D095新14第五章在各类负载中应用.docx

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D095新14第五章在各类负载中应用

第5章　变频器在各类负载中的应用

5．1　应用变频器的基础知识

变频器额定数据中，需要注意的是哪些？

变频器怎样设定其功能？

5．1．1　变频器的额定数据

表5－1　变频器的主要额定数据

输

入

额定电压、频率

三相380V，50∕60Hz

电压允许变动范围

320～460V，失衡率＜3%，频率±5%

输

出

　电　　　压

0～380V

频　　　率

0Hz～500Hz

过载能力（S2系列）

额定电流×150%∕1min

额定容量（kVA）

29.6

39.5

49.4

60.0

73.7

98.7

额定输出电流（A）

45

60

75

91

112

150

适配电动机功率（kW）

22

30

37

45

55

75

1．输入侧的额定数据　

（1）额定电压　中小容量变频器的输入电压主要有以下几种：

Ⅰ）380V，3相　这是绝大多数；

Ⅱ）220V，3相　主要见于某些进口设备中；

Ⅲ）220V，单相　主要用于家用电器中。

（2）额定频率常见的是50Hz和60Hz。

2．输出侧的额定数据

（1）额定电压UN　　通常以最大输出电压作为额定电压。

（2）额定电流IN　指允许长时间输出的最大电流。

（3）额定容量SN　由额定电压和额定电流的乘积决定：

SN＝

UNIN

（4）配用电动机容量PN　仅对长期连续负载才是适用的。

（5）过载能力　大多数变频器都规定为150%，1min。

5．1．2　变频器的功能编码

1．连续编码方式

表5－3　森兰SB61系列变频器的功能结构

序号

功能区名称

功能码范围

1

基本功能

F000～F013

2

V∕F控制功能

F100～F125

3

矢量控制功能

F200～F211

4

模拟给定功能

F300～F311

5

辅助功能

F400～F417

6

端子功能

F500～F517

7

辅助频率功能

F600～F644

8

简易PLC功能

F700～F732

9

过程PID功能

F800～F832

10

通讯功能

F900～F902

11

显示功能

FA00～FA15

12

厂家保留功能

FB00～FB01

13

计算机显示功能

FC00～FC11

2．分组编码方式

表5－4　康沃CVF－G2系列变频器的功能结构

序号

功能块名称

功能码范围

1

显示功能（d级别）

d－0～d16

2

基本功能（b级别）

b－0～b－17

3

中级功能（L级别）

L－0～L－73

4

高级功能（H级别）

H－0～H－84

表5－5　富士G11S系列变频器的功能结构

序号

功能组名称

功能码范围

1

基本功能组

F00～F42

2

输入、输出端子扩展功能组

E01～E47

3

频率控制功能组

C01～C33

4

电动机１参数设定功能组

P01～P09

5

高级功能组

H03～H39

6

电动机２参数设定功能组

A01～A18

3．应用宏方式

表5－6　部分变频器的应用宏

变频器型号

功能码

功能名称

数　据　码

ABB　ACS800

99.02

应用宏

1—工厂宏

2—手动∕自动控制宏

3—PID控制宏

4—转矩控制宏

5—顺序控制宏

瓦萨　NX

0.1

应用模式

1—基本应用

2—标准应用

3—本机∕遥控应用

4—多段速度应用

5—PI控制应用

6—多目标控制应用

7—泵类与风机控制应用

丹佛士ACS800

100

控制方式选择

1—开环速度控制

2—闭环速度控制

3—闭环工艺控制

4—开环转矩控制

5—速度反馈转矩控制

5．1．3　变频器的功能预置

1．需要预置的常用功能

（1）通道的选择

包括：

频率给定通道和操作通道；

（2）选择控制方式

即：

V∕F控制方式、无反馈矢量控制方式、有反馈矢量控制方式等；

（3）如选择V∕F控制方式，则须预置U∕f比（转矩提升）；

（4）调整最高频率、基本频率、上、下限频率等；

（5）预置加、减速时间。

图5－1　变频器的功能预置

a）一般流程　b）CVF－G2的面板　c）CVF－G2的预置流程

2．功能预置的一般步骤

5．2　恒转矩负载的变频调速

恒转矩负载实施变频调速时，要注意哪些问题？

5．2．1　恒转矩负载的特点

图5－2恒转矩负载及其特性

a）滚筒式负载　b）带式输送机　c）机械特性　d）功率特性

1．典型实例

2．负载特点

（1）转矩特点

运动的阻力：

F──与转速无关；

作用半径：

ｒ──与转速无关；

负载的转矩：

TL＝F•ｒ──与转速无关。

∴在调速过程中，TL＝const。

（2）功率特点

PL＝

∝ｎL

5．2．2

变频调速的要害—低频运行与起动

1．重载低频运行的对策

图5－3　低频重载运行对策

a）转矩提升　b）转差补偿　c）矢量控制

2．起动特点及对策

图5－4　起动特点及对策

a）大惯性　b）传输带　c）起动特点　d）起动频率　e）S形加速

5．2．3　上、下限频率的预置要点　

1．上限频率尽量接近基本频率：

fH≯fN

图5－5　上限频率与电动机的有效功率

a）变频拖动系统　b）有效转矩　c）有效功率

（1）在fH＞fN的情况下：

fH＝fN→电动机的输出转矩最大。

（2）在fH≤fN的情况下：

fH＝fN→电动机的输出功率最大。

2．尽量提高下限频率

图5－6　下限频率的预置

a）下限频率较低　b）下限频率较高

5．2．4　恒转矩负载的调速范围

图5－7有效转矩线

1．调速范围和负荷率的关系

σA%＝

×100%

表5－1　调速范围与负荷率的关系

负荷率

最高频率

最低频率

调速范围

１００％

５０Ｈｚ

２０Ｈｚ

２．５

９０％

５６Ｈｚ

１５Ｈｚ

３．７

８０％

６２Ｈｚ

１１Ｈｚ

５．６

７０％

７０Ｈｚ

６Ｈｚ

１１．６

2．满足调速范围的方法

实例：

（1）负载数据TL＝140NM；

nmax＝720r/min；nmin＝80r/min（αn＝9）

传动比：

λ＝2

负载转矩的折算值TL’＝

＝70Nm

（2）电动机数据PMN＝11kW，nMN＝1440r/min

电动机额定转矩：

TMN＝

＝72.95Nm

电动机的负荷率：

σA%＝

×100%＝96%

（3）满足调速范围的思考

如果σA%＝70%

则调频范围为

αƒ＝

＝11.7＞αn（＝9）

负载转矩应限制在：

TL’≤72.95×0.7＝51Nm

确定传动比：

λ’≥

＝2.745

选λ’＝2.75

5．3　重力负载的变频调速

重力负载实施变频调速时，主要特点是什么？

5．3．1　重力负载及其特点

图5－8　位能负载实例

a）斜坡传输　b）起重机械

1．重力负载的特点　　

（1）需要电磁抱闸

图5－9　电动机的状态

a）重物下降　b）电动机的状态　c）电流与功率

（2）电动机的状态

2．重力负载的四象限运行

图5－10　四象限运行的特点

（1）四象限运行的特点

（2）四象限运行举例

Ⅰ）重物上升

图5－11重物上升时的工作点

Ⅱ）空钩（包括轻载）下降

图5－12空钩下降时的工作点

Ⅲ）重载下降

图5－13重载下降时的工作点

a）重载下降　b）工作点

5．3．2　起升装置的防溜钩　　　　

图5－14　电磁制动器的接法

a）工频运行时　b）变频运行时

1．电磁制动器的接法

图5－15　无反馈矢量控制方式的防溜钩

2．变频运行时防溜钩的方法

3．应急措施举例

图5－16　制动单元损坏后的应急措施

（1）制动单元损坏后的应急措施

（2）变频器跳闸时的防溜钩

图5－17　变频器跳闸时的应急措施

a）应急措施示意图　b）接触器电路

5．3．3　大车的控制特点

图5－18　大车的拖动系统和馈电特点

1．应预置瞬时断电的重合闸功能

2．应预置下垂功能

图5－19　电动机的下垂特性

a）一台变频器控制两台电动机　b）特性较硬　c）下垂特性

5．4　恒功率负载的变频调速

恒功率负载实施变频调速时，要害问题是什么？

5．4．1　恒功率负载的特点

1．典型实例

图5－20恒功率负载及其特性

a）卷径很小时　b）卷径增大时　c）卷径最大时

F＝Const；　　ｖ＝Const

2．主要特点

（1）功率特点

ＰL＝F·ｖ＝const；

（2）转矩特点

TL＝F·ｒ∝ｒ

（3）转速特点

ｎL＝

∝

5．4．2　恒功率负载的系统容量

1．主要矛盾

图5－21　额频以下带卷绕机

2．解决方法

图5－22　提高频率带卷绕机

a）二倍频带卷绕机　b）三倍频带卷绕机

5．4．3　卷绕机械变频调速要点

图5－23　卷绕的闭环控制

1．闭环控制

2．转矩控制（在有反馈矢量控制模式下）

图5－24　卷绕的转矩控制

a）控制系统示意图　b）转矩与转速

3．功能预置要点

（1）上限频率　

∵Ⅰ）主要着眼于减小系统容量；

Ⅱ）拖动系统在最高频率下停留时间极短。

∴上限频率可预置为：

fH＝（2～3）fN

（2）转矩提升

∵Ⅰ）当被卷物的卷径最大时，负载的阻转矩也最大，而运行频率则最低。

Ⅱ）在低频情况下，不存在轻载运行的工况。

Ⅲ）起动过程通常在轻载情况下进行。

∴“转矩提升”可以尽量提高，但必须注意在轻载过程中是否发生“过电流”跳闸。

（3）加、减速时间

∵Ⅰ）在最轻负荷下起动；

Ⅱ）在最低频率下停机。

∴加、减速时间的预置比较随意。

5．5　机床的变频调速

金属切削机床实施变频调速主要特点是什么？

5．5．1　机床的机械特性

图5－25车床的外形与特性

a）车床外形　b）车床的机械特性

1．车床的机械特性

图5－26　龙门刨床的外形与特性

a）龙门刨床外形　b）龙门刨床的机械特性

2．龙门刨床的机械特性

5．5．2　车床的变频调速实例

1．基本数据

某意大利产SAG型精密车床，原拖动系统采用电磁离合器配合齿轮箱进行调速，今改用变频调速。

基本数据如下：

（1）主轴转速共分八档：

75、120、200、300、500、800、1200、2000r∕min；

（2）电动机数据：

2.2ｋＷ；1440r∕min；14.6N·m

（3）各档转速下的负载转矩（负载的实际功率按２ｋＷ计算）

表5－6　各档转速下的负载转矩

档次

1

2

3

4

5

6

7

8

转速

75

120

200

300

500

800

1200

2000

转矩

63.7

63.7

63.7

63.7

38.2

23.9

15.9

9.55

2．变频调速的方案

（1）fX≤fN如图5－35ａ）所示。

图5－27　一档传动比带车床

a）fX≤fN　b）fX≤2fN

（2）fX≤2fN如图5－35ｂ）所示。

图5－28两档传动比带车床

（3）fX≤2fN，两档传动比

（4）传动比

低速档：

λL0＝5；

高速档：

λH0＝1.5

5．5．3　龙门刨床刨台的变频调速

图5－29　刨台的速度控制方案

a）直流拖动时的控制方案　b）变频调速时的控制方案

1．刨台的特性

2．刨台的控制特点

图5－30　刨台的控制特点

a）刨台与行程开关　b）控制特点

3．停电防滑行装置

图5－31　停电防滑行装置

a）停电防滑行框图　b）变频器接线

5．6　二次方律负载的变频调速

二次方律负载实施变频调速时。

须注意哪些问题？

5．6．1　二次方律负载的特点

1．转矩特点

图5－32　二次方律负载及其特性

ＴL＝ＫT·ｎL2

2．功率特点

PL＝

＝ＫP·ｎL3

严格地讲，转矩表达式应为：

ＴL＝Ｔ0＋ＫT·ｎL2

功率表达式为：

PL＝Ｐ0＋ＫP·ｎL3

5．6．2　风机变频调速要点　

1．变频器选型

（1）容量PN≮PMN

（2）类型风机、水泵用变频器。

2．功能预置要点

图5－33　风机、水泵用的U∕f线

a）艾默生变频器　b）康沃变频器　c）A－B变频器

（1）控制方式　V∕F控制方式，U∕f线的形状如图5－28。

（2）上限频率（或最高频率）

假设：

fX＝1.1fN（nX＝1.1nN）

则：

TLX≈1.12TLN＝1.21TLN

而：

TMX≈（1∕1.1）TMN＝0.91TLN

图5－34　风机对上限频率的限制

a）变频风机　b）转矩特性　c）功率特性

∴fH≯fN　（fH≤fN）

（3）加、减速时间与方式

Ⅰ）加、减速时间

∵ⅰ）风机的惯性较大；

ⅱ）起动与停机很不频繁。

∴加、减速时间应适当延长，使起动时的电动机电流和停止时的直流电压都限制在允许范围内。

Ⅱ）加、减速方式

∵风机在低速时阻转矩很小，而在频率较高时阻转矩增加较快。

图5－35　半S形加、减速方式

∴以采用半S方式为宜。

（4）起动功能

根据需要，可预置起动前的直流制动功能，以保证零速起动。

5．6．3　水泵变频调速要点

1．与风机的不同点

（1）加、减速时间

∵Ⅰ）为了彻底消除水锤效应，加、减速时间不应太短；

Ⅱ）因为在很低速时，管路内的水压可能形成回流，故加、减速时间也不宜太长。

∴取tA＝tD≈10～20s

（2）加、减速方式　

∵为了避免回流，水泵在低速段的滞留时间不宜太长。

∴也以采用半S形加、减速方式为好。

2．下限频率

∵Ⅰ）供水系统有静扬程，频率太低，将无法供水。

Ⅱ）在多台水泵“并联”的情况下，管路内有一定压力。

频率太低，变频泵将难以供水。

图5－36　水泵下限频率需要考虑的因素

a）单台泵供水　b）多台泵供水

∴需要预置下限频率，通常：

fL≈25～35Hz

5．7　恒压供水系统　

5．7．1　恒压供水系统简介

1．恒压供水的目的

图5－37　恒压供水的目的

2．变频恒压供水的构成

图5－38　恒压供水的构成

a）基本接线　b）睡眠与唤醒

表5－7　功能预置（以康沃CVF－P2系列为例）

功能码

功能含义

数据码

数据码含义

b－3

运行命令通道

2

外接端子控制STOP键有效

b－7

加速时间

20s

b－8

减速时间

20s

L－0

VF曲线类型

1

递减转矩曲线1

L－1

转矩提升

0%

L－2

转矩提升方式

0

手动

L－3

上限频率

50Hz

L－4

下限频率

30Hz

L－5

下限频率运行方式

1

按下限频率运行

L－6

起动方式

0

由起动频率开始起动

L－7

起动频率

10Hz

L－11

停机方式

0

减速停机

L－34

VI1输入下限电压

0V

目标信号变化范围

L－35

VI1输入上限电压

10V

L－43

II输入下限电流

4mA

反馈信号变化范围

L－44

II输入上限电流

20mA

H－3

自动节能运行

1

动作

H－48

内置PID控制

2

恒压供水PID

H－49

PID设定通道

2

目标信号从VI1输入

H－50

PID反馈通道

1

反馈信号从II输入

H－51

反馈信号特性

1

负反馈

H－54

PID结构选择

2

比例、积分控制

H－55

比例增益

5.00

H－56

积分时间

50s

H－67

唤醒阀值

可预置为目标值的90%

H－68

睡眠阀值

可预置为目标值的110%