西門子變頻器的調(diào)整方法

1、西門子變頻器的調(diào)整方法o 本文從控制方式的選擇、加減速時間調(diào)整和轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置等方面對西門子micromaster 440變頻器的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了簡單的探討。實(shí)際上，該變頻器的設(shè)置有幾千個，只有系統(tǒng)地、合適地、準(zhǔn)確地設(shè)置參數(shù)才能充分利用變頻器性能。 引言 近十多年來，隨著大規(guī)模集成電路、計算機(jī)控制技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流變頻調(diào)速技術(shù)逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快動態(tài)響應(yīng)，以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，調(diào)速特性可與直流電氣傳動相媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，由于變頻調(diào)速的調(diào)速性能與可靠性等性能在不斷完善，價格也在不斷降低，特別是它的節(jié)電效果明顯，實(shí)現(xiàn)交

2、流電機(jī)調(diào)速極為方便，因此，在一切需要速度控制的場合，變頻器以其操作方便、體積小、控制性能高而獲得廣泛的應(yīng)用。變頻器在使用中出現(xiàn)的一些問題，很多情況下都是因?yàn)樽冾l器參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起的。西門子micromaster 440變頻器可設(shè)置的參數(shù)有幾千個，只有系統(tǒng)地、合適地、準(zhǔn)確地設(shè)置參數(shù)才能充分利用變頻器性能。 1、控制方式選擇 變頻器控制方式的選擇由負(fù)荷的力矩特性所決定，電動機(jī)的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)下列關(guān)系式?jīng)Q定： p= t n/ 9550 式中：p-電動機(jī)功率(kw) t-轉(zhuǎn)矩(n·m) n-轉(zhuǎn)速(r/ min) 轉(zhuǎn)矩t與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系根據(jù)負(fù)載種類大體可分為3種。 (1) 即使速度變化轉(zhuǎn)矩

3、也不大變化的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，此類負(fù)載如傳送帶、起重機(jī)、擠壓機(jī)、壓縮機(jī)等。 (2) 隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的平方減小的負(fù)載。此類負(fù)載如風(fēng)機(jī)、各種液體泵等。 (3) 轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩越小的恒功率負(fù)載。此類負(fù)載如軋機(jī)、機(jī)床主軸、卷取機(jī)等。  變頻器提供的控制方式有v/f控制、矢量控制、力矩控制。v/f控制中有線性v/f控制、拋物線特性v/f控制。將變頻器參數(shù)p1300設(shè)為0，變頻器工作于線性 v/f控制方式，將使調(diào)速時的磁通與勵磁電流基本不變。適用于工作轉(zhuǎn)速不在低頻段的一般恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速對象。 將p1300設(shè)為2，變頻器工作于拋物線特性v/f控制方式，這種方式適用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。這類負(fù)載的軸

4、功率n近似地與轉(zhuǎn)速n的3次方成正比。其轉(zhuǎn)矩m近似地與轉(zhuǎn)速n的平方成正比。對于這種負(fù)載，如果變頻器的v/f特性是線性關(guān)系，則低速時電機(jī)的許用轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而造成功率因數(shù)和效率的嚴(yán)重下降。為了適應(yīng)這種負(fù)載的需要，使電壓隨著輸出頻率的減小以平方關(guān)系減小，從而減小電機(jī)的磁通和勵磁電流，使功率因數(shù)保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。 可以進(jìn)一步通過設(shè)置參數(shù)使v/f控制曲線適合負(fù)載特性。將p1312在0至250之間設(shè)置合適的值，具有起動提升功能。將低頻時的輸出電壓相對于線性的v/f曲線作適當(dāng)?shù)奶岣咭匝a(bǔ)償在低頻時定子電阻引起的壓降導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小的問題。適用于大起動轉(zhuǎn)矩的調(diào)速對象。 變頻器v/f控制方式驅(qū)動電機(jī)時，

5、在某些頻率段，電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速會發(fā)生振蕩，嚴(yán)重時系統(tǒng)無法運(yùn)行，甚至在加速過程中出現(xiàn)過電流保護(hù)，使得電機(jī)不能正常啟動，在電機(jī)輕載或轉(zhuǎn)矩慣量較小時更為嚴(yán)重?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩的頻率點(diǎn)，在v/f曲線上設(shè)置跳轉(zhuǎn)點(diǎn)及跳轉(zhuǎn)頻帶寬度，當(dāng)電機(jī)加速時可以自動跳過這些頻率段，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。從p1091至p1094可以設(shè)定4個不同的跳轉(zhuǎn)點(diǎn)，設(shè)置p1101確定跳轉(zhuǎn)頻帶寬度。    有些負(fù)載在特定的頻率下需要電機(jī)提供特定的轉(zhuǎn)矩，用可編程的v/f控制對應(yīng)設(shè)置變頻器參數(shù)即可得到所需控制曲線。設(shè)置p1320、p1322、p1324確定可編程的v/f 特性頻率座標(biāo)，對應(yīng)的p1321、p1

6、323、p1325為可編程的v/f 特性電壓座標(biāo)。 參數(shù)p1300設(shè)置為20，變頻器工作于矢量控制。這種控制相對完善，調(diào)速范圍寬，低速范圍起動力矩高，精度高達(dá)0.01%，響應(yīng)很快，高精度調(diào)速都采用svpwm矢量控制方式。 參數(shù)p1300設(shè)置為22，變頻器工作于矢量轉(zhuǎn)矩控制。這種控制方式是目前國際上最先進(jìn)的控制方式，其他方式是模擬直流電動機(jī)的參數(shù)，進(jìn)行保角變換而進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的，矢量轉(zhuǎn)矩控制是直接取交流電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行控制，控制簡單，精確度高。 2、快速調(diào)試 在使用變頻器驅(qū)動電機(jī)前，必須進(jìn)行快速調(diào)試。參數(shù)p0010設(shè)為1、p3900設(shè)為1，變頻器進(jìn)行快速調(diào)試，快速調(diào)試完成后，進(jìn)行了必要的電動機(jī)數(shù)據(jù)的

7、計算，并將其它所有的參數(shù)恢復(fù)到它們的缺省設(shè)置值。在矢量或轉(zhuǎn)矩控制方式下，為了正確地實(shí)現(xiàn)控制，非常重要的一點(diǎn)是，必須正確地向變頻器輸入電動機(jī)的數(shù)據(jù)，而且，電動機(jī)數(shù)據(jù)的自動檢測參數(shù)p1910必須在電動機(jī)處于常溫時進(jìn)行。當(dāng)使能這一功能 (p1910 =1)時，會產(chǎn)生一個報警信號a0541，給予警告，在接著發(fā)出on 命令時，立即開始電動機(jī)參數(shù)的自動檢測。 3、加減速時間調(diào)整 加速時間就是輸出頻率從0上升到最大頻率所需時間，減速時間是指從最大頻率下降到0所需時間。加速時間和減速時間選擇的合理與否對電機(jī)的起動、停止運(yùn)行及調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度都有重大的影響。加速時間設(shè)置的約束是將電流限制在過電流范圍內(nèi)，不應(yīng)使

8、過電流保護(hù)裝置動作。電機(jī)在減速運(yùn)轉(zhuǎn)期間，變頻器將處于再生發(fā)電制動狀態(tài)。傳動系統(tǒng)中所儲存的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并通過逆變器將電能回饋到直流側(cè)?；仞伒碾娔軐?dǎo)致中間回路的儲能電容器兩端電壓上升。因此，減速時間設(shè)置的約束是防止直流回路電壓過高。加減速時間計算公式為： 加速時間:ta=(jm+jl)n/9.56(tma-tl) 減速時間:tb=(jm+jl)n/9.56(tmb-tl) 式中：jm 一 電機(jī)的慣量 jl - 負(fù)載慣量 n - 額定轉(zhuǎn)速 tma- 電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 tmb - 電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩 tl - 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 加減速時間可根據(jù)公式算出來，也可用簡易試驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)置。首先，使拖動系統(tǒng)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行

9、(工頻運(yùn)行)，然后切斷電源，使拖動系統(tǒng)處于自由制動狀態(tài)，用秒表計算其轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速下降到停止所需要的時間。加減速時間可首先按自由制動時間的1/21/3進(jìn)行預(yù)置。通過起、停電動機(jī)觀察有無過電流、過電壓報警，調(diào)整加減速時間設(shè)定值，以運(yùn)轉(zhuǎn)中不發(fā)生報警為原則，重復(fù)操作幾次，便可確定出最佳加減速時間。 4、轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置 電機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的設(shè)置往往被忽視，認(rèn)為加減速時間的正確設(shè)置可保證系統(tǒng)正常工作。其實(shí)，轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置不當(dāng)會使得系統(tǒng)振蕩，調(diào)速精度也會受到影響。轉(zhuǎn)動慣量公式： j=t/d/dt 電機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的獲得方法一樣，讓變頻器工作頻率在合適的值，510hz。分別讓電機(jī)空載和帶載運(yùn)行，讀出參數(shù)r03

10、33額定轉(zhuǎn)矩和r0345電動機(jī)的起動時間，再將變頻器工作頻率換算成對應(yīng)的角速度，代入公式，計算得出電機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。設(shè)置參數(shù)p0341(電動機(jī)的慣量)與參數(shù)p0342(驅(qū)動裝置總慣量 / 電動機(jī)慣量的比值)，這樣變頻器就能更好的調(diào)速。   快恢復(fù)二極管是指反向恢復(fù)時間很短的二極管（5us以下），工藝上多采用摻金措施，結(jié)構(gòu)上有采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)的PIN結(jié)構(gòu)。其正向壓降高于普通二極管（1-2V），反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100納秒以下。 肖特基二極管是以金屬和半導(dǎo)體接觸

11、形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管，簡稱肖特基二極管(Schottky Barrier Diode），具有正向壓降低（0.4-0.5V）、反向恢復(fù)時間很短（10-40納秒），而且反向漏電流較大，耐壓低，一般低于150V，多用于低電壓場合。 這兩種管子通常用于開關(guān)電源。肖特基二極管和快恢復(fù)二極管區(qū)別：前者的恢復(fù)時間比后者小一百倍左右，前者的反向恢復(fù)時間大約為幾納秒！前者的優(yōu)點(diǎn)還有低功耗，大電流，超高速！電氣特性當(dāng)然都是二極管阿！快恢復(fù)二極管在制造工藝上采用摻金,單純的擴(kuò)散等工藝,可獲得較高的開關(guān)速度,同時也能得到較高的耐壓.目前快恢復(fù)二極管主要應(yīng)用在逆變電源中做整流元件.肖特基二極管：反向耐壓值較低40V

12、-50V，通態(tài)壓降0.3-0.6V，小于10nS的反向恢復(fù)時間。它是具有肖特基特性的“金屬半導(dǎo)體結(jié)”的二極管。其正向起始電壓較低。其金屬層除材料外，還可以采用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導(dǎo)體材料采用硅或砷化鎵，多為N型半導(dǎo)體。這種器件是由多數(shù)載流子導(dǎo)電的，所以，其反向飽和電流較以少數(shù)載流子導(dǎo)電的PN結(jié)大得多。由于肖特基二極管中少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)甚微，所以其頻率響僅為RC時間常數(shù)限制，因而，它是高頻和快速開關(guān)的理想器件。其工作頻率可達(dá)100GHz。并且，MIS（金屬絕緣體半導(dǎo)體）肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或發(fā)光二極管?？旎謴?fù)二極管：有0.8-1.1V的正向?qū)▔航担?5-85nS的反向恢

13、復(fù)時間，在導(dǎo)通和截止之間迅速轉(zhuǎn)換，提高了器件的使用頻率并改善了波形?？旎謴?fù)二極管在制造工藝上采用摻金,單純的擴(kuò)散等工藝,可獲得較高的開關(guān)速度,同時也能得到較高的耐壓.目前快恢復(fù)二極管主要應(yīng)用在逆變電源中做整流元件   IGBT在不間斷電源中的應(yīng)用1. 引言 在 UPS 中使用的功率器件有雙極型功率晶體管、功率 MOSFET 、可控硅和 IGBT ， IGBT 既有功率 MOSFET 易于驅(qū)動，控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點(diǎn)、使用 IGBT 成為 UPS 功率設(shè)計的首選，只有對 IGBT 的特性充分了解和對電路進(jìn)行可靠性設(shè)計

14、，才能發(fā)揮 IGBT 的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹 UPS 中的 IGBT 的應(yīng)用情況和使用中的注意事項。 2. IGBT 在 UPS 中的應(yīng)用情況 絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT ）是一種 MOSFET 與雙極晶體管復(fù)合的器件。據(jù)東芝公司資料， 1200V/100A 的 IGBT 的導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOSFET 的 1/10 ，而開關(guān)時間是同規(guī)格 GTR 的 1/10 。由于這些優(yōu)點(diǎn)， IGBT 廣泛應(yīng)用于不間斷電源系統(tǒng)（ UPS ）的設(shè)計中。這種使用 IGBT 的在線式 UPS 具有效率高，抗沖擊能力強(qiáng)、可靠性高的顯著優(yōu)點(diǎn)。 UPS 主要有后備式、在線互動式和在線式三種結(jié)構(gòu)。在線式 UP

15、S 以其可靠性高，輸出電壓穩(wěn)定，無中斷時間等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通信系統(tǒng)、稅務(wù)、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機(jī)關(guān)的機(jī)房中。本文以在線式為介紹對象，介紹 UPS 中的 IGBT 的應(yīng)用。 圖 1 為在線式 UPS 的主電路，在線式 UPS 電源具有獨(dú)立的旁路開關(guān)、 AC/DC 整流器、充電器、 DC/AC 逆變器等系統(tǒng)，工作原理是：市電正常時 AC/DC 整流器將交流電整流成直流電，同時對蓄電池進(jìn)行充電，再經(jīng) DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦波交流電，市電異常時，電池對逆變器供電，在 UPS 發(fā)生故障時將輸出轉(zhuǎn)為旁路供電。在線式 UPS 輸出的電壓和頻率最為穩(wěn)定，能為用戶提供真正高質(zhì)

16、量的正弦波電源。 圖 1 在線式不間斷電源主電路圖 旁路開關(guān)（ AC BYPASS SWITCH ） 旁路開關(guān)常使用繼電器和可控硅。繼電器在中小功率的 UPS 中廣泛應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，成本低，缺點(diǎn)是繼電器有轉(zhuǎn)換時間，還有就是機(jī)電器件的壽命問題。可控硅常見于中大功率 UPS 中。優(yōu)點(diǎn)是控制電流大，沒有切換時間。但缺點(diǎn)就是控制復(fù)雜，且由于可控硅的觸發(fā)工作特性，在觸發(fā)導(dǎo)通后要在反向偏置后才能關(guān)斷，這樣就會產(chǎn)生一個最大 10ms 的環(huán)流電流，如圖 2 。如果采用 IGBT ，如圖 3 ，則可以避免這個問題，使用 IGBT 有控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。其工作原理為：當(dāng)輸入為正半周時，電流流經(jīng) Q1

17、 、 D2 ，負(fù)半周時電流流經(jīng) D1 、 Q2 。 圖 2 ： SCR 的延時關(guān)斷現(xiàn)象圖  圖 3 ：應(yīng)用 IGBT 的旁路開關(guān) 整流器 AC/DC UPS 整流電路分為普通橋堆整流、 SCR 相控整流和 PFC 高頻功率因數(shù)校正的整流器。傳統(tǒng)的整流器由于基頻為 50HZ ，濾波器的體積重量較重，隨著 UPS 技術(shù)的發(fā)展和各國對電源輸入功率因數(shù)要求，采用 PFC 功率因數(shù)校正的 UPS 日益普及， PFC 電路工作的基頻至少 20KHZ ，使用的濾波器電感和濾波電容的體積重量大大減少，不必加諧波濾波器就可使輸入功率因數(shù)達(dá)到 0.99 ， PFC 電路中常用 IGBT 作為功

18、率器件，應(yīng)用 IGBT 的 PFC 整流器是有效率高、功率容量大、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。 充電器 UPS 的充電器常用的有反激式、 BOOST 升壓式和半橋式。大電流充電器中可采用單管 IGBT ，用于功率控制，可以取得很高的效率和較大的充電電流。 DC/AC 逆變器 3KVA 以上功率的在線式 UPS 幾乎全部采用 IGBT 作為逆變部分的功率器件，常用全橋式電路和半橋電路，如下圖 4 。 3. IGBT 損壞的原因 UPS 在使用過程中，經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊、過負(fù)荷甚至負(fù)載短路等，以及 UPS 的誤操作，可能導(dǎo)致 IGBT 損壞。 IGBT 在使用時的損壞原因主要有以下幾種情況： 1.

19、過電流損壞；    IGBT 有一定抗過電流能力，但必須注意防止過電流損壞。 IGBT 復(fù)合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應(yīng)。圖 5 為一個 IGBT 的等效電路，在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)， NPN 的正偏壓不足以使 NPN 晶體管導(dǎo)通，當(dāng)漏極電流大到一定程度時，這個正偏壓足以使 NPN 晶體管開通，進(jìn)而使 NPN 和 PNP 晶體管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管開通，門極失去了控制作用，便發(fā)生了擎住效應(yīng)。 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導(dǎo)致器件的損壞。 · 過電壓損壞； IGBT 在關(guān)斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關(guān)

20、斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓過壓則可能造成 IGBT 擊穿損壞。 · 橋臂共導(dǎo)損壞； · 過熱損壞和靜電損壞。 4. IGBT 損壞的解決對策   1. 過電流損壞 為了避免 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)而損壞，電路設(shè)計中應(yīng)保證 IGBT 的最大工作電流應(yīng)不超過 IGBT 的 IDM 值，同時注意可適當(dāng)加大驅(qū)動電阻 RG 的辦法延長關(guān)斷時間，減小 IGBT 的 di/dt 。驅(qū)動電壓的大小也會影響 IGBT 的擎住效應(yīng)，驅(qū)動電壓低，承受過電流時間長， IGBT 必須加負(fù)偏壓， IGBT 生產(chǎn)廠家一般推薦加 -5V 左右的反偏電壓。在有負(fù)偏壓情況下，驅(qū)動正電壓在 10

21、 15V 之間，漏極電流可在 5 10 s 內(nèi)超過額定電流的 4 10 倍，所以驅(qū)動 IGBT 必須設(shè)計負(fù)偏壓。由于 UPS 負(fù)載沖擊特性各不相同，且供電的設(shè)備可能發(fā)生電源故障短路，所以在 UPS 設(shè)計中采取限流措施進(jìn)行 IGBT 的電流限制也是必須的，可考慮采用 IGBT 廠家提供的驅(qū)動厚膜電路。如 FUJI 公司的 EXB841 、 EXB840 ，三菱公司的 M57959AL ， 57962CL ，它們對 IGBT 的集電極電壓進(jìn)行檢測，如果 IGBT 發(fā)生過電流，內(nèi)部電路進(jìn)行關(guān)閉驅(qū)動。 這種辦法有時還是不能保護(hù) IGBT ，根據(jù) IR 公司的資料， IR 公司推薦的短路保護(hù)方法是：首先檢測通態(tài)壓降 Vce ，如果 Vce 超過設(shè)定值，保護(hù)電路馬上將驅(qū)動電壓降為 8V ，于是 IGBT 由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)入放大區(qū)，通態(tài)電阻增大，短路電路減削，經(jīng)過 4us 連續(xù)檢測通態(tài)壓降 Vce ，如果正常，將驅(qū)動電壓恢復(fù)正常，如果未恢復(fù)，將驅(qū)動關(guān)閉，使集電極電流減為零，這樣實(shí)現(xiàn)短路電流軟關(guān)斷，可以避免快速關(guān)斷造成的過大 di/dt 損壞 IGBT ，另外根據(jù)最新三菱公司 IGBT 資料，三菱推出的 F 系列 IGBT 的均內(nèi)含過流限流電路（ RTC circuit ），如圖 6 ，當(dāng)發(fā)生