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变频器的功能设置概述（四）The Summarization of AC Inveters Function Setting浙江工商职业技术学院 李方园Li Fangyuan第4讲 变频器的起动制动方式（2）摘 要：变频器的起动制动方式是指变频器从停机状态到运行状态的起动方式、从运行状态到停机状态的方式以及从某一运行频率到另一运行频率的加速或减速方式。变频器的起动制动包含较多的内容，包括起动方式、加减速方式、停机方式、制动方式等，本文将逐一阐述。关键词：变频器；起动制动方式；加减速；回馈制动Abstract: The run-stop method of AC inverter includes the start method from AC inverters stop to run, the stop method from AC inverters run to stop, the acceleration and deceleration from one frequency to another frequency . These methods main topic matter too much, so in this paper the detailed setting will be described.Key words:AC inverter;run-stop method;acceleration and deceleration;feedback brake中图分类号 TM714 文献标识码B 文章编号 1561-0330(2007)11-00变频器的起动制动方式是指变频器从停机状态到运行状态的起动方式、从运行状态到停机状态的制动方式以及从某一运行频率到另一运行频率的加速或减速方式。变频器的起动制动包含较多的内容，这里将逐一阐述。1 起动运行方式变频器从停机状态开始启动运行时通常有以下几种方式：（1）从起动频率起动。变频器接到运行指令后，按照预先设定的起动频率和起动频率保持时间起动。该方式适用于一般的负载。起动频率是指变频器起动时的初始频率，如图1所示的fs，它不受变频器下限频率的限制；起动频率保持时间是指变频器在起动过程中，在起动频率下保持运行的时间，如图1中的t1。图1 起动频率与起动时间示意电动机开始起动时，并不从0Hz开始加速，而是直接从某一频率下开始加速。在开始加速瞬间变频器的输出频率便是上述所说的起动频率。设置起动频率是部分生产设备的实际需要，比如：有些负载在静止状态下的静摩擦力较大，难以从0Hz开始起动，设置了起动频率后，可以在起动瞬间有一点冲力，使拖动系统较易起动起来；在若干台水泵同时供水的系统里，由于管道里已经存在一定的水压，后起动的水泵在频率很低的情况下将难以旋转起来，故也需要电动机在一定频率下直接起动；锥形电动机如果从0Hz开始逐渐升速，将导致定子和转子之间的摩擦，所以起动频率，可以在起动时很快建立起足够的磁通，使转子和定子间保持一定的气隙，等等。起动频率保持时间的设置对于下面几种情况比较适合：对于惯性较大的负载，起动后先在较低频率下持续一个短时间t1，然后再加速运行到稳定频齿轮箱的齿轮之间总是有间隙的，起动时容易在齿轮间发生撞击，如在较低频率下持续一个短时间t1，可以减缓齿轮间的碰撞；起重机械在起吊重物前，吊钩的钢丝绳通常是处于松弛的状态，起动频率保持时间t1可首先使钢丝绳拉紧后再上升；有些机械在环境温度较低的情况下，润滑油容易凝固，故要求先在低速下运行一个短时间t1，使润滑油稀释后再加速；对于附有机械制动装置的电磁制动电动机，在电磁抱闸松开过程中，为了减小闸皮和闸辊之间的摩擦，要求先在低速下运行，待电磁抱闸完全松开后再升速。从起动频率起动对于驱动同步电动机，尤其适合。（2）先制动再起动。本起动方式是指先对电动机实施直流制动，然后再按照方式（1）进行起动。该方式适用于变频器停机状态时电动机有正转或反转现象的小惯性负载，对于高速运转大惯性负载则不适合。如图2所示为先制动再起动的功能示意图，起动前先在电动机的定子绕组内通入直流电流，以保证电动机在零速的状态下开始起动。如果电动机在起动前，拖动系统的转速不为零，而变频器的输出是从0Hz开始上升，则在起动瞬间，将引起电动机的过电流故障。它包含两个参数：制动量和直流制动时间，前者表示应向定子绕组施加多大的直流电压，后者表示进行直流制动的时间。图2 先制动再起动功能示意（3）转速跟踪再起动。在这种方式下，变频器能自动跟踪电动机的转速和方向，对旋转中的电动机实施平滑无冲击起动，因此变频器的起动有一个相对缓慢的时间用于检测电动机的转速和方向，如下图3所示。该方式适用于变频器停机状态时电动机有正转或反转现象的大惯性负载瞬时停电再起动。图3 转速跟踪再起动功能示意2 加减速方式2.1 基本概念变频器从一个速度过渡到另外一个速度的过程称为加减速，如果速度上升则为加速，速度下降则为减速。加减速方式主要有以下几种：（1）直线加减速。变频器的输出频率按照恒定斜率递增或递减。变频器的输出频率随时间成正比地上升，大多数负载都可以选用直线加减速方式。如图4a。加速时间为t1、减速时间为t2。一般定义加速时间为变频器从零速加速到最大输出频率所需的时间，减速时间则相反，变频器从最大输出频率减至零频率所需的时间。必须注意的是： 在有些变频器定义中，加减速时间不是以最大输出频率fmax为基准，而是固定的频率（如50Hz）； 加减速时间的单位，可以根据不同的变频器型号选择为秒或分；一般大功率的变频器其加减速时间相对较长；加减速时间必须根据负载要求适时调整，否则容易引起加速过流和过压、减速过流和过压故障。图4 加减速方式（a）直线加减速 (b) S型曲线加减速（2）S曲线加减速。变频器的输出频率按照S型曲线递增或递减。如图4b所示。我们将S曲线划分为3个阶段的时间，S曲线起始段时间如图4b中所示，这里输出频率变化的斜率从零逐渐递增；S曲线上升段时间如图4b中所示，这里输出频率变化的斜率恒定；S曲线结束段时间如图4b中所示，这里输出频率变化的斜率逐渐递减到零。将每个阶段时间按百分比分配，就可以得到一条完整的S型曲线。因此，只需要知道三个时间段中的任意两个，就可以得到完整的S曲线，因此在某些变频器只定义了起始段和上升段，而有些变频器则定义两头起始段和结束段。S曲线加减速，非常适合于输送易碎物品的传送机、电梯、搬运传递负载的传送带以及其他需要平稳改变速度的场合。例如，电梯在开始起动以及转入等速运行时，从考虑乘客的舒适度出发，应减缓速度的变化，以采用S形加速方式为宜。（3）半S形加减速方式。它是S曲线加减速的衍生方式，即S曲线加减速在加速的起始段或结束段，按线性方式加速；而在结束段或起始段，按S形方式加速。因此，半S形加减速方式要么只有，要么只有，其余均为线性，如后者主要用于如风机一类具有较大惯性的二次方律负载中，由于低速时负荷较轻，故可按线性方式加速，以缩短加速过程; 高速时负荷较重，加速过程应减缓，以减小加速电流；前者主要用于惯性较大的负载。（4）其他还有如倒L形加减速方式、U型加减速方式等。2.2 加减速时间的切换通过多功能输入端子的组合来实现不同加减速时间的选择（共计4种）。将多功能输入端子X1、X2定义为加减速时间端子1、加减速时间端子2就能按照表1中的逻辑组合实现4种不同加减速时间的切换，如图5所示。图5 加减速时间的切换表1 加减速时间的切换多功能输入端子X2多功能输入端子X1运转指令方式OFFOFF加速时间1/减速时间1OFFON加速时间2/减速时间2ONOFF加速时间3/减速时间3ONON加速时间4/减速时间42.3 加减速时间的衔接功能生产实践中，有时会遇到这样的情况：在拖动系统正在加速的过程中，又得到减速或停机的指令。这时，就出现了加速过程和减速过程的衔接问题。变频器对于在加速过程尚未结束的情况下，得到停机指令时减速方式的处理如图6所示。图6 加减速的衔接功能图6是加、减速曲线。曲线是在运行指令时间较长情况下的形加速曲线;曲线和曲线是在加速过程尚未完成，而运行指令已经结束时的减速曲线。用户可根据生产机械的具体情况进行选择。2.4 加减速时间的最小极限功能某些生产机械，出于特殊的需要，要求加、减速时间越短越好。对此，有的变频器设置了加、减速时间的最小极限功能。其基本含义是：（1）最快加速方式。在加速过程中，使加速电流保持在变频器允许的极限状态(IA150%IN，IA是加速电流，IN是变频器的额定电流)下，从而使加速过程最小化。（2） 最快减速方式。在减速过程中，使直流回路的电压保持在变频器允许的极限状态(UD95%UDH, UD是减速过程中的直流电压，UDH是直流电压的上限值)下, 从而使减速过程最小化。（3）最优加速方式。在加速过程中，使加速电流保持在变频器额定电流的120%( IA120% IN)，使加速过程最优化。（4） 最优减速方式。在减速过程中，使直流回路的电压保持在上限值的93%( UD93% UDH)，使减速过程最优化。其中C和D统称为自动加减速方式，它能根据负载状况，保持变频器的输出电流在自动限流水平之下或输出电压在自动限压水平之下，平稳地完成加减速过程。4 停机方式变频器接收到停机命令后从运行状态转入到停机状态，通常有以下几种方式：（1）减速停机。变频器接到停机命令后，按照减速时间逐步减少输出频率，频率降为零后停机。该方式适用于大部分负载的停机。（2）自由停车。变频器接到停机命令后，立即中止输出，负载按照机械惯性自由停止。变频器通过停止输出来停机, 这时, 电动机的电源被切断, 拖动系统处于自由制动状态。由于停机时间的长短由拖动系统的惯性决定, 故也称为惯性停机。（3）带时间限制的自由停车。变频器接到停机命令后，切断变频器输出，负载自由滑行停止。这时，在运行待机时间T内，可忽略运行指令。运行待机时间T，由停机指令输入时的输出频率和减速时间决定。（4）减速停机加上直流制动。变频器接到停机命令后，按照减速时间逐步降低输出频率，当频率降至停机制动起始频率时，开始直流制动至完全停机。如图7所示。图7 减速停车加直流制动直流制动是在电动机定子中通入直流电流，以产生制动转矩。因为电动机停车后会产生一定的堵转转矩，所以直流制动可在一定程度上替代机械制动；但由于设备及电动机自身的机械能只能消耗在电动机内，同时直流电流也通入电动机定子中，所以使用直流制动时，电动机温度会迅速升高，因而要避免长期、频繁使用直流制动；直流制动是不控制电动机速度的，所以停车时间不受控。停车时间根据负载、转动惯量等的不同而不同；直流制动的制动转矩是很难实际计算出来的；直流制动需要设置的参数为：P1230P1234；使用同步电动机时，不能使用直流制动！直流制动强度：即在定子绕组上施加直流电压UDB或直流电流IDB的大小，它决定了直流制动的强度。如图所示。预置直流制动电压UDB (或制动电流IDB)的主要依据是负载惯性的大小，惯性越大者，UDB也应越大。直流制动时间：即施加直流制动的时间长短。预置直流制动时间tDB的主要依据是负载是否有“爬行”现象，以及对克服“爬行”的要求，要求越高者，tDB应适当长一些。4 能耗制动和回馈制动方式4.1 基本概念不少的生产机械在运行过程中需要快速地减速或停车，而有些设备在生产中要求保持若干台设备前后一定的转速差或者拉伸率，这时就会产生发电制动的问题，使电动机运行在第二或第四象限。然而在实际应用中，由于大多通用变频器都采用电压源的控制方式，其中间直流环节有大电容箝制着电压，使之不能迅速反向，另外交直回路又通常采用不可控整流桥，不能使电流反向，因此要实现回馈制动和四象限运行就比较困难。图8 变频器调速系统的二种运行状态a)1 电动 b) 1发电图8a和图8b所示为变频器调速系统的二种运行状态，即电动和发电。在变频调速系统中，电动机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速1小于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180o，电动机从电动状态变为发电状态；与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩Te，使电动机的转速迅速下降，电动机处于再生制动状态。电动机再生的电能P经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压Ud升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取措施处理这部分再生能量。常用的方法是采用电阻能耗制动和交流回馈制动，由于这两种方法与变频器的功能设置息息相关，故在此重点描述，其他制动方法如共母线方式制动、复合制动等可具体见参考文献2的相关章节。电阻能耗制动在硬件上包括制动单元加制动电阻，通过制动单元的开断来接通制动电阻，并以电阻发热的形式消耗掉再生功率。在一些惯性较大、且需急降速或刹车的场合均可使用能耗制动，例如离心机、工业洗衣机、行车、电梯、纺织机械、造纸机械、拉丝机、绕线机、制药、比例联动系统等。交流回馈制动则不同，它是通过能量回馈电路，将多余的直流电压直接以交流电的形式回馈到交流电网中去。它对长期频繁制动或者位能负载的场合，具有大大节省能量的作用。这两者的选用原则一般是：对于大容量的传动系统来说，希望能把这部分再生回馈电能进行回收，因此多采用交流回馈制动，如大型轧钢生产线、高速纸机生产线和大容量涤纶短纤维后处理生产线的传动系统；而对于容量较小的传动单机系统，考虑到回收能量的实际价值比问题，通常就把这部分能量释放掉，因此大多可采用电阻能耗制动，如一般的传送带制动、机床主轴系统；对于特殊工艺的传动系统，如易燃易爆场合，电阻能耗制动导致的热能将有可能导致严重后果的，即使功率很小的单机系统也需考虑交流回馈系统，如酒精发酵拖动系统。尽管电阻能耗制动和交流回馈制动的原理不一样，但对电动机的负载特性而言，“能耗”和“回馈”的方式制动效果一样的，只是一个耗电（前者），一个节电（后者）。4.2 电阻能耗制动电阻能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能。电阻能耗制动包括制动单元和制动电阻二部分，如图9所示。制动单元的功能是当直流回路的电压Ud超过规定的限值时接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。该限值电压的选择范围根据品牌的不同而从630V到800V不等，用户怎么选择才是正确的呢？进口变频器的参数选择可以适应于不同电压范围，在中国使用时，必须按中国的电网特点进行选择。制动限值电压选择基于两个标准：（1） 制动限值电压必须足够高，不能因为电网电压升高而使制动单元误动作。中国电网波动范围较大，在很多地方，夜间电压会超过交流450v,对应变频器直流电压为640vDC,安全的电压设定点必须在这个数值以上。如果我们按进口变频器标准把制动限值电压设定在630vDC,十有八九会烧坏制动电阻。原因还在于电网电压，发达国家电网波动指标是+10% -15%，我国电网波动实际范围是+20%-20%。（2） B、制动限值电压应该足够低，尽量使变频器工作在额定电压附近，对设备安全运行有最大保证。选择高的制动限值电压，虽然可以保证制动单元不会误动作，但是过高的电压对设备长期安全运行是有很大影响的。特别对于元器件电压等级选择较低的变频器，这种影响是明显的。同时，电压设定过高会使电动机磁路过饱和，控制精度下降和电动机损耗加大。下表所示不同电网电压下、不同地区的推荐制动限值电压。由表2中可知，对于我国大部分情况下应该选用690-700vDC的制动限值电压。表2 变频器调速系统的二种运行状态标准电网电压推荐制动限值电压适用地区实际电压波动交流220V370vDC中国+20%，-20%交流380V690-700vDC中国+20%，-20%交流440V730-760vDC其他国家+10%，-15% *交流460V760-790vDC其他国家+10%，-15% *变频器生产商设计电压指标为一般为 +10%，-15%。制动单元根据安装形式可分内置式和外置式二种，前者是适用于中小功率的通用变频器，后者则是适用于中大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。图9 能耗制动和制动单元、制动电阻的连接方式4.3 回