工业锅炉鼓风机变频器调速系统

摘要

在工业生产、产品加工制造业中，风机设备主要用于锅炉的燃烧系统、其他

设备的烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，依据生产须要对炉膛压力、风速、

风量、温度等指标进行限制和调整以适应工艺要求和运行工况。而最常用的限制

手段则是调整风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大

小，风机都要全速运转，而运行工况的变更则使得能量以风门、挡板的节流损失

的形式消耗掉了。在生产过程中，不仅限制精度受到限制，而且还造成大量的能

源奢侈和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备运用寿命缩短，设备维护、修

理费用高居不下。为此，须要采纳多项措施实现对离心风机的自动限制，以使系

统的各种性能达到合理的要求。

近年来，出于节能的迫切须要和对产品质量不断提高的要求，加之采纳PLC

和变频器易操作、易维护、限制精度高，并可以实现高功能化等特点，采纳基丁

PLC的变频器驱动方案起先逐步取代风门、挡板、阀门的限制方案。从而大大的

降低生产成本，削减能量损耗和对环境的污染，为企业带来可观的经济效益和社

会效益。

关键字：锅炉，压力，PLC,变频器

目录

1.绪论..............................................................1

2.原理及结构设计.....................................................2

2.1作原................................................2

2.2变频器的结构与功能...................................3

2.2.1变频器的结构...........................................3

2.2.2变频器的限制方式.......................................4

2.2.3变频器的功能...........................................5

2.3输油泵变频调速节能原理.......................................6

2.4输油泵变频调速的主电路.......................................6

3变频器选择及参数设置...............................................10

3.1变频器的限制方式.............................................10

3.2限制方式的合理选用..........................................11

3.3选型原则....................................................12

3.4PLC及压力传感器的选择.....................................14

3.5MM430变频器特性............................................15

3.6电动机参数设置实例...........................................15

4.PLC程序设计......................................................17

结论...............................................................20

参考文献.............................................................21

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1.绪论

在进入21世纪的今日，电力电子器件的基片三从Si（硅）变换为SiC（碳化

硅），使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、

容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT技术的快速普

及，以及人类思维理念的变更，变频器相关技术的发展快速，将来主要朝以下几

个方面发展：

1.网络智能化

智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障

自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可

以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频港综合管理限制系统。

2.特地化和一体化

变频器的制造特地化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵

用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力限制专用变频器等。除

此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以

使体积更小，限制更便利。

3.环保无公害

爱护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着

重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在运用过程中的噪声、

电源谐波对电网的污染等问题削减到最小程度。

4.适应新能源

现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有青出于

蓝之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样

的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代限制技

术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这

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种进步集中体现在沟通调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结

构的小型化一些方面。

通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干

系统、冷却系统、通风系统等场合，依据生产须要对炉膛压力、风速、风量、温

度等指标进行限制和调整以适应工艺要求和运行工况。而最常用的限制手段则是

调整风门、挡板开度的大小来调整受控对象。

这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变更则使得

能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅限制精度受到限制,

而且还造成大量的能源奢侈和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备运用寿命

缩短，设备维护、修理费用高居不下。针对这一系列问题，本系统将PLC与变

频器有机地结合起来，采纳以锅炉气压压力为主控参数，实现对电动机工作过程

和运转速度的有效限制，使离心鼓风机通风高效、平安，达到了明显的节能效果。

PLC限制系统具有对驱动风机的电机过热爱护、故障报警、机械故障报警等功能

特点，为节能技术改造供应一条新途径。

2.原理及结构设计

2.1变频器工作原理

变频器的工作原理是把市电(380W50Hz)通过整流器变成平滑直流，然后

利用GTR或TGBT组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的沟通

电，由于采纳微处理器编程的正弦脉宽调制(SPWM)方法，使输出波形近似正弦

波，用于驱动异步电机，实现无级调速。

2

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2.2变频器的结构与功能

2.2.1变频器的结构

变频器事实上就是一个逆变器.它首先是将沟通电变为直流电.然后用电子

元件对直流电进行开关.变为沟通电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个

可调频率的装置.使频率在肯定范围内可调.用来限制电机的转数.使转数在肯定

的范围内可调.变频器广泛用于沟通电机的调速中.变频调速技术是现代电力传

动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，沟通变频技术从理论到实际

渐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳,

而且节能效果明显。因此，沟通变频调速已渐渐取代了过去的传统滑差调速、变

极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生

产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、三波电路、限制电路、逆变电路

等几大部分。

1.整流电路

整流电路的功能是把沟通电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一

块整流模块.

2.平波电路

平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外

逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采纳电感和电容汲

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取脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省

去电感而采纳简洁电容滤波平波电路。

3.限制电路

现在变频调速潜基本系用16位、32位单片机或DSP为限制核心，从而实现全

数字化限制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。供应限制信号的回路称为主艰制

电路，限制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、

电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的限制信号送至“驱动电

路”以及逆变器和电动机的“爱护电路二变频器实行的限制方式，即速度限制、

转拒限制、PID或其它方式

4.逆变电路

逆变电路向整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的沟通电

压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出

端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相沟通电压。

2.2.2变频器的限制方式

1.转差频率限制

转差频率限制就是通过限制转差频率来限制转矩和电流。转差频率限制须要

检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调整器的输出为转差频率，然后以电动

机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与以f限制相比，其加减速恃性

和限制过电流的实力得到提高。另外，它有速度调整器，利用速度反馈构成闭环

限制，速度的静态误差小。然而要达到自动限制系统稳态限制，还达不到良好的

动态性能。

2.矢量限制

矢量限制，也称磁场定向限制。它是70年头初由西德F.Blasschke等人首先

提出，以直流电机和沟通电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了沟通电动

机和等效直流电动机的先河。矢量限制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐

标系下的定子沟通电流Ta、lb、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标

系下的沟通电流lai、Ibl,再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐

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标系下的直流电流Iml、III（IM相当于直流电动机的励磁电流，III相当于直

流电动机的电枢电流），然后仿照直流电动机的限制方法，求得直流电动机的限

制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的限制。矢量限制方法的出现，

使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢

量限制技术须要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的精确性是始终探讨

的话题。

3.干脆转矩限制

转矩限制的优越性在于，转矩限制是限制定子磁链，在本质上并不须要转

速信息，限制上对除定子电阻外的全部电机参数变更鲁棒性良好，所引入的定子

磁链观测器能很简洁估算出同步速度信息，因而能便利的实现无速度传感器，这

种限制被称为无速度传感器干脆转矩限制。

4.恒转矩负载

多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，

例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机

构和提升机等。选型时可选V/f限制方式的变频器，但是最好采纳具有恒转矩限

制功能的变频器。要求限制系统具有良好的动态，静态性能

由于被控对象的千差万别，性能指标要求的各不相同，变频器的选择及配置

远不如上述所列几种。要做到娴熟应用还应在工程实践中仔细探究。变频器的限

制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中依据不同的负载及不同限制要

求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。

2.2.3变频器的功能

1.变频节能

变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的牢靠性，各种

生产机械在设计配用动力驱动时，都留有肯定的富余量。当电机不能在满负荷下

运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能

的奢侈。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调整入口或出口的挡板、阀门

开度来调整给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的

截流过程中。当运用变频调速时，假如流量要求减小，通过降低泵或风机的转速

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即可满意要求。

2.功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网

有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备运用效率低下，奢侈严

峻，运用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而削减了无功损

耗，增加了电网的有功功率。

3.软启动节能

电机硬启动对电网造成严峻的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时

产生的大电流和振动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的运用寿命极为

不利。而运用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零起先,

最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设

备和阀门的运用寿命。节约了设备的维护费用。

2.3鼓风机变频调速节能原理

工业鼓风机的工作要求是指在特定的工作环境中，风机输出的风量要随着外

界条件的变更，保持在设定的参数值上。这样，既可满意工作要求，又不使电动

机空转，而造成电能的奢侈。为实现上述目标，本系统采纳闭环限制的方式。工

业现场的压力由压力传感器检测，变换成模拟输入反馈信号，经A/D转换后1

与PLC中给定值比较，再经D/A转换变成模拟量输出信号，限制变频器调整风机

转速，从而达到限制工厂车间温度的目的［2］。系统组成简图如图1所示。离心

式鼓风机属典型的平方率负载，志向的平方率负载的阻转矩T与转速N的平方成

正比。

2.4鼓风机变频调速的主电路

1)本系统的硬件耳路如图3所示，它由1台电动机，一套压力传感器、断

相相序爱护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是S7-200(CPU224)和

MICROMASTER430。MICROMASTER430是泵和风机类专用变频器，扩展功能

强.CPU224集成了14点输入10点输出，共有24点数字量I/O,其模拟量扩展

模块具有较大的适应性和敏捷性，且安装便利，满意设计须要。

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(1)系统主电路

(2)系统限制电路

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图4系统限制电路

2.5主电路器件的选择

1.断路器

（D主要作用

1）隔离作用

当变频器须要检修时，或者因某种缘由而长时间不用时，将QF切断,

使变频器与电源隔离。

2）爱护作用

当变频器输入侧发生短路等故障时.，进行爱护。

（2）选择原则

1）变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）

倍；

2）变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流：

3）变频器允许的过载实力为150%,Imin。

所以，为了避开误动作，断路器的额定电流/QN应选：

/QV»（L3〜1.4）〃

其中“为变频器的额定电流。

2.接触器

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（1）主要作用

1）可通过按钮开关便利地限制变频器的通电与断电；

2）变频器发生故障时，可自动切断电源。

（2）选择原则

由于接触器自身并无爱护功能，不存在误动作的问题，故选择原则是主触点

的额定电流/业"

3.输出接触器

变频器的输出端一般不装接触器。如由于某种须要而接入时，则因为电流中

含有较强的谐波成分，故主触点的额定电流/.>l.l/w）vo其中&N为电动机的额

定电流。

4.主电路的线径

（1）电源和变频器之间的导线

一般说来，和同容量一•般电动机的电线选择方法相同。考虑到其输入侧的功

率因数往往较低，应本着宜大不宜小的原则来确定线径。

（2）变频器和电机之间的导线

因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的状况下，线路电压降△。在

输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。这有可能导致电动

机带不动负载并发热。所以，在确定变频器和电动机之间导线的线径时，最关键

的因素便是线路电压降的影响。一般要求：

△。工（2~3）%外

△U的计算公式是：

AU=柩〃拜。1电）

1C00

式中：UN——额定相电压，V；

IMN一一电动机额定电流，A；

R0一一单位长度（每米）导线的电阻，mQ/m；

/一一导线的长度，mo由上两式可干脆求出招的取值范围。

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下表给出了常用电动机引出线的单位长度电阻值。

标称截1.01.52.54.06.010.016.025.035.0

面/mnT

4）/（m。17.811.96.924.402.921.731.100.690.49

/m）

5.制动电阻

精确计算制动电阻值非常麻烦，在实际工作中基本不用。很多变频器的运用

说明书上给了一些计算方法，也有的干脆供应了供用户选用的制动电阻的规格。

但按说明书上选择电阻时须留意下面问题，变频器生产厂家为了削减制动电阻档

次，经常对若干种不同容量的电动机供应相同阻值和容量的制动电阻。选用时，

应留意依据生产机械的详细状况进行调整。对同一挡中电动机容量较小者，制动

转矩与额定转矩的比值偏大。为了减小能量的消耗，应依据制动过程的缓急程度

以及飞轮力矩的大小，考虑能否选择阻值较大的制动电阻。对同一挡中电动机容

量较大者，制动转矩与额定转矩的比值偏小。在一些飞轮力矩较大，又要求快速

制动的场合，或者如起重机械那样，须要释放位能的场合，上述制动电阻有可能

满意不了要求，靠考虑选择阻值较小的一挡制动电阻。

3变频器选择及参数设置

3.1变频器的限制方式

低压通用变频器输出电压在380〜650V,输出功率在0.75—400kW,工作频

率在。〜400Hz,它的主电路都采纳交始终一交电路。其限制方式经验以下四代。

1、第一代以U/f=Const,正弦脉宽调制(SPWM)限制方式。其特点是：限制电

路结构简洁、成本较低，但系统性能不高、限制曲线会随负载的变更而变更，转

矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而

性能下降，稳定性变差等。

2、其次代以电压空间矢量(磁通轨迹法)，又称SVPWM限制方式。它是以三相波

形整体生成效果为前提，以靠近电机气隙的志向圆形旋转磁场轨迹为目的，一次

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生成三相调制波形。以内切多边形靠近圆的方式而进行限制的。经实践运用后又

有所改进：引人频率补偿，能消退速度限制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消

退低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定

度。但限制电路环节较多，且没有引人转矩的调整，所以系统性能没有得到根本

改善。

3、第三代以矢量限制（磁场定向法）又称VC限制。其实质是将沟通电动机等效

直流电动机，分别对速度、磁场两个重量进行独立限制。通过限制转子磁链，以

转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个重量，经坐标变换，实

现正交或解耦限制。然而转子磁链难以精确观测，以及矢量变换的困难性，实际

效果不如志向的好。

4、第四代以干脆转矩限制，又称DTC限制。其实质不是间接的限制电流、磁链

等量，而是把转矩干脆作为被限制量来实现的。详细方法是：

（1）限制定子磁链一一引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；

（2）自动识别（TD）——依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；

（3）算出实际值一一对定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、

定子磁链、转子速度进行实时限制；

（4）实现Band—Band限制一按磁链和转矩的Band—Band限制产生PWM信号,

对逆变器开关状态进行限制：

（5）具有快速的转矩响应（V2ms=,很高的速度精度（±2%,无PG反馈），高

转矩精度（＜±3%）;

（6）具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输

出150%—200%转矩。

3.2限制方式的合理选用

限制方式是确定变频器运用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品

牌很多，包括欧、美、日及国产的共约50多种。选用变频器时不要认为档次越

高越好，其实只要按负载的特性，满意运用要求就可，以便做到量才运用、经济

实惠。

表3.1限制方式的比较

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限制电压空间矢量

U/f=C限制矢量限制干脆转矩限制

方式限制

反馈不带带PG或带PG或编

不要不带PG

装置PGPID调整器码器

速比

<1:401:601:1001:1001:10001:100

I

起动

转矩零转速时零转速时

150%150%150%150%

（在为150%为>150炉200与

3Hz）

静态

土土

速度

(0.2~(0.2飞.3±0.2±0.2±0.02±0.2

精度

0.3))

/%

负荷起动、起重

一般风伺服拖动、

适用较高精度一般工业上的全部调速负载转矩限制系

机、泵高精传动、

场合调速，限制调速或限制或限制统，恒转矩波动

类等转矩限制

大负载

*干脆转矩限制，在带PG或编码器后I可扩展至1:1000,静态速度精度可达土

0.01%<,

平方降转矩负载随着转速的降低，转矩以平方的比例下降，所以低频时的负

载电流很小，即使选用一般异步电动机也不会发生过热现象，因此一般的风机水

力机械很适合由V/f限制的变频器进行驱动。

一般的V/f限制变频器都预先设置了平方降转矩负载用的V/f特性。

由于机械种类不同飞轮转矩有很大不同，如负载的GD2很大，必需设定很长的加

速时间。

当电动机以超过基频转速以上的速度运转时，负载所需功率随转速的提高而

急剧增加，极易超出电机和变频器的容量，所以应避开这类负载超过工频运行。

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3.3选型原则

通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。应依据机械设备的类

型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩和运用环境的要求，确

定选用何种限制方式和防护结构的变频器最合适。

首先要依据机械而转速（最高、最低）和转矩（起动、连续及过载）的要求，确

定机械要求的最大输入功率（即电机的额定功率最小值）。

然后，选择电机的极数和额定功率。电机的极数确定了同步转速，要求电机

的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围。为了充分利用设备潜能，避开奢侈，可

允许电机短时超出同步转速，但必需小于电机允许的最大转速。转矩取设备在起

动、连续运行、过载或最高转速等状态下的最大转矩。最终，依据变频器输出功

率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流的原则未确定变频器的参数与型号。

须要留意的是，变频器的额定容量及参数是针对肯定的海拔高度和环境温度

而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40C或25c以下。若运用环境超出

该规定，则在确定变频器参数、型号时要考虑到环境造成的降容因素。

经对各种变频调速系统技术经济性能论证，选用MM430西门子的变频调速系

统应用于风机上。该变频器为通用型变频器，其结构图如图所示：

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声海用线依阳阳

<>-2M

M

o_14

1(+1DV)3

O

-Z；UV)

,3；AIN+)

4AIN)然G器储出

-b(DINZ)

12(AOUT+)<

模拟员输HI

'7(DIN3)

13：AOUT)(

-，3(+24V)

14(P+)<

RS485通然调r

>9(")

15(N)<

图3.1变频器外部接线图

3.4PLC及压力传感器的选择

鼓风机Ml可变频运行，也可工频运行，须要2个输出点，依据系统设计要求

须要1个输入点，则选择西门子的S7-200系列PLCo

压力传感器采纳CY-YZ-1001型肯定传感器。该传感器采纳硅压阻效应原理

实现压力测量的力-电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作

用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变更，信号调理

电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器

的电性能满意技术指标的要求。传感器的量程为0〜2.5MPa,工作温度为5c〜

60℃,输出电压为。〜5V,作为本系统的反馈信号供应PLC。

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3.5MM430变频器特性

MM430变频器为“通用型”变频器，主要应用于三相电动机的变速驱动，也

可以用于泵类、风机等节能负载。是现行西门子•“通用型”主流变频器。其功能

为线性U/f限制，多点设定的U/f限制，磁通电流限制，内置PID限制器，矢量

限制。功率范围为0.12〜250kWL

面板操作如下图所示：

图3.2面板操作图

3.6电动机参数设置实例

P0010=l（快速调试）

P0100=0（功率单位为KW；f的缺省值为50IIZ）

P0304=380（电动机的额定电压V）

P0305=200（电动机的额定电流A）

P0307=110（电动机的额定功率KW）

P0310二50（电动机的额定频率Hz）

P0311=1470（电动机的额定转速）

P0700=2（变频器吩咐源选择为模入端子/数字输入）

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P1000二2（模拟设定值）

P1080二30（电动机最小频率）

P1082=50（电动机最大频率）

P1120=10（电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间）

P1121=10（电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间）

P1300=2（限制方式为勉物线V/f限制）

P3900=l（结束快速调试）

表3.2变频器的参数设置

参数号设置值说明

P00101快速调试

P01000功率单位为KW；f的缺省值为50Hz

P0304380电动机的额定电压

P0305200电动机的额定电流

P0307110电动机的额定功率

P031050电动机的额定频率

P03111470电动机的额定转速

P07002变频器吩咐源选择为模入端子/数字输入

P10002模拟设定值

P108030电动机最小频率

P108250电动机最大频率

电动机从静止停车加速到最大电动机频率所

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