1、變頻器功能解析(講座)變頻器功能解析變頻器的保護和顯示功能 Protection and Monitor Function of the Inverter摘要: 本文介紹了變頻器的保護和顯示功能。關 鍵 詞: 過載   過電流   過電壓   欠電壓   防止跳閘   瞬時停電   重合閘   運行數據  &

2、#160;端子功能   跳閘原因Abstract: This paper introduced the protection and monitor function of the inverter.Keywords:Over load    Over current   Over voltage  Under voltage 

3、 Stall prevention   Momentary power loss   Restart   Running data   State of terminals   CaUse of trip1  電動機過載的保護功能1.1 基礎概念電動機過載的基本特征是溫升超過額定溫升。因此，從根本上說，對電動機進行過載保護的目的，是使電動機不因過熱

4、而燒壞。1.1.1 電動機的溫升曲線(1) 溫升曲線及其含義電動機運行時，其損耗功率(主要是銅損)必然要轉換成熱能，使電動機的溫度升高。圖1  電動機的溫升曲線電動機的發熱過程屬于熱平衡的過渡過程。因此，基本規律和其他的過渡過程相同，其溫升也遵循按指數曲線上升(或下降)的規律，如圖1(a)中曲線所示。其物理意義是:由于電動機在溫度升高的同時，必然要向周圍散熱，溫升越大，散熱也越快。故溫升不可能按線性規律上升，而是越升越慢。當電動機產生的熱量和散發的熱量相平衡時，溫升不再增. .講座一頻率的給定與相關功能 Reference and Interrelated

5、0;Function for Inverter摘要: 本文綜述了變頻器的各種頻率給定功能，以及某些相關的功能，并舉例說明了它們的應用。關 鍵 詞: 頻率給定 面板給定 外接模擬量給定 頻率給定線偏置頻率Abstract:This paper introduced all reference and interrelated function with inverter. And gave some examples&

6、#160;for application.Keywords: Frequency command  Keyboard frequency command   External analog input  Curve of analog frequency command1 頻率給定的方式與選擇1.1 基礎概念(1) 給定方式的基本含義 要調節變頻器的輸出頻率，必須首先向變頻器提供改變頻率的信號，這個信號，稱為頻率給定信號，也有

7、稱為頻率指令信號或頻率參考信號的。所謂給定方式，就是調節變頻器輸出頻率的具體方法, 也就是提供給定信號的方式。(2) 面板給定方式 通過面板上的鍵盤或電位器進行頻率給定(即調節頻率)的方式，稱為面板給定方式，面板給定又有兩種情況如圖1所示:(a) 鍵盤給定頻率的大小通過鍵盤上的升鍵(鍵)和降鍵(q鍵)來進行給定。鍵盤給定屬于數字量給定，精度較高。(b) 電位器給定部分變頻器在面板上設置了電位器，如圖1(a)所示。頻率大小也可以通過電位器來調節。電位器給定屬于模擬量給定，精度稍低。圖1頻率的面板給定方式 多數變頻器在面板上并無電位器，故說明書中所說的"面板給定"，實際就是鍵盤

8、給定。 變頻器的面板通常可以取下，通過延長線安置在用戶操作方便的地方，如圖2所示。圖2面板遙控給定 此外, 采用哪一種給定方式, 須通過功能預置來事先決定。(3) 外部給定方式 從外接輸入端子輸入頻率給定信號，來調節變頻器輸出頻率的大小，稱為外部給定，或遠控給定。主要的外部給定方式有:(a) 外接模擬量給定 通過外接給定端子從變頻器外部輸入模擬量信號(電壓或電流)進行給定，并通過調節給定信號的大小來調節變頻器的輸出頻率。 模擬量給定信號的種類有:·電壓信號 以電壓大小作為給定信號。給定信號的范圍有:010V、210V、0±10V、05V、15V、0±5V等。

9、83;電流信號 以電流大小作為給定信號。給定信號的范圍有:020mA、420mA等。(b) 外接數字量給定 通過外接開關量端子輸入開關信號進行給定。(c) 外接脈沖給定 通過外接端子輸入脈沖序列進行給定。(d) 通訊給定 由PLC或計算機通過通訊接口進行頻率給定。1.2 選擇給定方式的一般原則(1) 面板給定和外接給定 優先選擇面板給定。因為變頻器的操作面板包括鍵盤和顯示屏，而顯示屏的顯示功能十分齊全。例如，可顯示運行過程中的各種參數，以及故障代碼等。 但由于受聯接線長度的限制，控制面板與變頻器之間的距離不能過長。(2) 數字量給定與模擬量給定 優先選擇數字量給定。因為:(a) 數字量給定時頻

10、率精度較高;(b) 數字量給定通常用觸點操作，非但不易損壞，且抗干擾能力強。(3) 電壓信號與電流信號 優先選擇電流信號。因為電流信號在傳輸過程中，不受線路電壓降、接觸電阻及其壓降、雜散的熱電效應以及感應噪聲等等的影響，抗干擾能力較強。 但由于電流信號電路比較復雜，故在距離不遠的情況下，仍以選用電壓給定方式居多。2 模擬量給定的調整功能2.1 基礎概念(1) 頻率給定線的定義 由模擬量進行頻率給定時，變頻器的給定信號X(X是給定信號的統稱，既可以是電壓信號UG，也可以是電流信號IG與對應的給定頻率fX之間的關系曲線fXf()，稱為頻率給定線。(2) 基本頻率給定線 (a) 定義 在給定信號X從

11、0增大至最大值Xmax的過程中，給定頻率fX線性地從0增大到最大頻率fmax的頻率給定線 稱為基本頻率給定線。其起點為(X0，fX0); 終點為 (XXmax，fXfmax)，如圖3(a)和(b)所示。 圖3基本頻率給定線 例如，給定信號為UG010V，要求對應的輸出頻率為fX050Hz。 則:UG0V與fX0Hz相對應;UG10V與fX50Hz相對應。(2) 最大頻率fmax 在數字量給定(包括鍵盤給定、外接升速/降速給定、外接多檔轉速給定等)時，是變頻器允許輸出的最高頻率;在模擬量給定時，是與最大給定信號對應的頻率。(3) 頻率給定線的調整 在生產實踐中，生產機械所要求的最低頻率及最高頻率

12、常常不是0Hz和額定頻率，或者說，實際要求的頻率給定線與基本頻率給定線并不一致。所以，需要對頻率給定線進行適當的調整，使之符合生產實際的需要。因為頻率給定線是直線，所以，調整的著眼點便是:(a) 頻率給定線的起點 即當給定信號為最小值時對應的頻率;(b) 頻率給定線的終點 即當給定信號為最大值時對應的頻率。2.2 偏置頻率和頻率增益設定方式 (1) 偏置頻率 部分變頻器把與給定信號為"0"時的對應頻率稱為偏置頻率，用fBI表示，如圖4所示。偏置頻率的表示方式主要有: 圖4 偏置頻率 (a) 頻率表示 即直接用頻率值fBI值表示;(b) 百分數表示 用百分數fBI表示: (2

13、) 頻率增益 當給定信號為最大值Xmax時，對應的最大給定頻率fXM與變頻器預置的最大輸出頻率fmax之比的百分數，用G表示:式中，頻率增益，;fmax變頻器預置的最大頻率，Hz;fXM虛擬的最大給定頻率，Hz。在這里，變頻器的最大給定頻率fXM不一定與最大頻率fmax相等。當100時，變頻器實際輸出的最大頻率就等于fXM，如圖5中之曲線所示(曲線是基本頻率給定線);當100時，變頻器實際輸出的最大頻率等于fmax，如圖5中的曲線所示。 圖5 頻率增益2.3 坐標設定方式 部分變頻器的頻率給定線是通過預置其起點和終點坐標來進行調整的。不同變頻器的具體方法又略有差異，介紹如下:(1) 直接坐標預

14、置 通過直接預置起點坐標(Xmin，fmin)與坐標(Xmax，fmax)來預置頻率給定線，如圖6(a)所示。如果要求頻率與給定信號成反比的話，則起點為(Xmin，fmax)，坐標為(Xmax，fmin)，如圖6(b)所示。 圖6 直接預置坐標調整頻率給定線 (2) 上、下限值預置 有的變頻器并不直接預置坐標點，而是通過預置給定信號或給定頻率的上、下限值來間接地進行坐標預置。具體地說，又有:(a) 預置給定信號的上、下限值 給定信號的最大限值用Xmax表示; 最小限值用Xmin表示，也可以用百分數Xmin來表示，如圖7(a)所示。 圖7 頻率給定線的起點與終點 (b) 預置給定頻率的上、下限值

15、 即給定頻率的最大值fmax和最小值fmin, 如圖7(b)所示。2.4 頻率給定線的應用舉例實例1某用戶要求:當模擬量給定信號為15V時，變頻器輸出頻率為050Hz。要滿足上述要求，各種變頻器的處理方法大致可分為兩大類:(1) 變頻器的給定信號范圍可選對于這類變頻器，可以將給定信號范圍直接預置為15V，使:與1V對應的頻率為0Hz，與5V對應的頻率為50Hz，作出頻率給定線如圖8(a)中之曲線所示(曲線為基本頻率線)。 圖8 實例1示意圖之一舉例說明如下:(a) 選用明電VT230S系列變頻器，如圖8(b)所示:將功能碼B00-1(最大頻率的簡單設定)預置為"1"，則最高

16、頻率選擇為"50Hz"將功能碼C12-0(FSV端子輸入模式)預置為"3"，則端子FSV輸入的給定信號范圍預置為"15"。(b) 選用瓦薩CX系列變頻器如圖8所示。將功能碼1.2(最大頻率)預置為"50Hz"將功能碼2.3(in信號的范圍)預置為"1"，則給定信號范圍由用戶設定;將功能碼2.4(in信號的最小值)預置為"10%"，則端子in輸入的給定信號的最小值為"10×101V"將功能碼2.5(in信號的最大值)預置為"50"

17、;，則端子in輸入的給定信號的最大值為"10×505V"。(2) 變頻器的給定信號范圍不可選這類變頻器的模擬量給定信號范圍通常規定為010V，針對這種情況，首先應正確作出頻率給定線。如圖9(a)所示，由"G1V、fX0Hz"得到頻率給定線的起點;又由"G5V、fX50Hz"得到頻率給定線的終點。圖9中，曲線為基本頻率給定線。 圖9 實例1示意圖之二由曲線的延長線知:與XG0V對應的頻率是fBI-12.5Hz，為最高頻率的-25;與XG10V對應的頻率是fXM112.5Hz，為最高頻率fmax的225。不同變頻器的功能預置情況

18、舉例如下:(a) 選用富士G11S系列變頻器，如圖9(b)所示。將功能碼F01(頻率設定1)預置為"1"，則給定信號從端子12輸入，信號范圍為"010V"將功能碼F03(最高輸出頻率1)預置為"50Hz"將功能碼F17(頻率設定信號增益)預置為"225"，使與5V對應的頻率為50Hz;將功能碼F18(頻率偏置)預置為"-12.5Hz"，使與1V對應的頻率為0Hz。(b) 選用安川G7A系列變頻器，如圖9(c)所示。將功能碼E1-04(最高輸出頻率)預置為50Hz;將功能碼H3-01(選擇頻率指令

19、端子A1的信號值)預置為"0"，則給定信號的范圍為010V;將功能碼H3-02(頻率指令端子A1輸入增益)預置為"225"，使與5V對應的頻率為50Hz;將功能碼H3-03(頻率指令端子A1輸入偏置)預置為"-25"，使與1V對應的頻率為0Hz。實例2用戶要求:當模擬量給定信號為(010)V時，變頻器的輸出頻率為(030)Hz。解決方法:可將最大給定信號時的頻率增益G預置為60，如圖10中曲線所示。 圖10 實例2之頻率給定線注意:變頻器的最大頻率不能小于基本頻率(通常等于額定頻率)，故本例中不能把最大頻率預置為"30Hz&

20、quot;。3 模擬量給定的正、反轉控制與濾波3.1 模擬量給定的正、反轉功能(1) 控制方式 主要有兩種方式:(a) 由雙極性給定信號控制 給定信號可""可""，正信號控制正轉，負信號控制反轉，如圖11(a)所示。 圖11 模擬量給定的正、反轉控制 (b) 由單極性給定信號控制給定信號只有""值，由給定信號中間的任意值作為正轉和反轉的分界點，如圖11(b)所示。(2) 死區的設置 用模擬量給定信號進行正、反轉控制時，"0"速控制很難穩定，在給定信號為""時，常常出現正轉或反轉的"蠕動

21、"現象。為了防止這種"蠕動"現象，需要在""速附近設定一個死區X，使給定信號從-X到X的區間內，輸出頻率為0Hz。 (3) 有效"0"的功能 在給定信號為單極性的正、反轉控制方式中，存在著一個特殊的問題。即，萬一給定信號因電路接觸不良或其他原因而"丟失"，則變頻器的給定輸入端得到的信號為"0"，其輸出頻率將跳變為反轉的最大頻率，電動機將從正常工作狀態轉入高速反轉狀態。 十分明顯，在生產過程中，這種情況的出現將是十分有害的，甚至有可能損壞生產機械。 對此，變頻器設置了一個有效"

22、0"功能。就是說，變頻器的最小給定信號不等于0(Xmin0)。如果給定信號X0，變頻器將認為是故障狀態而把輸出頻率降至0Hz。例如，將有效""預置為0.3V。則:當給定信號X0.3V時, 變頻器的輸出頻率為fmin;當給定信號X0.3V時, 變頻器的輸出頻率降為0Hz。3.2 模擬量給定的濾波時間(1) 濾波時間的含義 變頻器在接受模擬量給定信號時，首先要進行濾波，其物理意義與圖12中的濾波電容類似(通常都采用數字濾波)。圖中，綜坐標是給定信號的百分數X。 圖12 給定信號的濾波濾波的目的, 是消除干擾信號對頻率給定信號的影響。濾波時間常數，是指給定信號上升至穩定

23、值63所需的時間。(2) 濾波時間的影響·濾波時間太短 當變頻器顯示"給定頻率"時，有可能不夠穩定;·濾波時間太長當調節給定信號時，給定頻率隨給定信號改變時的響應速度較慢。4 輔助給定與其他功能4.1 輔助給定功能(1) 基本概念 當變頻器有兩個或多個模擬量給定信號同時從不同的端子輸入時，其中必有一個為主給定信號，其他為輔助給定信號。 大多數變頻器的輔助給定信號都是疊加到主給定信號(相加或相減)上去的。疊加后在頻率給定線如圖13中的曲線和曲線所示。 圖13 主給定與輔助給定 (2) 應用舉例(a) 多單元拖動系統的同步運行 圖14 自動同步控制 在造紙、

24、印染等機械中，整臺機器具有若干個單元，每個單元都有各自獨立的拖動系統, 如圖14所示:第單元由電動機拖動，第二單元由電動機拖動。通常, 把第單元稱為主令單元, 后面的各單元稱為從動單元。在這種情況下，總是要求被加工物在各單元的線速度一致:顯然，如果后面的速度低于前面，將導致被加工物的堆積;反之，如果后面的速度高于前面，將導致被加工物的撕裂。因此，對于多單元拖動系統的要求是:·在調速時, 各單元必須同時調節;·各單元的運行線速度必須步調一致, 即實現同步運行。(b) 同步信號的取出通常，各單元都有線速度的檢測裝置，如圖14中的SV1和SV2所示。把SV1和SV2取出的線速度信

25、號在數據處理器中進行比較后變換成同步信號，接至各從動單元的輔助給定輸入端，通過功能預置，使VR1端的主給定信號與VR2端的輔助給定信號相減。(c) 電路特點，如圖14所示。·統調信號將各變頻器的主給定端VR1-COM都并聯起來, 與統調給定信號相接, 使各變頻器的主給定信號同時改變, 實現了統調。·各單元的微調 當從動單元與主令單元的不一致時，數據處理器將輸出一個微調信號給從動單元，使從動單元的線速度和主令單元相等。1單元是主令單元，不需要進行微調。4.2 頻率給定的其他功能(1) 頻率指令的保持功能 變頻器在停機后, 是否保持停機前的運行頻率的選擇功能。再開機時, 變頻器

26、的運行頻率有兩種狀態可供選擇:·保持功能無效 運行頻率為0Hz，如要回復到原來的工作頻率，須重新加速。·保持功能有效 運行頻率自動上升到停機前的工作頻率。(2) 點動頻率功能 點動是各類機械在調試過程中經常使用的操作方式。因為主要用于調試，故所需頻率較低，一般也不需要調節。所以，點動頻率(用fJ表示)是通過功能預置來確定的。有的變頻器也可以預置多檔點動頻率。(3) 頻率給定異常時的處理功能 給定信號異常大致有以下兩種情形:(a) 給定信號丟失 當外接模擬頻率給定信號因電路接觸不良或斷線而丟失時，變頻器處理方式的選擇功能。例如，是否停機，如繼續運行，則在多大頻率下運行等。(b

27、) 給定信號小于最低頻率時的處理功能 有的負載在頻率很低時實際上不能運行，因而需要預置"最低頻率"。對應地，也就有一個最小給定信號。當實際給定信號小于最小給定信號時，應視為異常狀態。5 頻率的限制功能5.1 上、下限頻率(1) 基礎概念(a) 生產機械對轉速范圍的要求 生產機械根據工藝過程的實際需要，常常要求對轉速范圍進行限制。以某攪拌機為例，如圖15(a)所示。要求的最高轉速是600r/min，最低轉速是150r/min。 圖15 上限頻率和下限頻率 (b) 變頻器的上、下限頻率 根據生產機械所要求的最高與最低轉速，以及電動機與生產機械之間的傳動比，可以推算出相對應的頻率

28、，分別稱為上限頻率(用fH表示)與下限頻率(用fL表示)。在上例中，如傳動比2，則: (2) 上限頻率與最高頻率的關系·上限頻率小于最高頻率 ·上限頻率比最高頻率優先 這是因為，上限頻率是根據生產機械的要求來決定的，所以具有優先權。5.2 回避頻率(1) 基礎概念 任何機械在運轉過程中，都或多或少會產生振動。每臺機器又都有一個固有振蕩頻率，它取決于機械的結構。如果生產機械運行在某一轉速下時，所引起的振動頻率和機械的固有振蕩頻率相吻合的話，則機械的振動將因發生諧振而變得十分強烈(也稱為機械共振)，并可能導致機械損壞的嚴重后果。 圖16 回避頻率 設置回避頻率fJ的目的，就是使

29、拖動系統"回避"掉可能引起諧振的轉速，如圖16所示。(2) 回避頻率的預置 預置回避頻率時，必須預置以下兩個數據:·中心回避頻率fJ 即回避頻率所在的位置;·回避寬度fJ 即回避區域，如圖16(a)所示。(3) 回避頻率的數量 大多數變頻器都可以預置三個回避頻率, 如圖16(b)所示。6 載波頻率的選擇功能6.1 基礎概念 變頻器輸出電壓的波形，都是經過脈寬調制后的系列脈沖波。脈寬調制的基本方法是:各脈沖的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交點決定的，如圖17所示。在這里，正弦波稱為調制波，三角波稱為載波。三角波的頻率就稱為載波頻率，用fC表示。 圖1

30、7 變頻器輸出電壓波的形成 圖17中，uU、V、W是各相的相電壓波形, uUV則是U相和V相間線電壓的波形。顯然, 電壓脈沖序列的頻率必等于載波頻率。 在PWM電壓脈沖序列的作用下, 電流波形是脈動的, 脈動頻率與載波頻率一致。脈動電流將使電動機鐵心的硅鋼片之間產生電磁力并引起振動，產生電磁噪聲。改變載波頻率時, 電磁噪聲的音調也將發生改變。所以, 有的變頻器對于調節載波頻率的功能, 稱為"音調調節功能"。6.2 載波頻率大小的影響(1) 載波頻率對變頻器輸出電流的影響(a) 載波頻率與電流波形 運行頻率越低, 則電壓波的平均占空比越小, 電流高次諧波成分越大, 故適當提高

31、載波頻率, 可以改善電流波形。(b) 載波頻率與死區 逆變橋中, 同一橋臂的上、下兩個逆變管是在不停地交替導通的，為了保證在交替導通時, 只有當一個逆變管完全截止的情況下, 另一個逆變管才開始導通。在交替過程中，必須有一個死區(等待時間)。載波頻率和死區的關系有如下的幾個方面:·變頻器的輸出電流越大，每次交替所要求的死區也越大;·載波頻率越高，則死區的累計值越大，變頻器的平均輸出電流越小。 圖18 載波頻率對輸出電流的影響 因此，載波頻率越高，變頻器的允許輸出電流越小，如圖18所示(圖中曲線系根據西門子440系列變頻器提供的資料作出)。(c) 載波頻率引起的漏電流 載波頻率

32、越高，因線路相互之間，以及線路與地之間分布電容的容抗越小，由高頻脈沖電壓引起的漏電流越大，如圖19(a)所示。 圖19 載波頻率的影響 (2) 載波頻率對其他設備的影響(a) 高頻電壓的影響·對電動機運行的影響 當電動機與變頻器之間的距離較遠時，則載波頻率越高，由線路分布電容引起的不良效應(如電動機側電壓升高、電動機振動等)越大;·對其他設備的干擾 載波頻率越高，則高頻電壓通過靜電感應對其他設備的干擾也越嚴重。(b) 高頻電流的影響如圖19(b)所示。·電磁感應對其他設備的干擾 高頻電流產生的高頻磁場將通過電磁感應對其他設備的控制線路產生干擾;·電磁輻射

33、對其他設備的干擾 高頻電磁場具有強大的輻射能量，使其他設備，尤其通訊設備受到干擾。 (3) 載波頻率與輸出功率的關系·載波頻率越高，諧波電流的頻率也越高，則電動機定子繞組的趨表效應越嚴重，有效電阻值及其損失增大，電動機的輸出功率越小;·載波頻率越高，死區的累計時間越大，變頻器實際工作的時間越短，輸出功率越小。(4) 載波頻率與環境溫度當環境溫度升高時，逆變橋中，上、下兩個逆變管在交替導通過程中的死區將變窄，嚴重時可導致橋臂"直通"(短路)而損壞變頻器。參考文獻(略)作者簡介張燕賓(1937-) 男 高級工程師 退休前在宜昌市自動化研究所工作，曾任自動化研

34、究所副所長、宜昌市科委駐深圳聯絡處主任;宜昌市自動化學會理事長、湖北省自動化學會常務理事。著作:SPWM變頻調速應用技術(編著，機械工業出版社1997年12月初版;2002年月第二版);變頻調速應用實踐(主編，機械工業出版社2001年1月出版);變頻器應用基礎(副主編，機械工業出版社2003年1月出版)。講座二電動機特性的控制功能 Control Function for Improving the Mechanical Characteristics of Motor摘要: 本文綜述了變頻器為了改善電動機的機械特

35、性而設置的各種控制模式及其相關功能。關 鍵 詞: 控制模式   V/F控制   轉矩補償   矢量控制   自動檢測   旋轉編碼器   轉矩控制Abstract:This paper introduced all control mode for improving the mechanical characteri

36、stics of motor. And it's interrelated function.Keywords:Control mode V/F control  Torque boost  Vector control  Auto-tuning  Encoder  Torque control1  變頻引出的特殊問題1.1 異步電動機在頻率下降后出現的問題&

37、#160;   異步電動機的輸入輸出如圖1所示。圖1     異步電動機的輸入和輸出 (1) 問題的提出(a) 電動機的輸入功率眾所周知，電動機是將電能轉換成機械能的器件。三相交流異步電動機輸入的是三相電功率P1:            (b) 電動機的輸出功率電動機是用來拖動負載旋轉的，因此，其輸出功率便是軸上的機械功率:       

38、                        式(2)中: P2電動機輸出的機械功率，kW;  TM電動機軸上的轉矩，N·m; M電動機軸上的轉速，r/min。(c) 頻率下降后出現的問題毫無疑問，頻率下降的結果是轉速下降。這是因為，異步電動機的轉速和頻率有關:    

39、;                       式(4)中: 0同步轉速(即旋轉磁場的轉速), r/min。由式(2)知, 轉速下降的結果是:電動機的輸出功率下降。    然而, 式(1)表明, 電動機的輸入功率和頻率之間卻并無直接關系。如果仔細分析的話，當頻率下降時，輸入功率將是有增無減的(因為反電動勢將減小)。  

40、  輸入不變而輸出減少，這似乎有悖于能量守恒的原理，出現了什么問題呢？ (2) 異步電動機的能量傳遞    異步電動機的轉子是依靠電磁感應(轉子繞組切割旋轉磁場)而得到能量的，如圖2(a)所示。所以，其能量是通過磁場來傳遞的。傳遞過程如圖2(b)所示, 可歸納如下:圖2     異步電動機的能量傳遞 (a) 從輸入的電功率P1中扣除定子側損失(定子繞組的銅損pCu1和定子鐵心的鐵損pFe1)后，便是通過磁場傳遞給轉子的功率，稱為電磁功率，用PM表示:    

41、;       (b) 轉子得到的電磁功率PM中扣除轉子側損失(轉子繞組的銅損PCu2和轉子鐵心的鐵損PFe2)，便是轉子輸出的機械功率P2:                顯然，頻率下降的結果必將導致電磁功率PM的“中部崛起”，這意味著磁通的大量增加。那么，PM是如何增大的呢？ (3) 定子側的等效電路(a) 定子磁通及其在電路中的作用  如圖3(a)所示，定子磁通可以分為兩

42、個部分:圖3     定子側的等效電路·主磁通1 主磁通1是穿過空氣隙與轉子繞組相鏈的部分，是把能量傳遞給轉子的部分。它在定子繞組中產生的自感電動勢稱為反電動勢，用E1表示，其有效值的計算如下式:          式(7)表明，反電動勢E1與頻率fX和主磁通M的乘積成正比:      在頻率一定的情況下，反電動勢的數值直接反映了主磁通的大小。或者說，主磁通M的大小是通過反電動勢E1的大

43、小來體現的。·漏磁通0 漏磁通0是未穿過空氣隙與轉子繞組相鏈的部分，它并不傳遞能量，它在定子繞組中產生的自感電動勢只起電抗的作用，稱為漏磁電抗X1，其壓降為I1X1。(b) 定子側的等效電路圖3(b)所示即為定子繞組的一相等效電路，其電動勢平衡方程如下:                      (c) 電磁功率的計算    如

44、上述，把能量從定子傳遞給轉子的是主磁通M，而主磁通M在電路中通過反電動勢E1來體現，所以，電磁功率可計算如下:      (d) 頻率下降的后果    由式(8)知, 當頻率fX下降時，反電動勢E1也將下降，由式(10)知，這將引起電流I1的增大，并導致磁通M和電磁功率PM的增大。1.2 保持磁通不變的必要性和途徑(1) 保持磁通不變的必要性(a) 磁通減小 任何電動機的電磁轉矩都是電流和磁通相互作用的結果，電流是不允許超過額定值的，否則將引起電動機的發熱。因此，如果磁通減小，電磁轉矩也必減小，

45、導致帶載能力降低。(b) 磁通增大 電動機的磁路將飽和，由于在變頻調速時，運行頻率fX是在相當大的范圍內變化的，因此，如不采取措施的話，磁通的變化范圍也是非常大的。它極容易使電動機的磁路嚴重飽和，導致勵磁電流的波形嚴重畸變，產生峰值很高的尖峰電流，如圖4所示。圖4的上半部是電動機的磁化曲線;下半部則是勵磁電流的波形。圖4     磁化曲線與勵磁電流所以，變頻調速的一個特殊問題便是:當頻率fX變化時，必須使磁通保持不變:           con

46、st (2) 保持磁通不變的方法由式(8)知，保持const的準確方法是:         即，在調節頻率時，必須保持反電動勢E1X和頻率fX的比值不變。但反電動勢是由定子繞組切割旋轉磁通而感生的，無法從外部進行控制。于是用保持定子側輸入電壓和頻率之比等于常數來代替:           式(13)中: U1X運行頻率為fX時的輸入電壓，V。所以, 在改變頻率時, 必須同時改變定子側的輸入電壓。設頻率的調節

47、比為:       1.3 變壓變頻存在的問題及原因分析(1) 存在的問題(a) 衡量調速性能的主要因素    電動機的基本功能是拖動生產機械旋轉，因此，在低頻時的帶負載能力便是衡量變頻調速性能好壞的一個十分重要的因素。(b) 調壓調頻存在的問題    滿足式(16)的情況下進行變頻調速時，隨著頻率的下降，電動機的臨界轉矩和帶負載能力(用有效轉矩MEX表示)也有所下降，如圖5所示。圖5     頻率下降(U

48、/fC)后的機械特性 (2) 臨界轉矩下降的原因分析(a) 電磁轉矩的產生     異步電動機的電磁轉矩是轉子電流和磁通相互作用的結果。因此，問題的關鍵便是:在滿足式(16)的情況下，低頻時能否保持磁通量基本不變？(b) 電磁轉矩減小的原因     式(9)可以改寫為:                  式(17)表明

49、，反電動勢是定子側輸入電壓減去阻抗壓降的結果。    當頻率fX下降時，輸入電壓U1X隨之下降。但在負載不變的情況下，電流I1及其阻抗壓降卻基本不變, 于是反電動勢E1X所占的比例必將減小。由式(12)知, 磁通M也必減小，磁通不變的要求并沒有真正得到滿足，結果是導致電動機的臨界轉矩也減小。2  V/F控制功能2.1 V/F控制模式(1) 指導思想    為了確保電動機在低頻運行時，反電動勢和頻率之比保持不變，真正實現const，在式(16)的基礎上，適當提高U/f比，使KUKf，從而使轉矩得到補償，提高

50、電動機在低速時的帶負載能力。如圖6中之曲線所示(曲線是KUKf的U/f線)。這種方法稱為轉矩補償或轉矩提升，這種控制方式稱為V/F控制模式。圖6     轉矩補償 (2) 基本頻率     與變頻器的最大輸出電壓對應的頻率稱為基本頻率，用fBA表示。在大多數情況下，基本頻率等于電動機的額定頻率，如圖7所示。 圖7     基本頻率 (3) 基本U/f線      在變頻器的輸出頻率從0Hz上升到基

51、本頻率fBA的過程中, 滿足KU=Kf的U/f線, 稱為基本U/f線, 如圖8(a)所示。圖8    基本U/f線 (4) 弱磁點    當電動機的運行頻率高于額定頻率時，變頻器的輸出電壓不再能隨頻率的上升而上升，如圖8(b)中之點以后所示。在這種情況下，由于U/f比將隨頻率的上升而下降，電動機磁路內的磁通也因此而減小，處于弱磁運行狀態。因此，通常把轉折點稱為弱磁點。2.2 U/f線的選擇功能(1) 不同負載在低速時對轉矩的要求      各類負載在低速時所呈現的阻

52、轉矩是很不一樣的, 例如:(a) 二次方律負載阻轉矩與轉速的二次方成正比，如圖9中的曲線所示。低速時的阻轉矩比額定轉矩小得多;圖9     各類負載的機械特性 (b) 恒轉矩負載在不同的轉速下, 負載的阻轉矩基本不變, 如圖9中之曲線所示。低速時的阻轉矩與額定轉速時是基本相同的;(c) 恒功率負載在不同的轉速下，負載功率保持恒定，其機械特性呈雙曲線狀，如圖9中之曲線所示。低速時的阻轉矩比額定轉速時還要大得多。 (2) 變頻器對U/f線的設置    因為每臺變頻器應用到什么負載上是不確定的，而不同負載在低頻時對U/f

53、比的要求又很不一致。    為此，各種變頻器在V/F控制模式下，提供了任意預置U/f比的功能。使用戶可以根據電動機在低速運行時負載的輕重來選擇U/f比，如圖10所示。 圖10     變頻器為用戶提供的U/f線 (3) U/f線的預置要點(a) 預置不當的后果    如果負載在低速時的轉矩較大而轉矩補償(U/f比)預置得較小，則低速時帶不動負載。反之, 如果負載在低速時的轉矩較輕而轉矩補償(U/f比)預置得較大，則補償過分，低速時電動機的磁路將飽和，勵磁電流發生畸變，嚴重時會

54、因勵磁電流峰值過高而導致“過電流”跳閘。(b) 預置要點     調試時，U/f比的預置宜由小逐漸加大，每加大一檔，觀察在最低頻時能否帶得動負載？及至能帶動時，還應反過來觀察空載時會不會跳閘？一直到在最低頻率下運行時，既能帶得動負載，又不會空載跳閘時為止。3  矢量控制功能3.1 基本思想(1) 對直流電動機的分析    在變頻調速技術成熟之前，直流電動機的調速特性被公認為是最好的。究其原因，是因為它具有兩個十分重要的特點:(a) 磁場特點    

55、0; 它的主磁場和電樞磁場在空間是互相垂直的，如圖11(a)所示;圖11     直流電動機的特點 (b) 電路特點      它的勵磁電路和電樞電路是互相獨立的，如圖11(b)所示。    在調節轉速時，只調節其中一個電路的參數。 (2) 變頻器的矢量控制模式(a) 基本構思      仿照直流電動機的控制特點，對于調節頻率的給定信號，分解成和直流電動機具有相同特點的磁場電流信號i*M

56、和轉矩電流信號i*T，并且假想地看作是兩個旋轉著的直流磁場的信號。當給定信號改變時，也和直流電動機一樣，只改變其中一個信號，從而使異步電動機的調速控制具有和直流電動機類似的特點。    對于控制電路分解出的控制信號i*M和i*T，根據電動機的參數進行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號i*A、i*B和i*C，對三相逆變橋進行控制，如圖12所示。從而得到與直流電動機類似的硬機械特性, 提高了低頻時的帶負載能力。 圖12     矢量控制框圖 (b) 無反饋矢量控制模式與有反饋矢量控制模式  

57、  根據在實行矢量控制時，是否需要轉速反饋的特點，而有無反饋和有反饋矢量控制之分。無反饋矢量控制是根據測量到的電流、電壓和磁通等數據，簡接地計算出當前的轉速，并進行必要的修正，從而在不同頻率下運行時，得到較硬機械特性的控制模式。由于計算量較大，故動態響應能力稍差。    有反饋矢量控制則必須在電動機輸出軸上增加轉速反饋環節，如圖12中的虛線所示。由于轉速大小直接由速度傳感器測量得到，既準確、又迅速。與無反饋矢量控制模式相比，具有機械特性更硬、頻率調節范圍更大、動態響應能力強等優點。3.2 電動機數據的輸入  

58、60; 如上述，要實現矢量控制功能，必須根據電動機自身的參數進行一系列等效變換的計算。而進行計算的最基本條件，是必須盡可能多地了解電動機的各項數據。因此，把電動機銘牌上的額定數據以及定、轉子的參數輸入給變頻器，就是實現矢量控制的必要條件。 (1) 自動檢測功能    從上面所舉例子可以看出，進行矢量控制時，所需數據中的相當部分，一般用戶是很難得到的。這給矢量控制的應用帶來了困難。對此，當代的許多變頻器都已經配置了自動檢測電動機參數的功能。但檢測的具體方法，各種變頻器不盡相同。    自動檢測功能的英語名稱

59、是auto-tuning, 故有的變頻器直譯為“自動調諧”功能, 也有的稱之為“自學習”功能。 (2) 自動檢測方法舉例     以艾默生TD3000系列變頻器為例，其相關功能如下:功能碼F1.09用于選擇自動檢測功能，數據碼是:“0”禁止自動檢測;“1”允許自動檢測。功能碼F1.10用于實施自動檢測，數據碼是:“0”不進行自動檢測;“1”進行自動檢測，步驟如下:(a) 將電動機的銘牌數據預置給變頻器(功能碼F1.00F1.05);(b) 將功能碼F1.10預置為“1”;(c) 按變頻器鍵盤上的RUN鍵, 變頻器將執行自動  

60、; 檢測。檢測完畢后, 自動轉為“0”。    “2”變頻器設置了一個自動檢測的操作程序(說明書中稱為“調諧宏”)。當功能碼F1.10預置為“2”時，該操作程序開始運行，并在顯示屏上指導用戶進行必要的功能預置和操作。檢測完畢后，自動轉為“0”。3.3 轉速反饋矢量控制中編碼器的相關功能    當變頻器的控制方式預置為有反饋矢量控制方式時，轉速測定是十分重要的一個環節。和變頻器配用的測速裝置大多采用旋轉編碼器。 (1) 旋轉編碼器的輸出信號      和變頻

61、器配用的旋轉編碼器通常為二相(相和B相)原點輸出型, 其輸出信號分為兩相:相和B相。兩者在相位上互差90°±45°, 如圖13(b)所示, 和分別是A相和B相的“非”。每旋轉一轉，編碼器輸出的脈沖數可根據情況選擇。例如, TRD-J系列編碼器的脈沖數從10p/r1000p/r, 分16檔可選。    Z相為原點標記，其特點是:每轉一轉，只輸出個相位固定的脈沖，作為原點的標志。圖13(a)所示是編碼器的引出線。圖13     編碼器的信號與接線 (2) 編碼器與變頻器的聯接 &

62、#160;主要有兩種類型:一種是直接聯接，例如艾默生TD3000系列變頻器和編碼器之間的聯接如圖14(a)所示;圖14     編碼器與變頻器的聯接    另一種類型以安川VS-616G7系列變頻器為例，須配置專用的PG速度控制卡，如圖14(b)所示。將控制卡PG-B2插入變頻器的相關插座4CN中，再將PG的引出線接至控制卡上。(3) 編碼器脈沖數的選擇一般說來，電動機在最高頻率下工作時，編碼器的脈沖頻率以接近于20kHz為佳，即:        

63、;              式(18)中: p0編碼器每轉的脈沖數，p/r。3.4 矢量控制的應用要點(1) 應用矢量控制的注意點    由于矢量控制必須根據電動機的參數進行一系列的演算，因此，其使用范圍必將受到一些限制。(a) 電動機的容量  電動機的容量應盡可能與變頻器說明書中標明的“配用電動機容量”相符，最多低一個檔次。例如，變頻器的“配用電動機容量”為45kW，電動機的下一檔容量為37kW。則該變

64、頻器只能在配接45kW或37kW的電動機時，矢量控制功能是有效的。(b) 電動機的磁極數  以2p=4(4極電動機)為最佳，要注意說明書中對磁極數的規定。(c) 電動機的型號  以生產變頻器的同一家公司生產的標準電動機或變頻調速專用電動機為最佳，一般的通用電動機也都可用。但特殊電動機(如高轉差電動機等)則不能用。(d) 電動機的臺數  矢量控制只適用于一臺變頻器控制一臺電動機的場合。 (2) 速度控制的PID功能    當采用有反饋矢量控制模式時，變頻器存在著一個轉速反饋的閉環系統，并且為此專門配置了PI

65、D調節系統。以利于在調節轉速的過程中，或者拖動系統發生擾動(負載突然加重或減輕)時，能夠使控制系統既反映迅速，又運行穩定。因此，在具有矢量控制功能的變頻器中，有兩套PID調節功能:(a) 用于速度閉環控制的PID調節功能;(b) 用于系統控制(例如供水系統的恒壓控制等)的PID調節功能。兩種PID調節功能中，P(比例增益)、I(積分時間)、D(微分時間)的作用對象不同，但原理是相同的。 (2) 矢量控制的主要優點 ·低頻轉矩大  即使運行在1Hz(或0.5Hz)時, 也能產生足夠大的轉矩,且不會產生在V/F控制方式中容易遇到的磁路飽和現象。·機械特性好&

66、#160;在整個頻率調節范圍內，都具有較硬的機械特性，所有機械特性基本上都是平行的。·動態響應好  尤其是有轉速反饋的矢量控制方式，其動態響應時間一般都能小于100ms。·能進行四象限運行。4  轉矩控制功能4.1 轉矩控制與轉速控制的區別(1) 轉速控制的特點     迄今為止，我們所討論的變頻調速，都是以控制電動機的轉速為目的的，其基本特點有:(a) 變頻器輸出頻率的大小(從而電動機轉速的高低)隨給定信號的大小而變;(b) 電動機的轉矩大小是不能控制的, 它總是和負載的阻轉矩處于平衡狀態。因此, 是隨

67、負載的輕重而隨時變化的;(c) 電動機轉矩的限值是受發熱和過載能力(取決于臨界轉矩)制約的。(2) 轉矩控制的特點    轉矩控制是矢量控制模式下的一種特殊控制方式。其主要特點是:(a) 給定信號并不用于控制變頻器輸出頻率的大小, 而是用于控制電動機所產生的電磁轉矩的大小，如圖15所示:當給定信號為10V時，電動機的電磁轉矩為最大值Tmax(如圖中之狀態);當給定信號為5V時，電動機的電磁轉矩為Tmax/2(如圖中之狀態)。 (b) 電動機的轉速大小取決于電磁轉矩和負載轉矩比較的結果，只能決定拖動系統是加速還是減速，其輸出頻率不能調節，很難使拖動系統在某

68、一轉速下等速運行。圖15     轉矩控制的概念    如果給定的電動機轉矩不變(等于TMX)，而負載轉矩變化，系統的運行如圖16(a)中之曲線所示:圖16     轉矩控制時的轉速當負載轉矩TL小于TMX時，拖動系統將加速，并且一直加速至變頻器預置的上限頻率，拖動系統將按上限轉速H運行;當負載轉矩TL超過TMX時, 拖動系統將減速;當負載轉矩TL又小于TMX時, 拖動系統又加速到上限轉速nH。如果負載轉矩不變，而給定的電動機轉矩變化(等于TL)，則系統的運行如圖16(b)中

69、之曲線所示:當電動機轉矩小于負載轉矩時，轉速為0;當電動機轉矩大于負載轉矩時，拖動系統開始加速，加速度隨動態轉矩(TJ=TM-TL)的增加而增加。4.2 轉矩控制和轉速控制的切換(1) 切換的必要性      由于轉矩控制時不能控制轉速的大小，所以，在某些轉速控制系統中，轉矩控制主要用于起動或停止的過渡過程中。當拖動系統已經起動后，仍應切換成轉速控制方式，以便控制轉速。 (2) 切換的時序圖      切換的時序圖如圖17所示。圖17   

70、60;  轉矩控制和轉速控制的時序圖 (a) t1時段    變頻器發出運行指令時，如未得到切換信號，則為轉速控制模式。變頻器按轉速指令決定其輸出頻率的大小。同時，可以預置轉矩上限;(b) t2時段     變頻器得到切換至轉矩控制的信號(通常從外接輸入電路輸入)，轉為轉矩控制模式。變頻器按轉矩指令決定其電磁轉矩的大小。同時，必須預置轉速上限; (c) t3時段     變頻器得到切換至轉速控制的信號, 回到轉速控制模式; (d) t4時段 &