項目4-變頻控制1

項目四

數(shù)控機床用變頻器的安裝與調試

李方園李亞峰背景分析變頻器主要用于交流電動機轉速的調節(jié)，它以其自身所具有的調速范圍廣、調速精度高、動態(tài)響應好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應用中發(fā)揮著提高產品質量和生產效率的作用，尤其是在數(shù)控機床中得到了廣泛的應用。同時，當變頻器日益成為工業(yè)中重要的驅動和控制設備時，保障變頻器可靠運行也成為設備保養(yǎng)、降低故障停機時間的重要議題。要確保變頻器可靠連續(xù)地運行，關鍵在于日常維護保養(yǎng)；而當變頻器發(fā)生故障時，如何快速查出并解決變頻器故障尤為重要。目錄任務一：變頻器的安裝任務二：變頻器的調試與參數(shù)設置任務三：數(shù)控車床主軸的開環(huán)矢量控制教學目標知識目標（1）熟悉交流電動機的調速方式。（2）學會變頻器調速原理。（3）掌握變頻器的基本構造。技能目標熟練掌握變頻器在數(shù)控車床控制柜中的安裝方式，并進行接線。第二部分

知識鏈接

一、交流電動機的調速方式1、異步電動機和同步電動機的概念三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產生旋轉磁場的。三相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場，其產生的過程如圖4-1-1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉磁場的產生過程。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化是同步的。圖4-1-1三相異步電動機原理

旋轉磁場的轉速為：n=60f/P

式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數(shù)、n的單位是：每分鐘轉數(shù)。

根據此式我們知道，電動機的轉速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關。

工作原理定子繞組產生旋轉磁場后，轉子導條（鼠籠條）將切割旋轉磁場的磁力線而產生感應電流，轉子導條中的電流又與旋轉磁場相互作用產生電磁力，電磁力產生的電磁轉矩驅動轉子沿旋轉磁場方向以n1的轉速旋轉起來。一般情況下，電動機的實際轉速n1低于旋轉磁場的轉速n。因為假設n=n1，則轉子導條與旋轉磁場就沒有相對運動，就不會切割磁力線，也就不會產生電磁轉矩，所以轉子的轉速n1必然小于n。為此我們稱這種結構的三相電動機為異步電動機。同步電動機和其它類型的旋轉電動機一樣，由固定的定子和可旋轉的轉子兩大部分組成。一般分為轉場式同步電動機和轉樞式同步電動機。圖4-1-2給出了最常用的轉場式同步電動機的結構模型，其定子鐵心的內圓均勻分布著定子槽，槽內嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電動機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。轉子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電動機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場(也稱主磁場、轉子磁場)。氣隙處于電樞內圓和轉子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電動機內部磁場的分布和同步電動機的性能有重大影響。圖4-1-2同步電動機的結構模型除了轉場式同步電動機外，還有轉樞式同步電動機，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉子表面的槽內，這種同步電動機的轉子充當了電樞。圖中用AX、BY、CZ三個在空間錯開120電角度分布的線圈代表三相對稱交流繞組。交流電機調速2、交流電動機的調速交流電動機比直流電動機經濟耐用得多，因而被廣泛應用于各行各業(yè)，是一種量大面廣的傳統(tǒng)產品。在實際應用場合，往往要求電動機能隨意調節(jié)轉速，以便獲得滿意的使用效果，但交流電動機在這方面比起直流電動機而言就要遜色地多，于是不得不借助其它手段達到調速目的。根據感應電動機的轉速特性表達式可知，它的調速方式有三大類：頻率調節(jié)、磁極對數(shù)調節(jié)和轉差率調節(jié)。從而出現(xiàn)了目前常用的幾種調速方法，如變極調速、調壓調速、電磁調速、變頻調速、液力耦合器調速、齒輪調速等。基于節(jié)能角度，通常把交流調速分為高效調速和低效調速（如圖4-1-3）。高效調速指基本上不增加轉差損耗的調速方式，在調節(jié)電動機轉速時轉差率基本不變，不增加轉差損失，或將轉差功率以電能形式回饋電網或以機械能形式回饋機軸；低效調速則存在附加轉差損失，在相同調速工況下其節(jié)能效果低于不存在轉差損耗的調速方式。屬于高效調速方式的主要有變極調速、串級調速和變頻調速；屬于低效調速方式的主要滑差調速（包括電磁離合器調速、液力偶合器調速、液粘離合器調速）、轉子串電阻調速和定子調壓調速。其中，液力偶合器調速和和液粘離合器調速屬于機械調速，其他均屬于電氣調速。變極調速和滑差調速方式適用于籠型異步電動機，串級調速和轉子串電阻調速方式適用于繞線型異步電動機，定子調壓調速和變頻調速既適用于籠型，也適用于繞線型異步電動機。變頻調速和機械調速還可用于同步電動機。液力耦合器調速技術屬于機械調速范疇，它是將匹配合適的調速型液力耦合器安裝在常規(guī)的交流電動機和負載(風機、水泵或壓縮機)之間，從電動機輸入轉速，通過耦合器工作腔中高速循環(huán)流動的液體，向負載傳遞力矩和輸出轉速。只要改變工作腔中液體的充滿程度即可調節(jié)輸出轉速。液粘離合器調速是指利用液粘離合器作為動率傳遞裝置完成轉速調節(jié)的調速方式，屬于機械調速。液粘離合器是利用兩組摩擦片之間接觸來傳遞功率的一種機械設備，如同液力偶合器一樣安裝在籠型感應電動機與工作機械之間，在電動機但速運行的情況下，利用兩組摩擦片之間摩擦力的變化無級地調節(jié)工作機械的轉速，由于它存在轉差損耗，是一種低效調速方式。。圖4-1-3交流電動機主要調速方式分類圖

二、變頻調速原理1、感應電動機穩(wěn)態(tài)模型根據電動機學原理，在下述三個假定條件下（即忽略空間和時間諧波、忽略磁飽和、忽略鐵損），感應電動機的穩(wěn)態(tài)模型可以用T型等效電路表示，如圖4-1-4a所示。a)感應電動機T型等效電路等效電路b)感應電動機簡化等效電路圖4-1-4感應電動機等效電路圖4-1-4中的各參數(shù)定義如下：Rs、Rr′—定子每相電阻和折合到定子側的轉子每相電阻；L1s、L1r′—定子每相漏感和折合到定子側的轉子每相漏感；Lm—定子每相繞組產生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感；Us、ω1—定子相電壓和供電角頻率；Is、Ir′—定子相電流和折合到定子側的轉子相電流。忽略勵磁電流，則得到如圖4-1-4b所示的簡化等效電路。因此，電流公式可表示為：電磁轉矩公式已知感應電動機傳遞的電磁功率，同步機械角速度ωm1=ω1/np，則感應電動機的電磁轉矩為：感應電動機的每極氣隙磁通為：式中：Eg－氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值；f1－定子頻率；Ns－定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；KNs－定子基波繞組系數(shù)。忽略定子電阻和漏磁感抗壓降，則認為定子相電壓Us=Eg。對Te公式對s求導，并令dTe/ds=0，可求出對應于最大轉矩時的臨界靜差：最大轉矩為：2、轉速開環(huán)的感應電動機變壓變頻調速變壓變頻調速是改變同步轉速的調速方法，同步轉速n1隨頻率而變化，

（式中：np為電動機極對數(shù)，下同）為了達到良好的控制效果，常采用電壓-頻率協(xié)調控制（即V/f控制），并分為基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。（1）基頻以下調速以便充分利用電動機鐵心，發(fā)揮電動機產生轉矩的能力，在基頻以下采用恒磁通控制方式，要保持φm不變，當頻率f1從額定值fin向下調節(jié)時，必須同時降低Eg，即采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子電阻和漏磁感抗壓降，而認為定子相電壓Us≈Eg，則得這是恒壓頻比的控制方式，其控制特性如圖4-1-5所示。低頻時，Us和Eg都較小，定子電阻和漏磁感抗壓降所占的份量相對較大，可以人為地抬高定子相電壓Us，以便補償定子壓降，稱作低頻補償或轉矩提升。恒壓頻比控制特性圖4-1-5恒壓頻比控制特性（2）基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率從fiN向上升高，但定子電壓Us卻不可能超過額定電壓USN，只能保持Us=USN不變，這將使磁通與頻率成反比地下降，使得感應電動機工作在弱磁狀態(tài)。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如圖4-1-6所示。如果電動機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化而變化。按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定，轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時磁通恒減小，轉矩也隨著降低，基本上屬于“恒功率調速”。圖4-1-6感應電動機變壓變頻調速的控制特性三、通用變頻器的構造

1、主回路通用變頻器的主回路包括整流部分、直流環(huán)節(jié)、逆變部分、制動或回饋環(huán)節(jié)等部分。其中D1～D6是全橋整流電路中的二極管；D7～D12這六個二極管為續(xù)流二極管，作用是消除三極管開關過程中出現(xiàn)的尖峰電壓，并將能量反饋給電源；L為平波電抗器，作用是抑制整流橋輸出側輸出的直流電流的脈動使之平滑；T1～T6是晶體管開關元件，開關狀態(tài)由基極注入的電流控制信號來確定。三、通用變頻器的構造

1、主回路（1）整流部分：通常又被稱為電網側變流部分，是把三相或單相交流電整流成直流電。常見的低壓整流部分是由二極管構成的不可控三相橋式電路或由晶閘管構成的三相可控橋式電路。而對中壓大容量的整流部分則采用多重化12脈沖以上的變流器。如電源的進線電壓為UL，則三相全波整流后平均直流電壓UD的大小為：UD=1.35×UL。我國三相電源的線電壓為380V，故全波整流后的平均電壓為UD=1.35×UL＝1.35×380＝513V。2）直流環(huán)節(jié)：由于逆變器的負載是異步電動機，屬于感性負載，因此在中間直流部分與電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量的交換一般都需要中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（如電容或電感）來緩沖。其中濾波電容C1和C2的作用是：濾平全波整流后的電壓紋波；當負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。在變頻器合上電的瞬間，濾波電容器C1和C2上的充電電流比較大，過大的沖擊電流將可能導致三相整流橋損壞。為了保護整流橋，在變頻器剛接通電源的一段時間里，電路內串入緩沖電阻R1，以限制電容器C1、C2上的充電電流。當濾波電容C1、C2充電電壓達到一定程度時，另觸點開關SL接通，將R短路掉。（3）逆變部分：通常又被稱為負載側變流部分，它通過不同的拓撲結構實現(xiàn)逆變元件的規(guī)律性關斷和導通，從而得到任意頻率的三相交流電輸出（如圖4-1-8）。常見的逆變部分是由六個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。（4）制動或回饋環(huán)節(jié)：由于制動形成的再生能量在電動機側容易聚集到變頻器的直流環(huán)節(jié)形成直流母線電壓的泵升，需及時通過制動環(huán)節(jié)將能量以熱能形式釋放或者通過回饋環(huán)節(jié)轉換到交流電網中去。制動環(huán)節(jié)在不同的變頻器中有不同的實現(xiàn)方式，通常小功率變頻器都內置制動環(huán)節(jié)，即內置制動單元，有時還內置短時工作制的標配制動電阻；中功率段的變頻器可以內置制動環(huán)節(jié)，但屬于標配或選配需根據不同品牌變頻器的選型手冊而定；大功率段的變頻器其制動環(huán)節(jié)大多為外置。至于回饋環(huán)節(jié)，則大多屬于變頻器的外置回路。圖4-1-7通用變頻器的基本構造圖4-1-8變頻器的波形圖2、控制回路

控制回路包括變頻器的核心軟件算法電路、檢測傳感電路、控制信號的輸入輸出電路、驅動電路和保護電路組成（如圖4-1-9所示），它包括以下幾個部分：（1）開關電源變頻器的輔助電源采用開關電源，具有體積小、效率高等優(yōu)點。電源輸入為變頻器主回路直流母線電壓或將交流380V整流。通過脈沖變壓器的隔離變換和變壓器副邊的整流濾波可得到多路輸出直流電壓。其中+15V、-15V、+5V共地，±15V給電流傳感器、運放等模擬電路供電，+5V給DSP及外圍數(shù)字電路供電。相互隔離的四組或六組+15V電源給IPM驅動電路供電。+24V為繼電器、直流風機供電。控制電路（2）DSP（數(shù)字信號處理器）TD系列變頻器采用的DSP為TMS320F240，主要完成電流、電壓、溫度采樣、六路PWM輸出，各種故障報警輸入，電流電壓頻率設定信號輸入，還完成電動機控制算法的運算等功能。（3）輸入輸出端子變頻器控制電路輸入輸出端子包括：◆輸入多功能選擇端子、正反轉端子、復位端子等◆繼電器輸出端子、開路集電極輸出多功能端子等◆模擬量輸入端子，包括外接模擬量信號用的電源（12V、10V或5V）及模擬電壓量頻率設定輸入和模擬電流量頻率設定輸入?！裟M量輸出端子，包括輸出頻率模擬量和輸出電流模擬量等，用戶可以選擇0～1mA直流電流表或0～10V的直流電壓表，顯示輸出頻率和輸出電流，當然也可以通過功能碼參數(shù)進行選擇輸出信號。（4）SCI口TMS320F240支持標準的異步串口通訊，通訊波特率可達625kbps。具有多機通訊功能，通過一臺上位機可實現(xiàn)多臺變頻器的遠程控制和運行狀態(tài)監(jiān)視功能。（5）操作面板部分DSP通過SPI口，與操作面板上相連，完成按鍵信號的輸入、顯示數(shù)據輸出等功能。圖4-1-9變頻器控制回路圖第三部分

技能訓練一、任務描述開箱檢查三菱A740系列變頻器，并按照合適的電氣線路將其安裝在控制柜中。二、實訓內容及操作步驟1、開箱和檢查從包裝箱取出1.5KW三菱變頻器A740（如圖4-1-10所示），檢查正面蓋板的容量銘牌和機身側面的定額銘牌，確認變頻器型號，產品是否與定貨單相符，機器是否有損壞。圖4-1-10三菱A740變頻器外觀通過了解三菱A740變頻器的銘牌并進行變頻器的拆裝的具體步驟如下：第一步，觀察三菱A740變頻器的銘牌（如圖4-1-11所示），并從銘牌中理解三菱變頻器的命名規(guī)則（如圖4-1-12所示）。圖4-1-11三菱A740變頻器銘牌圖4-1-12三菱A740變頻器命名規(guī)則2、變頻器前蓋板的拆卸與安裝如圖4-1-13所示為A740變頻器的操作面板，也是用于變頻器參數(shù)設置的主要界面。進行操作面板的拆卸時先松開操作面板的兩處固定螺絲（螺絲不能卸下），然后按住操作面板左右兩側的插銷，把操作面板往前拉出后卸下（如圖4-1-14所示）。圖4-1-13A740操作面板外觀圖4-1-14A740操作面板拆卸進行操作面板安裝時，需要筆直插入并安裝牢靠，然后旋緊螺絲。第三步：進行變頻器A740前蓋板的拆卸與安裝。對前蓋板取下時，先旋松安裝前蓋板用的螺絲，一邊按著表面護蓋上的安裝卡爪，一邊以左邊的固定卡爪為支點向前拉取下，如圖4-1-15所示。圖4-1-15前蓋板的拆卸安裝與拆卸時的動作相反，將表面護蓋左側的2處固定卡爪插入機體的接口，并以固定卡爪部分為支點確實地將表面護蓋壓進機體，最后擰緊安裝螺絲。需要注意的是，F(xiàn)R-A740-160K-CHT以上的表面蓋板由1個變成2個，另外在正面蓋板貼有容量銘牌，在機身也貼有額定銘牌，分別印有相同的制造編號，檢查制造編號以確保將拆下的蓋板安裝在原來的變頻器上，以防止維修時出現(xiàn)不必要的混淆。第四步：拆卸完前蓋板后，按照圖4-1-16所示進行主電路接線，包括電源進線和1.5KW三相鼠籠式異步電機接線，注意為保證電氣安全，必須進行可靠接地。在第一次簡單接線中，必須注意：(1)電源及電機接線的壓著端子，需要使用帶有絕緣套管的端子；(2)電源一定不能接到變頻器輸出端上(U，V，W)，否則將損壞變頻器；(3)接線后，零碎線頭必須清除干凈。零碎線頭可能造成異常，失靈和故障，必須始終保持變頻器清潔。如在電氣柜上打孔安裝時，請注意不要使碎片粉末等進入變頻器中。(4)為使線路壓降在2%以內，需要用適當型號的電線接線。變頻器和電機間的接線距離較長時，特別是低頻率輸出情況下，會由于主電路電纜的線路下降而導致電機的轉矩下降。圖4-1-16變頻器主電路接線3、變頻控制柜安裝

安裝一臺簡單的變頻控制柜，要求能進行正反轉控制，能進行調速。（1）繪制線路原理圖根據要求，選取三菱A740系列變頻器進行線路原理圖繪制（參考圖4-1-17）。圖4-1-17三菱變頻控制圖（2）根據圖4-1-17繪制變頻器等器件安裝布局圖（圖4-1-18），將變頻器、交流接觸器、繼電器、斷路器等電氣部件安裝在網孔板或絕緣板上。圖4-1-18器件安裝布局圖變頻器安裝在控制柜內部是最普遍的安裝方式，占到變頻器應用環(huán)境的九成以上，其安裝應該至少滿足以下幾個條件：a、變頻器應垂直安裝（如圖4-1-19）；圖4-1-19變頻器的安裝方式b、環(huán)境溫度應該在－10℃～40℃的范圍內，如溫度超過40℃時，需外部強迫散熱或者降額使用，有些變頻器的上限溫度為50℃（如美國ROCKWELL的變頻器1336或者PowerFlex系列）；c、濕度要求低于95％，無水珠凝露；d、外界振動小于一定值（如0.6g或0.5g）；e、避免陽光直射；f、無其他惡劣環(huán)境，如多粉塵、金屬屑、腐蝕性流體等。在變頻器的散熱方式中，自然散熱和對流散熱都是利用環(huán)境中空氣的交換，因此在控制柜內安裝這兩種散熱方式的變頻器，必須考慮到風道設計。通常，控制柜的進風口可以選擇柜門前側底部，出風口可以選擇頂部散熱，在多臺變頻器安裝時，必須考慮導風裝置，以避免變頻器上下單純的層疊式安裝。因為在這種層疊式安裝設計中，最下面變頻器散熱后的熱風將直接吸入到上面變頻器的進風口，最后導致散熱效果差。裝設了導風裝置后，能夠保證不同位置的變頻器進風溫度相當。4、主回路接線

選擇主回路電纜時，需考慮電流容量、短路保護、電纜壓降等因素。一般情況下，變頻器輸入電流的有效值比電動機電流大。變頻器與電動機之間的連接電纜應盡量短，因為此電纜距離長，則電壓降增大，可能引起電動機轉矩不足。特別是變頻器輸出頻率低時，其輸出電壓也低，線路電壓損失所占百分比加大。變頻器與電動機之間的線路壓降規(guī)定不能超過額定電壓的2％，根據這一規(guī)定來選擇電纜。工廠中采用專用變頻器時，如果有條件對變頻器的輸出電壓進行補償，則線路壓降損失值可取為額定電壓的5％。表4-1-2A740變頻器的接線端子5、控制回路接線

按圖接控制線，并注意以下要點：1)端子SD,SE和5為輸入出信號的公共端，這些端子不要接地。2)控制回路端子的接線應使用屏蔽線或雙絞線,而且必須與主回路,強電回路(含200V繼電器程序回路)分開布線。3)由于控制回路的頻率輸入信號是微小電流,所以在接點輸入的場合,為了防止接觸不良,微小信號接點應使用兩個并聯(lián)的接點。4)控制回路的接線建議選用0.3mm2～0.75mm2的電纜。6、通電

檢查確認無誤后，通電運行（參數(shù)為缺省，其中運行部分可以參考任務二或者先由指導教師操作進行）。第四部分

總結提高

一、認真總結實訓過程，書寫實訓報告。

二、根據本任務所掌握的知識和技能回答下列問題：1、在電氣控制回路中，可以采用空氣開關或接觸器進行電動機的啟?？刂?，對于變頻器來說，能否采用同樣的控制方式？請說明理由。2、變頻器的安裝環(huán)境不能超過40℃，假如環(huán)境確實惡劣，應該如何安裝變頻器？你會采取哪些保護措施？3、在接線過程中，變頻器的動力線和控制線是否需要分開走線？為什么？假如分開走線，又該如何處理？4、變頻器電源輸入端R、S、T、PE，有一個接地；另外變頻器輸出端U、V、W、PE，這里還有一個接地，兩個接地怎么接?5、變頻器的冷卻方式哪一種最經濟？對于防爆要求的情況下，如何設置冷卻方式？任務二

變頻器的調試與參數(shù)設置知識目標熟悉變頻器的頻率給定方式。學會變頻器的運轉指令方式。掌握變頻器的參數(shù)含義及其設置方式。技能目標

熟練掌握變頻器的參數(shù)設置方式，并能根據工藝要求進行調試。第一部分任務分析與實施

名稱型號或規(guī)格數(shù)量變頻器三菱A740（1.5KW/380V）1臺常用工具扳手、起子等工具1套萬用表MF系列指針式1個兆歐表500V指針式1個電動機Y系列0.55kW(三相380V,4極)1臺一、任務描述對三菱A740系列變頻器進行接線調試與參數(shù)設置。二、任務實施按表4-2-1準備所需要的設備、工具與器材，并根據技能訓練要求進行。表4-2-1任務所需設備、工具與器材第二部分

知識鏈接一、變頻器的頻率給定方式在使用一臺變頻器的時候，目的是通過改變變頻器的輸出頻率，即改變變頻器驅動電動機的供電頻率從而改變電動機的轉速。如何調節(jié)變頻器的輸出頻率呢？關鍵是必須首先向變頻器提供改變頻率的信號，這個信號，就稱之為“頻率給定信號”。所謂頻率給定方式，就是調節(jié)變頻器輸出頻率的具體方法，也就是提供給定信號的方式。變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點，必須按照實際的需要進行選擇設置，同時也可以根據功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。1、操作器鍵盤給定操作器鍵盤給定是變頻器最簡單的頻率給定方式，用戶可以通過變頻器的操作器鍵盤上的電位器、數(shù)字鍵或上升下降鍵來直接改變變頻器的設定頻率（圖4-2-1所示）。圖4-2-1操作器鍵盤給定方式操作器鍵盤給定的最大優(yōu)點就是簡單、方便、醒目（可選配LED數(shù)碼顯示和中文LCD液晶顯示），同時又兼具監(jiān)視功能，即能夠將變頻器運行時的電流、電壓、實際轉速、母線電壓等實時顯示出來。如果選擇鍵盤數(shù)字鍵或上升下降鍵給定，則由于是數(shù)字量給定，精度和分辨率非常高，其中精度可達最高頻率×±0.01%、分辨率為0.01Hz。如果選擇操作器上的電位器給定，則屬于模擬量給定，精度稍低，但由于無需像外置電位器的模擬量輸入那樣另外接線，實用性非常高。2、接點信號給定接點信號給定就是通過變頻器的多功能輸入端子的UP和DOWN接點來改變變頻器的設定頻率值。該接點可以外接按鈕或其他類似于按鈕的開關信號（如PLC或DCS的繼電器輸出模塊、常規(guī)中間繼電器）。具體接線可見圖4-2-2。圖4-2-2接點信號給定注意以下幾點：（1）多功能輸入端子需分別設置為UP指令或DOWN指令中的其中一個，不能重復設置，也不能只設置一個，更不能將UP/DOWN指令和保持加減速停止指令被同時分配。（2）端子的UP/DOWN速率必須被正確設置，速率單位為Hz/s。有了正確的速率設置，即使UP上升接點一直吸合，變頻器的頻率上升也不會一下子竄到最高輸出頻率，而是按照其上升速率上升。（3）設置為“斷電保持有效”時圖4-2-3所示為接點頻率給定方式下的變頻器運行時序。3、模擬量給定模擬量給定方式即通過變頻器的模擬量端子從外部輸入模擬量信號（電流或電壓）進行給定，并通過調節(jié)模擬量的大小來改變變頻器的輸出頻率。模擬量給定中通常采用電流或電壓信號，常見于電位器、儀表、PLC和DCS等控制回路（如圖4-2-4所示）。圖4-2-4模擬量給定方式變頻器通常都會有2個及以上的模擬量端子（或擴展模擬量端子），如圖4-2-5所示為三菱變頻器的模擬量輸入端子（端子2、4、1分別為電壓輸入、電流輸入和輔助輸入）。圖4-2-5三菱變頻器模擬量端子有些模擬量端子可以同時輸入電壓和電流信號（但必須通過跳線或短路塊進行區(qū)分），因此對變頻器已經選擇好模擬量給定方式后，還必須按照以下步驟進行參數(shù)設置：（1）選擇模擬量給定的輸入通道；（2）選擇模擬量給定的電壓或者電流方式及其調節(jié)范圍，同時設置電壓/電流跳線，注意必須在斷電時進行操作；（3）選擇模擬量端子多個通道之間的組合方式（疊加或者切換）；（4）選擇模擬量端子通道的濾波參數(shù)、增益參數(shù)線性調整參數(shù)。4、脈沖給定脈沖給定方式即通過變頻器的特定的高速開關端子從外部輸入脈沖序列信號進行頻率給定，并通過調節(jié)脈沖頻率來改變變頻器的輸出頻率。不同的變頻器對于脈沖序列輸入都有不同的定義，以安川VSG7為例（如圖4-2-6所示）：脈沖頻率為0～32KHz，低電平電壓為0.0～0.8V，高電平電壓為3.5～13.2V，占空比為30％～70％。圖4-2-6脈沖給定5、通訊給定通訊給定方式就是指上位機通過通訊口按照特定的通訊協(xié)議、特定的通訊介質進行數(shù)據傳輸?shù)阶冾l器以改變變頻器設定頻率的方式。上位機一般指計算機（或工控機）、PLC、DCS、人機界面等主控制設備，如圖4-2-7所示。二、變頻器的運轉指令方式變頻器的運轉指令方式是指如何控制變頻器的基本運行功能，這些功能包括啟動、停止、正轉與反轉、正向點動與反向點動、復位等。與變頻器的頻率給定方式一樣，變頻器的運轉指令方式也有操作器鍵盤控制、端子控制和通訊控制三種。這些運轉指令方式必須按照實際的需要進行選擇設置，同時也可以根據功能進行相互之間的方式切換。1、操作器鍵盤控制操作器鍵盤控制是變頻器最簡單的運轉指令方式，用戶可以通過變頻器的操作器鍵盤上的運行鍵、停止鍵、點動鍵和復位鍵來直接控制變頻器的運轉。在操作器鍵盤控制下，變頻器的正轉和反轉可以通過正反轉鍵切換和選擇。圖4-2-8所示為三菱變頻器FR-DU04操作器鍵盤控制。圖4-2-8三菱操作器鍵盤控制示意2、端子控制端子控制是變頻器的運轉指令通過其外接輸入端子從外部輸入開關信號（或電平信號）來進行控制的方式。這時這些由按鈕、選擇開關、繼電器、PLC或DCS的繼電器模塊就替代了操作器鍵盤上的運行鍵、停止鍵、點動鍵和復位鍵，可以在遠距離來控制變頻器的運轉。圖4-2-9端子控制原理

在圖4-2-9中，正轉FWD、反轉REV、點動JOG、復位RESET、使能ENABLE在實際變頻器的端子中有三種具體表現(xiàn)形式：◆上述幾個功能都是由專用的端子組成，即每個端子固定為一種功能。在實際接線中，非常簡單，不會造成誤解，這在早期的變頻器中較為普遍?！羯鲜鰩讉€功能都是由通用的多功能端子組成，即每個端子都不固定，可以通過定義多功能端子的具體內容來實現(xiàn)。在實際接線中，非常靈活，可以大量節(jié)省端子空間。目前的小型變頻器都有這個趨向，如艾默生TD900變頻器。3、通訊控制通訊控制的方式與通訊給定的方式相同，在不增加線路的情況下，只需對上位機給變頻器的傳輸數(shù)據改一下即可對變頻器進行正反轉、點動、故障復位等控制。三、變頻器的起動制動方式變頻器的起動制動方式是指變頻器從停機狀態(tài)到運行狀態(tài)的起動方式、從運行狀態(tài)到停機狀態(tài)的方式以及從某一運行頻率到另一運行頻率的加速或減速方式。1、起動運行方式變頻器從停機狀態(tài)開始啟動運行時通常有以下幾種方式：（1）從起動頻率起動。變頻器接到運行指令后，按照預先設定的起動頻率和起動頻率保持時間起動。該方式適用于一般的負載。起動頻率是指變頻器起動時的初始頻率，如圖4-2-10所示的fs，它不受變頻器下限頻率的限制；起動頻率保持時間是指變頻器在起動過程中，在起動頻率下保持運行的時間，如圖中的t1。圖4-2-10起動頻率與起動時間示意電動機開始起動時，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上述所說的起動頻率。設置起動頻率是部分生產設備的實際需要，比如：有些負載在靜止狀態(tài)下的靜摩擦力較大，難以從0Hz開始起動，設置了起動頻率后，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，由于管理里已經存在一定的水壓，后起到的水泵在頻率很低的情況下將難以旋轉起來，故也需要電動機在一定頻率下直接起動；錐形電動機如果從0Hz開始逐漸升速，將導致定子和轉子之間的摩擦，所以了起動頻率，可以在起動時很快建立起足夠的磁通，使轉子和定子間保持一定的氣隙，等等。起動頻率保持時間的設置對于下面幾種情況比較適合：A、對于慣性較大的負載，起動后先在較低頻率下持續(xù)一個短時間t1，然后再加速運行到穩(wěn)定頻率；B、齒輪箱的齒輪之間總是有間隙的，起動時容易在齒輪間發(fā)生撞擊，如在較低頻率下持續(xù)一個短時間t1，可以減緩齒輪間的碰撞；C、起重機械在起吊重物前，吊鉤的鋼絲繩通常是處于松弛的狀態(tài)，起動頻率保持時間t1可首先使鋼絲繩拉緊后再上升；D、有些機械在環(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t1，使?jié)櫥拖♂尯笤偌铀?；E、對于附有機械制動裝置的電磁制動電動機，再磁抱閘松開過程中，為了減小閘皮和閘輥之間的摩擦，要求先在低速下運行，待磁抱閘完全松開后再升速。（2）先制動再起動本起動方式是指先對電動機實施直流制動，然后再按照方式（1）進行起動。該方式適用于變頻器停機狀態(tài)時電動機有正轉或反轉現(xiàn)象的小慣性負載，對于高速運轉大慣性負載則不適合。如圖4-2-11所示為先制動再起動的功能示意，起動前先在電動機的定子繞組內通入直流電流，以保證電動機在零速的狀態(tài)下開始起動。如果電動機在起動前，拖動系統(tǒng)的轉速不為零，而變頻器的輸出是從0Hz開始上升，則在起動瞬間，將引起電動機的過電流故障。它包含兩個參數(shù)：制動量和直流制動時間，前者表示應向定子繞組施加多大的直流電壓，后者表示進行直流制動的時間。圖4-2-11先制動再起動功能示意（3）轉速跟蹤再起動在這種方式下，變頻器能自動跟蹤電動機的轉速和方向，對旋轉中的電動機實施平滑無沖擊起動，因此變頻器的起動有一個相對緩慢的時間用于檢測電動機的轉速和方向，如圖4-2-12所示。該方式適用于變頻器停機狀態(tài)時電動機有正轉或反轉現(xiàn)象的大慣性負載瞬時停電再起動。圖4-2-12轉速跟蹤再起動功能示意2、加減速方式變頻器從一個速度過渡到另外一個速度的過程稱為加減速，如果速度上升為加速，速度下降為減速。加減速方式主要有以下幾種：（1）直線加減速。變頻器的輸出頻率按照恒定斜率遞增或遞減。變頻器的輸出頻率隨時間成正比地上升，大多數(shù)負載都可以選用直線加減速方式。如圖4-2-13a。加速時間為t1、減速時間為t2。圖4-2-13加減速方式a)直線加減速

b)S型曲線加減速（2）S曲線加減速變頻器的輸出頻率按照S型曲線遞增或遞減。如圖4-2-13b。我們將S曲線劃分為3個階段的時間，S曲線起始段時間如圖2.40b中①所示，這里輸出頻率變化的斜率從零逐漸遞增；S曲線上升段時間如圖2.40b中②所示，這里輸出頻率變化的斜率恒定；S曲線結束段時間如圖4-2-13b中③所示，這里輸出頻率變化的斜率逐漸遞減到零。將每個階段時間按百分比分配，就可以得到一條完整的S型曲線。因此，只需要知道三個時間段中的任意兩個，就可以得到完整的S曲線，因此在某些變頻器只定義了起始段①和上升段②，而有些變頻器則定義兩頭起始段①和結束段③。S曲線加減速，非常適合于輸送易碎物品的傳送機、電梯、搬運傳遞負載的傳送帶以及其他需要平穩(wěn)改變速度的場合。例如，電梯在開始起動以及轉入等速運行時，從考慮乘客的舒適度出發(fā)，應減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。（4）其他其他還有如半S形加減速方式、倒L形加減速方式、U型加減速方式等，具體可以參看變頻器說明書。3、停機方式變頻器接收到停機命令后從運行狀態(tài)轉入到停機狀態(tài)，通常有以下幾種方式：（1）減速停機（2）自由停車（3）帶時間限制的自由停車（4）減速停機加上直流制動變頻器接到停機命令后，按照減速時間逐步降低輸出頻率，當頻率降至停機制動起始頻率時，開始直流制動至完全停機。如圖4-2-14所示。圖4-2-14減速停車加直流制動直流制動是在電動機定子中通入直流電流，以產生制動轉矩。因為電動機停車后會產生一定的堵轉轉矩，所以直流制動可在一定程度上替代機械制動；但由于設備及電動機自身的機械能只能消耗在電動機內，同時直流電流也通入電動機定子中，所以使用直流制動時，電動機溫度會迅速升高，因而要避免長期、頻繁使用直流制動；直流制動是不控制電動機速度的，所以停車時間不受控。停車時間根據負載、轉動慣量等的不同而不同；直流制動的制動轉矩是很難實際計算出來的。第三部分

技能訓練

一、任務描述用三菱變頻器操作面板進行參數(shù)設置，并能在各個模式之間進行切換，同時根據工藝要求進行調試。二、實訓內容及操作步驟1、FR-DU07操作面板的熟悉對三菱A740變頻器進行操作、運行、調試和維護等都首先需要熟悉操作面板PU，如圖4-2-35所示為PU按鍵和指示燈的具體功能和含義。圖4-2-35A740FR-DU07操作面板對三菱A740變頻器進行接線后上電，可以觀察到操作面板（簡稱PU）亮，如圖4-2-36所示。圖4-2-36PU上電顯示2、運行模式切換與頻率設定對三菱A740變頻器進行操作、運行、調試和維護等都首先需要熟悉操作面板PU，如圖4-2-37所示為PU按鍵和指示燈的具體功能和含義圖4-2-37運行模式切換與頻率設定3、A740變頻器的參數(shù)設置要點對于變頻器而言，要使其正常運行，就必須對它進行一定的參數(shù)設置，并符合工藝要求。表1.3所示是三菱A740變頻器的參數(shù)說明，也可以簡單的用“Pr.0=6%”來進行表示。表1.3三菱A740變頻器的參數(shù)說明1）參數(shù)鎖定（Pr.77）參數(shù)鎖定功能對防止參數(shù)值被意外改寫具有保護作用，因此，可以在調試結束后對Pr.77進行相應設置，比如Pr.77=1表示不可寫入參數(shù)，具體如表1.4所示。其中”參數(shù)Pr.77”通常被簡寫為“參數(shù)77”。表1.4參數(shù)鎖定2）初始化參數(shù)通過設定Pr.CL

參數(shù)清除，ALLC參數(shù)全部清除＝“1”，使參數(shù)將恢復為初始值，如圖4-2-23所示。如果設定Pr.77參數(shù)寫入選擇＝“1”,則無法清除。參數(shù)初始化是非常重要的一個步驟，它能將所有的參數(shù)都恢復到出廠設定值。在調試變頻器的參數(shù)過程中，經常會出現(xiàn)控制失常的現(xiàn)象，這時候最好的辦法就是“參數(shù)初始化”，以確認到底是變頻器本身原因，還是參數(shù)設置原因。3）參數(shù)更改要使變頻器按照工藝要求進行控制，必須進行參數(shù)設置，這里以參數(shù)Pr.1（表1.5）為例說明。圖4-2-39所示為參數(shù)Pr.1從120Hz更改為50Hz的過程。圖4-2-39參數(shù)設定4）操作鎖定為例防止參數(shù)變更或變頻器意外起動和停止，通過設置“操作鎖定”可以使操作面板的M旋鈕、鍵盤操作等無效。操作鎖定的步驟為：Pr.161設置為“10或11”，然后按住

鍵2秒左右，此時M旋鈕與鍵盤操作均無效。當M旋鈕與鍵盤操作無效化后操作面板會顯示

字樣，在此狀態(tài)下操作M旋鈕或鍵盤時也會顯示

。如果想使M旋鈕與鍵盤操作有效，請按住

鍵2秒左右。當然，操作鎖定狀態(tài)下依然有效的功能是

鍵引發(fā)的停止與復位。4、A740常見的運行模式技能操作1、通過模擬信號進行頻率設定（電壓輸入）按照圖1.42接線要求，即啟動命令由變頻器PU發(fā)出，頻率命令由電位器設定，請進行參數(shù)設置。圖1.42通過模擬信號進行頻率設定2、通過模擬信號進行頻率設定（電流輸入）按照圖1.43接線要求，即啟動命令由變頻器PU發(fā)出，頻率命令由4-20mA設定，請進行參數(shù)設置。圖1.43通過模擬信號進行頻率設定第四部分

總結提高

一、認真總結實訓過程，書寫實訓報告。

二、根據本任務所掌握的知識和技能回答下列問題。1、變頻器如何實現(xiàn)點動？其點動的頻率和加速時間在哪里進行設置？2、要實現(xiàn)變頻器從正轉快速向反轉運行，應該如何設置參數(shù)？你在設置參數(shù)過程中碰到了哪些問題？3、變頻器在調試過程中，輸入短路會造成什么影響？輸出短路會造成什么影響？4、調節(jié)變頻器的輸出頻率有哪些常用的方式？請舉例說明。5、在變頻器運行中，哪些參數(shù)可以改？哪些參數(shù)不能改？為什么？6、三菱變頻器的組合操作模式有哪些？請畫出具體線路圖和參數(shù)設置表。任務三

數(shù)控車床主軸的開環(huán)矢量控制

知識目標1熟悉開環(huán)矢量控制下的感應電動機、變頻器、控制系統(tǒng)的接線方法。2了解變頻器開環(huán)矢量控制的參數(shù)設置。3掌握感應電動機在變頻矢量控制下的輸出特性。技能目標

能根據電氣原理圖連接數(shù)控裝置與變頻器；能進行變頻器投入運轉的參數(shù)設置，能對感應電動機進行參數(shù)辨識。第一部分任務分析與實施一、任務描述在目前數(shù)控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機。為滿足數(shù)控車床對主軸驅動的要求，必須有以下性能：A、寬調速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高；B、在斷續(xù)負載下，電機的轉速波動要?。籆、加減速時間短；D、過載能力強；E、噪聲低、震動小、壽命長。本任務需要對某系列數(shù)控車床主軸電機進行變頻矢量控制，并滿足HNC-21的控制接口。二、任務實施按表4-3-1準備所需要的設備、工具與器材，進行變頻器與HNC－21之間的接線，并進行參數(shù)調試。表4-3-1任務所需設備、工具與器材名稱型號或規(guī)格數(shù)量變頻器三菱A740（1.5KW/380V）1臺常用工具扳手、起子等工具1套萬用表MF系列指針式1個兆歐表500V指針式1個電動機1.5KW三相異步電動機1臺第二部分

知識鏈接一、變頻器矢量控制原理變頻器的矢量控制是20世紀70年代開始迅速發(fā)展起來的一種新型控制思想，是以電機控制參數(shù)的實時解耦，來實現(xiàn)電機的轉矩與磁通控制，以達到與直流電機一樣的調速性能。異步電機矢量控制調速系統(tǒng)經過近幾十年的發(fā)展，其控制方法已趨成熟。1.基本原理異步電動機的矢量控制是仿照直流電動機的控制方式，把定子電流的磁場分量和轉矩分量解耦開來，分別加以控制，即將異步電動機的物理模型等效地變成類似于直流電動機的模式。眾所周知，交流電機三相對稱的靜止繞組A、B、C，通以三相平衡的正弦電流時，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉速ω（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋轉。這樣的物理模型繪于圖4-3-1a中a)三相交流繞組b)二相交流繞組c)旋轉的直流繞組圖4-3-1交流電機繞組等效

然而，旋轉磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、三相、四相……等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產生旋轉磁動勢，當然以兩相最為簡單。如圖所示圖4-3-1b中繪出了兩相靜止繞組α和β，它們在空間互差90°，通以時間上互差90°的兩相平衡交流電流，也產生旋轉磁動勢F。當圖a和b的兩個旋轉磁動勢大小和轉速都相等時，即認為圖4-3-1b的兩相繞組與圖4-3-1a的三相繞組等效。再看圖4-3-1c中的兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組M和T，其中分別通以直流電流

iM

和iT，產生合成磁動勢F，其位置相對于繞組來說是固定的。如果讓包含兩個繞組在內的整個鐵心以同步轉速旋轉，則磁動勢F自然也隨之旋轉起來，成為旋轉磁動勢。把這個旋轉磁動勢的大小和轉速也控制成與圖4-3-1a和圖4-3-1b中的磁動勢一樣，那么這套旋轉的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。當觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉時，在他看來，M和T是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組。如果控制磁通的位置在M軸上，就和直流電機物理模型沒有本質上的區(qū)別了。這時，繞組M相當于勵磁繞組，T相當于偽靜止的電樞繞組。由此可見，以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，圖4-3-1a的三相交流繞組、圖4-3-1b的兩相交流繞組和圖4-3-1c中整體旋轉的直流繞組彼此等效?；蛘哒f，在三相坐標系下的

iA、iB

、iC，在兩相坐標系下的

ia、ib和在旋轉兩相坐標系下的直流iM

、iT是等效的，它們能產生相同的旋轉磁動勢。有意思的是：就圖4-3-1c的M、T兩個繞組而言，當觀察者站在地面看上去，它們是與三相交流繞組等效的旋轉直流繞組；如果跳到旋轉著的鐵心上看，它們就的的確確是一個直流電機模型了。這樣，通過坐標系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機模型。2.矢量控制框架與坐標變換圖4-3-2所示為矢量控制的基本框架，即將異步電動機按照等效直流電機模型進行控制。圖4-3-2矢量控制基本框架圖4-3-3矢量控制坐標變換圖4-3-3中要涉及到多個坐標變化，包括2/3相變換、2s/2r變換、K/P變換等。（1）3/2相變換和2/3相變換在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組a、b之間的變換，稱為三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換，簡稱3/2相變換。反之，則稱為2/3相變換。（2）2s/2r變換和2r/2s變換從兩相靜止坐標系a、b到兩相旋轉坐標系M、T變換稱作兩相—兩相旋轉變換，簡稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉。反之，則稱為2r/2s變換。（3）K/P變換令矢量is和M軸的夾角為qs，已知iM

和iT，求is和qs，就是直角坐標/極坐標變換，簡稱K/P變換（圖4-3-3）。

了解了坐標變換后，就可以理解矢量控制的主要步驟：要把三相靜止坐標系上的電壓方程、磁鏈方程和轉矩方程都變換到兩相旋轉坐標系上來，可以先利用3/2相變換將方程式中定子和轉子的電壓、電流、磁鏈和轉矩都變換到兩相靜止坐標系a、b上，然后再用旋轉變換陣C2s/2r（圖4-3-2中的VR），將這些變量變換到兩相旋轉坐標系M和T上。因此，從圖4-3-3中可以這樣認為，在控制器后面引入的反旋轉變換器VR-1與電機內部的旋轉變換環(huán)節(jié)VR抵消，2/3變換器與電機內部的3/2變換環(huán)節(jié)抵消，如果再忽略變頻器中可能產生的滯后，則圖中虛線框內的部分可以完全刪去，剩下的就是直流調速系統(tǒng)了。3.轉子磁場定向下的異步電機數(shù)學模型矢量控制就是通過坐標變換，實現(xiàn)定子側控制量的解耦，該方法是分析異步電機數(shù)學模型，簡化電磁關系，實現(xiàn)控制系統(tǒng)設計的有效手段。由于轉子磁場定向旋轉坐標系下異步電機數(shù)學模型意義明確、簡化實用，常用于設計調速控制系統(tǒng)。在轉子磁場定向矢量控制下，其電壓矢量與電流矢量之間的方程矩陣形式如下所示：式中：Rs/Rr為定子/轉子電阻；Ls/Lr為定子/轉子電感；Lm為互感；ws1為角速度；p為微分因子。顯然，可以想象得出，異步電機參數(shù)對于矢量控制的重要性，因此在很多矢量控制變頻器中都含有自動檢測電機參數(shù)的程序，以防止用戶輸入電機參數(shù)不準確所帶來的控制精度誤差。二、開環(huán)矢量控制方式1、基本概念在高性能的異步電動機矢量控制系統(tǒng)中，轉速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是必不可少的。通常，采用旋轉編碼器等速度傳感器來進行轉速檢測，并反饋轉速信號。但是，由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來一些缺陷：系統(tǒng)的成本大大增加；精度越高的編碼器價格也越貴；編碼器在電動機軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當將影響測速的精度；電動機軸上的體積增大，而且給電動機的維護帶來一定困難，同時破壞了異步電動機的簡單堅固的特點；在惡劣的環(huán)境下，編碼器工作的精度易受環(huán)境的影響。而無速度傳感器的控制系統(tǒng)無需檢測硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本；另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電動機與控制器的連線。因此，無速度傳感器的矢量控制方式（又稱開環(huán)矢量控制）在工程應用中變得非常必要。開環(huán)矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照一定的關系式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現(xiàn)矢量控制。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，因此需要在使用時準確地輸入異步電動機的參數(shù)，并對拖動的電動機進行調諧整定，否則難以達到理想的控制效果。圖4-3-4無速度傳感器矢量控制方式起動轉矩特性有時為了描述上的方便，也把無速度傳感器的矢量控制方式稱為開環(huán)矢量控制或無PG反饋矢量控制。2、電動機參數(shù)的調諧整定由于電動機磁通模型的建立必須依賴于電動機參數(shù)，因此選擇無速度傳感器矢量控制時，第一次運行前必須首先對電動機進行參數(shù)的調諧整定。目前新型矢量控制通用頻器中已經具備異步電動機參數(shù)自動調諧、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行調諧后存儲在相應的參數(shù)組中，并根據調諧結果調整控制算法中的有關數(shù)值。自動調諧（因在電動機旋轉情況下進行，又稱旋轉式調諧）的步驟一般是這樣的：首先在變頻器參數(shù)中輸入需要調諧的電動機的基本參數(shù)，包括電動機的類型（異步電動機或同步電動機）、電動機的額定功率（單位是KW）、電動機的額定電流（單位是A）、電動機的額定頻率（單位是Hz）、電動機的額定轉速（單位轉/分）；然后將電動機與機械設備分開，電動機作為單體；接著用變頻器的操作面板指令操作，變頻器的控制程序就會一邊根據內部預先設定的運行程序自動運轉，一邊測定一次電壓和一次電流，然后計算出電動機的各項參數(shù)。但在電動機與機械設備難以分開的場合卻很不方便，此時可采用靜止式調諧整定的方法，即將固定在任一相位、僅改變振幅而不產生旋轉的三相交流電壓施加于電動機上，電動機不旋轉，由此時的電壓、電流波形按電動機等值回路對各項參數(shù)進行運算，便能高精度測定控制上必需的電動機參數(shù)。在靜止式調諧中，用原來方法無法測定的漏電流也能測定，控制性能進一步提高。利用靜止式調諧技術，可對于機械設備組合一起的電動機自動調諧、自動測定控制上所需的各項常數(shù)，因而顯著提高了通用變頻器使用的方便性。從圖4-3-5的異步電動機的T型等效電路表示中可以看出，電動機除了常規(guī)的參數(shù)如電動機極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉子電阻）、X21（轉子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空載電流）。圖4-3-5異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路從上面已經知道，參數(shù)辨識分電動機靜止辨識和旋轉辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量并計算定子和轉子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數(shù)寫入；在旋轉辨識中，變頻器自動測量電動機的互感抗和空載電流。在調諧整定過程中，必須注意以下幾點：（1）調諧過程如果出現(xiàn)過流或過壓故障，可適當調整價減速時間和轉矩補償數(shù)值，并取消故障自動復位功能。（2）在起動調諧前應確保電動機處于停止狀態(tài)，否則調諧不能正常進行。（3）調諧前必須確保輸入電動機的銘牌參數(shù)準確無誤，否則調諧后的電動機參數(shù)不準確。（4）不同品牌不同型號的變頻器旋轉調諧時從零速加速運行到的頻率有些差異，有些是基本運行頻率，有些則只有基本運行頻率的50％或80％，具體可依據變頻器的用戶手冊。（5）如果現(xiàn)場情況無法對電動機進行調諧的，可以參考同類電動機的已知參數(shù)手工輸入，或者按照以下方式進行：先選擇靜止調諧，可依次計算出定子電阻、轉子電阻和漏感抗3個參數(shù)，不測量電動機的互感抗和空載電流，用戶可以根據電動機銘牌自行計算這兩個參數(shù)，計算中用到的電動機銘牌參數(shù)有額定電壓U、額定電流I、額定頻率f和功率因數(shù)η，其中空載電流互感抗Xσ代表漏感抗，是定子漏感抗X11和轉子漏感抗X21之和）（6）為了保證控制性能，必須按變頻器標準適配電動機進行電動機配置，若電動機功率與標準適配電動機的功率差距過大（功率差別一般在1到2級之間），變頻器的控制將明顯下降，或者配用高轉差電動機等特殊電動機也將大大影響使用效果。（7）如果在變頻器與電動機之間接有電抗器或濾波器等配件的話，將影響到自動調諧的準確度，應該在進行自動調諧前暫時拆除這些配件。3、速度調節(jié)器ASR速度調節(jié)器ASR的結構如圖所示，圖4-3-6中Kp為比例增益，KI為積分時間。積分時間設為0時，則無積分作用，速度環(huán)為單純的比例調節(jié)器。由于是無速度傳感器矢量控制方式，速度環(huán)的實際速度來源于變頻器內部的實際計算值。圖4-3-6速度調節(jié)器簡化框圖速度調節(jié)器ASR的整定參數(shù)包括比例增益P和積分時間I，其數(shù)值大小將直接影響矢量控制的效果，其目標就是要取得動態(tài)性能良好的階躍響應（圖4-3-7a）。具體調節(jié)的影響情況如下：（1）增加比例增益P，可加快系統(tǒng)的動態(tài)響應，但P值過大，系統(tǒng)容易振蕩；（2）減小積分時間I值，可加快系統(tǒng)的動態(tài)響應，但I值過小，系統(tǒng)超調就會增大，且容易產生振蕩；（3）通常先調整比例增益P值，保證系統(tǒng)不振蕩的前提下盡量增大P值，然后調節(jié)積分時間I值使系統(tǒng)既有快速的響應特性又超調不大。圖4-3-7b是比例增益P值與速度調節(jié)器ASR的階躍響應關系，圖4-3-7c是積分時間I值與速度調節(jié)器ASR的階躍響應關系。圖4-3-7速度調節(jié)器ASR的階躍響應與PI參數(shù)的關系a)參數(shù)整定情況一b)參數(shù)整定情況一c)參數(shù)整定情況一

一般的矢量變頻器為了適應電動機低速和高速帶載運行都有快速響應的情況，都設有兩套PI參數(shù)值（即低速PI值和高速PI值），同時設有切換頻率。為了保證兩套PI值的正常過渡，一些變頻器還另外設置了兩個切換頻率，即切換頻率1和切換頻率2，如圖4-3-8。其控制原理是：低于切換頻率1的頻率動態(tài)響應PI值取A點的數(shù)值，高于切換頻率2的頻率動態(tài)響應PI值取B點的數(shù)值，位于切換頻率1和切換頻率2的頻率動態(tài)響應PI值取兩套PI參數(shù)的加權平均值。圖4-3-8PI參數(shù)與頻率切換的關系如果PI參數(shù)設置不當，系統(tǒng)在快速起動到高速后，可能產生減速過電壓故障（如果沒有外接制動電阻或制動單元），這是由于在速度超調后的下降過程中系統(tǒng)再生制動狀態(tài)能量回饋所致，因此合適的PI值對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關重要。

第三部分

技能訓練一、任務描述已知某系列數(shù)控車床主軸電機功率為1.5KW，其數(shù)控系統(tǒng)采用HNC-21系列控制器，請選擇合適的變頻器，并進行接線與調試。二、實訓內容及操作步驟將A700變頻器與華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)相連接，根據變頻器設