*Ie）。
PID控制
今的自动控制技术都是基于反馈的概念。
反馈理论的要素包括三个部分：
测量、比较和执行。
测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
目录
概述
这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为
u（t）=kp（e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt）式中积分的上下限分别是0和t
因此它的传递函数为：
G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）
其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数
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基本用途
它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。
在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。
也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。
在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。
由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。
PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。
现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：
如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。
闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。
这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。
另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。
因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。
自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。
最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器
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现实意义
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
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系统分类
开环控制系统
开环控制系统（open-loopcontrolsystem）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响。
在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
闭环控制系统
闭环控制系统（closed-loopcontrolsystem）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（NegativeFeedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
闭环控制系统的例子很多。
比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。
如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。
另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。
阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入（stepfunction）加到系统上时，系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性（stability），一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来（Steady-stateerror）描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
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PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其
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