变频器调速系统应用 Microsoft Word 文档.docx

1、变频器调速系统应用 Microsoft Word 文档第6 章 变频器调速系统应用学习目的与要求：1. 熟悉和了解变频器在生产中的应用2. 能够阅读和分析变频器各种应用电路3. 应用所学知识能够设计简单的变频器调速控制电路6.1 变频技术应用综述 变频技术的应用分为两类，一类用于交流调速系统，一类用于为其它设备提供静止电源。变频器最典型的用途是各种生产机械电力拖动系统的节能和提高产品质量。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制理论的不断发展，电气传动技术日新月异。交流电动机调速系统广泛取代直流电动机调速系统已经成为现实。交流电动机调速技术是节能，改善工艺流程以及提高产品质量，推动技术进步的必要

2、手段之一。表6-1列出了由变频器组成的电气传动系统的特点，据有关资料表明：变频器在工业生产中的节能效果是非常明显的，无论是用于节能还是提高产品质量，其应用潜力也非常巨大。表6-1 变频器组成的电气传动系统特点变频器的传动特点用途效果采用标准电动机调速风机、水泵、空调，一般机械也可以使用原有电动机调速连续调速机床、搅伴机、空压机可选择任意转速起动电流小空压机电源设备容量可减小最高转速不受电源影响风机，水泵，空调，一般机械最大工作能力不受电源频率限制电动机高速化，小型化机床、化纤机械、带式输送机可以得到用其它调速方式得不到的最高转速防爆制药、化工、矿山机械容易做到防爆低速时定转矩输出位置控制伺服系

3、统电动机可堵转可调节加减速的大小生产流水线、电梯防止加速度过大6.2 变频器在风机控制中的应用风机是工矿企业中应用比较广泛的机械，诸如锅炉的燃烧系统，矿山通风系统以及造纸烘干系统等。传统的风机控制是全速运行，风机提供固定的风压风量。但生产工艺往往需要对风压和风量以及温度等技术指标进行调节控制。若全速运行必然导致电能的大量浪费。因此，采用变频器实施对风机的控制具有重要的节能意义。6.2.1 风机负载的机械特性1. 二次方律负载风机是具有二次方律负载的机械特性，属于这类机械特性的风机有离心式风机、混流式风机、轴流式风机等。其中以离心式风机最为典型，应用也最为广泛。风机从零开始升速时，风量的流速低，

4、但也要考虑此时的负载转矩T0和功率P0。 随着电动机的升速，风压风量也随之加大，负载转矩和功率也越来越大。因此，即使是在空载情况下也要考虑转矩和功率的损失。2. 风量调节方法（1）由于电动机的转速是恒定不变的，只能用调节风门或挡板的开度来调节风压和风量。这样的调节，使得风门和挡板损失和消耗了一部分功率。（2）如果风门或挡板的开度不变，调节电动机转速，则风量随转速而改变。（3）在所需风量相同情况下，调节转速的方法所消耗的功率要比调节风门或挡板开度小得多，这就是变频调速节能原因所在。3. 风机容量选择风机容量是根据生产工艺要求选择的。如果对现有风机进行技术改造，风机容量就不用再选择了。4. 变频器

5、容量选择风机在运行过程中，如果稳定在某一速度工作，其转矩不会发生变化，只要转速不超过额定值，就不会发生过载现象。通常情况下，变频器技术说明书所给出的容量具有一定裕度和安全系数。因此，变频器容量比所要驱动的电动机稍大即可。6.2.2 变频器的设置1. 变频器控制方式设置（1）操作模式设置为了操作方便，可将变频器的操作设置为“面板与外部操作组合模式”或“外部操作模式”。操作人员可以通过安装在工作台上的按钮或电位器控制和调节风机的转速。（2）变频器控制方式设置变频器控制方式可根据风机的负载特性进行设置。如果风机在额定转速以下工作，负载转矩较低，不存在电动机带不动负载问题。因此，采用V/F方式控制方式

6、即可满足工艺要求。而且从性能价格比角度考虑，也可以选择比较廉价的风机水泵专用变频器。（3）U/f控制曲线的选择风机的机械特性及有效转矩曲线如图6-1所示。图中曲线0是风机的二次方律负载特性曲线。曲线1是电动机在V/F控制方式下转矩补偿为零时的有效转矩曲线。当转速nX时，对应负载曲线0的转矩为TLX，对应曲线1的电动机的有效转矩TMX。由此可见，在低频运行时，即使转矩补偿为0，电动机的有效转矩与负载转矩相比，也具有相当大的余量。也说明拖动系统仍有较大的节能余量。在选择低减U/f曲线时，要考虑电动机的起动问题。图中曲线0与电动机有效转矩曲线3的交叉点S，是电动机的起动转矩与负载转矩相等的点，也就是

7、系统的工作点。显然，在S点以下是不能起动的，解决起动难的办法是选择低减U/f曲线2，适当加大起动频率。 在进行变频器参数设置时，要仔细阅读变频器操作手册中U/f曲线的出厂设定值。通常变频器出厂都把U/f曲线设置为具有一定补偿量的状态，以适应低速时需要较大转矩的负载。但风机低速时转矩很小，即便没有补偿，电动机的输出转矩也足以带动负载。如果用户不作U/f曲线的设置，而直接接上风机使用，则节能效果就不明显了，甚至会出现过流跳闸现象。4. 变频器参数设置（1）上限频率如果风机转速超过额定转速，其负载转矩按平方规律增大很多，容易使电动机和变频器处于过载状态。因此，上限频率不能超过电动机的额定频率（2）下

8、限频率风机对下限频率没有要求，因风机转速很低时，风量较小，并无实际意义。一般下限频率可设置大于20Hz。（3）升降速时间因为风机属于大惯性负载，升速时间过短容易产生过电流，而降速时间过短又会产生能量回馈。因此，降速时间可以适当设置长些，具体时间可视风机容量和工艺要求而定。一般情况，风机容量越大其升降速时间越应设置长些。（4）升降速方式风机在低速时转矩很小，随着转速不断升高，转矩也随之越来越大，反之，开始停机后，由于惯性作用，转速下降缓慢。所以选择S型B升速方式较为适宜。（5）回避频率由于风机存在固有频率，在运行中为防止发生机械共振，所以必须考虑设置回避频率，跳跃出发生机械共振频率区域。设置回避

9、频率可采用反复试验的方法，反复地观察产生共振的频率区域，然后进行设置。（6）起动前的直流制动风机在停机时，由于自然风的作用，常常处于反转状态，此时也就是电动机处于再生发电状态，为使风机从零速开始起动，须采用起动前的直流制动。 6.2.3 风机变频调速系统电路组成例如某学校锅炉房引风机，电动机容量为37kW，采用变频调速。一般情况下，风机采用正转控制，电路比较简单。风速大小由操作工人调节。控制柜和变频器以及操作台均安装在电控室，进行远距离操作。风机变频调速系统电气原理如图6-2所示。1. 主电路电器选择（1）变频器选型选用三菱FR-A540-37K-CH型变频器，额定容量为54kV.A，额定电流

10、71A。（2）空气开关由式5-13可得 选用DZX10D-100型自动空气开关。（3）接触器的选择根据式5-15，IN = 71A IKN=80A 选用CJ10系列交流接触器，型号CJ10-80。2. 控制电路原理按钮开关SB1、SB2用于控制接触器KM，KM用来控制变频器电源的通断。按下SB2,KM线圈得电并自锁，主触头闭合，接通变频器电源。按钮开关SB3、SB4用于控制继电器KA，KA用来控制变频器的运行与停止。按下SB4,KA线圈得电并自锁，接通变频器正转起动端子STF,风机起动运行。KM与KA之间具有连锁关系，在KM未接通电源之前，KA不能得电。在KA未断电时，KM也不能断电。电位器R

11、P用于变频器的频率给定，用来调节风机转速。当变频器发生异常故障时，其异常输出端子B-C分断，切断控制电路电源，使系统迅速停机，同时A-C间接通，接通声光报警电路，对变频器起到了保护作用。6.2.4 节能效益分析对于风机设备采用变频调速后的节能效果，可根据风机在不同的控制方式下的风量与负载关系以及现场运行的负荷变化等情况进行计算。例：一台工业锅炉所使用的30kW引风机，一天24小时连续运行。采用变频调器调速，在大风量时，频率按46Hz计算，每天有10小时，在小风量时，频率按20Hz计算，每天有14小时；用挡板调节风量时，在大风量时，电动机功率消耗按额定功率的98%计算，每天同样有10小时。在小风

12、量时电动机功率消耗按额定功率的70%计算，每天也有14小时。全年运行时间以300天计算,则采用变频调速后每年所节约电能是非常可观的。 6.3 变频器在恒压供水系统中应用 城市供水系统是人们生活和工业生产不可缺少的公共设施之一。水压通常保证6层以下楼房用户用水。而其余各层都需要“提升”水压才能满足用水的需求量。传统的提升方式是采用水塔、高水位水箱或气压罐等增压设备。这种设备经济成本高、能量消耗大。如果采用变频器控制的恒压供水系统，无需增压设备，节约电能，降低供水成本。恒压供水系统基本控制思想是：采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统。系统的控制目标是水泵总管道的出水压力，

13、系统的给定水压力值与反馈的总管道出水压力值相比较，将偏差值送CPU进行运算处理后，发出控制指令。调节水泵电动机的转速和控制水泵电动机投入运行的台数，实现总管道以稳定压力供水。6.3.1 供水系统主要参数某供水系统示意图如图6-3所示。水泵将水池中的水抽出，并上扬至一定高度，满足工农业生产和生活所需求供水压力和水流量。1. 流量在单位时间内流过管道某一横截面的水量，称为流量，用Q表示。单位：m3/s、m3/min或m3/h。2. 压力水在管路中的压强，俗称为压力。用p表示，单位：Mpa。3. 全扬程单位质量的水被水泵所上扬的高度，称为扬程。如图6-3所示。扬程是说明水泵泵水能力的物理量，用HT表

14、示，单位：m。将水上扬到一定高度，是水由动能转化成势能的过程，在这个过程中包括克服管道阻力所做功，并且要使水保持一定的流速。那么，全扬程就可定义为在忽略管道阻力，也不计流速的情况下，水泵将水上扬的最大高度。4. 损失扬程与实际扬程水在管道中流动克服管道阻力做功，必然有一定的扬程损失, 这部分扬程称为损失扬程。因此，水泵将水克服一切阻力后所上扬的实际高度，称为实际扬程。用HA表示。是全扬程与损失扬程相减的差值。5. 管阻在管道系统中，管路、截门等管件对水流的阻力，称为管阻。 6.3.2 供水系统的特性1. 水泵的扬程特性在管道阀门完全打开的条件下，全扬程HT与流量Q之间的函数关系HT=f（Q），

15、称为水泵的扬程特性。如图6-4中所示的曲线“3”为水泵在额定转速情况下的扬程特性。曲线“4”为水泵在转速较低的情况下的扬程特性。图中A、B、C、D四点为供水工作点。当用户用水需求量较小时，在曲线“3”A点，所对应的流量QA较小。此时，所对应的全扬程HTA较大。当用户用水需求量较大时，在曲线“3”B点，所对应的流量QB较大。此时，所对应的全扬程HTB较小。可见，流量的变化反映了用户水需求量的大小。因此，扬程特性反映了用户用水需求量对全扬程的影响。2. 管道阻力特性在管道阀门开度一定的条件下，全扬程HT与流量Q的函数关系HT= f（Q）,称为管道阻力特性，简称管阻特性。如图6-4所示中的曲线“1”

16、和“2”。管阻特性的意义是，为了提供一定的供水流量（也就是用水需求量）所需全扬程的大小。图中，曲线“2”为阀门全开时的管阻特性，由C点对应的流量QA与B点流量QB可以看出，供水流量较小时，所需的扬程HTC也较小。在供水流量较大时，所需的扬程HTB也较大。6.3.3 供水系统流量的调节方法在供水系统中，最根本的控制对象就是流量。因此，了解调节流量的方法，对供水系统的节能有非常重要的意义。常用调节流量的方法有阀门调节和转速调节两种。1. 管道阀门调节在保持水泵转速不变（额定转速）的前提下，改变阀门开度调节供水流量的方法，称为阀门控制法。阀门调节水流量的实质是水泵本身供水能力保持不变，用调节阀门开度

17、来调节供水流量，也就是通过改变管路中阻力大小来改变供水能力（流量）。此时，管阻特性将随着阀门的开度变化而改变，而扬程特性则不变。如图6-4中，减小阀门的开度，使供水流量由QB减小到QA，管怚特性将由曲线“2”变化到曲线“1”，而扬程特性则不变，仍为曲线“3”。供水工作点由B 移至 A 。此时，流量减小了。但扬程由HTB增大到HTA。2. 水泵转速调节 在保持阀门开度不变的前提下，改变水泵转速调节供水流量的方法，称为转速控制法。转速调节水流量的实质是，在阀门开度最大且保持不变，通过改变水泵转速调节供水流量，也就是通过改变水泵扬程改变供水能力流量，以适应用户用水需求量。此时，扬程特性将随着水泵转速

18、变化而改变，而管路特性则不变。如图6-4中，降低水泵的转速，使供水流量由QB减小到QA，扬程特性将由曲线“3”变化到曲线“4”，而管阻特性则不变，仍为曲线“2”。供水工作点由B点移至C点。此时，流量减小了。扬程由HTB下降到HTC。将管道阀门调节与水泵转速调节两种方法相比较，可知，采用调节水泵转速的方法调节水的流量，降低了电动机使用功率，从而达到了节能目的。6.3.4 恒压供水的控制目标供水系统的控制目的就是为了满足用户对流量的要求。因此，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于水泵的扬程，但扬程是很难测量和控制的。在动态情况下，设管道中水压为p，供水能力为Qg，用水需求量为Qn，三

19、者的平衡关系是：当供水能力Qg大于用水需求量Qn， 则水压上升p；当供水能力Qg小于用水需求量Qn， 则水压下降p；当供水流量Qg等于用水需求量Qn， 则水压恒定p 。所谓供水能力就是水泵能够提供的水流量，其大小取决于水泵的容量大小与管道的阻力情况。而用水流量则是用户实际使用的需求量，其流量大小取决于用户的用水量。可见，供水能力与用水流量之间的矛盾主要反应在水压力的变化上。因此，控制了水压力也就相应控制了流量。保持系统总管道出水压力的恒定，也就保持了供水能力和用水流量的平衡状态，这就是恒压供水所要控制的目标。6.3.5 恒压供水变频调速系统控制原理1. 恒压供水变频调速系统构成图6-5所示为恒

20、压供水系统示意图。由图可见，变频器有两个控制信号：（1）目标信号XT目标信号XT是变频器模拟给定端“2”得到的信号。该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数来表示。如用户要求的供水压力为0.3MPa，压力变送器SP的量程为（01）MPa，则目标值应设置为30%。目标信号可由键盘给定。而不必通过外接电位器给定。（2）反馈信号XF反馈信号XF由压力变送器SP反馈到变频器模拟输入端子“4”的信号，该信号反映了实际压力值的的大小。2. 压力传感器压力传感器用来检测供水总管路的出水压力，为系统提供反馈信号。压力传感器种类有多种。这里只介绍常用的两种压力传感器。如图6-6所示为压力传感器的接法

21、。（1）压力变送器SP如图6-6(a)所示。它是将流体压力变换成电压或电流信号输出的器件。所以，其输出信号是随压力变化的电压或电流信号。当距离较远时，应取420mA，电流信号。（2）远传压力表P如图6-6(b)所示。远传压力表基本结构是在压力表的指针轴上附加一个能够带动电位器的滑动触点装置，实质上就是一个电阻值随压力变化的电位器。3系统工作原理图6-7所示为变频器内部PID控制框图。由图可见，给定信号XT和反馈信号XF两者是相减的关系，其相减结果为偏差信号。经过PID调节处理后得到频率给定信号XG，它决定了变频器的输出频率fX。（1）用水需求量减小时的平衡过程当用水需求量减小时，供水能力Qg大

22、于用水需求量Qn，则水压p上升，反馈信号也XF上升，偏差信号X 减小，变频器输出频率fX降低，使电动机及水泵转速降低。供水能力Qg下降，直到水压p回复到目标值。供水能力Qg等于用水流量Qn，恢复供需平衡。（2）用水需求量增加时的平衡过程当用水流量增加时，供水能力Qg小于用水需求量Qn ，则水压p下降，反馈信号也XF下降，偏差信号X增大，变频器输出频率fX上升，电动机及水泵转速上升，供水能力增加，直到水压上升到目标值。供水能力Qg等于用水需求量Qn，恢复供需平衡。6.3.6 变频器选型及功能设置1变频器选型目前，大多数制造厂商都专门生产了“风机，水泵专用变频器”系列,功能设置与普通变频器有一定区

23、别。一般情况下，直接选用即可。但对于用在含有大量泥沙场合的“泥浆”泵，应该根据其对过载能力的要求选择变频器。2控制方式设置供水系统对供水量精度要求不是很高，故采用V/F控制方式已经能够满足。大部分变频器都给出两条U/f低减线，如图4-26中所示的01和02线。一般选用负补偿程度较轻的U/f曲线01，不必采用矢量控制方式。供水系统根据供水压力反馈信号构成恒压供水的闭环系统，采用PID控制调节，使系统反应快速运行稳定。3频率功能设置（1）最高频率由于水泵是二次方律负载，工作转速不允许超过额定转速。这是因为，水泵如果超过额定转速，会造成转矩超过额定转矩很多，导致电动机严重过载。因此，变频器工作频率不

24、允许超过水泵电动机额定频率，其最高频率只能和额定频率相等。 （2）上限频率一般情况下，上限频率也可以等于额定频率。但有时也可以设置略低一些。这是因为变频器内部具有转差补偿功能，同是在50Hz情况下，水泵在变频运行时的实际转速超过工频运行时的额定转速，也会造成转矩超过额定转矩，使电动机过载。而电动机和水泵的负载能力，则难以承受。因此，将上限频率设置为49Hz为宜。 （3）下限频率在供水过程中，转速过低有时会导致水泵的扬程过低，且低于实际扬程会出现“空转”现象。一般情况下，下限频率设置在3035Hz。在有些场合，依据具体情况，还可再略低一些。（4）起动频率水泵在起动前，叶轮都浸在水中，起动时会存在

25、一定阻力。在从0 Hz开始起动的一段频率内，实质上电动机是转不起来的。因此，应该适当设置起动频率，使其在起动瞬间有适当的机械冲击力。起动频率一般设置510Hz。（5）升降速时间通常，水泵不是频繁起动与制动的机械，升速时间与降速时间长短并不影响生产效率。因此，升速时间与降速时间可以设定稍长一些，要求电动机起动时的最大电流接近或略大于额定电流。降速时间与升速时间相等即可。4暂停运行功能在生活用水系统中，夜间用水量往往很少。即使水泵在下限频率运行，供水压力仍有可能超过目标值。此时，可使水泵暂停运行，也称为“睡眠”功能。当用水流量增大，供水压力低于压力下限值时，水泵结束暂停运行，也称为“唤醒”功能。系

26、统又重新进入正常恒压供水工作状态。6.3.7 恒压供水变频调速系统实例分析传统供水系统，电动机工作在额定功率，出水压力和流量只能靠阀门控制。采用变频器控制后，控制电动机转速即可达到调节压力和流量的目的，彻底取消了水塔、高位水箱以及增压气罐等设备。消除了水质二次污染，提高了供水质量、节约能源、操作方便、自动化程度高。如果与计算机通讯还可以做到无人值守，节省了人员开支。其节能效率可20%40%。有关资料表明，对传统供水系统进行技术改造后。一年就可以收回技改所用的投资。1多台水泵的切换为保证供水流量的需求，系统通常采用多台水泵联合供水。用一台变频器控制多台水泵协调工作，这种方法称为“1”控“X”，X

27、为水泵台数。在不同季节和不同时间用水需求量变化也是很大的。为节约能源，本着多用多开，少用少开的原则，通常需要对电动机进行切换控制。2主电路说明如图6-8所示为1控3供水系统主电路。图中接触器1KM2、 2KM2 、3KM2分别用于将各台水泵电动机接至变频器。接触器1KM3、 2KM3 、3KM3分别用于将各台水泵电动机接至工频电源。系统采用PLC控制变频器。变频器的STF由PLC的Y0点控制，SD端子与PLC的COM点相连接。在PLC的COM点设置了复位按钮，用于变频器的复位RES操作。由信号处理器的U0点和COM点接变频器的“2”和“5”端子用于变频器频率给定。变频器的异常输出信号A端子接P

28、LC的X2点，C 端子以与COM点相连接。采用一台变频器控制三台水泵时，称为“1“控”3“。首先由1号泵变频运行，当用水需求量增大时，1号泵已经达到50Hz的额定频率，但水压仍然不足。经过短暂的延时后，将1号泵切换为工频运行。同时，将2号泵切换到变频运行，变频器输出频率降至为0Hz，当2号泵也达到50Hz的额定频率时，水压仍然不足，又将2号泵切换到工频运行，而将3号泵投入变频运行。反之，当用水需求量减少时，各泵依次退出工频运行，而用一台泵变频运行。这种方案所需设备成本较低，但每一次只有一台水泵变频运行，故节能效果较差。近年来，由于变频器在恒压供水领域的广泛应用，使变频器制造厂商推出了内置“1“

29、控”X“的专用变频器。现有的供水专用变频器基本上是将普通变频器与PLC组装在一起具有“1“控”X“的切换功能，使控制系统简化，提高了系统的可靠性。3系统调节原理如图6-9所示为某恒压供水系统控制框图。由压力传感器检测总管道的实际供水压力p，经A/D转换成数字量，作为反馈信号UF，与变频器键盘给定的数字信号UT相比较，得到偏差信号U。 经PID调节，再经过D/A转换成模拟量UG，来控制变频器输出频率fX，进而控制电动机及水泵转速n，以达到恒压供水之目的。其调节过程是：当供水压力上升时供水压力下降时的情况由同学自行分析。4控制电路说明1控3供水系统控制电路如图6-10所示。采用三菱FX2N系列PL

30、C通过信号处理器对变频器实施控制。（1）PLC输入点X2用于接受来自变频器异常输出端子A 的跳闸信号。X4、X6、X10分别用于1号、2号、3号泵的过载保护及报警。X5、X7、X11分别用于1号、2号、3号泵的自动运行。 （2）PLC输出点Y0用于控制变频器的正转STF运行。Y2、Y3分别控制相关的接触器对1号泵进行变频与工频切换；Y4、Y5分别控制相关的接触器对2号泵进行变频与工频切换；Y6、Y7分别控制相关的接触器对3号泵进行变频与工频切换。（3）信号处理器信号处理器具有放大和逻辑变换两个功能。在这里，主要用于处理由传感器检测的实际压力信号。压力传感器的反馈信号U11与给定信号U12相比较

31、,经A/D转换后,输入到PLC的输入点X0。 经PLC程序运算后,由Y1送回信号处理器。再经D/A转换，由U0输出到变频器对其频率进行调节。与此同时，PLC根据偏差信号由Y2-Y7控制接触器的切换动作。电路的工作过程是，当工作方式开关SA拨到“恒压”位置时，将实际压力与给定压力相比较，总管道出水压力不足时，通过PID运算控制水压的上升，使水泵转速上升，供水量增加。当工作方式开关SA拨到“恒速”位置时，系统不考虑给定压力值，而是将变频器的频率设置在050Hz之间的任意一个固定值上，水泵恒速运行。6.4 变频器在中央空调控制系统中的应用中央空调是现代公共建筑不可缺少的设施。为宾馆、商场和写字楼等公共设施提供制冷服务，保持室内温度恒定。但因季节和昼夜变化，还有些公共设施因开放时间变化，需冷量具有明显的不同。而传统中央空调并不能监测环境温度的变化而调节自身的能耗，加之工艺设计，电机功率设计都有相当的富裕量，即液泵的流量和扬程都大于实际所需。因此，对中央空调进行变频节能技术改造是降本增效的一条有效途径。6.4.1 中央空调系统构成中央空调系统的构成如图6-11所示。1冷冻主机与冷却塔 （1）冷冻主机冷冻主机也称制冷装置，是中