变频器(第三章)1PPT课件

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1、1李方园2008年4月18日2l 变频调速系统的设计原理变频调速系统的设计原理 l PID控制应用控制应用 l 转速控制应用转速控制应用 l 通讯设计通讯设计 3l 变频调速系统的设计原理变频调速系统的设计原理 l PID控制应用控制应用 l 转速控制应用转速控制应用 l 通讯设计通讯设计 4 针对电力拖动而言，主要是由变频器、电动机和工作机械等装置组成的机电系统。任务就是使电动机实现由电能向机械能的转换，完成工作机械启动、运转、调速、制动工艺作业的要求。钻床变频控制系统5 1.1.机械特性机械特性所谓机械特性就是描述电动机转速n与转矩T之间的关系n=f（T）的函数特性。在变频调速系统中，有两

2、种机械特性，即电动机的机械特性和机械设备（或负载设备）的机械特性。机械特性机械特性1 负载特性负载特性26 1.1.机械特性机械特性由曲线1和曲线2处于交点Q时，电动机和负载的转矩处于平衡状态，这时的稳定运行速度为nQ，拖动系统的功率PQ则由下式进行计算：PQ=TQnQ/9550式中，如TQ的单位为Nm，nQ的单位为r/min，则PQ的单位为kW。Q点称为电力拖动的工作点，也是变频调速系统的工作点。7 2.2.负载的机械特性分类负载的机械特性分类 正确地把握变频器驱动的机械负载对象的机械特性（即转速转矩特性）是选择电动机及变频器容量、决定其控制方式的基础。机械负载种类繁多、包罗万象，但归纳起来

3、，主要有以下三种：恒转矩负载、平方降转矩负载和恒功率负载。8 2.2.负载的机械特性分类负载的机械特性分类（1）恒转矩负载对于传送带、搅拌机、挤出机等摩擦负载以及行车、升降机等势能负载，无论其速度变化与否，负载所需要的转矩基本上是一个恒定的数值，此类负载就称为恒转矩负载。例如，行车或吊机所吊起的重物，其重量在地球引力的作用下产生的重力是永远不变的，所以无论升降速度大小，在近似匀速运行条件下，即为恒转矩负载。由于功率与转矩、转速两者之积成正比，所以机械设备所需要的功率与转矩、转速成正比。电动机的功率应在最高转速下的负载功率相适应。9 2.2.负载的机械特性分类负载的机械特性分类（2）平方降转矩负

4、载离心风机和离心泵等流体机械，在低速时由于流体的流速低，所以负载只需很小的转矩。随着电动机转速的增加，而气体或液体的流速加快，所需要的转矩大小以转速平方的比例增加或减少，这样的负载称为平方降转矩负载。在这种方式下，因为负载所消耗的能量正比于转速的三次方，所以通过变频器控制流体机械的转速，与以往那种单纯依靠风门挡板或截流阀来调节流量的定速风机或定速泵相比，可以大大节省浪费在挡板、管壁上的能源，从而起到节能的显著作用。10 2.2.负载的机械特性分类负载的机械特性分类（3）恒功率负载机床的主轴驱动、造纸机或塑料片材的中心卷取部分、卷扬机等输出功率为恒值，与转速无关，这样的负载特性称为恒功率负载。例

5、如，卷纸机要求以一定的速度和相同的张力卷取纸张。在卷取初期，由于转矩可以较小，但随着纸卷直径的逐渐变大，纸卷的转速也随之变低，而转矩必须相应增大。11 3.3.负载的运行工艺分类负载的运行工艺分类 由于不同的工艺要求对机械设备也提出了不同的工作状态和控制模式，归纳起来主要有以下几种：连续恒定负载连续恒定负载是指负载在足够长的时间里连续运行，并且在运行期间，转矩基本不变。所谓“足够长的时间”是指这段时间内，电动机的温升将足以达到稳定值。典型例子就是恒速运行的风机。连续变动负载连续变动负载是指负载也是在足够长的时间里连续运行的，但在运行期间，转矩是经常变动的。车床在车削工件时的工况以及塑料挤出机的

6、主传动就是这种负载的典型案例。这类负载除了满足温升方面大的要求外，还必须主语负载对过载能力的要求。12 3.3.负载的运行工艺分类负载的运行工艺分类 断续负载断续负载是指负载时而运行，时而停止。在运行期间，温升不足以达到稳定值；在停止期间，温升也不足以降至零。起重机械如行车、电梯等都属于这类负载。这类负载常常是允许电动机短时间过载的，因此，在满足温升方面要求的同时，还必须有足够的过载能力。有时，过载能力可能是更主要的方面。短时负载负载每次运行的时间很短，在运行期间，温升达不到稳定值；而每二次运行之间的间隔时间很长，足以使电动机的温升下降至零。水闸门的拖动系统属于这类负载。对于这类负载，电动机只

7、要有足够的过载能力即可。13 3.3.负载的运行工艺分类负载的运行工艺分类 冲击负载加有冲击的负载叫冲击负载。例如，在轧钢机的钢锭压入瞬间产生的冲击负载、冲压机冲压瞬间产生的冲击负载等最具代表性。这类机械，冲击负载的产生事先可以预测，容易处理。当然，也有一些不测现象产生的冲击负载，入处理含有粉尘、粉体空气的风机，当管道中长期堆积的粉体硬块落入叶片上时，就是一种冲击负载。冲击负载会引起两个问题：过流跳闸；速度的过渡变动。对于冲击负载，国内通常都使用YH系列高转差率三相异步电动机，它是Y系列电机的派生系列，具有堵转转矩大、堵转电流小、转差率高和机械特性软等特点，尤其适用于不均匀冲击负载以及正、反转

8、次数多的工作场合，如锤击机、剪刀机、冲压机和锻冶机等机械设备。14 3.3.负载的运行工艺分类负载的运行工艺分类 脉动转矩负载在往复式压缩机中利用曲轴将电机的旋转运动转换成往返运动，转矩随着曲轴的角度而变动。在这种情况下，电动机的电流随着负载的变化而产生达的脉动。这类负载是一种周期性的曲轴类负载，它必须考虑到飞轮惯量GD2，因为一旦采用加大飞轮的方法来平滑脉动转矩时，加减速时间就会随之增加，否则减速时的回馈能量就会变大。15 3.3.负载的运行工艺分类负载的运行工艺分类 负负载当负载要求电机产生的转矩与电机转动方向相反时，此类负载就是负负载。负负载的类型通常有两种：（a）由于速度控制需要而在四

9、象限运行的机械设备。如起重机下放重物运转时，电机向着被负载牵引的方向旋转，此时电机产生的转矩是阻碍重物下放的，即与旋转方向相反。这类负载包括行车、吊机、电梯等升降机械和倾斜下坡的皮带输送机。（b）由于转矩控制需要而在四象限运行的机械设备。在卷取片材状物料进行加工作业时，为了给加工物施加张力而设置的卷送转送装置就是负负载。这里使用的电机速度决定于其对应的卷取机和原动机的运转速度，而电机只被要求用来产生制动转矩。这类负载包括造纸用的放卷和收卷设备、钢铁用的夹送辊、纺织用的卷染机等。16 3.3.负载的运行工艺分类负载的运行工艺分类 大起动转矩负载类似搅拌机、挤出机、金属加工机床等在启动初期必须克服

10、很大的摩擦力才能启动，因此很多情况下都被当作重载使用。大惯性负载离心分离机等负载惯性大，不仅启动费力，而且停车也要费时。17 1.1.根据负载的机械特性选择变频器根据负载的机械特性选择变频器1从理想的角度来说，对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械则应采用具有转矩控制功能的高性能变频器。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。三菱公司的V500、艾默生公司的TD3000、AB公司的PowerFlex700系列、安川公司的VS G7系列、西门子公司的6SE70系列变频器属于此类。2风机类、泵类负载是工业现场应用最多的设备，变频器在这类负载上的应用最多。

11、它是一种平方降转矩负载。一般情况下，具有V/f恒压频比控制模式的变频器基本都能满足这类负载的要求 18 1.1.根据负载的机械特性选择变频器根据负载的机械特性选择变频器3恒功率负载根据变频器在基本运行频率以上的弱磁恒功率特性，可以将此应用于高速磨床等主轴电机的传动系统中。对于中心卷取的负载，变频器选择应根据空卷直径和满卷直径比来选择变频器的调速范围，如卷取金属片材时对于低速要求有高转矩输出的，必须选择具有矢量控制的变频器。19 2.2.根据负载的工艺特性选择变频器根据负载的工艺特性选择变频器正确选用变频器的类型，首先要按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用那种

12、控制方式的变频器最合适。所谓合适是既要好用，又要经济，以满足工艺和生产的基本条件和要求为前提。20 3.3.变频器的容量选择变频器的容量选择 变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。21 3.3.变频器的容量选择变频器的容量选择 从电流的角度大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是

13、一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。22 3.3.变频器的容量选择变频器的容量选择 从效率的角度系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要

14、注意以下几点：（a）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。（b）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。（c）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。（d）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。（e）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。23 3.3.变频器的容量选择变频器的容量选择 从效率的角度24

15、 3.3.变频器的容量选择变频器的容量选择 从计算功率的角度对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：（a）满足负载输出：PCNPM（b）满足电动机容量：PCN3kUeIe10-3（c）满足电动机电流：ICNkIe式中PCN为变频器容量（单位kVA），PM-负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），为电动机效率（通常约为085），cos为电动机功率因数（通常约为075），k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常k约为10511）。25 4.4.变频器箱体结构的

16、选用变频器箱体结构的选用 变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与能否长期、安全、可靠运行有很大关系。常见有下列几种结构类型可供用户选用：（1）敞开型IP00本身无机箱，适用装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上，尤其是多台变频器集中使用时，选用这种型式较好，但环境条件要求较高；（2）封闭型IP20适用一般用途，可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合；（3）密封型IP45适用工业现场条件较差些的环境；（4）密闭型IP65适用环境条件差，有水、尘及一定腐蚀性气体的场合。26l 变频调速系统的设计原理变频调速系统的设计原理 l PID控制应用控制应用

17、 l 转速控制应用转速控制应用 l 通讯设计通讯设计 27 1.1.速度控制范围和精度速度控制范围和精度 根据具体的工艺条件和机械设备，在以转速为控制对象的变频调速系统中，必须选择速度控制范围符合要求的变频器以及变频器的控制方式。速度控制范围有以下几种表示方式，如转速范围表示或变速比率表示，前者如175转/分到1750转/分或5Hz到60Hz，后者如1:10或者以百分比表示如5。在转速控制方式下，可以根据变频器转速控制精度来选择不同类型的变频器及其参数设置。28 2.2.避开特定的不安全速度避开特定的不安全速度 电机转动时，转矩的脉动频率与负载和电机构成的系统固有振动频率一致时，会发生系统共振

18、，共振状态的出现将破坏传动系统的正常运转，甚至将造成破坏性系统损坏。每台设备都有一个固有振荡频率，它取决于设备本身的结构。由于变频器是通过改变电动机的工作频率来改变电动机转速来进行工作的，这就有可能在某一电动机转速下与负荷轴系的共振点、共振频率重合，造成负荷轴系因发生谐振而变得十分强烈以及不能容忍的振动，有时会造成设备停运或设备损坏，因此必须根据负荷轴系（或生产设备）的共振频率，通过共振预防，来避免系统发生此类现象。29 2.2.避开特定的不安全速度避开特定的不安全速度 为了预防谐振和共振，变频器都设置有跳跃频率，其目的就是使电动机拖动系统回避掉可能引起谐振的转速，或者说让变频器的输出频率跳过

19、该频率区域。变频器的设定频率按照图3.中的方式可以在某些频率点做跳跃运行，一般可以定义三个跳跃频率及每一个跳跃范围，如跳跃频率f1、f2、f3及跳跃范围1、跳跃范围2、跳跃范围3。30 3.3.低速情况的考虑低速情况的考虑 对于电动机的自冷方式情况下（采用普通电动机），转速下降则电机冷却能力降低。因此对于平方降转矩负载的设备如离心风机和离心泵，如对低速运行无要求时可以设置一个最低运行频率。正常运行时负载在最低频率与最高频率之间变化，如长时间位于最低频率时，则可以考虑采用变频器特有的休眠唤醒功能，尤其对于空调风机和供水泵在夜间小（或零）流量时，休眠唤醒功能不仅考虑了低速冷却效果，还能充分节能。3

20、1 PGPG闭环闭环 高精度的速度控制往往能够体现速度的精度和稳定性，其典型应用如造纸机的传动，精度控制在0.01%到0.05%之间，其他如胶卷和钢铁生产线也要求有0.02%到0.1%之间。32应用范围 在纺织、印染、造纸等工业生产中，多电机速度同步传动的应用十分广泛。当一台整机或一条生产线中各个传动单元分别由独立的变频器驱动时，为了保证整机在一个主令转速的设置下（总调），各单元同步恒线速工作，需要配置该同步控制器。同步控制器可对各单元传动速度分别整定（分调），以实现各单元以一定的比例速度同步工作（或补偿各单元的机械传动比的差异），各单元可加入松紧架等同步调节器信号（以实现各单元速差的自动调整

21、）。总的主令设定电压通过给定积分器输出，可实现软起动和软停车（变频器的加减速时间可以设置为较小值，以保证同步调整的动态快速性）。配置同步控制器，使系统设计、变频器选型及安装调试都变得方便易行。33应用范围 34l 变频调速系统的设计原理变频调速系统的设计原理 l PID控制应用控制应用 l 转速控制应用转速控制应用 l 通讯设计通讯设计 35用于流体工艺 与一般的以转速为控制对象的变频系统不同，涉及流体工艺的变频系统通常都是以流量、压力、温度、液位等工艺参数为控制量，实现恒量或变量控制，这就需要变频器工作于PID方式下，按照工艺参数的变化趋势来调节泵或风机的转速。在大多数的流体工艺或流体设备的

22、电气系统设计中，PID控制算法是设计人员常常采用的恒压控制算法。常见的PID控制器控制形式主要有三种：（1）硬件型，通用PID温控器；（2）软件型，使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器上做PID控制器；（3）使用变频器内置PID控制功能，相对前两者来说，这种叫内置型。这三种控制器形式各具特点，但采用什么形式的PID控制器对控制性能和生产成本具有一定的影响，这值得设计人员考虑的。36用于流体工艺 37l 变频调速系统的设计原理变频调速系统的设计原理 l PID控制应用控制应用 l 转速控制应用转速控制应用 l 通讯设计通讯设计 38RS232/RS485 变频器被广泛应用于工业控制现场的

23、交流传动之中。通常变频器控制由操作面板来完成，也可通过输入外部的控制信号来实现。而目前在实际的应用中，变频器与控制器之间更趋于通过现场实时总线通讯的方式而实现数据的交互，上位机可以通过RS232/RS485或现场总线实现通讯。因此，变频器的通讯设计通常是从两个层面去考虑：即通用的RS232/485通讯和现场总线通讯。尽管现场总线与RS232/485在物理接口上存在类似的概念，但在本质上是有区别的。391.1.三菱变频器的三菱变频器的RS232/RS485RS232/RS485通讯设计通讯设计三菱变频器A500/E500/F500系列都可以采取组网方式进行通讯。方式一为单主机多从机方式（如图所示），方式二为单主机单从机方式。主机可以选用个人计算机、可编程控制器、DCS；从机则指的是变频器。401.1.三菱变频器的三菱变频器的RS232/RS485RS232/RS485通讯设计通讯设计三菱变频器通讯规格 412.2.西门子变频器的西门子变频器的RS485RS485通讯设计通讯设计 USSUSS通讯特点通讯特点USS是西门子公司为变频调速器开发的串口通讯协议，可支持变频调速器同主机（PC或PLC）之间建立通讯联接，常常适用于规模较小的自动化系统。4243谢 谢！