0013世界第二讲预置功能调变频上.docx

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0013世界第二讲预置功能调变频上

第2讲了解功能调变频（上）（－2）

宜昌市自动化研究所　张燕宾

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摘　要：

本文主要介绍变频器的若干种功能。

它们是：

操作方式的选择功能、频率给定功能、若干频率称谓的定义、升速和起动功能、降速和停机功能等。

关键词：

操作方式　　频率给定　　基本频率　　最大频率　　上限频率　　下限频率　　回避频率　升速时间　　升速方式　降速时间　降速方式　　直流制动　　制动电阻　　制动单元　　再生反馈单元　

Abstract:

Thistextintroducedmanyfunctionoftheinverter.Thereis:

selecttheoperationmethod、frequencycommand、manydefinitionoffrequencyname、accelerationandstartfunction、decelerationandstopfunction,etc.

Keywords:

operationmethodfrequencycommandbasicfrequencymaximumfrequencyhighlimitfrequencylowlimitfrequencyjumpfrequencyaccelerationtimeaccelerationpatterndecelerationtimedecelerationpatternDCbrakebrakingresistorbrakingunitregeneratingunit

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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。

1．1．1键盘操作

图1　变频器的操作方法

a）变频器的面板　b）变频器的外接端子

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1a）所示，基本操作如下：

（1）正转起动：

按FWD键；

（2）反转起动：

按REV键；

（3）停止　按STOP键；

（4）升速按▲键；

（5）降速按▼键。

1．1．2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：

（1）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。

（2）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。

1．1．3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

变频器型号

功能码

功能名称

数据码及含义

康沃CVF－G2

ｂ－1

频率输入通道选择

0：

面板电位器；1：

面板数字设定；

2：

外部电压信号1；

3：

外部电压信号2；

4：

外部电流信号；

5：

UP∕DW端子递增、递减控制；

6：

外部脉冲信号；7：

RS485接口；

8：

组合设定；9：

外部端子选择

ｂ－3

运行命令通道选择

0：

键盘控制；

1：

外部端子（键盘STOP无效）；

2：

外部端子（键盘STOP有效）；

3：

RS－485端口（键盘STOP无效）；

4：

RS－485端口（键盘STOP有效）；

富士5000G11S

F01

频率设定

0：

键盘设定；1：

电压输入设定；

2：

电流输入设定；

3：

电压输入＋电流输入；

4：

有极性的电压输入；

5：

有极性的电压输入＋辅助输入；

6：

电压输入反动作；

7：

电流输入反动作；

8：

增∕减控制模式（初始值＝0）；

9：

增∕减控制模式（初始值＝上次设定值）；

F02

运行操作

0：

键盘操作；

1：

由外部端子输入运行命令

1．2　模拟给定有曲线

图2　频率给定线

a）基本频率给定线　b）任意频率给定线

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。

１．2．1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。

1．2．2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。

（1）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2－2b）中之曲线②所示。

（2）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

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。

图3　基本频率的定义

a）定义1　b）定义2　c）对应关系

2．1　基本频率电压从

2．1．1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：

（1）和变频器的最大输出电压对应的频率，如图3a）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，如图3b）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3c）所示。

2．。

1。

2基本频率的活用举例

（1）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

图4　220V电动机配用380V变频器

a）基本频率的预置　b）对应关系

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。

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。

（2）

图5　降压节电的方法

a）大马拉小车实例　b）解决方法

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5a），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。

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。

图6　最高频率的定义

a）键盘给定时　b）外接给定时　c）基本给定线

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6a）所示；

（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6b）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

图7　上限频率与下限频率

a）搅拌机的工艺要求　b）上、下限频率

2．3．1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7a）所示。

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7b）所示。

2．。

3。

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：

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。

（2）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。

（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。

2．4　发生谐振回避用　　

图8回避频率

a）决定回避频率的参数　b）三个回避频率

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ƒJ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。

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ƒJ和回避宽度ΔƒJ；

（2）预置回避频率的上限ƒJH与下限ƒJL。

大多数变频器都可以预置三个回避频率，如图8b）所示。

2．5　载波频率酌情动

图9　逆变管交替导通时的死区

a）SPWM电压波形　b）交替导通时的死区

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9a）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”。

2．5．1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b）所示。

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。

2．5．2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：

（1）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。

（2）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。

2．5．3载波频率的其他影响

（1）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。

（2）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。

（3）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

3．1．1工频起动与变频起动

图10异步电动机的起动

a）工频起动转差b）工频起动特性c）工频起动电流

d）变频起动转差e）变频起动特性f）变频起动电流

（1）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10a）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。

（2）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10d）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。

3．1．2变频器的“升速时间”功能

（1）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。

图11　升速时间与起动电流

a）升速时间长　b）起动过程转差小　c）起动电流小

d）升速时间短　e）起动过程转差大　f）起动电流大

（2）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11a）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e），导致升速电流超过上限值IMH，如图f）所示。

（3）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。

3．1．3升速过流的自处理功能

图12升速自处理

a）暂停升速防止跳闸b）延长升速时间防止跳闸

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12a）所示；或通过延长升速时间以减小升速电流，如图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

3．2．1升速方式

图13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：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

3．2．2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。

图14起动功能

a）起动频率b）暂停升速　

c）起动前转速不为0　d）起动前的直流制动

（1）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（ƒS）的功能，使电动机在该频率下“直接起动”，如图14a）所示。

（2）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。

（3）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d）所示。

3．3　减速须防电压跳　

3．3．1降速过程中电动机的状态

图15降速时的电动机状态

a）正常运行b）频率下降　c）直流电压上升

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：

（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，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15a）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。

（2）频率下降时的状态在频率刚下降的瞬间，由于惯性原因，转子的转速仍为1440r∕min，但旋转磁场的转速却已经下降了。

从而，转子绕组变成为正方向切割旋转磁场了，从而转子电动势和电流等都与原来相反，电动机变成了发电机，处于再生制动状态，如图15b）所示。

从能量平衡的观点看，则降速过程是拖动系统释放动能的过程，所释放的动能转换成了再生电能。

（3）直流电路的电压电动机在再生状态下发出的电能，经逆变管旁边的反并联二极管VD7～VD12全波整流后，反馈至直流电路，使直流电压上升，称为泵升电压。

如果直流电压过高，将会损坏整流和逆变模块。

因此，当直流电压升高到一定限值时，必须使变频器跳闸。

3．3．2降速时间与直流电压

图16　降速时间与直流电压

a）降速时间长　b）降速时间短　

（1）降速时间的定义　变频器的“降速时间”，指频率从最高频率（或基本频率）下降到0Hz所需要的时间。

（2）降速时间对电流电压的影射毫无疑问，降速时间长，意味着频率下降较慢，则电动机在下降过程中的发电量较小，从而直流电压上升的幅度也较小，如图16a）所示。

反之，降速时间短，意味着频率下降较快，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下降，电动机的发电量较大，导致直流电压超过上限值，如图b）所示。

（3）预置降速时间的原则　与升速过程一样，在生产机械的工作过程中，降速过程（或停机过程）也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，降速时间也应越短越好。

但如上述，如降速时间过短，容易“过电压”。

所以，预置降速时间的基本原则，就是在不过压的前提下，越短越好。

通常，可先将降速时间预置得长一些，观察拖动系统在停机过程中直流电压的大小，如直流电压较小，可逐渐缩短降速时间，直至直流电压接近上限值时为止。

3．3．3防止过电压跳闸的方法

图17　降速自处理

a）暂停降速防止跳闸b）延长降速时间防止跳闸

（1）预置自处理功能和升速过程相仿，对于惯性较大的负载，如果降速时间预置得过短，会因拖动系统的动能释放得太快而引起直流回路的过电压。

但某些负载又要求尽量缩短降速过程，不宜将降速时间预置得较长一些。

为此，变频器设置了降速过电压的自处理功能。

如果在降速过程中，直流电压超过了上限值ＵDH，变频器或通过暂停降速以减小直流电压，如图17a）所示；或通过延长降速时间以减小直流电压，如图b）所示。

待直流电压下降到上限值以下后再继续降速，从而防止了变频器的跳闸。

（2）接入能耗电路　即在直流回路内接入制动电阻RB和制动单元BV，当直流电

图18　接入能耗电路

压接近或超过上限值UDH时，令BV　导通，以便将直流电路多余的电能通过制动电阻和制动单元释放掉，如图18所示。

由于制动电阻和制动单元的作用是把直流电路多余的电能消耗掉，故称为能耗电路。

图19　接入电能反馈单元

（3）接入电能反馈单元　直流电路中的泵升电压，是拖动系统在降速过程中释放动能的结果。

如果把这部分能量反馈到电网去，如图19所示，则其节能效果是显而易见的。

图中，RG即为电能反馈单元。

这种装置应用在起重机械中，意义尤为重大。

在吊钩放下重物的全过程中，电动机始终处于再生状态。

采用了电能反馈单元后，相当于把重物的位能简接地反馈给了电网。

接入电能反馈单元后，非但节能显著，且制动转矩较大，工作也较可靠。

3．4　直流制动爬行消

有的负载在停机后，常常因为惯性较大而停不住，有“爬行”现象。

这对于某些机械来说，是不允许的。

例如龙门刨床的刨台（图20a），“爬行”的结果将有可能使刨台滑出台面，造成十分危险的后果。

为此，变频器设置了直流制动功能。

3．4．1直流制动的原理

图20　直流制动

a）刨台运动　b）直流制动原理　c）直流制动相关功能

所谓直流制动（也叫能耗制动），就是向定子绕组内通入直流电流，使定子绕组产生空间位置不动的固定磁场。

电动机的转子将以很快的速度正方向切割固定磁场，转子绕组中产生