變頻器功能解析

1、宜昌市自動化研究所     張燕賓摘要:本文介紹了變頻器中的加、減速時間，加、減速方式，以及起動和停機(jī)的相關(guān)功能。關(guān) 鍵 詞:加速時間   減速時間   加速方式   減速方式   起動頻率   暫停起動   斜坡停機(jī)   慣性停機(jī)   直流制動預(yù)勵磁功能   零速伺服功能Abs

2、tract:This paper introduced the function of acceleration time, deceleration time, acceleration pattern, deceleration pattern. And be related to the function of motor's start and

3、0;stop.Keywords:Acceleration time  Deceleration time   Acceleration pattern  Deceleration pattern   Starting frequency  1  加、減速的時間與方式1.1基礎(chǔ)概念(1) 工頻起動和變頻起動      電動機(jī)從較低轉(zhuǎn)速升至較高轉(zhuǎn)速的過程稱為加速過程，加速過程的極限

4、狀態(tài)便是電動機(jī)的起動。(a)工頻起動      這里所說的工頻起動，是指電動機(jī)直接接上工頻電源時的起動，也叫直接起動或全壓起動，如圖1(a)所示。 圖1    工頻起動     在接通電源瞬間:·電源頻率為額定頻率(50Hz)，如圖1(b)的上部所示。以極電動機(jī)為例，同步轉(zhuǎn)速高達(dá)1500r/min。·電源電壓為額定電壓(380V), 如圖1(b)的下部所示。由于轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度很高，故轉(zhuǎn)子電動勢和電流都很大，從而定子電流也很大，可達(dá)額

5、定電流的(47)倍，如圖1(c)所示。     工頻起動存在的主要問題有:·起動電流大。當(dāng)電動機(jī)的容量較大時，其起動電流將對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。·對生產(chǎn)機(jī)械的沖擊很大，影響機(jī)械的使用壽命。(b) 變頻起動        采用變頻調(diào)速的電路如圖2(a)所示, 起動過程的特點有:圖2     變頻起動·頻率從最低頻率(通常是0Hz)按預(yù)置的加速時間逐漸上升，如圖2(b)的上部所示。仍以4極電動機(jī)為例，假設(shè)在接通電源瞬間，將起動頻率降至0

6、.5Hz，則同步轉(zhuǎn)速只有15r/min，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度只有工頻起動時的百分之一。·電動機(jī)的輸入電壓也從最低電壓開始逐漸上升，如圖2(b)的下部所示。·轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度很低，故起動瞬間的沖擊電流很小。同時，可通過逐漸增大頻率以減緩起動過程，如在整個起動過程中，使同步轉(zhuǎn)速n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nM間的轉(zhuǎn)差n限制在一定范圍內(nèi)，則起動電流也將限制在一定范圍內(nèi)，如圖2(c)所示。     另一方面，也減小了起動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，加速過程將能保持平穩(wěn)，減小了對生產(chǎn)機(jī)械的沖擊。(2) 加速過程中的主要矛盾(a) 加速過程中電動機(jī)的

7、狀態(tài) 圖3     加速過程     假設(shè)變頻器的輸出頻率從fX1上升至fX2，如圖3(b)所示。圖3(a)所示是電動機(jī)在頻率為fX1時穩(wěn)定運行的狀態(tài)，圖3(c)所示是加速過程中電動機(jī)的狀態(tài)。比較圖3(a)和圖3(c)可以看出:當(dāng)頻率fX上升時，同步轉(zhuǎn)速n0隨即也上升，但電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nM因為有慣性而不能立即跟上。結(jié)果是轉(zhuǎn)差n增大了, 導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流也增大。(b) 加速過程的主要矛盾     加速過程中，必須處理好加速的快慢與拖動系統(tǒng)慣性之間的矛盾。

8、     一方面，在生產(chǎn)實踐中，拖動系統(tǒng)的加速過程屬于不進(jìn)行生產(chǎn)的過渡過程，從提高生產(chǎn)率的角度出發(fā)，加速過程應(yīng)該越短越好;     另一方面，由于拖動系統(tǒng)存在著慣性，頻率上升得太快了，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nM將跟不上同步轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)差n增大，引起加速電流的增大，甚至可能超過一定限值而導(dǎo)致變頻器跳閘。     所以，加速過程必須解決好的主要問題是:在防止加速電流過大的前提下，盡可能地縮短加速過程。 (3) 變頻調(diào)速系統(tǒng)的減速(a) 減速過程中的電動機(jī)狀態(tài)  &

9、#160;   電動機(jī)從較高轉(zhuǎn)速降至較低轉(zhuǎn)速的過程稱為減速過程。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，是通過降低變頻器的輸出頻率來實現(xiàn)減速的，如圖4(b)所示。圖中，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從n1下降至n2(變頻器的輸出頻率從fX1下降至fX2)的過程即為減速過程。圖4      減速過程     當(dāng)頻率剛下降的瞬間，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(同步轉(zhuǎn)速)立即下降，但由于拖動系統(tǒng)具有慣性的緣故，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不可能立即下降。于是，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組切割磁場的方向和原來相反了。從而，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流

10、的方向，以及所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向都和原來相反了，電動機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相反，能夠促使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速地降下來，故也稱為再生制動狀態(tài)。(b) 泵升電壓       電動機(jī)在再生制動狀態(tài)發(fā)出的電能，將通過和逆變管反并聯(lián)的二極管VD7VD12全波整流后反饋到直流電路，使直流電路的電壓UD升高，稱為泵升電壓。(c) 多余能量的消耗      如果直流電壓UD升得太高，將導(dǎo)致整流和逆變器件的損壞。所以，當(dāng)UD上升到一定限值時，須通過能耗電路(制動電阻和制動單元)

11、放電，把直流回路內(nèi)多余的電能消耗掉。(4) 減速過程中的主要矛盾(a) 減速快慢的影響 如上述，頻率下降時，電動機(jī)處于再生制動狀態(tài)。所以，和頻率下降速度有關(guān)的因素有:·制動電流     就是電動機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時向直流回路輸送電流的大小。·泵升電壓     其大小將影響直流回路電壓的上升幅度。(b) 減速過程的主要矛盾      和加速過程相同，在生產(chǎn)實踐中，拖動系統(tǒng)的減速過程也屬于不進(jìn)行生產(chǎn)的過渡過程，故減速過程應(yīng)該越短越好。同樣，由

12、于拖動系統(tǒng)存在著慣性的原因，頻率下降得太快了，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nM將跟不上同步轉(zhuǎn)速的下降，轉(zhuǎn)差n增大，引起再生電流的增大和直流回路內(nèi)泵升電壓的升高，甚至可能超過一定限值而導(dǎo)致變頻器因過電流或過電壓而跳閘。     所以，減速過程必須解決好的主要問題是在防止減速電流過大和直流電壓過高的前提下，盡可能地縮短減速過程。在一般情況下，直流電壓的升高是更為主要的因素。 1.2 加、減速的功能設(shè)置     變頻器中，針對電動機(jī)在升、降速過程中的特點，以及生產(chǎn)實際對拖動系統(tǒng)的各種要求，設(shè)置了許多相關(guān)的功能，供用戶進(jìn)行選擇。(1)

13、 加、減速時間(a) 加速時間的定義不同變頻器對加速時間的定義不完全一致，主要有以下兩種: ·定義1     變頻器的輸出頻率從0Hz上升到基本頻率所需要的時間;·定義     變頻器的輸出頻率從0Hz上升到最高頻率所需要的時間。     在大多數(shù)情況下，最高頻率和基本頻率是一致的。     加速時間的定義如圖5(a)所示。圖5     加速時間的定義(b) 減速時間的定義&#

14、183;定義     變頻器的輸出頻率從基本頻率下降到0Hz所需要的時間;·定義     變頻器的輸出頻率從最高頻率下降到0Hz所需要的時間。     減速時間的定義如圖5(b)所示。(2) 加、減速方式(a) 加速方式       加速過程中，變頻器的輸出頻率隨時間上升的關(guān)系曲線，稱為加速方式。變頻器設(shè)置的加速方式有:·線性方式     變頻器的輸出頻率隨

15、時間成正比地上升，如圖6(a)所示。大多數(shù)負(fù)載都可以選用線性方式。圖6    加速方式·S形方式     在加速的起始和終了階段，頻率的上升較緩，加速過程呈S形，如圖6(b)所示。例如，電梯在開始起動以及轉(zhuǎn)入等速運行時，從考慮乘客的舒適度出發(fā)，應(yīng)減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。·半S形方式     在加速的初始階段或終了階段，按線性方式加速;而在終了階段或初始階段，按S形方式加速，如圖6(c)和6(d)所示。圖6(c)所示方式主要用于如風(fēng)機(jī)一類具有較大慣性的

16、二次方律負(fù)載中，由于低速時負(fù)荷較輕，故可按線性方式加速，以縮短加速過程; 高速時負(fù)荷較重，加速過程應(yīng)減緩，以減小加速電流; 圖6(d)所示方式主要用于慣性較大的負(fù)載。(b) 減速方式  和加速過程類似，變頻器的減速方式也分線性方式、S形方式和半S形方式。·線性方式     變頻器的輸出頻率隨時間成正比地下降，如圖7(a)所示。大多數(shù)負(fù)載都可以選用線性方式。圖7     減速方式·形方式     在減速的起始和終了階段，頻率的下降較緩，減

17、速過程呈形，如圖7(b)所示。·半S形方式     在減速的初始階段或終了階段，按線性方式減速; 而在終了階段或初始階段，按S形方式減速，如圖7(c)和7(d)所示。減速時S形方式和半S形方式的應(yīng)用場合和加速時相同。2  變頻調(diào)速的起動功能2.1 起動頻率與暫停加速功能(1) 起動頻率(a) 功能含義      電動機(jī)開始起動時，并不從0Hz開始加速，而是直接從某一頻率下開始加速。在開始加速瞬間，變頻器的輸出頻率便是起動頻率。     設(shè)置起動頻

18、率是部分生產(chǎn)機(jī)械的實際需要，例如:·有些負(fù)載在靜止?fàn)顟B(tài)下的靜摩擦力較大，難以從0Hz開始起動，設(shè)置了起動頻率后，可以在起動瞬間有一點沖力，使拖動系統(tǒng)較易起動起來;·在若干臺水泵同時供水的系統(tǒng)里，由于管路內(nèi)已經(jīng)存在一定的水壓，后起動的水泵在頻率很低的情況下將難以旋轉(zhuǎn)起來，故也需要電動機(jī)在一定頻率下直接起動;·錐形電動機(jī)如果從0Hz開始逐漸升速, 將導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子之間的磨擦。所以, 設(shè)置了起動頻率, 可以在起動時很快建立起足夠的磁通, 使轉(zhuǎn)子與定子間保持一定的空氣隙等等。(b) 設(shè)置起動頻率的方式 主要有兩種方式:·稍有給定信號(X=0+)，變頻器的

19、輸出頻率即為起動頻率fS，如圖8(a)所示;圖8      起動頻率·設(shè)置一個死區(qū)XS%，在給定信號X<XS%的范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率為0Hz; 當(dāng)給定信號X=XS%時，變頻器直接輸出與XS%對應(yīng)的頻率，如圖8(b)所示。(2) 暫停加速功能  (a) 功能含義  電動機(jī)起動后，先在較低頻率fDR下運行一個短時間，然后再繼續(xù)加速的功能。在下列情況下，應(yīng)考慮預(yù)置暫停加速功能：·對于慣性較大的負(fù)載，起動后先在較低頻率下持續(xù)一個短時間tDR，然后再加速；·齒輪箱的齒輪之間總

20、是存在間隙的，起動時容易發(fā)生齒間的撞擊，如在較低頻率下持續(xù)一個短時間tDR，可以減緩齒間的撞擊；·起重機(jī)械在起吊重物前，吊鉤的鋼絲繩通常是處于松弛狀態(tài)的，預(yù)置了暫停加速功能后，可首先使鋼絲繩拉緊后再上升;·有些機(jī)械在環(huán)境溫度較低的情況下，潤滑油容易凝固，故要求先在低速下運行一個短時間，使?jié)櫥拖♂尯笤偌铀?·對于附有機(jī)械制動裝置的電磁制動電動機(jī)，在磁抱閘松開過程中，為了減小閘皮和閘輥之間的磨擦，要求先在低頻下運行，待磁抱閘完全松開后再升速，等等。(b) 設(shè)置暫停加速的方式設(shè)置暫停加速的方式主要有兩種:·變頻器輸出頻率從0Hz開始上升至?xí)和ｎl率fDR，停留

21、tDR后再加速，如圖9(a)所示;圖9     低頻持續(xù)時間·變頻器直接輸出起動頻率fS后暫停加速，停留tDR后再加速，如圖9(b)所示。2.2 起動前直流制動功能(1) 功能含義      起動前先在電動機(jī)的定子繞組內(nèi)通入直流電流，以保證電動機(jī)在零速的狀態(tài)下開始起動。如果電動機(jī)在起動前，拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不為0(nm=0)的話，而變頻器的輸出頻率(從而同步轉(zhuǎn)速n0)從0Hz開始上升，則在起動瞬間，電動機(jī)或處于強(qiáng)烈的再生制動狀態(tài)(起動前為正轉(zhuǎn)時)，或處于反接制動狀態(tài)(起動前為反轉(zhuǎn)時)，如圖10(a)

22、所示，容易引起電動機(jī)的過電流。例如:拖動系統(tǒng)以自由制動的方式停機(jī)，在尚未停住前又重新起動;風(fēng)機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下，葉片由于自然通風(fēng)而自行轉(zhuǎn)動(通常是反轉(zhuǎn))。(2) 功能設(shè)置·選擇功能即選擇是否需要起動前的直流制動功能;·制動量即應(yīng)向定子繞組施加多大的直流電壓UDB;·直流制動時間即進(jìn)行直流制動(施加直流電壓)的時間tDB。如圖10(b)所示。圖10      起動前的直流制動3  變頻調(diào)速的停機(jī)功能3.1 基礎(chǔ)概念(1)電動機(jī)的停機(jī)方式  在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)可以設(shè)定的停機(jī)方式有:(a)

23、 減速停機(jī)     即按預(yù)置的減速時間和減速方式停機(jī)，如上述，在減速過程中，電動機(jī)處于再生制動狀態(tài)，如圖11(a)所示。圖11     變頻器的停機(jī)功能(b) 自由制動     變頻器通過停止輸出來停機(jī), 這時, 電動機(jī)的電源被切斷, 拖動系統(tǒng)處于自由制動狀態(tài)。由于停機(jī)時間的長短由拖動系統(tǒng)的慣性決定, 故也稱為慣性停機(jī), 如圖11(b)所示。(c) 減速加直流制動     首先按預(yù)置的減速時間減速，然后轉(zhuǎn)為直流制動，直至停機(jī)，如圖11(

24、c)所示。(d) 在低頻狀態(tài)下短暫運行后停機(jī), 當(dāng)頻率下降到接近于0時, 先在低速下運行一個短時間, 然后再將頻率下降為0Hz, 如圖11(d)所示。在下列情況下, 應(yīng)考慮預(yù)置暫停減速功能:     慣性大的負(fù)載從高速直接減速至0Hz時，有可能因停不住而出現(xiàn)滑行的現(xiàn)象。如先在低速段運行，然后從低速降為0Hz，可消除滑行現(xiàn)象;     對于需要準(zhǔn)確行車的場合，如卷揚機(jī)，為準(zhǔn)確停車，即在低速短時運行即爬行后，再減至0Hz，即可達(dá)到準(zhǔn)確停車的目的。     對于附有機(jī)械制動裝置的電

25、磁制動電動機(jī), 在磁抱閘抱緊前先在低速段作短時運行, 可減少磁抱閘的磨損, 等等。(2) 設(shè)置暫停減速的方式和暫停加速相同，需要預(yù)置的參數(shù)有:(a) 暫停減速的頻率fDD;(b) 停留時間tDD，如圖11(d)所示。 3.2 變頻器的直流制動功能(1) 基礎(chǔ)概念(a) 采取直流制動的必要性·有的負(fù)載要求能夠迅速停機(jī)，但減速時間太短將引起電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速的下降跟不上頻率的下降，產(chǎn)生較大的泵升電壓，使直流回路的電壓超過允許值。采用直流制動，能增大制動轉(zhuǎn)矩、縮短停機(jī)時間，且不產(chǎn)生泵升電壓;·有的負(fù)載由于慣性較大，常常停不住，停機(jī)后有“爬行”現(xiàn)象，可能造成十分危險的后果。采

26、用直流制動, 可以實現(xiàn)快速停機(jī), 并消除爬行現(xiàn)象。(b) 方法和原理        直流制動就是向定子繞組內(nèi)通入直流電流, 使異步電動機(jī)處于能耗制動狀態(tài)。如圖12(a), 由于定子繞組內(nèi)通入的是直流電流，故定子磁場的轉(zhuǎn)速為0。這時, 轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反, 是制動轉(zhuǎn)矩。因為轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度較大，故所產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩比較強(qiáng)烈, 從而可縮短停機(jī)時間。此外, 停止后, 定子的直流磁場對轉(zhuǎn)子鐵心還有一定的“吸住”作用, 以克服機(jī)械的“爬行”。(2) 功能設(shè)置   

27、  采用直流制動時，需預(yù)置以下功能:(a) 直流制動的起始頻率fDB          在大多數(shù)情況下, 直流制動都是和再生制動配合使用的。即:首先用再生制動方式將電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降至較低轉(zhuǎn)速，然后再轉(zhuǎn)換成直流制動, 使電動機(jī)迅速停住。其轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的頻率即為直流制動的起始頻率fDB, 如圖12(b)所示。圖12    直流制動原理和預(yù)置    預(yù)置起始頻率fDB的主要依據(jù)是負(fù)載對制動時間的要求，要求制動時間越短，則起始頻率fDB應(yīng)越高。(b

28、) 直流制動強(qiáng)度         即在定子繞組上施加直流電壓UDB或直流電流IDB的大小，它決定了直流制動的強(qiáng)度。如圖12(b)所示。預(yù)置直流制動電壓UDB(或制動電流IDB)的主要依據(jù)是負(fù)載慣性的大小，慣性越大者，UDB也應(yīng)越大。(3) 直流制動時間tDB        即施加直流制動的時間長短。預(yù)置直流制動時間tDB的主要依據(jù)是負(fù)載是否有“爬行”現(xiàn)象，以及對克服“爬行”的要求，要求越高者，tDB應(yīng)適當(dāng)長一些。4  變頻器的預(yù)勵磁和零

29、伺服功能4.1 基礎(chǔ)概念(1) 電磁制動電動機(jī)及其控制特點對于要求停機(jī)位置十分準(zhǔn)確的場合，常常采用帶有機(jī)械制動功能的電磁制動電動機(jī)。(a) 電磁制動電動機(jī)簡介      以YEJ系列電磁制動電動機(jī)為例，其基本電路如圖13所示。 圖13     電磁制動電動機(jī)     當(dāng)接觸器KM斷開、電動機(jī)未運行時，制動電磁鐵的線圈YB處于失電狀態(tài)，制動器的抱閘為抱緊狀態(tài);     當(dāng)接觸器接通時，YB經(jīng)的輔助接點而得電，所得電壓是

30、經(jīng)半波整流的相電壓(DC99)。這時，制動器的抱閘松開，電動機(jī)起動。     圖13中，二極管VD1用于進(jìn)行半波整流; VD2用于當(dāng)外加電壓過時，為線圈YB提供一個續(xù)流通路;壓敏電阻RV1、RV2用于當(dāng)斷開時，防止線圈YB因反電動勢過大而擊穿。(b) 電磁制動電動機(jī)的控制特點       由于磁抱閘從通電到完全松開，以及從斷電到完全抱緊，都需要時間(約0.30.6s)，并且有一個逐漸松開和逐漸抱緊的過程。在逐漸松開和逐漸抱緊的過程中，希望在抱閘和閘輥之間，盡量減少滑動磨擦。最好是在電動機(jī)停住的狀

31、態(tài)下抱緊，在抱閘完全松開后起動。(2) 起重機(jī)械的溜鉤問題     起重機(jī)械由于重物本身具有重力加速度，當(dāng)重物從空中的停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為上升或下降的運動狀態(tài)時，如果使制動電磁鐵YB先通電，等抱閘松開后再接通電動機(jī)，則在抱閘逐漸松開，而電動機(jī)尚未通電的過程中，重物必將下滑，形成“溜鉤”。如果使電動機(jī)和制動電磁鐵YB同時通電，則當(dāng)抱閘尚未完全松開的過程中，電動機(jī)將處于過載狀態(tài)。     同樣，當(dāng)重物從上升或下降的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)為停止?fàn)顟B(tài)時，如果使電動機(jī)和制動電磁鐵YB同時斷電，則因為抱閘從斷電到完全抱緊，需要時間，在抱閘尚未完全

32、抱緊的過程中，重物也必將下滑，形成“溜鉤”。如果令制動電磁鐵YB在電動機(jī)斷電之前，提前斷電，待電動機(jī)斷電時，抱閘已經(jīng)抱緊了。在制動電磁鐵YB逐漸抱緊的過程中，電動機(jī)也必將處于過載狀態(tài)。4.2 功能設(shè)置     在“有反饋矢量控制”方式下，當(dāng)變頻器的運行信號有效，但頻率給定信號為0Hz時, 可以使變頻器向電動機(jī)提供足夠的勵磁電流，產(chǎn)生足夠大的零速轉(zhuǎn)矩，以防止重物“溜鉤”。(1) 預(yù)勵磁功能     當(dāng)電動機(jī)從停住狀態(tài)轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)時，預(yù)先向電動機(jī)繞組內(nèi)輸入足夠大的勵磁電流，使電動機(jī)產(chǎn)生足夠強(qiáng)的零速轉(zhuǎn)矩的功能。(2) 零伺服功能     當(dāng)電動機(jī)從運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為停住狀態(tài)時，變頻器在運行指令有效的情況下，在頻率給定信號為時，變頻器使電動機(jī)保持足夠強(qiáng)的零速轉(zhuǎn)矩的功能。5  某些變頻器的特殊功能(1) 加、減速的銜接功能     生產(chǎn)實踐中，有時會遇到這樣的情況: