变频器应用1-第4章-变频器拖动系统及其应用课件.ppt

1、变频器应用教程（第二版）张燕宾 编著第4章变频器拖动系统及其应用第4章变频器拖动系统及其应用4.1变频后的电动机4.2变频器应用的基础知识4.3变频拖动系统的基本规律4.4恒转矩负载的变频调速4.5重力负载的变频调速4.6恒功率负载的变频调速4.7二次方律负载的变频调速4.1变频后的电动机4.1.1电动机的铭牌数据1.额定电压和额定电流图4-1电动机的铭牌a)电动机铭牌b)电流与电压的测量2.电动机的额定容量和转矩4.1变频后的电动机表4-1同容量电动机的额定转矩(以75kW为例)3.电动机的定额4.1变频后的电动机图4-2电动机的发热与散热曲线a)发热曲线b)散热曲线4.1变频后的电动机(1

2、)连续不变负载负载在运行过程中，阻转矩基本不变的负载，称为连续不变负载。图4-3连续变动负载a)负载变化时的温升曲线b)连续变动负载(2)连续变动负载负载的阻转矩不同，4.1变频后的电动机电动机所能达到的稳定温升也不同，如图4-3a所示。(3)断续负载时而运行，时而停止的负载，称为断续负载。图4-4断续负载a)持续率较大b)持续率较小4.1变频后的电动机(4)短时负载负载的运行时间很短，在运行时间内，电动机的温升达不到稳定温升。图4-5短时负载4.1变频后的电动机4.电动机的型号4.1.2变频电动机1.有专用冷却风扇图4-6变频电动机4.1变频后的电动机2.输出轴较长3.磁路裕量较大4.加强槽

3、绝缘5.增加了轴承的绝缘4.1.3电动机的有效转矩线1.有效工作点和有效转矩线(1)额定工作点在额定频率fN下运行时，大家都习惯于有一个额定工作点，如图4-7a中曲线上之QN点所示。图4-7变频调速的有效转矩线a)有效转矩的概念b)有效转矩线4.1变频后的电动机(2)有效工作点当工作频率低于额定频率时，如不进行补偿，则临界转矩变小，其机械特性如曲线所示。(3)有效转矩线对应于每一个工作频率，都有一条机械特性曲线。(4)有效转矩线与工作点有效转矩线是说明电动机允许工作范围的曲线，就是说，拖动系统的工作点不应该超过有效转矩线的范围，否则将导致电动机的过载。2.fXfN的有效转矩线(1)变频电动机的

4、有效转矩线变频电动机由于低频时散热良好，所以，其有效转矩线具有恒转矩的特点，如图4-8中之曲线所示。4.1变频后的电动机图4-8额频以下的有效转矩线(2)普通电动机的有效转矩线普通电动机主要是靠转子的扇叶来4.1变频后的电动机进行通风散热的。3.fXfN的有效转矩线(1)fXfN时的工作特点1)输出电压不变因为变频器的输出电压不可能超过电源电压，所以，当fXfN时，其输出电压不可能和频率一起上升，而只能保持恒值：图4-9时的有效转矩线a)额频以上的电压b)有效转矩线4.1变频后的电动机2)主磁通减小由于U1XUS，反电动势E1X的大小也基本不变。3)允许电流不变电动机的额定电流是由电动机的允许

5、温升决定的，所以，不管在多大的频率下工作，电动机允许的最大工作电流不变，都等于额定电流。4)电动机的输入功率基本不变因为电动机的输入电压和允许电流都不变，功率因数的变化不大，所以，当频率fX上升时，其最大输入功率的大小基本不变：(2)fXfN时的有效转矩线由上述，最大输入功率既然不变，如假设电动机的效率不变，则电动机的输出功率也基本不变。4.2变频器应用的基础知识4.2.1变频器的铭牌数据图4-10变频器的铭牌数据a)富士变频器铭牌b)型号的含义1.输入电压和输出电压(1)额定输入电压是指适用于变频器的电源电压，在我国，低压电网的电压是380V。4.2变频器应用的基础知识(2)额定输出电压因为

6、变频器的输出电压是随频率而变的，不是常数，所以，变频器是以最大输出电压作为额定电压的。(3)输出电压的上限值如图4-10a所示，输入电压的上限值是440V，而输出电压的上限值是460V。图4-11变频器最大输出电压的调整a)未调整的波形b)电压增大的波形4.2变频器应用的基础知识2.输入电流与输出电流3.容量与适配电动机(1)额定容量变频器是一台提供变频电源的装置，作为电源，它只能告诉用户：输出的最大电压是多大，最大能提供多大的电流。(2)适配电动机是指变频器允许配用的最大电动机容量。4.2.2变频器容量的选择1.选择原则2.几种具体情况(1)我国的生产机械设计人员，在决定电动机容量时，裕量常

7、常偏大，实际运行时，其最大运行电流并不超过额定电流，变频器的容量就没有必要加大了。4.2变频器应用的基础知识(2)设计人员是按最严重的情况考虑的，而在实际使用时，可能并不出现最严重的情况，最大运行电流也不超过额定电流，变频器的容量也没有必要加大。(3)风机和水泵一般不会过载，所以也不必加大容量。3.变频器的过载能力(1)可以作为电动机在起动过程中的允许电流。(2)可以作为某些冲击负荷选择的参考。4.带多台电动机时变频器容量的选择(1)多台电动机同时起动如图4-12a所示，这种情况比较简单，只要变频器的额定电流不小于多台电动机额定电流之和就可以了：4.2变频器应用的基础知识图4-12一台变频器带

8、多台电动机a)电动机同时起动b)电动机分别起动4.2变频器应用的基础知识(2)多台电动机分别起动4.2.3变频器型号的选择(1)通用型变频器(只有V/F控制方式的变频器)凡是工频运行能够满足要求的机器，多数情况下，都可以选择通用型变频器。(2)高性能变频器所谓高性能变频器，一般指具有矢量控制功能的变频器。(3)专用变频器现在，各种专用变频器的门类很多，常见的有：4.3变频拖动系统的基本规律4.3.1传动机构与传动比图4-13常见的传动机构4.3变频拖动系统的基本规律1.常见的传动机构(1)联轴器传动如图a所示，联轴器是把电动机和负载的轴直接相连，两者之间并无减速环节。(2)带轮传动如图b所示，

9、有一定的减速比。(3)齿轮传动如图c所示，齿轮传动具有较大的减速比，主要用于对精度要求较高的传动系统中。(4)减速箱如图d所示，通常由多级齿轮构成，也有用蜗轮、蜗杆构成的。2.传动比3.传动机构的折算4.3变频拖动系统的基本规律(1)折算的必要性在分析电动机能否带得动负载时，需要对电动机的转矩和负载转矩在同一个坐标系内进行比较，但当传动机构的传动比不等于1时，比较时出现了麻烦。图4-14电动机和负载的工作点a)拖动系统实例b)不同轴上的工作点4.3变频拖动系统的基本规律(2)折算的基本原则最根本的原则是能量守恒原理。(3)折算公式下面所列，就是把负载轴上的参数折算到电动机轴上的公式。1)转速的

10、折算2)转矩的折算3)转动惯量J的折算J4.3.2变频拖动系统必须满足的条件1.拖动系统的功率条件(1)电动机轴上输出的额定功率(2)负载轴上消耗的功率4.3变频拖动系统的基本规律(3)必须满足的功率条件根据能量守恒的原理，电力拖动系统能够连续运行的基本条件是，电动机的额定功率必须不小于负载消耗的功率(包括传动机构的损耗功率)，如图4-15中之所示。图4-15拖动系统的基本条件4.3变频拖动系统的基本规律2.拖动系统的转矩条件4.3.3应用中常见的误区1.常见误区之一甩掉笨重的减速器(1)从功率看负载实际消耗的功率：图4-16不要减速器a)有减速器时b)无减速器时4.3变频拖动系统的基本规律(

11、2)从转矩看电动机额定转矩的大小计算如下：2.常见误区之二通过增加工作频率来提高劳动生产率图4-17增加工作频率a)50Hz运行b)60Hz运行4.3变频拖动系统的基本规律(1)从功率看当负载的转速提高为353r/min后，它所消耗的功率将增大为(2)从转矩看1)电动机的额定转矩2)电动机的工作频率升高为fX1=60Hz后，其有效转矩将减小为3.常见误区之三减少磁极对数以减小体积(1)从转矩看75kW，980r/min电动机的额定转矩是TMN1=731Nm，而75kW，1480r/min电动机的额定转矩是TMN2=484Nm，只有原来的66%。(2)从功率看当75kW电动机的运行频率为33Hz

12、(kf=0.66)时，其有效功率为4.3变频拖动系统的基本规律图4-186极电动机代替4极电动机a)4极电动机b)6极电动机4.4恒转矩负载的变频调速4.4.1恒转矩负载的特点1.机械特性图4-19恒转矩负载举例a)带式输煤机b)负载机械特性c)负载的工况2.工况3.实例4.4恒转矩负载的变频调速(1)电动机数据55kW，102.5A，1480r/min；实测最大电流为95A，最大负载率max为(2)调速范围根据实际需要，将调速范围定为2 1，工作频率范围是2550Hz。(3)变频器选型1)容量因为电动机的最大运行电流并未超过额定电流，故变频器的容量不必加大。2)型号考虑到输煤机要求转速平稳，

13、且起动转矩较大，故选用富士公司的G1系列变频器，额定数据是：85kVA，112A。4.4.2主要功能的预置1.基本U/f线(1)最高电压由功能码F05预置为380V。4.4恒转矩负载的变频调速(2)基本频率由功能码F04预置为50Hz。图4-20基本功能的预置a)基本U/f线b)标准频率给定线2.标准频率给定线4.4恒转矩负载的变频调速(1)标准频率给定信号由功能码F01选择电压给定，给定电压的范围是(0+10)V。(2)最高频率由功能码F03预置为50Hz。3.上、下限频率(1)上限频率根据实际需要，由功能码F15预置为45Hz。(2)下限频率根据实际需要，由功能码F16预置为20Hz。4.

14、起动频率(1)起动频率因为传输带在静止状态时的静摩擦系数较大，故由功能码F23把起动频率预置为6Hz，使它在起动时有一定的冲击力，以利于起动。(2)起动频率持续时间由功能码F24预置为2s。4.4恒转矩负载的变频调速图4-21起动频率持续时间的作用a)静止状态b)运行状态5.加、减速时间4.4恒转矩负载的变频调速图4-22加、减速时间的预置a)加速时间b)观察位置c)减速时间4.4恒转矩负载的变频调速6.控制方式的选择(1)控制方式带式输煤机对动态响应的要求不高，调速范围也不大，故由功能码F42选择数据码“5”，即选择无反馈矢量控制方式。(2)电动机参数的自测量步骤如下：1)将电动机和负载脱开

15、，以便进行旋转自测量。2)按PRG/RESET键，使变频器处于“编程模式”。3)通过功能码P01P03，输入电动机的磁极数、额定功率和额定电流。4)将功能码P04预置为“3”，选择旋转自测量。5)按PRG/RESET键，使变频器回到“运行模式”。6)按RUN键，变频器即开始自动测量电动机的参数。4.4恒转矩负载的变频调速图4-23G1S的自动测量时序4.4.3设计控制电路4.4恒转矩负载的变频调速图4-24带式输煤机的控制电路a)控制电路b)操作盒4.4恒转矩负载的变频调速1.准备2.变频器的通电3.电动机的起动和停止(1)起动按下SF，端子FWD得到信号，电动机起动，并自锁。(2)停止按下S

16、T，切断自锁，电动机停止。4.加速与减速(1)加速将功能码E02预置为“17”，使X2端子的功能为“增命令”，即频率递增功能，则按下SB1，电动机就加速；(2)减速将功能码E03预置为“18”，使X3端子的功能为“减命令”，即频率递减功能，则按下SB2，电动机就减速。5.频率指示6.报警4.5重力负载的变频调速4.5.1重力负载及其特点图4-25起升机构的结构4.5重力负载的变频调速1.起升机构的大致组成(见图4-25)2.起升机构的转矩分析(1)电动机的电磁转矩TM即由电动机产生的转矩，是主动转矩，其方向可正可负；(2)重力转矩TG由重物及吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊钩等的重量

17、G与卷筒半径r的乘积：(3)摩擦转矩T0由于减速机构的传动比较大，最大可达50(=50)，因此，减速机构的摩擦转矩(包括其他损失转矩)不可忽略。4.5.2变频调速系统的四象限运行4.5重力负载的变频调速图4-26电动机在四个象限中1.四个象限的工作特点4.5重力负载的变频调速(1)第象限是电动机的正向拖动状态，这时：电动机的转矩、转速和功率都是“+”值，大多数正向运行状态都在第1象限。(2)第象限电动机的转速是正方向的，但电磁转矩却是“-”的，说明是制动转矩。(3)第象限是电动机的反向拖动状态，这时：电动机的转矩、转速都是“-”值，但功率是正的，说明是电动机在做功。(4)第象限是反向制动状态。

18、2.起升过程中电动机的工作状态(1)重物上升重物的上升，完全是电动机正向转矩作用的结果。4.5重力负载的变频调速图4-27重物上升时的工作点a)重物上升b)工作点4.5重力负载的变频调速图4-28空钩下降时的工作点a)空钩下降b)工作点4.5重力负载的变频调速图4-29重载下降时的工作点a)重载下降b)工作点4.5重力负载的变频调速(2)空钩(包括轻载)下降空钩(或轻载)时，由于受减速机构摩擦转矩的阻碍，重物自身将不能下降，必须由电动机反向运行来实现。(3)重载下降重载下降时，重物自身的重力将超过摩擦转矩，具有依靠自重而下降的能力，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。4.5.3溜

19、钩的防止1.电磁制动器(1)基本电路电磁制动器的基本电路如图4-30a所示。4.5重力负载的变频调速图4-30电磁铁制动器电路a)电磁制动器的接法b)线圈的电流4.5重力负载的变频调速(2)动作时间制动器从抱紧状态到松开，以及从松开状态到抱紧，是需要时间的，称为动作时间。2.溜钩的产生3.原拖动系统的防溜钩措施(1)由“停止”到运行电磁制动器线圈与电动机同时通电。(2)由运行到“停止”使制动器先于电动机0.6s断电，以确保电动机在制动器已经抱紧的情况下断电。4.5.4重力负载变频调速示例1.绕线转子异步电动机的处理4.5重力负载的变频调速图4-31绕线转子的处理2.变频器的选择4.5重力负载的

20、变频调速(1)容量起重机械以安全为第一考量。(2)型号如上述，重物在上升和下降的过程中，要求电动机能够四象限运行。3.防止镏钩的措施(1)重物从停止转为运行假设重物正停在半空中，变频器得到运行(上升或下降)信号，其控制时序如图4-32所示：图4-32防止溜钩时序4.5重力负载的变频调速1)由功能码Pr.278设定一个“制动开起频率”fSD=3Hz，则当变频器的工作频率上升到3Hz时，将暂停上升。2)当变频器确认已经有足够大的输出电流时，发出“松开”指令，制动电磁铁开始通电；3)由功能码Pr.281预置制动器开起时间tSD=1s，tSD的长短根据制动器的大小进行估计；4)在制动器完全松开后，变频

21、器将输出频率上升到操作工设定的频率，重物将按所设定的速度上升或下降。(2)重物停住的控制过程当变频器得到停止信号后，控制时序如下：4.5重力负载的变频调速1)变频器的输出频率开始下降，考虑到制动器在线圈断电后还有续流过程，为此，制动器的线圈必须提前断电，由功能码Pr.282预置制动器断电频率fA=15Hz；2)当变频器的工作频率下降到fSD=3Hz时，制动器开始抱紧；3)由功能码Pr.283预置制动器抱紧时间tBB=1s；4)变频器将工作频率下降至0Hz。4.控制电路图4-33提升机的控制电路4.5重力负载的变频调速(1)变频器各端子的功能1)输入端子2)输出端子(2)控制电路的动作1)变频器

22、通电按SB接触器KM线圈得电变频器接通电源。2)中速上升按SF2继电器KF2得电STF得到信号，电动机正转，重物上升。3)低速下降按SR3继电器KR3得电STR得到信号，电动机反转，重物下降。4.5.5大车的控制特点4.5重力负载的变频调速图4-34电动机负荷的分配a)大车示意图b)正常机械特性c)下垂特性的预置d)下垂机械特性A驾驶室B小车C馈电滑线D主梁ABCD4.5重力负载的变频调速1.大车的馈电特点2.大车的拖动特点4.6恒功率负载的变频调速4.6.1恒功率负载的特点1.卷绕机械的工作特点图4-35卷绕机械4.6恒功率负载的变频调速(1)要求被卷物的张力FT保持恒定，否则将影响被卷物的

23、材质；(2)为了使张力恒定，被卷物在行进过程中的线速度v必须恒定。2.卷绕机械的机械特性图4-36卷绕机械的机械特性a)起卷时b)卷绕结束时4.6恒功率负载的变频调速4.6.2变频调速系统的主要问题1.卷绕机械变频的主要问题(见图4-37)(1)开始卷绕时的负载功率刚开始卷绕时，阻转矩很小，但转速却很高，负载功率：(2)卷绕结束时的负载功率卷绕快结束时，阻转矩很大，但转速却很低，负载功率：图4-37卷绕机械实现变频的主要问题a)卷绕过程b)电动机容量4.6恒功率负载的变频调速(3)电动机所需功率电动机的额定转速应该能够满足负载的最高转速；而电动机的额定转矩也应该不小于负载的最大转矩。2.减小电

24、动机容量的途径(1)最高频率为100Hz如果把电动机的最高工作频率提高到100Hz，那电动机的额定转速只需与负载最高转速的二分之一对应就可以了，电动机的额定功率也随之减小了一半，如图4-38a中之曲线所示；图4-38减小电动机容量的途径a)最高频率为100Hzb)最高频率为150Hz4.6恒功率负载的变频调速(2)最高频率为150Hz再把电动机的最高工作频率提高到150Hz，那电动机的额定转速只须与负载最高转速的三分之一对应就可以了，电动机的额定功率也随之减小到原来的三分之一，如图4-38b中之曲线所示。(3)电动机的最高工作频率一般认为，如果是恒转矩负载，则最高工作频率不宜超过80Hz。3.

25、实例(1)基本计算1)负载的最大转矩：2)负载的最小转矩：3)负载的最高转速：4)负载的最低转速：4.6恒功率负载的变频调速(2)加大最高频率如最高频率fmax1=180Hz4.6恒功率负载的变频调速4.6.3卷绕机械变频调速的控制方案1.转矩控制方案(1)转矩控制功能这里所说的转矩控制，是矢量控制下的一种控制方法，它和第2章第2.4.4节所说的“直接转矩控制”是两回事。图4-39变频器的转速控制和转矩控制a)转速控制b)转矩控制4.6恒功率负载的变频调速(2)转矩控制的特点如图4-40b所示，直线是电动机的输出转矩，只要给定信号不变，输出轴上的转矩也就不变。图4-40转矩控制特点a)卷绕机械

26、b)转矩控制特点(3)变频器选型应选能够进行矢量控制，4.6恒功率负载的变频调速且具有转矩控制功能的变频器。(4)变频器输入端子的功能预置如图4-41所示。图4-41卷绕机械的转矩控制4.6恒功率负载的变频调速2.闭环控制方案图4-42卷绕机械的闭环控制4.7二次方律负载的变频调速4.7.1二次方律负载的特点图4-43二次方律负载及其特性a)风扇叶片b)机械特性c)功率特性4.7二次方律负载的变频调速1.转矩特点2.功率特点4.7.2风机变频调速要点1.基本电路图4-44风机变频调速电路4.7二次方律负载的变频调速2.主要功能预置(1)最高频率由于风机属于二次方律负载，故最高频率不允许超过电动

27、机的额定频率(基本频率)。(2)上限频率根据实际需要进行预置。(3)下限频率风机在频率太低时，风量太小，实际意义不大，故下限频率常预置为25Hz。(4)转矩提升1)U/f线类型离心式风机在低速时的阻转矩很小，故可选二次方律U/f线，如图4-45a中之曲线。4.7二次方律负载的变频调速图4-45U/f线的预置a)U/f线类型b)预置转矩提升量4.7二次方律负载的变频调速2)转矩提升量中、小容量的风机，转矩提升量可预置为0；大容量的风机需要有一定的起动转矩，可适当预置转矩提升量，如图4-45b中之曲线所示。(5)升、降速时间一方面，风机的惯性较大；另一方面，风机一般都是连续运行的，起动和停机的次数

28、很少，起动和制动时间的长短并不影响生产。(6)升、降速方式离心式风机在低速段阻转矩很小，升速过程可以快一些，但当转速接近于额定转速时，阻转矩增加很大，加速过程应适当放缓。4.7二次方律负载的变频调速图4-46风机的升、降速方式(7)起动功能风机在停机状态下，4.7二次方律负载的变频调速叶片由于自然通风而自行转动时，通常是反转的如图4-47a所示。图4-47起动前直流制动a)停机状态b)直流参数c)转速曲线4.7二次方律负载的变频调速4.7.3水泵变频调速的功能预置1.最高频率2.上、下限频率(1)上限频率水泵的上限频率通常预置为50Hz，但因为在变频50Hz下运行，与工频50Hz运行相比，至少增加了变频器本身的功耗。(2)下限频率由于水泵的扬程特性与转速有关，转速太低，供水系统有可能因达不到实际扬程而不能供水。3.转矩提升4.升、降速时间5.升、降速方式