变频器原理与应用 第3版 课件汇总 王廷才 第6-10章 变频器的接线端子与功能参数-变频器应用实例

第6章变频器的接线端子与功能参数6.1变频器的外部接线端子

图6-1森兰通用变频器的外部接线端子《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.1.1主回路端子《变频器原理与应用（第3版）》第6章森兰SB70G2.2～15机型主回路端子排列如图6-2所示。

图6-2SB70G2.2～15机型主回路端子排列《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.1.2控制板端子及跳线

SB70G375kW及以下机型控制板接线端子排列如图6-3所示。图6-3SB70G375kW及以下机型控制板端子排列《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.1.3控制端子的配线1）模拟输入端子配线使用模拟信号远程操作时，操作器与变频器之间的控制线长度应小于30m，由于模拟信号容易受到干扰，模拟控制线应与强电回路、继电器、接触器等回路分离布线。配线应尽可能短且连接线应采用屏蔽双绞线，屏蔽线一端接到变频器的GND端子上。2）多功能输入端子X1～X6、FWD、REV端子及多功能输出端子Y1、Y2配线

SB70G多功能输入端子及输出端子有漏型逻辑和源型逻辑两种方式可供选择，接口方式非常灵活、方便。《变频器原理与应用（第3版）》第6章3）继电器输出端子TA、TB、TC配线如果驱动感性负载（例如电磁继电器、接触器、电磁制动器），则应加装浪涌电压吸收电路、压敏电阻或续流二极管（用于直流电磁回路，安装时一定要注意极性）等。吸收电路的元件要就近安装在继电器或接触器的线圈两端，如图6-4所示图6-4继电器输出端子TA、TB、TC配线《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.2变频器的主要功能参数及预置6.2.1变频器运行模式功能参数

1.功能参数预置（1）功能参数预置步骤

1)查功能码表，找出需要预置参数的功能码。

2)在参数设定模式(编程模式)下，读出该功能码中原有的数据。

3)修改数据，送入新数据。《变频器原理与应用（第3版）》第6章变频器程序设定的方法1)按模式转换键(FUNC、MODE或PRG)；使变频器处于程序设定状态。2)按数字键或数字增减（∧和∨）键，找出需预置的功能号。3)按读出键或设定键(READ或SET)，读出该功能中原有的数据码。4)如需修改，则按数字键或数字增减键来修改数据码。5)按写入键或设定键(WRT或SET)，将修改后的数据码写入存储器中。6)判断预置是否结束，如未结束，则转入第二步继续预置其他功能；如已结束，则按模式转换键，使变频器进入运行状态。《变频器原理与应用（第3版）》第6章2.运行模式的选择运行模式是指变频器运行时，给定频率和起动信号从哪里给出。根据给出地方的不同，运行方式主要可分为：面板操作，外部操作(端子操作)，通信控制(上位机给定)。选择运行模式，大多采用功能预置的方法，如森兰SB70系列的功能码F0-01的参数：设置为0，F0-00数字给定；设置为1，通讯给定；设置为2，UP/DOWN调节值；设置为3，AI1；设置为4，AI2；设置为5，PFI；设置为6，算术单元1；设置为7，算术单元2；设置为8，算术单元3；设置为9，算术单元4；设置为10，面板电位器给定。《变频器原理与应用（第3版）》第6章3.给出起动信号经过以上两步，变频器巳做好了运行的准备，只要起动信号一到，变频器就按照预置的参数运转。《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.2.2变频器的运行功能参数1.加速时间指工作频率从0Hz升至基本频率fb所需要的时间，给定加速时间的基本原则是在电动机的起动电流不超过允许值的前提下，尽量地缩短加速时间。

2.加速模式根据各种负载的不同要求，给出了各种不同的加速曲线(模式)供用户选择。常见的曲线有线性方式、S形方式和半S形方式等。

3.减速时间输出频率从基本频率fb减至0Hz所需的时间，减速时间的给定方法同加速时间一样，其值的大小主要考虑系统的惯性。

4.减速模式减速模式设置与加速模式相似，也有线性和S形、半S形等几种方式。

5.多功能端子多功能端子的功能由用户可根据需要通过功能代码进行设置，以节省变频器控制端子的数量。

6.程序控制也称简易PLC控制。对于一个需要多挡速操作的拖动系统来说，多挡速的选择可用外部控制来切换

，也可依靠变频器内部定时器来自动执行。

《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.2.3优化特性功能及预置1.节能功能很多变频器都提供了自动节能功能，只需用户选择“用”，变频器就可自动搜寻最佳工作点，以达到节能的目的。

2.PID控制功能给定信号与反馈信号相比较的偏差值，经过P、I、D调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差，回复到给定值。

3．自动电压调整

当遇到输入电压降低时，变频器会适当提高其输出电压，以保证电动机的带负载能力不变。

4．瞬间停电再起动是在发生瞬时停电又复电时，使变频器仍然能够根据原定的工作条件自动进入运行状态。

5.电动机参数的自动调整很多变频器都提供了电动机参数的自动调整功能，对电动机的参数进行测试。

6.变频器和工频电源的切换

如果采用自动切换方式，需要对变频器进行参数预置。

《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.2.4变频器的保护功能及预置1．过电流保护过电流是指变频器的输出电流的峰值超出了变频器的容许值。由于逆变器的过载能力很差，大多数变频器的过载能力都只有150％，允许迟续时间为1min。因此变频器的过电流保护，就显得尤为重要。

2．电动机过载保护当变频器的输出电流大于过载保护电流，在超过时限后过载电流仍然存在，则变频器将跳闸，停止输出。

3.过电压保护电动机处于再生制动状态，若减速时间设置得太短，或是由于电源系统的浪涌电压都可以引起的过电压。对于电源过电压的情况，规定：电源电压的上限一般不能超过电源电压的10％。如果超过该值，变频器将会跳闸。

4.欠电压保护和瞬间停电的处理当电网电压过低时，会引起变频器中间直流电路的电压下降，从而使变频器的输出电压过低并造成电动机输出转矩不足和过热现象。欠电压保护的作用就是在变频器的直流中间电路出现欠电压时，使变频器停止输出。

《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.3变频器的频率参数及预置6.3.1各种基本频率参数

1.给定频率用户根据生产工艺的需求所设定的变频器输出频率。

2.输出频率输出频率即变频器实际输出的频率。

3．基准频率用fb表示。一般以电动机的额定频率fN作为基频fb的给定值。

4.上限频率和下限频率指变频器输出的最高、最低频率，常用fH和fL来表示。

5.跳跃频率也叫回避频率，是指不允许变频器连续输出的频率，常用fJ表示。

《变频器原理与应用（第3版）》第6章6.3.2变频器的其他频率参数

1.点动频率点动频率是指变频器在点动时的给定频率。

2.载波频率(PWM频率)PWM变频器的输出电压大小取决于调制波(基波)和载波(三角波)的交点。载波频率越高，电流波形的平滑性就越好，但是对其他设备的干扰也越大。

3.起动频率是指电动机开始起动时的频率，常用fs表示。

4.直流制动起始频率当变频器的工作频率下降至fDB时，通入直流电。

5.多挡转速频率《变频器原理与应用（第3版）》第6章本章小结

变频器的基本组成可分为两大部分：由电力电子器件构成的主电路；以微处理器为核心的控制电路。变频器与外部连接的端子分为主电路端子和控制电路端子。变频器在使用前，一定要对功能参数进行预置，预置过程大致有下面几个步骤：

1)查功能参数码表，找出需要预置参数的功能码。

2)在参数设定模式(编程模式)下，读出该功能码中原有的数据。

3)修改数据，送入新数据。《变频器原理与应用（第3版）》第6章

谢谢！《变频器原理与应用（第3版）》第6章第7章

变频器的控制方式

7.1U／f控制

7.1.1U／f控制原理

在进行电机调速时，通常是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱就等于没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电机。

U／f控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使U／f为常数，这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.1.2恒U／f控制方式的机械特性

1.调频比和调压比调频时，通常都是相对于其额定频率fN来进行调节的，那么调频频率fx就可以用下式表示：

fx=kffN

(7-1)式中

kf——频率调节比(也叫调频比)。根据变频也要变压的原则，在变压时也存在着调压比，电压Ux可用下式表示：

Ux=kuUN

(7-2)式中

ku——调压比；

UN——电动机的额定电压。

《变频器原理与应用（第3版）》第7章2.变频后电动机的机械特性机械特性曲线的特征如下：①从fN向下调频时，n0x下移，

TKx逐渐减小。②fx在fN附近下调时：

kf=ku→1，TKx减小很少，可近似认为TKx≈TKN

，

fx调的很低时：kf=ku→0，

TKx减小很快。③fx不同时，临界转差ΔnKx

变化不是很大，所以稳定工作区的机械特性基本是平行的，且机械特性较硬。图7-1变频调速机械特性

《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.1.3对额定频率fN以下变频调速特性的修正1.TKx减小的原因分析2．解决的办法适当提高调压比ku，使ku＞kf，即提高Ux的值，使得Ex的值增加。从而保证Ex/fx＝常数

。这样就能保证主磁通ΦM基本不变。最终使电动机的临界转矩得到补偿。fx＞fN时，电动机近似具有恒功率的调速特性图7-2U/f采用电压补偿后机械特性《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.1.4U／f控制的功能1.转矩提升转矩提升是指通过提高U／f比来补偿fx下调时引起的TKx下降。但并不是U／f比取大些就好。补偿过分，电动机铁心饱和厉害，励磁电流I0的峰值增大，严重时可能会引起变频器因过电流而跳闸。2.U／f控制功能的选择为了方便用户选择U／f比，变频器通常都是以U／f控制曲线的方式提供给用户，让用户选择的，如图8-3所示。图7-3变频器的U／f控制曲线

《变频器原理与应用（第3版）》第7章3.选择U／f控制曲线时常用的操作方法1)将拖动系统连接好，带以最重的负载。2)根据所带的负载的性质，选择一个较小的U／f曲线，在低速时观察电动机的运行情况，如果此时电动机的带负载能力达不到要求，需将U／f曲线提高一档。依此类推，直到电动机在低速时的带负载能力达到拖动系统的要求。3)如果负载经常变化，在2)中选择的U／f曲线，还需要在轻载和空载状态下进行检验。方法是：将拖动系统带以最轻的负载或空载，在低速下运行，观察定子电流I1的大小，如果I1过大，或者变频器跳闸，说明原来选择的U／f曲线过大，补偿过分，需要适当调低U／f曲线。《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.2转差频率控制（SF控制）7.2.1转差频率控制原理转差频率与转矩的关系为图7-6所示的特性，在电动机允许的过载转矩以下，大体可以认为产生的转矩与转差频率成比例。另外，电流随转差频率的增加而单调增加。所以，如果我们给出的转差频率不超过允许过载时的转差频率，那么就可以具有限制电流的功能。图7-6转差频率与转矩的关系为了控制转差频率虽然需要检出电动机的速度。但系统的加减速特性和稳定性比开环的U／f控制获得了提高，过电流的限制效果也变好。《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.2.2转差频率控制的系统构成

图7-7为转差频率控制系统构成图。速度调节器通常采用PI控制。它的输入为速度设定信号ω2*和检测的电机实际速度ω2之间的误差信号。速度调节器的输出为转差频率设定信号ωs*。变频器的设定频率即电动机的定子电源频率ω1*为转差频率设定值ωs*与实际转子转速ω2的和。当电动机负载运行时，定子频率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。

图7-7异步电动机的转差频率控制系统框图《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.3矢量控制(VC控制)

7.3.1直流电动机与异步电动机调速上的差异1．直流电动机的调速特征直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，它们的磁场在空间上互差π/2电角度，两套绕组在电路上是互相独立的。

2．异步电动机的调速特征异步电动机也有定子绕组和转子绕组，但只有定子绕组和外部电源相接，定子电流I1是从电源吸取电流，转子电流I2是通过电磁感应产生的感应电流。因此异步电动机的定子电流应包括两个分量，即励磁分量和负载分量。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电流磁场。《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.3.2矢量控制中的等效变换

a)三相电流绕组b)两相交流绕组c)旋转的直流绕组图7-9异步电动机的几种等效模型《变频器原理与应用（第3版）》第7章2.3相／2相变换(3s／2s)

三相静止坐标系A、B、C和两相静止坐标系α和β之间的变换，称为3s／2s变换。变换原则是保持变换前的功率不变。设三相对称绕组(各相匝数相等、电阻相同、互差120°空间角)通入三相对称电流iA、iB、iC，形成定子磁动势，用F3表示，如图7-10a所示。两相对称绕组(匝数相等、电阻相同、互差90°空间角)内通入两相电流后产生定子旋转磁动势，用F2表示，如图7-10b所示。适当选择和改变两套绕组的匝数和电流，即可使F3和F2的幅值相等。若将两种绕组产生的磁动势置于同一图中比较，并使Fa与FA重合，如图7-10c所示.

《变频器原理与应用（第3版）》第7章

a)三相绕组b)两相绕组c)磁动势图7-10绕组磁动势的等效关系《变频器原理与应用（第3版）》第7章3.2相/2相旋转变换（2s/2r）2相/2相旋转变换又称为矢量旋转变换器，因为α和β两相绕组在静止的直角坐标系上（2s），而M、T绕组则在旋转的直角坐标系上（2r），变换的运算功能由矢量旋转变换器来完成，图7-11为旋转变换矢量图。图7-11旋转变换矢量图《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.3.3.直角坐标／极坐标变换

在矢量控制系统中，有时需将直角坐标变换为极坐标，用矢量幅值和相位夹角表示矢量。图7-11中矢量i1和M轴的夹角为θ1，若由已知的im、iy来求i1和θ1，则必须进行K／P变换，其关系公式为

(7-13)

（7-14)《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.3.4变频器矢量控制的基本思想

1．矢量控制的基本理念

图7-12矢量控制的示意图

《变频器原理与应用（第3版）》第7章2．矢量控制中的反馈

电流反馈用于反映负载的状态，使iT*能随负载而变化。速度反馈反映出拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，从而以最快的速度进行校正，提高了系统的动态性能。速度反馈的反馈信号可由脉冲编码器PG测得。现代的变频器又推广使用了无速度传感器矢量控制技术，它的速度反馈信号不是来自速度传感器，而是通过CPU对电动机的各种参数，如I1、r2等经过计算得到的一个转速的实在值，由这个计算出的转速实在值和给定值之间的差异来调整iM*和iT*，改变变频器的输出频率和电压。《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.3.5使用矢量控制的要求选择矢量控制模式，对变频器和电动机有如下要求：1)一台变频器只能带一台电动机。2)电动机的极数要按说明书的要求，一般以4极电动机为最佳。3)电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。4)变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在30m以内。如果超过30m，需要在连接好电缆后，进行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.3.6矢量控制系统的优点和应用范围1.矢量控制系统的优点

1）动态的高速响应

2）低频转矩增大

3）控制灵活

2.矢量控制系统的应用范围

1）要求高速响应的工作机械

2）适应恶劣的工作环境

3）高精度的电力拖动

4）四象限运转

《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.4直接转矩控制7.4.1直接转矩控制系统直接转矩控制系统是继矢量控制之后发展起来的另一种高性能的交流变频调速系统。直接转矩控制把转矩直接作为控制量来控制。直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。《变频器原理与应用（第3版）》第7章

图7-13所示为按定子磁场控制的直接转矩控制系统的原理框图，采用在转速环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变化对转子系统的影响，因此，转速与磁链子系统也是近似独立的。图7-13直接转矩控制系统原理框图《变频器原理与应用（第3版）》第7章7.4.2直接转矩控制的优势

转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电动机参数变化鲁棒性好；所引入的定子磁链观测器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制也称为无速度传感器直接转矩控制。

然而，这种控制要依赖于精确的电动机数学模型和对电动机参数的自动识别(ID)。《变频器原理与应用（第3版）》第7章本章小结

变频器的控制方式有：U/f控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。

U/f控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使U/f为常数，这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。低频时，可通过提高U/f

比使输出转矩得到补偿的，这种方法被称作转矩补偿。转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，通过控制转差频率来控制转矩和电流，使速度的静态误差变小。矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。是一种高性能的异步电动机控制方式。直接转矩控制是直接分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。《变频器原理与应用（第3版）》第7章

谢谢！《变频器原理与应用（第3版）》第7章第8章变频调速系统的选择与操作

8.1变频器的选择

8.1.1变频器电压等级的选择国内外变频器制造商提供了多种电压等级的产品，低压产品有200V、400V（380V）、440V、460V、480V、500V、525V、550V、575V、600V、660V、690V和950V等系列。低压产品中功率范围很大，电压型变频器目前最大可做到630kW，电流型变频器可以做到6000kW。对于高（中）压变频器，设有2.3kV、3kV、4.16kV、6kV、10kV等电压等级。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.1.2变频器容量的选择

变频器的容量以千伏安（kVA）值表示，同时也标明它所适配的电动机功率（kW）值。变频器容量的选择主要依据以下几个方面。

1）根据原有的电动机功率。在大多数情况下，电动机功率已经确定，并且认为是合适的，选择变频器容量大于电动机功率的1.1倍即可。

2）根据电动机的实际功率。对于明显“大马拉小车”的电动机，可根据电动机实际负载功率的大小选择功率相当的变频器.

3）根据代换后的功率。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.1.3依据电动机的类型选用变频器

1.笼型电动机

1)依据负载电流选择变频器

2)考虑低速转矩特性

3)考虑短时最大转矩

4)考虑容许最高频率范围

2绕线式异步电动机

绕线式异步电动机采用变频器控制运行，大多是对老设备进行改造，利用已有的电机。改用变频器调速时，可将绕线式异步机的转子短路，去掉电刷和起动器。考虑电机输出时的温度上升的问题，所以要降低容量的10％以上。应选择比通常容量稍大的变频器。《变频器原理与应用（第3版）》第8章3变频器专用电机普通电机是按工频电源下能获得最佳特性而设计的，所以使用通用变频器时，根据用途在特性、强度等方面受到限制。因此，为变频器传动而设计的各种专用电机已有系列化产品。变频器专用电机的分类有以下几种：

1)在运转频率区域内低噪声、低振动。

2)在低频区内提高连续容许转矩(恒转矩式电机)。

3)高速用电机。

4)用于闭环控制(抑制转速变动)的带测速发电机的电机。

5)矢量控制用电机。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.1.4依据电动机的运行方式选择变频器1．一台变频器驱动一台电动机一台变频器驱动一台电动机，变频器的额定工作电流应满足

I＞1.1Im(8-1)式中I——

变频器的额定工作电流，A；

Im

——

电动机最大工作电流，A。详见电动机参数，该电流值与电动机种类、极数等有关，当最大电流小于额定电流时取额定电流。2．一台变频器驱动多台电动机1）n台电动机同时起动、停止，变频器工作电流I应满足

I＞1.1∑IM(8-2)式中∑IM

——

n台电动机输出电流总和，A。2）先投入n1台，后投入n2台，变频器工作电流I应满足

I＞(8-3)式中Ist

——电动机的起动电流，A。《变频器原理与应用（第3版）》第8章3）电动机周期性运行多台电动机周期性地加速或减速，电流变化有一定的规律，则变频器的额定电流应满足

(8-4)式中I1、I2、…In——1周期内各电动机电流，A；

t1、t2、…tn——1周期内各电动机的运行时间，s；

K——

系数，通常取1.2。《变频器原理与应用（第3版）》第8章4）电动机非周期运行变频器的工作电流取

I≥KIM(8-5)式中IM

——电动机可输出的最大电流，A；

K——

系数，通常取1.05。《变频器原理与应用（第3版）》第8章3.电动机快速加速或快速减速在实际生产中为了提高效率，常常要求电动机在很短时间里骤加速和骤减速，此时变频器容量不能按常规方法确定，其功率要适当放大，否则会因瞬间峰值电流过大或持续过载而跳闸，致使变频器无法正常工作。容量需放大的倍数与加速时间或减速时间的长短有关，通常情况需放大2～3倍为宜。另外要求快速响应的变频调速系统，加速和减速时间也是越短越好，因此原则上都应以电动机的实际加速电流的大小来确定变频器的容量。同样，骤减速必须通过内置或外置与变频器容量相匹配的制动单元，以此获得足够大的制动电流来实现。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.1.5依据负载的机械特性选择变频器

在电力拖动系统中，存在着两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩TL，一个是电动机的电磁转矩T。这两个转矩与转速之间的关系分别叫做负载的机械特性n＝f(TL)和电动机的机械特性n＝f(T)。由于电动机和生产机械是紧密相连的，它们的机械特性必须适当配合，才能得到良好的工作状态。《变频器原理与应用（第3版）》第8章1恒转矩负载变频器的选择(1)恒转矩负载特性恒转矩负载是指那些负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关的负载。带式输送机和起重机械都是恒转矩负载的典型例子。

a)b)

图8-4恒转矩负载的机械特性和功率特性

a)机械特性b)功率特性《变频器原理与应用（第3版）》第8章(2)恒转矩负载的基本特点

1)恒转矩由于F和r都和转速的快慢无关，所以在调节转速nL的过程中负载的阻转矩TL保持不变，即具有恒转矩的特点：

TL＝常数

2)负载功率与转速成正比根据负载的机械功率PL和转矩TL、转速nL之间的关系，有：

(8-7)(3)恒转矩负载下变频器的选择

1）依据调速范围。

2）依据负载转矩的变动范围。

3）考虑负载对机械特性的要求。《变频器原理与应用（第3版）》第8章2恒功率负载变频器的选择

恒功率负载是指负载转矩TL的大小与转速n成反比，而其功率基本维持不变的负载。属于这类负载的有：

1）各种卷取机械

2）轧机在轧制小件时用高速轧制，但转矩小；轧制大件时轧制量大需较大转矩，但速度低，故总的轧制功率不变。

3）车床加工零件，在精加工时切削力小，但切削速度高；相反，粗加工时切削力大，切削速度低，故总的切削功率不变。

a）机械特性b)功率特性图8-6恒功率负载的机械特性和功率特性《变频器原理与应用（第3版）》第8章(1)恒功率负载的特点1）功率恒定恒功率负载的力F必须保持恒定，且线速度v保持恒定。所以，在不同的转速下，负载的功率基本恒定：

PL=Fv＝常数

2）负载阻转矩的大小与转速成反比负载阻转矩的大小决定于：

TL=Fr(8-8)式中F——卷取物的张力；

r——卷取物的卷取半径。根据负载的机械功率PL和转矩PL、转速nL之间的关系，有：

(8-9)即，负载阻转矩的大小与转速成反比。《变频器原理与应用（第3版）》第8章

(2)恒功率负载变频器的选择对恒功率负载，一般可选择通用型的，采用U/f控制方式的变频器。但对于动态性能有较高要求的卷取机械，则必须采用具有矢量控制功能的变频器。《变频器原理与应用（第3版）》第8章3二次方律负载变频器的选择

二次方律负载是指转矩与速度的二次方成正比例变化的负载，例如：风扇、风机、泵、螺旋桨等机械的负载转矩，机械特性和功率特性如图8-8所示。

a)机械特性b)功率特性图8-8二次方律负载的特性《变频器原理与应用（第3版）》第8章(1)二次方律负载的特点

二次方律负载机械在低速时由于流体的流速低，所以负载转矩很小，随着电动机转速的增加，流速增快，负载转矩和功率也越来越大，负载转矩TL和功率PL可用下式表示：

(8-10)(8-11)

式中T0、P0——分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗；

KT、KP——分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数《变频器原理与应用（第3版）》第8章(2)二次方律负载变频器的选择可以选用“风机、水泵用变频器”。这是因为：1)风机和水泵一般不容易过载，所以，这类变频器的过载能力较低。为120％，1min(通用变频器为150％，1min)。因此在进行功能预置时必须注意。由于负载转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于额定频率时，负载的转矩有可能大大超过变频器额定转矩，使电动机过载。所以，其最高工作频率不得超过额定频率。2)配置了进行多台控制的切换功能。3)配置了一些其他专用的控制功能，如“睡眠”与“唤醒”功能、PID调节功能。《变频器原理与应用（第3版）》第8章4直线律负载变频器的选择

轧钢机和辗压机等都是直线负载。

1.直线律负载及其特性

(1)转矩特点。负载阻转矩TL与转速nL成正比：

(8-12)(2)功率特点。负载的功率PL与转速nL的二次方成正比。（8-13）

式中，和——直线律负载的转矩常数和功率常数。

《变频器原理与应用（第3版）》第8章其机械特性曲线如图8-9所示。

a)辗压机示意图b)机械特性c)功率特性图8-9直线律负载及其特性《变频器原理与应用（第3版）》第8章2．变频器的选择直线律负载的机械特性虽然也有典型意义．但在考虑变频器时的基本要点与二次方律负载相同，故不作为典型负载来讨论。《变频器原理与应用（第3版）》第8章5特殊性负载变频器的选择

大部分金属切削机床属于混合特殊性负载。

(1)混合特殊性负载及其特性金属切削机床中的低速段，由于工件的最大加工半径和允许的最大切削力相同，故具有恒转矩性质；而在高速段，由于受到机械强度的限制，将保持切削功率不变，属于恒功率性质。《变频器原理与应用（第3版）》第8章特殊性负载机械特性和功率特性则如图8-10所示。

a)机械特性b)功率特性图8-10混合负载的机械特性和功能特性

《变频器原理与应用（第3版）》第8章

(2)变频器的选择金属切削机床除了在切削加工毛坯时，负载大小有较大变化外，其他切削加工过程中，负载的变化通常是很小的。就切削精度而言，选择U／f控制方式能够满足要求。但从节能角度看并不理想。矢量变频器在无反馈矢量控制方式下，已经能够在0．5Hz时稳定运行，完全可以满足要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服U／f控制方式的缺点。当机床对加工精度有特殊要求时，才考虑有反馈矢量控制方式。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.1.6变频器控制方式的选择

变频器控制方式的选择是依据电动机特性的以下几个主要指标。

1）机械特性的硬度。即负载的轻重改变时，转速的波动程度。当负载加大时，转速降落小，则说明机械特性硬，反之为机械特性软。

2）低频时带负载能力。即低频时，能否具有足够大的电磁转矩。

3）起动转矩值。即起动时的转矩大小。

4）调速范围。

5）动态响应能力。《变频器原理与应用（第3版）》第8章

风机、水泵等呈平方转矩特性的负载，一般没有动态响应能力的要求，可选用性能比较一般的变频器或直接选用专门用于风机、水泵的变频器。车床、刨床等恒功率负载加工设备，从速度精度和动态要求出发，尽可能选用输出特性好的矢量控制型变频器。传送带、运输机械、搅拌机、喂料机等恒转矩负载设备，应选择恒转矩输出的通用型变频频器（U／f型、矢量控制型或直接转矩控制型均可，但后两种性能更优）。起重机等位能负载设备，应选用转矩动态响应快，能经受负载冲击的变频器，通常是矢量控制型或直接转矩控制型变频器，当需要一台变频器同时驱动多台电动机并实现转矩控制时，要选用直接转矩控制型变频器，因为矢量控制型变频器通常只允许带驱动一台电动机。电动汽车、轨道车辆等用于牵引的场合，应该选择矢量控制型或直接转矩控制型变频器。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2变频调速系统的主电路及电器选择变频调速系统比较完整的主电路，如图8-11所示。图8-11森兰SB70G变频调速系统的完整主电路

《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2.1断路器

变频调速系统的主电路是指从交流电源到负载之间的电路。1.断路器的功能

1)隔离作用;2)保护作用2.断路器的选择

低压断路器的额定电流IQN应选：

IQN

≥

（1.3～1.4）IN（8-15）式中IN——变频器的额定电流。在电动机要求实现工频和变频的切换控制的电路中，断路器应按电动机在工频下的起动电流来进行选择：

IQN

≥2.5IMN（8-16）式中IMN——电动机的额定电流。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2.2电磁接触器

电磁接触器的功能是在变频器出现故障时切断主电源，并防止掉电及故障后的再起动。

图8-15电磁接触器

1)输入侧接触器的选择IKN≥IN

（8-17）

2)输出侧接触器的选择IKN≥1.1IMN

（8-18）

3）工频接触器的选择工频接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个挡次来选择。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2.3传感器

传感器的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”它能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出，满足信息的传输、存储、显示、记录和控制要求。图8-16所示为霍尔电流传感器。图8-16霍尔电流传感器《变频器原理与应用（第3版）》第8章1.传感器的种类常用传感器的分类方法有以下四种：

1）按传感器的物理量分类按传感器的物理量可分为位移、力、速度、温度、流量和气体成分等传感器。

2）按传感器工作原理分类按传感器工作原理可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅和热电偶等传感器。

3）按传感器输出信号的性质分类按传感器输出信号的性质可分为：输出为开关量(“1”和“0”)的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。《变频器原理与应用（第3版）》第8章4）按其用途分类

①压力检测。压力传感器、触力传感器、微压传感器、压差传感器等；

②温度检测。热电阻温度传感器、热电偶温度传感器等；

③液位检测。光电式液位传感器、机械浮子液位传感器、伸缩液位传感器等；

④电流检测。电磁式电流传感器、霍尔磁平衡式电流传感器等；

⑤速度检测。脉冲编码速度传感器、水磁发电速度传感器等；

⑥位置检测。电位计位置传感器、编码器位置传感器等。《变频器原理与应用（第3版）》第8章2.传感器选用的一般原则

1)根据测量对象与测量环境确定传感器类型。即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用．哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件加以考虑。

2)灵敏度的选择。通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声就容易混入，也会被传感器放大，影响测量精度。

3)频率响应特性。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量。《变频器原理与应用（第3版）》第8章4)线性范围。传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。5)稳定性。传感器投入使用后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。6)精度。精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的个重要环节。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2.4输入交流电抗器输入交流电抗器可抑制变频器输入电流的高次谐波，明显改善功率因数。输入交流电抗器为另购件，在以下情况下应考虑接入交流电抗器：①变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10﹕1以上；②同一电源上接有晶闸管变流器负载或在电源端带有开关控制调整功率因数的电容器；③三相电源的电压不平衡度较大（≥3%）；④变频器的输入电流中含有许多高次谐波成分，这些高次谐波电流都是无功电流，使变频调速系统的功率因数降低到0.75以下⑤变频器的功率＞30kW。表8-3常用交流电抗器的规格

《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2.5电源滤波器

滤波器就是用来削弱较高频率的谐波电流，以防止变频器对其他设备的干扰。滤波器主要由滤波电抗器和电容器组成。

a)输入侧滤波器b)输出侧滤波器c)滤波电抗器的结构

图8-18无线电噪声滤波器各相的连接线在同一个磁心上按相同方向绕4圈(输入侧)或3圈(输出侧)构成。需要说明的是：三相的连接线必须按相同方向绕在同一个磁心上，这样，其基波电流的合成磁场为0，因而对基波电流没有影响。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2.6制动电阻及制动单元

制动电阻及制动单元的功能是当电动机因频率下降或重物下降(如起重机械)而处于再生制动状态时，避免在直流回路中产生过高的泵生电压。

1.制动电阻RB的选择

1）电阻值大小的选择

RB=UDH/2IMN～UDH/IMN

（8-19）式中

UDH——直流回路电压的允许上限值(V)，在我国，UDH≈600V。

2)电阻的功率PB

（8-20）式中

γ

——

修正系数。

3)常用制动电阻的阻值与容量的参考值。如表8-4所示。《变频器原理与应用（第3版）》第8章2.制动单元VB

对于大容量的电动机在调速刹车时往往会产生较大的再生电能，采用制动电阻进行能耗制动就很不经济，常采用具有能量回馈功能的制动单元。

IPC-PF系列回馈制动单元，是采用加拿大技术生产的高性能回馈式制动单元，它可以把电机在调速过程中所产生的再生电能回馈到电网，无需再使用制动电阻，节能环保。该产品自带电抗器和噪声滤波器，可直接与电网驳接使用，保证变频器正常运行在最大节能状态。一般情况下，只需根据变频器的容量进行配置即可。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2.7直流电抗器

直流电抗器除了提高功率因数外，还可削弱在电源刚接通瞬间的冲击电流。如果同时配用交流电抗器和直流电抗器，则可将变频调速系统的功率因数提高至0.95以上。

图8-19直流电抗器的外形表8-5常用直流电抗器的规格《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.2.8输出交流电抗器输出交流电抗器用于抑制变频器的辐射干扰和感应干扰，还可以抑制电动机的振动。输出交流电抗器是外选购件，当变频器的干扰严重时或电机振动时，可考虑接入。交流输出电抗器的输出端通过电缆与电动机连接。电抗器的工作频率为变频器的PWM载波频率，因此交流输出电抗器可采用相当于1％电压降(即1％阻抗)或更低的电感量，就可达到抑制du／dt的要求。电感量确切数值，还取决于电动机的参数和电缆类型和长度、变频器的开关频率、电动机的运行频率和系统的杂散参数，因此有必要向制造商提出。工程上也可以用简单估算的方法来确定输出电抗器的电感量L=5.25／I(mH)，式中I为变频器额定电流(A)。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.3变频器系统的控制电路

8.3.1变频器控制电路的主要组成为变频器的主电路提供通断控制信号的电路，称为控制电路。其主要任务是完成对逆变器开关器件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。目前已广泛采用了以微处理器为核心的全数字控制技术，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件完成各种控制功能，以充分发挥微处理器计算能力强和软件控制灵活性高的特点。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.3.2正转控制电路

图8-23由继电器控制的正转运行电路《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.3.3正、反转控制

图8-24三位旋钮开关控制正、反转电路《变频器原理与应用（第3版）》第8章

图8-25继电器控制的正反转电路《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.3.4升速与降速控制以森兰BT40系列变频器为例，通过对频率给定方式的功能进行设定后，可使“X4”和“X5”控制端子具有如下功能：“X5-CM”接通—→频率上升；“X5-CM”断开—→频率保持。“X4-CM”接通—→频率下降；“X4-CM”断开—→频率保持。

图8-26变频器升速、降速控制《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.3.5变频与工频切换的控制电路

图8-27变频与工频切换的控制电路《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.4变频器的程序控制变频器的程序控制方式主要有两种：1．用变频器的编程功能进行程序控制(1)基本要求的预置

以森兰SB61系列变频器为例，有：1)程控功能选择(F700)“0”——程控功能无效；

“1”——循环N个周期后停止；

“2”——循环N个周期后，以第15挡频率运行；

“3”——连续循环运行；

“4”——程序控制优先；2)计时单位选择(F701)“0”——计时单位为s；

“1”——计时单位为min。(2)各程序段的预置1)运行时间

功能码如F703、F705、F707……等。2)运行频率

第一程序的频率为多挡转速的第一挡运行频率(F616)、第二程序的频率为多挡转速的第二挡运行频率(F617)，以此类推。3）运行方向及加减速时间

功能码如F704、F706、F708……等。2.多挡转速控制电路几乎所有的变频器都具有多挡转速的功能，各挡转速间的转换是由外接开关的通断组合来实现的。三个输入端子可切换8挡转速(包括0速)。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.5外接给定电路8.5.1频率给定信号的种类和电路

1.数字量给定方式

（1）面板给定

（2）通讯接口给定

2.模拟量给定方式

（1）电位器给定

（2）直接电压(或电流)给定

由外部仪器设备直接向变频器的给定端输出电压或电流信号，端子“VRF”为给定电压信号输入端，端子“IRF”为给定电流信号输入端。

《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.5.2选择给定方法的一般原则在选择给定方法时应优先选择面板给定方法，因为面板给定不需要外部接线，方法简单，频率设置精度高。在实际工程应用中，当受连接线长度的限制时．则可选择外部给定方法，此时应优先选择数字量给定。因为数字量给定时频率精度高，抗干扰能力强。如果选择模拟信号给定方式时．应优先选择电流信号。因为电流信号在传输过程中不受线路电压降、接触电阻、杂散的热电效应及感应噪声的影响，抗于扰能力较强。但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况下，仍以选用电压给定方式居多。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.5.3频率给定线

1．频率给定线的定义由模拟量进行外接频率给定时，变频器的给定频率fx与给定信号x之间的关系曲线fx

=f(x)，称为频率给定线。

2．基本频率给定线在给定信号x从0增大至最大值xmax的过程中，给定频率fx线性地从0增大到fmax的频率给定线称为基本频率给定线。

《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.6变频器与PLC的联结8.6.1PLC概述1．PLC的分类（1）根据容量分类

PLC的容量主要是指PLC的输入／输出(I／O)点数。按照PLC的输入／输出点数可将PLC分为微型(64点及以下)、小型(64～256点)、中型(256～2048点)、大型(2048点以上)四种。（2）按结构形式分类按结构形式不同，PLC可分为整体式结构和模块式结构两类。《变频器原理与应用（第3版）》第8章2．可编程序控制器的基本结构

PLC实质是一种工业控制计算机，它的组成基本上与微机系统相同，从硬件结构上看，一般由中央处理器(CPU)、存储器、输入／输出(I／O)接口、电源、编程器等五部分组成。《变频器原理与应用（第3版）》第8章3．PLC的程序设计

PLC控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，一般是将硬件设计和软件设计同时进行，在程序设计上，可分为以下几个步骤：1)确定被控制系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。2)分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是送入到PLC的信号，哪些外围设备是接收来自PLC的信号，并将PLC输入／输出口与之对应进行分配。3)设计PLC梯形图，梯形图要按照正确的顺序编写，并要体现出控制系统所要求的全部功能及其相互关系。4)将梯形图符号编写成可用编程器键入PLC的指令代码。5)通过编程器将上述程序指令键入PLC，并对其进行编辑。6)调试并运行程序(模拟和现场)。7)保存已完成的程序。《变频器原理与应用（第3版）》第8章

8.6.2PLC与变频器联结时注意的问题

1.开关指令信号的输入

PLC通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件(如晶体管)与变频器连接，获取运行状态指令。

2.数值信号的输入变频器中也存在一些数值型(如频率、电压等)指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种，数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来设定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常是通过0～10V（或5V）的电压信号或者0（或4）～20mA的电流信号输入。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.6.3PLC与变频器联结实现多挡速控制

例：某机床有8挡转速(0挡转速为0)，由手柄的8个位置来控制，采用PLC控制是比较方便的。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.7变频器“1控X”切换技术

“1控3”供水电路原理图图8-38BT12S系列变频器“1控3”供水电路原理图《变频器原理与应用（第3版）》第8章

图8-38中，以成都森兰BT12S系列变频器为例，在进行多台切换控制时，须附加一块继电器扩展板，以便控制线圈电压为交流220V的接触器。接触器1KM1用于接通变频器的电源，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直接接至工频电源。目标信号可通过操作面板的功能按键设置，或使用电位器RP设置。远传压力表的反馈信号SP接在变频器的VPF端子。

BT12S在对“1控3”在进行功能预置时，除常规的功能外，还须专门针对1台变频器控制3台水泵设定如下功能：

1)电动机台数

(功能码：F53)本例中，预置为“2”(1控3模式)；

2)启动顺序

(功能码：F54)本例中，预置为“0”(1#机首先启动)；

3)附属电动机

(功能码：F55)本例中，预置为“0”(无附属电动机)；

4）换机间隙时间(功能码：F56)根据电动机的容量大小来设定，容量越大，时间越长。一般情况下，0.5s已经足够；

5)切换频率上限(功能码：F57)通常，以49～50Hz为宜。

6)切换频率下限(功能码：F58)在多数情况下，以30～35Hz为宜。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.8变频器与PC机的通信8.8.1计算机与变频器的通信连接计算机通常只配置RS-232串口，而RS-232传输距离只有几十米，无法满足用户对现场控制的要求，需要配置一个RS-232/RS-485转换器，采用半双工RS-485的串行通信方式，可以使传输距离达到1km以上。图8-39所示为计算机与变频器硬件连接框图。图8-39计算机与变频器硬件连接框图《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.8.2SB70变频器的通信协议

SB70变频器使用的是RS-485Modbus

协议，该协议包含三个层次：物理层、数据链路层和应用层。物理层和数据链路层采取了基于RS-485Modbus

协议的接口方式，应用层即控制变频器运行、停止、参数读写等操作。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.8.3计算机与变频器的数据格式

SB70变频器使用的数据格式有：

1个起始位，8个数据位，无奇偶校验，1个停止位。

1个起始位，8个数据位，偶校验，1个停止位。

1个起始位，8个数据位，奇校验，1个停止位。

1个起始位，8个数据位，无奇偶校验，2个停止位。默认为1个起始位，8个数据位，无奇偶校验，1个停止位。数据格式的选择可查阅附录B，通过功能码FF-01进行设置。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.8.4计算机与变频器的波特率SB70变频器使用的波特率有：

1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps、250000bps、500000bps。默认值为9600bps。波特率选择可可查阅附录B，通过功能码FF-02进行设置。《变频器原理与应用（第3版）》第8章8.8.5