激光设备控制技术教材——第一章第十一节

1、第十一节变频调速系统一、异步电动机变频调速原理异步电动机按转子的机构不同分为鼠笼式和绕线式两类，按使用的电源相数不同分为单相、两相和三相等几种。变频调速主要用于三相鼠笼式异步电动机。由电机学可知，三相交流电动机的同步转速（即定子旋转磁场转速）n0可表示为公式中f为定子供电的频率，p为电动机的磁极对数。根据异步电动机的工作原理，异步电动机要产生转矩，同步转速与转子转速必须有差别。这个转速差（）与同步转速的比值称为转差率。异步电动机的转速的表达式为异步电动机在额定状态运行时，转子转速通常与相差不大，因此额定转差率一般都很小，其范围在0.010.05之间。如果将电源频率调节为，则同步转速也随之调节成

2、异步电动机变频后的转速的表达式为这就是异步电动机变频调速的理论依据。二、变频器的工作原理目前投入市场运行的变频器大多数为交-直-交变频器，交-直-交变频器的主电路框图如图1-50所示。有图可见，主电路包括四个组成部分：整流电路、中间电路、逆变电路和控制电路。1-整流电路 2-中间电路 3-逆变电路 4-控制电路图1-50 变频器的机构框图1.整流电路整流电路的功能是将交流电转换为直流电。整流电路按使用的器件不同分为两种类型：不可控整流电路和可控整流电路。不可控整流电路使用的器件为功率二极管，按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。可控整流电路使用的器件为晶闸管。2

3、.中间电路虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但这种电压或电流含有频率为电源频率六倍的纹波，如果将其直接提供给逆变电路，则逆变后的交流电压、电流纹波很大。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。变频器中通常采用大容量的电解电容对整流电路的输出进行滤波。3.逆变电路 逆变电路将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。4.控制电路变频器的控制电路由主控制器、信号检测电路、IGBT驱动电路、外部接口电路和保护电路组成。控制电路的作用有：控制整流电路导通角，调节直流电压

4、；控制逆变频率；信号反馈与控制；实现保护机制。三、变频器的外部链接端子变频器的外部链接端子分为主电路端子和控制电路端子，图1-51所示为东芝VF-S15变频器的连接端子图。图1-51 东芝VF-S15变频器外部接线端子图1. 主电路端子变频器通过主电路端子与外部链接，主电路端子及其功能见表1-6。表1-6 变频器的主电路端子及其功能端子符号端子名称功能说明R、S、T交流电源输入端子连接三相交流电源U、V、W变频器输出端子连接三相电动机P0、PA/+直流电抗器连接用端子改善功率因数和抗干扰PB、PC外部制动电阻器连接用端子连接外部制动电阻PE变频器接地端子变频器外壳接地端子2. 控制端子变频器通

5、过控制端子与控制器连接，控制端子包括输入端子、输出端子、通信端子等，输入端子有正传信号、反转信号、多段速信号、模拟电压信号、模拟电流信号等。输出信号主要有故障输出、变频器速度输出等。变频器的通讯端子一般是RS485通信总线，支持ProfiBus、Modbus、CanOpen等工业控制总线协议。四、变频器的主要功能参数1.加减速时间变频器启动时，启动频率可以很低，加速时间可以自行给定，这样可以解决启动电流大和机械冲击的问题。加速时间是指工作频率从0Hz上升至用户基本频率所需要的时间。一般变频器都可以通过参数设置加速时间，用户应该根据拖动系统的情况自行给定一个加速时间。加速时间越长，启动电流就越小

6、，启动也越平缓，但延长了拖动系统的过度过程，对于一些频繁启动的机械来说，会减低生产效率。变频器减速时，在频率下降的过程中，电动机处于再生制动状态，如果拖动系统的惯性大，频率下降有很快，电动机将处于强烈的再生制动状态，从而产生过电流和过电压，使变频器跳闸。为了避免这样的情况发生，可以适当加长减速时间。2. 加减速模式不同的生产机械对加减速过程的要求是不同的。根据各种负载的特性，变频器给出了不同的加减速模式。常见的加减速模式有：线性模式、S曲线模式等。线性模式就是在加减速的过程中，频率与时间成线性关系，如图1-52所示。如有没有特殊要求，一般负载都可以选用线性方式。图1-52 线性加减速模式 图1

7、-53 S曲线加减速模式S曲线加减速模式如图1-53所示，这种模式下加减速缓慢，中间阶段为线性加速，这种加减速模式适用于带式输送机一类的负载。3. PID控制功能参数PID控制是闭环控制中的一种常见形式。反馈信号取自调速系统的输出端，当输出量偏离给定值时，反馈信号成例地变化。在输入端，给定信号与反馈信号比较，经过PID调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除输出误差。PID控制功能中需要设置P参数、I参数和D参数。4. 载波频率变频器的逆变SPWM载波频率越高，一个输出正弦周期波内的脉冲个数越多，波形越接近于实际正弦波，反之波形失真就越大。载波频率如果设置不合适，会引起电动机铁心的振动而

8、发出噪音，因此一般变频器都可以由用户在一定范围内修改载波频率的值。5. 启动频率启动频率是指电动机开始启动时的频率，这个频率可以从0Hz开始，但是对于惯性较大的负载，需要加大启动转矩，这时可以加大启动频率。一般变频器都可以预置启动频率，一旦设置，变频器对于小于启动频率的运行频率将不予理睬。设置启动频率的原则是，在启动电流不超过允许值的前提下，拖动系统能够顺利启动为宜。五、变频器的控制方式常用的变频器控制方式主要有U/f控制和矢量控制两种。1. U/f控制对于感性负载，如果外电压不变，磁通随频率而改变，频率f下降，磁通会增大，造成磁路饱和，励磁电流增大，功率因数下降，铁心和线圈过热。为了避免这个

9、问题，变频器在降频的同时也要降压，这就要求频率和电压协同工作。U/f控制方式认为设置一条V/f的对应曲线，使频率变化的时候，电机磁通保持不变，使变频器不至于过电流。U/f控制方式的缺点有：在低速时，由于定子阻抗压降随负载转矩变化，当负载较重时可能补偿不足，当负载较轻时又可能产生过补偿，造成磁路过饱和。这两种情况均可能引起变频器过电流跳闸。其次电动机的转差率随负载的变化而波动，电动机的实际转速也随之变化，不适合对速度要求较高的拖动系统。2. 矢量控制U/f控制是开环控制而矢量控制是闭环控制。矢量控制是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控

10、制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。现在一般变频器都提供矢量控制功能，如果使用这种功能用户需要设置以下参数：在矢量控制功能中，选择“用”或者“不用”。在使用矢量控制后还需输入电动机的容量、极数、额定电流、额定电压、额定功率等参数。矢量控制方式动态响应快、低频转矩大、控制灵活的优点，适用于要求高速响应的工作机械以及高精度的场合。六、变频器的控制总线在现场总线广泛应用之前，工业仪器仪表之间的通信主要通过模拟数据传输，比如0-10V的电压信号和4-20mA的电流信号等，这种数据传输方式有以下的缺点：1一对一结构，单向传输；2单一功能；3可靠性差，易受干扰；4规范繁杂，有0-10V，0-5V，4-2

11、0mA等，各种规范之间又要由转换设备进行信号转换。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。采用数字传输，将各种工业现场的控制器、仪器仪表、执行器连接起来，进行控制信息传输的通信网络。常见的总线协议有以下几种：1. ModbusModbus是工业上广泛使用的通讯协议，有RTU、ASCII和TCP三种协议，其物理层是RS232/485/422和以太网。Modbus网络有一台主设备和最多247台从设备组成。Modbus总线协议中仅主设备能初始化传输。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备查询的格式：设备地址、功能代码、所有要发送的数据、

12、CRC冗余校验。从设备回应消息包括设备地址、功能代码、返回的数据、CRC冗余校验。2. ProifbusPROFIBUS是过程现场总线（Process Field Bus ）的缩写，于1989年正式成为现场总线的国际标准。它由三个兼容部分组成，即PROFIBUSDP、PROFIBUSPA、PROFIBUS-FMS 。PROFIBUS-DP应用于现场级，它是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯。PROFIBUS-PA适用于过程自动化，可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，应用于本征安全领域。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，用来完成控制器和智能现场设备之间的

13、通信以及控制器之间的信息交换。变频器使用PROFIBUS-DP协议。3. CanOpenCANopen是一种架构在 CAN总线上的高层通讯协定，也是工业控制常用到的一种现场总线。CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，由德国BOSCH公司开发的，并成为国际标准（ISO11898）。是国际上应用最广泛的现场总线之一。主要应用于汽车计算机控制系统和嵌入式控制系统中。CANopen 设备间的通讯可分为三种通讯模型：master/slave 模型、client/server模型和producer/consumer模型七、变频调速电路的硬件组成变频调速电

14、路一般除变频器外还有低压断路器、接触器、电抗器、滤波器、制动电阻、电动机、传感器、变送器、PLC控制器等器件组成,如图1-54所示。641-断路器 2-接触器 3-电抗器 4-输入滤波器 5-变频器 6-输出滤波器 7-电动机图1-54 变频调速电路的组成1 电抗器在变频调速系统中为了防止电源侧操作切换所引起的浪涌电压和浪涌电流对变频器的侵害，同时也为了减少变频器所产生的谐波对电网的污染，变频调速电路中一般采用电抗器隔离输入电源。交流输入电抗器接于变频器的交流输入侧，交流输入电抗器为三相结构，有三相铁心绕三相线圈构成。其载流量应满足变频器通过允许最大电流的要求，电抗器的电感量通常以在基波额定电流下电抗器的两端电压降来选取。使用电抗器可以减少变频器的输入电流谐波含量，就地抑制谐波污染，而且可以抑制电源系统的瞬变干扰。2 滤波器变频器的输入和输出电流中都含有很多高次谐波成分，这些高次谐波电流除了增加输入侧的武功功率、降低功率因数外，频率较高的谐波电流将以各种方式把自己的能力传播出去，干扰其他设备的正常工作。电源滤波器就是用来削弱这