变频器(第三章)1课件

1、变频器应用技术 AC Inverter Application Technology李方园2008年4月18日培训课程1设计篇（第二部分） 变频调速系统的设计原理 PID控制应用 转速控制应用 通讯设计 2设计篇（第二部分） 变频调速系统的设计原理 PID控制应用 转速控制应用 通讯设计 3变频调速系统的基本概念 1. 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1 负载特性25变频调速系统的基本概念 1. 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

2、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。6变频调速系统的基本概念 2. 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，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。7变频调速系统的基本概念 2. 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

3、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。8变频调速系统的基本概念 2. 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

4、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。10变频调速系统的基本概念 3. 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，电动机只要有

5、足够的过载能力即可。12变频调速系统的基本概念 3. 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。14变频调速系统的基本概念 3. 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象限运行的机械设备。如起重机下放重物运

6、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。15变频调速系统的基本概念 3. 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很大的摩擦力才能启动，因此很多情况下

7、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。16变频器的选择 1. 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。它是一种平方降转矩负载。一般情况下，具有V/f恒压频比

8、控制模式的变频器基本都能满足这类负载的要求 17变频器的选择 1. 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。18变频器的选择 3. 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。20变频器的选择 3. 变频

9、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

10、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。 21变频器的选择 3. 变频器的容量选择 从效率的角度23变频器的选择 3. 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

11、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）。24设计篇（第二部分） 变频调速系统的设计原理 PID控制应用 转速控制应用 通讯设计 26转速控制的基本概念 1. 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。27转速控制的基本概念 2

12、. 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，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。28转速控制的基本概念 3. 低速情况的考虑 对于电动机的自冷方式情况下

13、（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。30高精度速度控制的实现方法 PG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。 31同步控制器 应用范围 在纺织、印染、造

14、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）。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。32同步控制器 应用范围

15、33设计篇（第二部分） 变频调速系统的设计原理 PID控制应用 转速控制应用 通讯设计 34PID控制的形式 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PI

16、D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。35PID控制的形式 用于流体工艺 36设计篇（第二部分） 变频调速系统的设计原理 PID控制应用 转速控制应用 通讯设计 37通讯设计 RS232/RS485 变频器被广泛应用于工业控制现场的交流传动之中。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。38通讯设计 1. 三菱变频器的RS232/RS485通讯设计三菱变频器A500/E500/F500系列