第三章：變頻器工程應用3.1變頻器PID應用變頻器PID應用主要應用在過程控制中，如恒壓供水控制、恒壓供氣控制、恒溫控制等。變頻器控制什么量，就由傳感器將什么量轉化為電信號，這個電信號和給定信號在變頻器內進行比較，比較的差值通過PID控制器控制變頻器的輸出頻率，來控制電動機的轉速，使變頻器的控制量保持恒定。第三章：變頻器工程應用3.1.1富士G11S變頻器PID控制富士G11S變頻器，驅動7KW電動機，拖動水泵恒壓供水，PID控制，壓力表量程1MPa,輸出電流4—20mA,要求管道中壓力為0.6MPa。1.控制電路壓力變送器第三章：變頻器工程應用2.需要解決的問題：

1）反饋端子的確定；2）目標信號給定端子的確定；3）目標信號的給定值為多少；4）PID控制端子的確定；5）P、I、D參數的選取。上述5項都要通過變頻器的功能碼進行預置。下面根據富士變頻器的流程圖分析參數的選擇及設置情況。第三章：變頻器工程應用第三章：變頻器工程應用3.功能參數E01=20(X1端子有效，OFF,PID有效)E02=11（X2端子有效，OFF,F01設定目標值。F01=1（模擬電壓端子設定目標值）H20=1（PID正動作）H21=1（C1端子為反饋端子，并正動作）H22，P增益，0.01～10.0倍；H23，I積分時間，0.01～3600sH24，D微分時間，0.01～10.0s；現場調試決定,H25，PID反饋濾波，0.0～60s見下圖第三章：變頻器工程應用PID控制特性：PID控制特性見右圖；負載反映特性見下圖。第三章：變頻器工程應用第三章：變頻器工程應用4.富士G11S變頻器PID控制目標量選擇目標量：目標量在設置時大小等于反饋量。在本控制中，反饋量為：壓力表的量程為1MPa，控制壓力為0.6MPa，為壓力表總量程的60%，其輸出信號也為總輸出信號的60%，(4+（20-4）x60%=13.6mA)。目標量輸入的是電壓值，0—10V，其電壓的60%為6V,即12端子輸入電壓為6V；C1端子輸入電流為13.6mA。第三章：變頻器工程應用5.關于多功能輸入輸出端子的使用1）在上例中，用E01—E09參數（對應X1—X9端子）指定一個PID功能切換端子，為什么用端子進行切換，而不用編程的方法進行切換呢？因為用端子切換是隨機的，不受時間的限制。2)E01—E09參數只是選定端子，這個端子干什么還要用參數值確定。E01=20，“20”就是參數值，這條指令的含義是：X1端子有效，功能是控制PID功能切換。3）多功能輸出端子的使用也是如此，首先選定端子，再指定端子干什么。4）這種控制和編碼方式具有普遍性，多種變頻器采用這種方法。如三肯、三菱、臺達、英威騰等。機械·負載變頻器機種容量選定·討論重點負載轉矩加速特性減速特性

（再生制動討論）泵

（2次方遞減負載）L100L300P◎△△以最大功率選定電機·變頻器容量一般場合不需要

（負載·機械的慣量小）一般場合不需要

（負載·機械的慣量?。╋L機

（2次方遞減負載）L100

L300P◎○○以最大功率選定電機·變頻器容量因為風機（鼓風機）的慣量大，有時需要因為風機（鼓風機）的慣量大，有時需要卷取機等

（恒定轉矩負載）SJ100SJ300◎◎○以卷取終了時的必要功率選定電機·變頻器容量以卷取開始的必要功率選定電機·變頻器容量一般場合不需要

但在限制的場合，有必要探討行車

(臺車等)平面行車SJ100

SJ300△◎○

以加速時的必要功率選定電機·變頻器容量很多場合需要選定再生制動單元斜面行車SJ100

SJ300△◎◎有的場合需要以向上加速時的必要功率選定電機·變頻器容量以向下減速時的必要功率選定電機·變頻器容量

很多場合也需要選定再生制動單元升降·卷揚機（起重機等）SJ100

SJ300△◎◎

以上升加速時的必要功率選定電機·變頻器容量以下降減速時的必要功率選定電機·變頻器容量

很多場合也需要選定再生制動單元26關于風機泵類的設置負載特性速

度轉矩2次方遞減負載

風機?泵但請注意真空泵等與之特性相異恒定轉矩負載

卷取機?臺車3負載特性加速時間

ta

因為在加速時，能夠得到額定120%

ta=[ΣJ＊Nmax]／[9.55＊(1.2＊Tm-TL)]

的轉矩，所以在加速時沒有必要

設定太長的加速時間。

減速時間

td

在減速時，轉矩為額定的10～20%，

td=[ΣJ＊Nmax]／[9.55＊(0.1*Tm+TL)]

對于慣量大的風機，有必要設定相

當長的減速時間。

加速?減速時間的計算J

：電機軸換算總慣量

(kg?m2）Nmax：最高轉速(rpm)

Tm

：電機額定轉矩(N?m)

TL

：負載轉矩

(N?m)（但，計算減速時間時：TL=

0

）4再生制動單元（電阻）的選定順序減速轉矩的計算

Tb=[ΣJ＊Nmax]／[9.55＊tb]

Tb：需要的減速轉矩(N?m)

tb：減速時間的限制值

(s)再生功率的計算

Pb=0.105＊Nmax＊Tb

(w)

再生電阻(Rb)的計算

Rb=VPN2／[1.2＊Pb]（Ω）

VPN：200V級時為350V400V級時為700V再生電阻容量(型號)的選定

求得使用率(%ED)，從產品手冊中的各制動電阻的允許使用率及電阻值中選定

使用電阻的型號。

再生制動單元的選定

有變頻器內置再生制動電路和需要在外部設置的兩種。從產品手冊中選定能夠和上述的制動電阻相吻合的再生制動單元。

5縮短減速時間的簡易方法

轉速N1Nmaxtd1

td

N1NmaxTL1通常使用范圍td1=[ΣJ＊(Nmax-N1)]／[9.55＊(0.1＊Tm+TL1)]能夠縮短到，用通常使用范圍下限的負載轉矩計算所得的減速時間可以用「第2減速時間2設定」設定，可以用外部端子「2段加減速」切換。6控制方式控制方式

V/F控制

V/F恒定控制(VC特性)

V/F遞減控制(VP特性1.7次方)

V/F任意設定

節能運行控制

矢量控制

帶編碼器矢量控制

無速度傳感器（無編碼器）

矢量控制風機?泵用控制方式面向搬運機械、升降機等的控制方式7自動節能運行自動節能運行功率消耗運行頻率自動調整至最節能狀態通常V/F控制自動節能運行8

運行范圍的限制－1

頻率限制功能的使用

限制功能輸出頻率頻率指令輸入fHLIMfLLIM如左圖所示，能夠限制輸出頻率的上下限。上限fHLIM：A061(A261)下限fLLIM：A062(A262)9運行范圍的限制－2

外部頻率起點·終點功能

a.

起點選擇(A015,A105)：00時輸出頻率頻率指令輸入ｆＥｆＳ

OSOE能設定如左圖的頻率起點·終點。起點頻率

ｆＳ

：A011

(A101)終點頻率ｆＥ

：A012

(A102)起點比例

OS：A013

(A103)終點比例

OE：A014

(A104)10

b.

起點選擇(A015,A105)：01時運行范圍的限制－2

外部頻率起點·終點功能

輸出頻率頻率指令輸入ｆＥｆＳ

OSOE能夠設定如左圖的頻率起點·終點。起點頻率

ｆｓ

：A011(A101)終點頻率

ｆＥ

：A012

(A102)起點比例

OS：A013

(A103)終點比例

OE

：

A014

(A104)11負載機械系統內存在共振點，在由共振引起的振動?噪音很大時，能夠自動避開此共振點（跳開）運行的功能。避免共振

跳頻功能能夠自動避開共振范圍運行可設置三點跳頻點。

跳頻設定1：A063跳頻設定2：A065跳頻設定3：A067

跳頻幅寬1：A064跳頻幅寬2：A066跳頻幅寬3：A068

輸出頻率頻率指令12瞬時斷電后的重起功能－1

和周圍機器的協調

13由負載的慣量?負載轉矩特性所決定，瞬時斷電中的電機轉速降低的程度來決定最適合的重起方法。14瞬時斷電重起時轉速降低的對策系統下降壓力降低轉速降低程度大泵負載對策來電后，馬上重起設定短的重起待機時間有發生過電流跳閘的危險低慣量負載大15過電流跳閘原因—1

電機殘留電壓（1）

V=V0?exp[-1/T2?t]?exp[jωrt]

T2

：電機消磁時間常數

ωr：電機角速度（轉速）輸出遮斷電機殘留電壓

衰減特性根據電機自身的剩磁的衰減特性決定了電機殘留電壓衰減特性遮斷后，短時間內維持高電壓。16過電流跳閘原因—2

電機殘留電壓（2）標準電機(4P)的消磁時間常數的概算值17過電流跳閘原因—3

開關部分的短路模式開關部分的短路模式電機殘留電壓短路電流路徑變頻器開關部分上臂的IGBT全部為ON狀態18第三章：變頻器工程應用3.3變頻器在回轉窯上的應用回轉窯廣泛用于冶金、化工、建筑耐火材料、環保等工業。水泥回轉窯是水泥熟料干法和濕法生產線的主要設備。回轉窯由筒體，支承裝置，帶擋輪支承裝置，傳動裝置，活動窯頭,復合碎石機，窯尾密封裝置，噴煤管裝置等部件組成?；剞D窯的回轉部分如右圖所示。回轉窯的窯體與水平呈一定的傾斜，整個窯體由托輪裝置支承，并有控制窯體上下竄動的擋輪裝置。回轉窯的轉動由電動機通過齒輪減速箱，減速箱的輸出齒輪和回轉窯的回轉齒條嚙合，拖動回轉窯轉動。第三章：變頻器工程應用3.3.1.回轉窯負載分析1.起動力矩分析啟動時回轉窯內的物料處于正下方，在窯體起動并不斷加速的過程中，整個窯體要克服摩擦力、窯體變形產生的阻力以及窯內的物料堆積角產生的阻力。當窯體克服所有阻力開始轉動時，堆積物料的偏轉角也隨著變化，當物料偏轉角達到90度時，此時物料所引起的附加轉矩最大，變頻器的輸出電流也最大，達到正常工作電流的3-4倍。此時變頻器的輸出頻率上升到10-13Hz。第三章：變頻器工程應用2.運行力矩分析

回轉窯起動過程，既是一個加速過程，也是克服設備巨大慣性的過程。一旦變頻器克服了這種大慣性負載而起動起來，維持正常運轉時，所需的驅動轉矩及功率減小?；剞D窯在正常工作時，因為物料運行的不規則沖擊和窯體受熱變形彎曲引起的附加力矩，回轉窯為沖擊負載。根據回轉窯的這種負載特點，選擇變頻器及電動機的功率就比較復雜，功率選擇過大，起動沒問題，但正常運轉時出現大馬拉小車現象，能耗大，一次性投資加大；功率選擇小些適合于正常運行，效率高投資小，但不能正常起動。第三章：變頻器工程應用3.3.2.變頻器選擇原則根據上述回轉窯負載特性的分析，變頻器在選型和容量選擇上有其特殊性。1）變頻器在起動時負載很大，是正常工作時的幾倍，因此，變頻器的容量選擇要有充分的裕量，否則變頻器將不能正常啟動。2）變頻器是在起動時的低速區（10～13Hz）電流最大，因此變頻器在選型時要選擇起動過載能力大、具有低頻轉矩補償的變頻器。3）提高電動機的上限轉速，加大減速裝置的傳動比，以提高起動時的低頻轉矩。第三章：變頻器工程應用3.3.3應用實例1.工作現狀有一回轉窯改造項目，原來選用55KW電動機調速驅動，因回轉窯燒結溫度較高，熱膨脹系數較大，窯體變形嚴重,使起動及工作電流增大,電動機經常堵轉不能正常運轉。2.改造分析改造時考慮到原電動機的功率不足，同時考慮到55KW、4極電動機轉速為1460r/min，而回轉窯正常運行時電動機的轉速只有800r/min左右，電動機的散熱效果差。根據以上情況，將電動機改為6極、90kW，該電動機額定轉速960r/min，當運轉在800r/min時，變頻器的輸出頻率為40Hz左右，電動機發熱量下降。選擇惠豐HF-G7-90T3型通用變頻器，該變頻器功率為90kW，額定電流180A。第三章：變頻器工程應用3.系統調試1）變頻器選擇HF-G7-90T3，起動正常（？），但在運行中頻繁跳“OC”過流，使生產不能正常進行。查其原因，發現由于負載慣量大，物料在窯中滾動時不斷形成附加轉矩，使變頻器產生瞬間過流。瞬時峰值電流達340A。而HF-G7-90T3變頻器的過載極限電流為270A，小于其負載峰值電流，故不能正常工作。第三章：變頻器工程應用2）根據這一現場情況，經反復論證計算，最后變頻器選擇為HF-G9-160T3型，該變頻器額定功率160kW，額定電流320A。過載能力為1.5-1.8倍，過載極限電流為480-570A。該變頻器足可以克服負載瞬時波動產生的峰值電流，回轉窯運行正常，不再跳“OC”過流。3）變頻器在正常停機的情況下，啟動困難，借助輔助設備才有可能起動。分析其情況，判斷為起動轉矩不足，修改變頻器的轉矩補償曲線，變頻器啟動正常。第三章：變頻器工程應用總結：1）變頻器的容量是以瞬時沖擊電流為依據，變頻器只有滿足了負載的瞬時沖擊電流要求，才能不跳閘。該例中瞬時峰值電流為340A，所選變頻器的額定電流為320A（略小于峰值電流，見下圖）。2）電動機的容量根據負載的平均功率選取，只要負載的瞬時電流達不到堵轉電流，電動機的容量就不必增加。3）考慮低速電動機的發熱問題，盡量使電動機工作在高轉速區。第三章：變頻器工程應用3.4變頻器在張力控制設備上的應用生產線一般由多個驅動環節組成，每個驅動環節有一臺或多臺電動機。因為生產線工作時的連續性，要求眾多的驅動環節在運行時的速度或同速、或按比例運行、或根據現場情況隨機調整。在采用變頻器控制時，為各個驅動環節的調速控制提供了方便。變頻器根據速度傳感器的取樣信號，可方便的進行速度控制。第三章：變頻器工程應用

3.4.1.檢測傳感裝置1.張力控制傳感裝置卷取機械是帶材和線材生產不可缺少的設備，如塑料帶的卷取，造紙廠紙張的卷取，冶金廠的薄板卷取、帶銅卷取等。在卷取過程中，為了使產品合格，要給卷材上加一定的張力，張力的大小關系到產品的質量。同時，卷取工序與前道工序之間有著密切的聯系，如與前道工序速度要同步、穩定、調速精度要高等。第三章：變頻器工程應用（1）用變頻器轉矩電流控制張力圖為以轉矩電流作為控制信號的張力控制系統示意圖。如圖所示，用滾筒2移動加工物，在滾筒1上施加與旋轉方向相反的轉矩，使兩組滾筒間的加工物具有張力，該張力與滾筒1電動機的制動轉矩大小成比例。因此，變頻器2可以選用通用變頻器調速；而變頻器1則必須選用具有轉矩控制功能的矢量控制變頻器。圖中所用傳感器為電流傳感器，它將電動機的定子電流（定子電流和電動機的轉矩成正比）轉化為4～20mA的控制信號，加在變頻器的反饋輸入端，控制變頻器輸出轉矩的穩定，達到控制帶材張力穩定的目的。第三章：變頻器工程應用（2）采用調節輥控制張力圖為調節輥裝置的示意圖。調節輥利用彈簧、氣壓、重錘等在一定方向上施加一定大小的力，不管其位置是否變動始終使加工物保持一定的張力。使用調節輥時，張力與變頻器的控制沒有直接關系，其大小為F的一半。調節輥的張力控制功能只限于在其容許的行程以內。第三章：變頻器工程應用（3）張力檢測器控制張力對于高精度張力控制或用調節輥控制在控制失調時對產品質量影響很大的場合，可采用張力檢測器的反饋控制。張力檢測器有差動變壓器式和測力傳感器式等類別。第三章：變頻器工程應用3.4.2張力控制在拉絲機上的應用1.拉絲原理拉絲機是金屬線材制造的一種重要設備。設備的種類很多，常見的有水箱式拉絲機、直進式拉絲機、滑輪式拉絲機、倒立式拉絲機等。拉絲機主要應用在對銅、鋁、鐵、合金等金屬線纜材料的加工，將直徑較大的金屬材料拉制成直徑較細的金屬絲。第三章：變頻器工程應用2.三肯SAMCO-vm05變頻器在拉絲機上的應用（1）卷繞原理第三章：變頻器工程應用（2）卷繞變頻器的內部控制功能框圖由拉絲機給出的頻率控制信號fx1，加到卷繞變頻器的頻率控制端，這個頻率控制信號通過變頻器內部的比例增益電路處理，與“卷繞曲線預測”信號疊加，生成X+信號，與張力架位置補正信號疊加，生成fx2輸出頻率控制信號，控制變頻器逆變電路頻率輸出。第三章：變頻器工程應用（3）控制電路第三章：變頻器工程應用該電路控制特色：1）將第一臺變頻器其中一個多功能輸出指示端子AOUT1設置為頻率輸出指示端子，作為第二臺變頻器的速度同速信號,加在第二臺變頻器的頻率控制端URF2。2）為了運行同步，將第一臺變頻器的輸出指示端子DO1設為運行中，作為第二臺變頻器的運行開關信號。3）為了方便穿線作業，設置了JOG點動端子；停車時，為了防止卷繞變頻器重量較大的滿盤線軸因慣性引起的斷線，采取制動電阻+直流制動的方法，使電動機馬上停止。4）以擺動張力傳感器的輸出電壓信號作為反饋信號進行內部可變PID補正控制，以三墾變頻器獨特卷繞曲線進行速度預測圖形運轉，實現恒線速度收卷，滿足工藝要求。第三章：變頻器工程應用

3.5變頻器在降速設備上的應用在變頻傳動中，因為電動機是恒轉矩負載，如果電動機的轉速很低，輸出功率不足(電動機的輸出功率為P=nT)。為了充分發揮變頻器和電動機的功率，在負載轉速很低時，要通過降速機構改變電動機和負載的速度比，達到功率匹配的目的。第三章：變頻器工程應用3.5.1機械傳動系統機械傳動系統的組成由電動機、傳動機構和負載組成。最簡單的傳動系統：電動機、連軸器和負載，電動機輸出轉矩TM

，它與負載的阻轉矩TL

大小相等，方向相反，即

TM=TL當電動機以轉速n運行時，輸出功率為電動機的機械特性，必須與負載的機械特性相匹配，整個傳動系統才能正常工作。第三章：變頻器工程應用3.5.2常見傳動機構1.傳動比圖示4種傳動機構中，電動機和負載通過減速裝置傳動，電動機軸和減速輸出軸的轉速比稱為傳動比λ，TM

nM—為電動機軸輸出轉矩和轉速；

TL

nL—為負載軸輸入轉矩和轉速第三章：變頻器工程應用2.齒輪傳動機構中各量之間的關系傳動比：輸入軸轉速n1與輸出軸轉速n2之比,用λ表示，即：由傳動比的定義式可知，λ﹤1，為升速傳動；λ﹥1為降速傳動；λ＝1，為直接傳動。第三章：變頻器工程應用3.5.3傳動方案選擇實例例：已知變頻調速系統，其負載為恒轉矩負載，阻轉矩為88N·m，調速范圍為0~335r/min，由4極電動機驅動，負載最大功率消耗為Pmax=3.5kW。請選擇驅動方案。解：電動機聯軸器直接驅動負載條件：

TM＞

TL

取TM=100N·m>88N·m，所需電動機功率為：P=（kW）因此，選擇的變頻器的功率也應為15

kW。（功率公式）第三章：變頻器工程應用2.采用一級齒輪降速傳動降速齒輪傳動的傳動比：λ=4.3取整數4，電動機的輸出轉矩TM=（N·m）所需電動機的功率為：取P=3.7（kW）變頻器的功率也應為3.7（kW）。當負載的轉速為0～335r/min，電動機為0～1340r/min.

結論：變頻器調速遇到轉速和輸出功率的矛盾時，就要考慮具有一定傳動比的降速或升速裝置。第三章：變頻器工程應用結論：1.電動機是一個恒轉矩電器，轉速低，輸出功率低，轉速高，輸出功率高（）。2.當變頻器采用變頻調速時，為了充分利用變頻器和電動機的輸出功率，電動機盡量工作在高速區。為了滿足負載低速時的轉矩要求，可采用降速裝置。降速比λ根據電動機的額定轉速和負載的最高轉速確定。第三章：變頻器工程應用例2：已知負載功率為7KW，轉速在450—900r/min之間可調，要求恒功率調速，請選擇電動機和變頻器功率。解：1）按低速選擇當負載輸出450r/min時，電動機輸出額定轉速1450r/min，傳動比為

λ=1450/450=3.2電動機和變頻器可選擇功率為7kW。當負載輸出900r/min時，電動機輸出轉速為2900r/min(100Hz)，超頻工作。2）按高速選擇當負載輸出900r/min時，電動機輸出額定轉速1450r/min，傳動比為

λ=1450/900=1.6當負載輸出450r/min時，電動機輸出轉矩為額定轉矩的1.6倍，即應選用1.6×7=11.2kW的電動機和變頻器。第三章：變頻器工程應用3.6變頻器同速控制變頻器的速度控制有操作面板（或操作面板上的電位器）、外接模擬控制端子和外接升降速數字端子三種控制方法。操作面板不適應變頻器的聯動控制。3.6.1開環同速控制開環同速是“準同步”運行，在多臺變頻器同速運行時不需要反饋環節，在要求不高的系統中多被采用。實現開環同步方法可以采用共電位控制、升降速端子控制和電流信號控制等。第三章：變頻器工程應用1）共電位控制共電位控制框圖如圖所示，3臺變頻器的電壓模擬調速端子上所加的是同一調速電壓，3臺變頻器的“頻率增益”和“頻率偏置”功能參數要進行統一設置。通過同一電位器控制3臺變頻器同速運行。第三章：變頻器工程應用2）升降速端子控制升降速端子控制框圖如圖所示，圖中升速端子由同一繼電器控制，降速端子也由同一繼電器控制，由這兩個繼電器分別控制變頻器的升速和降速。每個變頻器的升降速端子上分別并聯上一個點動開關SB，分別用它們進行每個變頻器的速度微調。因為升降速端子是數字控制，工作穩定沒有干擾。第三章：變頻器工程應用3）電流信號控制電流信號控制是應用變頻器的IRF電流調速端子（4～20mA），進行串聯控制，以得到同速運行，如圖所示。它的優點是構成簡單，可以有較長的連接距離，抗干擾能力比較強。缺點是需要一個電流源，且每臺設備都需要有微調控制，操作比較麻煩。第三章：變頻器工程應用4）利用變頻器的頻率輸出指示端子做同步信號由第一臺變頻器的模擬輸出指示端子作為第二臺變頻器的同步信號，使兩臺變頻器同步運行。該同速控制不能準確同步。因FMA是二次信號，它輸出的精度、與輸出頻率的比率存在一定的誤差，也容易引進干擾。第三章：變頻器工程應用2．閉環同速控制閉環同速控制用于控制精度要求比較高的場合。在有上位機存在的系統中，同速控制可以有不同的構成形式。一種為將各變頻器的反饋信號輸入到上位機，由上位機作總閉環控制計算，由上位機分別給出控制變頻器運行的信號，如圖所示。此閉環控制方式計算速度快，控制電路簡單，但由于采用電壓及電流反饋形式，傳輸距離有所限制，其分布范圍不能很大。第三章：變頻器工程應用另一種控制方法是采用單機就地自閉環的方法，上位機輸出相同給定信號，如圖所示。此閉環控制方式的優點是動態響應快，分布距離可以較遠。復雜的控制由上位機來完成，一些系統監測信號直接連到上位機。第三章：變頻器工程應用3.6.2應用實例該電路為4臺變頻器比例運行。第三章：變頻器工程應用1.光電耦