电机及拖动基础 6、电动机的变频控制

1、1电机及拖动基础电机及拖动基础 第第6 6章章 电动机的变频控制电动机的变频控制26.1 6.1 变频器概述变频器概述 6.1.1 6.1.1 变频器应用范围变频器应用范围 变频器：是一种用来改变交流电频率的电气设备。 变频器还具有改变交流电电压的辅助功能。 变频器主要应用于机电一体化系统。 应用变频调速可以大大提高电动机转速的控制精度，使电动机在最节能的转速下运行。 36.1.2 6.1.2 变频器的分类变频器的分类现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件件 IGBT IGBT 或功率模块或功率模块IPM IPM 组成的组成的

2、PWMPWM逆变器，构成交逆变器，构成交- -直直- -交电压交电压源型变压变频器，已经占领了全世界源型变压变频器，已经占领了全世界0.50.5500KVA 500KVA 中、小容量变中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。频调速装置的绝大部分市场。 所谓所谓“通用通用”变频器，包含两方面的含义：变频器，包含两方面的含义： （1 1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2 2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。4变频调速的分类变频调速的分类 变频调速根据电动机输出性能的不同可分为： （1）保

3、持电动机过载能力不变。 （2）保持电动机恒转矩输出。 （3）保持电动机恒功率输出。 变频调速的主要优点是能平滑调速、调速范围广、效率高。主要缺点是系统较复杂、成本较高。52021-12-295 变频调速技术变频调速技术 是现代机电设备发展的方向是现代机电设备发展的方向 随着机电技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。 因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于机电领域。62021-12-296笼型异步电机的变压变频调速系统笼型异步电机的变压变频调速系统

4、笼型异步电机的变压变频调速系统笼型异步电机的变压变频调速系统（VVVFVVVF系统）系统）一般一般简称为变频调速系统，它是转差功率不变型调速系统。简称为变频调速系统，它是转差功率不变型调速系统。 由于变频调速系统在调速时转差功率不随转速而变由于变频调速系统在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用很广。调速系统媲美。因此现在应用很广。72021-12-297改变频率和电压改变频率和电压是最优的

5、电机控制方法是最优的电机控制方法 如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V。82021-12-298 电机调速采用变频器后，电机的旋转电机调速采用变频器后，电机的旋转速度为什么能够自由地改变？速度为什么能够自由地改变？ 在机电领域所使用的大部分电机均是感应式交流电机。 感应式交流电机（以后简称为电

6、机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。 由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适合改变该值来调整电机的速度。 频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。 92021-12-299变频器的工作原理变频器的工作原理 变频器基本概念变频器基本概念 变频器是一种用来改变交流电频率的电气设备。 变频器还具有改变交流电压的辅助功能。 变频器主要应用于机电一体化系统。 应用变频调速可以大大提高电动

7、机转速的控制精度，使电动机在最节能的转速下运行。 10n电力电子器件是变频调速系统发展的基础第一代晶闸管SCR第二代门极可关断晶闸管GTO 电力晶体管GTR第三代电力MOS场效应管（MOSFET） 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 第四代智能功率模块（IPM） 变频调速技术的发展变频调速技术的发展无法关断！无法关断！可关断！可关断！大功率！大功率！大功率！大功率！压控大功率压控大功率!IGBT集成模块！集成模块！112021-12-2911通用变频器通用变频器现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件件 IGBT IGBT 或功率模

8、块或功率模块IPM IPM 组成的组成的PWMPWM逆变器，构成交逆变器，构成交- -直直- -交电压交电压源型变压变频器，已经占领了全世界源型变压变频器，已经占领了全世界0.50.5500KVA 500KVA 中、小容量变中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。频调速装置的绝大部分市场。 所谓所谓“通用通用”变频器，包含两方面的含义：变频器，包含两方面的含义： （1 1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2 2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。12变频器交-交变频器单相交-直-交变频器

9、有环流按输出波形分按储能方式分按调压方式分电压型按相数分按环流情况分脉幅调制脉宽调制三相无环流正弦波方波电流型变频器的基本类型变频器的基本类型132021-12-29132.2.按变频器应用特点分类按变频器应用特点分类 14 变频调速的主要特点是什么？变频调速的主要特点是什么？ 根据用途的不同，变频器如何分类？根据用途的不同，变频器如何分类？ 变频调速的主要优点是能平滑调速、调速范围广、效率高。主要缺点是系统较复杂、成本较高。 变频器按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。15问题与思考：问题与思考： 1. 1. 什么是变频器？其功能是什么？什

10、么是变频器？其功能是什么？ 2. 2. 变频器是怎样分类的？变频器是怎样分类的？16图图6.1 6.1 变频器的结构变频器的结构6.1.3 6.1.3 变频器基本工作原理变频器基本工作原理176.2 6.2 变频器的组成与控制变频器的组成与控制变频器可分为两大部分，即主电路和控制电路，如图6-5所示为变频器的组成框图。18M3通用变频器的电路结构通用变频器的电路结构19主电路与控制电路主电路与控制电路20主电路的构成主电路的构成21变频器三相逆变桥的控制概念变频器三相逆变桥的控制概念22M3变频器的主电路变频器的主电路23M3变频器的主电路变频器的主电路24 变频器的主电路变频器的主电路25变

11、频器的主电路变频器的主电路26 27 28M329 12330 31 SSDDMM LMMDSPPPPP21321233M331233M34 35变频器的控制电路结构变频器的控制电路结构362021-12-2936主电路与控制电路主电路与控制电路372021-12-2937M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2主电路与控制电路主电路与控制电路二极管二极管整流器整流器 PWM逆变器逆变器 平波电路平波电路 限流电阻限流电阻 泵升限制电路泵升限制电路 38PWMPWM变压变频器的基本控制作用变压变频器的基本

12、控制作用tff *ufu斜坡函数U / f 曲线脉冲发生器驱动电路工作频工作频率设定率设定升降速升降速时间设定时间设定电压补偿设定电压补偿设定PWM产生产生 PWMPWM变压变频器的基本控制作用变压变频器的基本控制作用 39PWMPWM脉冲宽度调制脉冲宽度调制 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制

13、PWM等，它把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制电流的目的。 40变频器基本工作原理变频器基本工作原理41IGBTIGBT（绝缘栅（绝缘栅双极型晶体管双极型晶体管） IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。 GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度

14、快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 42问题与思考：问题与思考： 3. 3. 简单叙述变频器的工作原理。简单叙述变频器的工作原理。 4. 4. 变频器的主电路有哪几部分？变频器的主电路有哪几部分？432021-12-2943变频器应用中的三类负载变频器应用中的三类负载u恒转矩负载u恒功率负载u风机、水泵负载 442021-12-2944恒转矩负载恒转矩负载 负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机

15、，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。 变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。 如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。 452021-12-2945恒功率负载恒功率负载 机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。 负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。 462021-12-2946风机、泵类负载风机、泵类负载 在各种风机、水泵、油泵中

16、，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。 当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。 472021-12-2947 PID PID控制的基本概念控制的基本概念 (1) PID调节的含义 PID调节的全称是比例、积分、微分调节，是闭环控制中一种重要的调节手段，目的是使被控物理量迅速而准确地无限接近于控制目标。 (2) PID调节的控制

17、信号 在实行PID调节时，必须至少有两种控制信号: 目标信号； 反馈信号。482021-12-2948 (1) 比例控制 (2) 积分与微分控制 (a) 积分控制 为了消除系统的振荡，引入了积分环节，其目的是: 使给定信号XG的变化与乘积KP(XT-XF)对时间的积分成正比。 (b) 微分控制 微分控制是根据偏差变化率的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。 P( P(比例比例) )、I( I(积分积分) )、D(D(微分微分) )的控制作用的控制作用492021-12-2949P P、I I、D D功能应用举例功能应用举例风机调速的恒温

18、控制风机调速的恒温控制 空调机产生的冷空气，由鼓风机经通风管道吹入会议室，使会议室降温，并要求保持恒温状态。 测温电阻测温电阻 温度控制器温度控制器 502021-12-2950方案方案1 1：采用变频器的：采用变频器的PIDPID功能功能 电路构成： 温度控制器仅仅将测温电阻的信号转换成电流信号，作为变频器的反馈信号，接至C1端。温度控制的目标信号由变频器外接的电位器RP给定，从端子12输入。温度控制器的PID功能不用，或只用P功能，如图所示。 工作特点： 因为当变频器的PID功能有效时，其“加速时间”和“减速时间”功能将失效，电动机的加、减速过程是由PID调节功能控制的，而鼓风机的惯性较大

19、。所以，在起动过程中容易因过电流而跳闸。但在恒温过程中，由于温度本身的变化比较缓慢，运行是正常的。因此，须注意预置加速过程的“防跳闸”功能。512021-12-2951方案方案2 2：由温度控制器进行：由温度控制器进行PIDPID调节调节 电路构成： 因为温度控制的目标值以及P、I、D的具体设置，都通过温度控制器TC的面板进行给定。所以，温度控制器TC输出的电流信号将直接作为变频器的频率给定信号，如图所示。 工作特点： 变频器可根据鼓风机惯性大的特点来预置加、减速的时间和方式。但变频器加、减速时间的加入，相当于延长了积分时间。因此，温度控制器的积分时间可以设置得短一些。52 实际应用中，变频器

20、有哪三类主要负载？在控制实际应用中，变频器有哪三类主要负载？在控制恒转矩负载时变频器要注意什么？恒转矩负载时变频器要注意什么？ 变频器在应用中的三类负载是：恒转矩负载、恒功率负载、风机水泵负载。 恒转矩负载的特点是负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。 变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。 53如何根据不同的负载类型选择变频器？如何根据不同的负载类型选择变频器？ 通用变频

21、器通常分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器及矢量控制和直接转矩控制高性能型变频器。变频器类型要根据负载的要求来进行选择。 风机、泵类负载，可以选择普通功能型变频器。 恒转矩类负载可选择高功能型U/f控制变频器。 轧钢、造纸、塑料薄膜加工线这一类对动态性能要求较高的生产机械，则可以选矢量控制高性能变频器。 542021-12-2954变频器起动电机时，变频器起动电机时，其输出转矩会怎样变化？其输出转矩会怎样变化？ 我们常说：“电机在工频电源供电时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些”。 如果用大的电压和频率起动电机，

22、例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流）。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小些。 通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。 552021-12-2955 通用变频器的面板通用变频器的面板 通用变频器的控制面板又称功能单元，指变频器上有数字和画面的显示窗口及其按键部分。 主要功能：显示频率、电流、电压；设定操作模式、操作命令、功能码；读取变频器运行信息和故障报

23、警信息；监视变频器运行；变频器运行参数的自整定；故障报警状态复位。562021-12-2956变频器的控制面板之一变频器的控制面板之一 572021-12-2957变频器的控制面板之二变频器的控制面板之二 582021-12-2958变频器的控制面板之三变频器的控制面板之三 592021-12-2959变频器的控制面板之四变频器的控制面板之四 602021-12-2960变频器的控制面板之五变频器的控制面板之五 612021-12-2961变频器的控制面板之六变频器的控制面板之六 626.2.2 6.2.2 变频器的技术指标变频器的技术指标 1变频器的额定值 （1）输入侧的额定值（2）输出侧的

24、额定值 2变频器的频率指标（1）频率范围（2）频率精度（3）频率分辨率63 选择使用MM440变频器时，需首先了解其技术规格。 MM440变频器的主要性能特征有： （1）具有矢量控制性能。两种矢量控制方式:无传感器矢量控制；带编码器的矢量控制。 （2）具有U/f控制性能。磁通电流控制，改善了动态响应和电动机的控制特性。 （3）具有快速电流限制功能，避免运行中不应有的跳闸。 （4）具有复合制动功能，改善了制动特性；具有内置的制动单元(仅限外形尺寸为AF型的MM440变频器)。 （5）加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能:起始和结束段带平滑圆弧；起始和结束段不带平滑圆弧。 （6）具有比例、积分和

25、微分(PID)控制功能的闭环控制。MM440MM440变频器的主要性能特征变频器的主要性能特征64问题与思考：问题与思考： 5. 5. 变频器的主要负载有哪几类？变频器的主要负载有哪几类？ 6. 6. 变频器有哪些技术指标？变频器有哪些技术指标？656.3 6.3 变频器的使用变频器的使用 6.3.1 6.3.1 通用变频器的基本参数通用变频器的基本参数 （1）型号 （2）电压级别 （3）最大适配电机功率 （4）额定输出指标 （5）瞬时过载能力 （6）电源 （7）效率 （8）功率因数 （9）变频器的主要控制特性666.3.2 6.3.2 变频器的选择变频器的选择 容量选择容量选择 （）风机、水

26、泵：按说明书的配用电动机容量选择。 （）恒转矩与恒功率负载：如运行中经常过载者，应考虑加大变频器的容量。 型号选择（专用者除外）型号选择（专用者除外） （）对机械特性及调速范围要求不高者，尽量采用一般通用系列。 （）对机械特性及调速范围要求较高者，应选用具有矢量控制功能的变频器，一般情况下，尽量采用无反馈矢量控制即可。 （）对动态响应有较高要求者，选用有反馈矢量控制模式。 品牌选择品牌选择 （）一般情况下，尽量选用国产变频器，有利于维修。 （）对于一旦发生故障，造成重大损失甚至可能对人生安全构成威胁者，则应选择高品牌变频器。 67 通用变频器通常分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转

27、矩控制功能的高功能型U/f控制变频器及矢量控制和直接转矩控制高性能型变频器。 变频器类型要根据负载的要求来进行选择。 风机、泵类负载，可以选择普通功能型变频器。 恒转矩类负载可选择高功能型U/f控制变频器。 轧钢、造纸、塑料薄膜加工线这一类对动态性能要求较高的生产机械，则可以选矢量控制高性能变频器。1. 1.根据不同的负载类型选择变频器根据不同的负载类型选择变频器68 （1）开环控制方式 开环控制方案结构简单，运行可靠，但调速精度和动态响应特性不高，可以满足诸如风机、水泵类对控制要求不高的负载要求。 （2）闭环控制方式 闭环控制方式一般采用带PID控制器的U/f控制通用变频器或有速度传感器的矢

28、量控制变频器组成，适用于温度、压力、流量、速度、张力、位置、pH值等过程参数控制场合。 2. 2.根据系统的控制方式选择变频器根据系统的控制方式选择变频器69 通用变频器最适用于比较平稳的负载，对于冲击性负载一般不适用。 所选择变频器的类型与被控制的异步电机的参数匹配。 专用型变频器的选择， 对于专用机械设备，往往由于工艺过程的要求有一些特定的特性和要求，专用变频器一般是充分考虑了这些要求并设置了一些专用功能，因此选用专用型变频器容易满足工艺要求。3. 3.选择变频器应满足的条件选择变频器应满足的条件70 基本原则。选择变频器时，应以电机的额定电流和负载特性为依据，选择变频器的额定容量。 变频

29、器输出端允许连接的电缆长度是有限制的，若要长电缆运行，或控制几台电机，则应采取适当的措施。 变频器用于控制高速电机时，会产生较多的谐波，因此，选择的变频器的容量应稍大一些。 在选型和使用变频器前，应仔细阅读产品样本和使用说明书 。 4. 4.变频器的选型依据和方法变频器的选型依据和方法716.3.3 6.3.3 变频器的故障显示功能变频器的故障显示功能 1.“OC”过流报警故障2.“OV”过压故障3.“UV”欠压故障4.“OH”过热故障5.“SC”短路故障6.“FU”快速熔断故障（分组表述）726.3.4 6.3.4 变频器的矢量控制变频器的矢量控制 矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动

30、机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。 73 PID PID控制的基本概念控制的基本概念 (1) PID调节的含义 PID调节的全称是比例、积分、微分调节，是闭环控制中一种重要的调节手段，目的是使被控物理量迅速而准确地无限接近于控制目标。 (2) PID调节的控制信号 在实行PID调节时，必须至少有两种控制信号: 目标信号；

31、 反馈信号。74 (1) 比例控制 (2) 积分与微分控制 (a) 积分控制 为了消除系统的振荡，引入了积分环节，其目的是: 使给定信号XG的变化与乘积KP(XT-XF)对时间的积分成正比。 (b) 微分控制 微分控制是根据偏差变化率的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。3. P(3. P(比例比例) )、I( I(积分积分) )、D(D(微分微分) )的控制作用的控制作用75P P、I I、D D功能应用举例功能应用举例风机调速的恒温控制风机调速的恒温控制 空调机产生的冷空气，由鼓风机经通风管道吹入会议室，使会议室降温，并要求保持恒温

32、状态。 测温电阻测温电阻 温度控制器温度控制器 76方案方案1 1：采用变频器的：采用变频器的PIDPID功能功能 电路构成： 温度控制器仅仅将测温电阻的信号转换成电流信号，作为变频器的反馈信号，接至C1端。温度控制的目标信号由变频器外接的电位器RP给定，从端子12输入。温度控制器的PID功能不用，或只用P功能，如图所示。 工作特点： 因为当变频器的PID功能有效时，其“加速时间”和“减速时间”功能将失效，电动机的加、减速过程是由PID调节功能控制的，而鼓风机的惯性较大。所以，在起动过程中容易因过电流而跳闸。但在恒温过程中，由于温度本身的变化比较缓慢，运行是正常的。因此，须注意预置加速过程的“

33、防跳闸”功能。77方案方案2 2：由温度控制器进行：由温度控制器进行PIDPID调节调节 电路构成： 因为温度控制的目标值以及P、I、D的具体设置，都通过温度控制器TC的面板进行给定。所以，温度控制器TC输出的电流信号将直接作为变频器的频率给定信号，如图所示。 工作特点： 变频器可根据鼓风机惯性大的特点来预置加、减速的时间和方式。但变频器加、减速时间的加入，相当于延长了积分时间。因此，温度控制器的积分时间可以设置得短一些。786.3.5 6.3.5 变频器的变频器的使用使用n确保变频器已正确接地。n当变频器同主电源相连时不要拔掉主电源插头、电动机插头或其它电源插头。n防止用户接触供电电压。n按

34、照国家和地方法规进行电动机过载保护。n默认设置中包括电动机过载保护。n接地漏电电流大于 3.5 mA。nOFF（关闭）键不是安全开关。它不能将变频器与主电源断开。79使用变频器要重视散热问题使用变频器要重视散热问题 改变频率和电压是最优的电机控制方法。如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。 为防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率时必须同时改变电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就必须从220V改变到约100V。 如果要正确的使用变频器, 必须认真考虑散热问题。变频器的故障率随温度升高而成指数

35、的上升。使用寿命随温度升高而成指数下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流很大, 变频器产生的热量也非常大，不能忽视其发热所产生的影响。 80变频器的发热量变频器的发热量 通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可用以下公式估算: 发热量的近似值 变频器容量（KW）55 W 在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准(过流能力150% 60s)，同时变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或侧上方较好。这时可用估算: 变频器容量（KW）60 W 因为各变频器厂家的硬件

36、都差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品。 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边。 81降低控制柜内的发热量降低控制柜内的发热量 怎样才能降低控制柜内的发热量呢? 当变频器安装在控制柜中时，要考虑变频器发热的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当增加机柜尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。 如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制柜的外面，将会使变频器有70的发热量释放到控制柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。82降低控制柜内的发热量降低控

37、制柜内的发热量2 还可用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。 变频器散热设计中都是以垂直安装为基础，横着放散热会变差! 一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。 83其他和输出转矩有关的因素其他和输出转矩有关的因素 发热和散热能力：决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器输出转矩的能力。 载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值。 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响

38、。但元器件的发热会减小。 海拔高度: 海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响。一般1000m以下可以不考虑。 1000m以上每1000米降容5%就可以了。84关于散热的问题关于散热的问题 1.在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，每增加1000m降容5%。 但由于设计中变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。 85开关频率开关频率 2.开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT（快速全控开关快速全控开关），IGBT的发热集中在

39、开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容，就是这个道理。 86问题与思考：问题与思考： 7. 7.什么是变频器的矢量控制什么是变频器的矢量控制 ？ 8.8.变频器的变频器的PIDPID调节控制是怎样的？调节控制是怎样的？87高压警告高压警告 当变频器与主电源接线时，其带有危险电压。如果电动机或变频器安装不当，则可能导致设备损坏甚至人身伤亡。因此，必须遵守变频器手册的说明以及国家和地方的安全规定。88使用变频器一般警告使用变频器一般警告 即使设备已断开与主电源的连接，触碰电气部件也可能会导致生命危险。 此外还应确保其它电压输入也已经断开（直流中间

40、电路的连接）。 请注意，即使 LED 熄灭，直流回路上也可能存在高压。 在接触变频器的任何可能带电部分之前，对于所有规格，请等待至少4分钟的时间。 如果在特定设备的铭牌上规定了更短的等待时间，则以此时间为准。89漏电电流漏电电流 变频器的接地漏电电流超过3.5 mA时，根据要求，必须借助下述方式来增强保护性接地：横截面积最小为10mm2的铜芯，或额外的 PE线，其横截面积应与主电源电缆相同，并且必须单独连接。90避免意外启动避免意外启动 当变频器与主电源相连时，可以使用数字命令、总线命令、参考值或本地控制面板启动/停止电动机。 为保证人身安全而必须避免意外启动时，请将变频器与主电源断开。 要避

41、免意外启动，请始终先激活 OFF（关闭）键，然后再更改参数。91开始维修工作之前开始维修工作之前 1. 将变频器与主电源以及外部直流电源（如果有的话）断开。 2. 等待 4 分钟，让直流线路放电。 3. 断开直流总线端子和制动端子（如果有的话）。 4. 拆下电动机电缆。92并排安装注意事项并排安装注意事项 变频器可以与其他设备并排安装。为了实现冷却目的，其上方和下方都需要留出 100 mm 的间隙。 93如何连接电动机如何连接电动机 为符合 EMC 辐射规范，应该使用屏蔽/铠装的电动机电缆，并将此电缆同时连接到去耦板和电动机的金属机柜上。 为了减小噪音水平和漏电电流，应该使用尽可能短的电动机电

42、缆。 所有类型的三相异步标准电动机都可以与变频器相连。 小功率电动机一般采用星型连接（230/400 V，/Y)。大功率电动机采用三角形接法连接（400/690 V，/Y）。 有关正确的连接和电压，可参阅电动机铭牌。 步骤 1：首先安装接地电缆。 步骤 2：用星形或三角形接线法将电线连接至各个端子。94保护与功能保护与功能 通过监测散热片的温度，可以确保变频器在温度过高时跳闸。 变频器在电动机端子 U、V 和 W 上有短路保护。 如果电动机缺相，变频器则会跳闸并发出警报。 如果主电源发生缺相，变频器将跳闸或发出警告（取决于负载）。 对中间电路电压的监测确保变频器在中间电路电压过低或过高时会跳闸

43、。 变频器在电动机端子 U、V 和 W 上有接地故障保护。95变频器的制动变频器的制动 制动的概念：指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速。 负载的能量分为动能和势能。 动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。 机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦热能消耗掉。96变频器的制动变频器的制动2 对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。 在提升类负载下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧，进行

44、制动。这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。97怎样提高制动能力？怎样提高制动能力？ 为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。 为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。应选用“制动电阻”、“制动单元”或“功率再生变换器”等选件来改善变频器的制动容量。 98变频器的安装要求变频器的安装要求 确认变频器的安装环境对以下因素的要求：确认变频器的安装环境对以下因素的要求： 1）工作温度 2）环境

45、温度 3）腐蚀性气体 4）振动和冲击 5）电磁波干扰 99变频器的实际操作变频器的实际操作 西门子西门子MM440MM440变频器变频器的操作运行方式的操作运行方式 MICROMASTER440变频器简称MM440变频器，是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，本系列有多种型号供用户选用，恒定转矩(CT)控制方式额定功率范围从l20W200kW，可变转矩 (VT)控制方式可达到25OkW。 MM440变频器系列如图所示。100MM440MM440变频器的接线图变频器的接线图101 MM440变频器在标准供货方式时装有状态显示板(SDP)，对于很多用户来说，利用SDP和制造厂的缺省设置值，就可

46、以使变频器成功地投入运行。 如果工厂的缺省设置值不适合用户的设备情况，用户可以利用基本操作板(BOP)或高级操作板(AOP)修改参数。 （1）用状态显示屏 (SDP)进行操作 SDP上有两个LED指示灯，用于指示变频器的运行状态。状态显示屏(SDP)如图所示。MM440MM440变频器的操作运行方式变频器的操作运行方式 状态显示屏状态显示屏 (SDP) (SDP) 102接线端子和接线端子和操作面板操作面板 (BOP)(BOP)基本操作面板基本操作面板 (BOP) (BOP) 103基本操作面板基本操作面板 (BOP)(BOP)上的按键上的按键及其功能说明如表所示。及其功能说明如表所示。104

47、105基本操作面板基本操作面板 (BOP)(BOP)上的按键上的按键及其功能说明如表所示。及其功能说明如表所示。106高级操作面板高级操作面板 (AOP)(AOP)（3 3）用高级操作面板）用高级操作面板(AOP)(AOP)进行操作进行操作107变频器修改参数的基本操作变频器修改参数的基本操作108109问题与思考：问题与思考： 9. 9.怎样提高变频器的制动能力？怎样提高变频器的制动能力？ 10.10.对变频器的安装环境有哪些要求？对变频器的安装环境有哪些要求？110变频器控制电机的基本操作变频器控制电机的基本操作111电动机参数设置电动机参数设置112设置面板操作控制参数设置面板操作控制参

48、数113变频器运行操作变频器运行操作114PLCPLC与变频器的通讯与变频器的通讯 利用S7-200PLC和MM440变频器实现PLC对变频器的通信控制，通过S7-200PLC与站号为1的变频器通信来控制电机的转速。 相关知识：相关知识： 一个PLC系统由三部分组成:中央单元、输入/输出模块和编程单元。在一个由PLC和变频器组成的调速系统中，PLC可提供控制信号 (如速度)和指令通断信号(启动、停止、反向)给变频器。115 1. 1. 开关指令信号的输入开关指令信号的输入 变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、点动等运行状态进行操作的开关型指令信号 (数字输入信号)。PLC通常利用继

49、电器触点或具有继电器触点开关特性的元器件(如晶体管)与变频器连接，获取运行状态指令。 使用继电器触点进行连接时，常因接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需要考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。 在设计变频器的输入信号电路时还应该注意到，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。 PLCPLC与变频器的连接与变频器的连接116 变频器中也存在一些数值型 (如频率、电压等)指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。 数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来设定； 模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常是通过010V(或5V)的电压信号或者0(或4

50、)2OmA的电流信号输入。 由于接口电路因输入信号而异，故必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。 2. 2. 数值信号的输入数值信号的输入117 由于变频器在运行过程中会带来较强的电磁干扰，为了保证PLC不因变频器主电路的断路器及开关器件等产生的噪声而出现故障，在将变频器和PLC等上位机配合使用时还必须注意: （1) 对PLC本体按照规定的标准和接地条件进行接地。此时，应避免和变频器使用共同的接地线，并在接地时尽可能使两者分开。 （2) 当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块以及输入/输出模块的电源线上接入噪声滤波器和降低噪声用的变压器等。此外，如有必要在变频器一侧也应采取相应措施。

51、 （3) 当把变频器和PLC安装在同一操作柜中时，应尽可能使与变频器和PLC有关的电线分开。 （4) 通过使用屏蔽线和双绞线达到提高抗噪声水平的目的。变频器和变频器和PLCPLC等上位机配合使用时的注意事项等上位机配合使用时的注意事项118 这种控制方式的硬件接线简单，但需要增加通信用的接口模块。且要求熟悉通信模块的使用方法和设计通信程序。3 3PLCPLC通过通过485485通信接口控制变频器通信接口控制变频器119 西门子通用变频器有两种通信协议：USS协议和通过RS485接口的Profibus-DP协议。 如果使用Profibus-DP协议通信，必须使用Profibus-DP模块CB15

52、； 如果使用USS协议通信，可通过一个SUB-D插座连接，采用两线制的RS485接口，以USS通信协议作为现场监控和调试协议，最多可连接31台通用变频器，最大数据传输速率为19.2kbit/s，然后可用一个主站，如工业计算机或PLC进行控制。 USS总线上的每台通用变频器都有一个从站号 (在参数中设定)，各站点由唯一的标识码识别，主站依靠它来识别每一台通用变频器。 西门子通用变频器与西门子通用变频器与PLCPLC的通信的通信120 PLC与变频器连接时的所需要的设备、工具和材料有： MM440变频器； S7-200PLC；通信适配器；通信电缆；三相交流电动机；直流24V电源；接触器；空气断路器

53、；接线端子；电工工具；万用表；按钮；导线。PLCPLC与变频器连接时的材料与变频器连接时的材料121 1.按电路图接线 使用一根标准的Profibus电缆接在S7-2OOCPU通信口的1、3、8端上，电缆另一端是无插头的，对应的三根线分别接到变频器的PE、29、30端子上，如图所示。 S7-200的CPU最多可以接31个变频器，每个变频器要有唯一的站址，通过变频器的参数进行设置。PLCPLC与变频器连接时的接线与变频器连接时的接线122 （1）正确连接电路。 （2）确立通信方案。 西门子自动化产品的小型变频器与S7-20O的PLC之间的通信只能采用USS方式。 USS协议是传动产品 (变频器等

54、)通讯的一种协议，为主-从总线结构。 总线上的每个传动装置有一个从站号(在参数中设定)，主站(PC，西门子PLC)依靠它识别每个传动装置。S7-2OOPLC可以作为主站，用户使用指令可以方便地实现对变频器的控制。 S7-2OOPLC提供的USS协议指令为USS INIT和DRV_CTRL。见下表。 2. PLC2. PLC与变频器连接时的操作步骤与变频器连接时的操作步骤123 MM440 MM440与与S7-300CS7-300C的的DPDP通讯通讯1. 1. 系统的体系结构系统的体系结构 本例中选用S7-300 CPU316-2DP作为PROFIBUS-DP 主站，连接一个MM440变频器，

55、连接多个MM440时与之相同。1246.4 6.4 变频器控制电动机的基本环节变频器控制电动机的基本环节 6.4.1 电动机的启动/停止控制 电动机单向启动/停止的变频器控制是最基本的控制过程，控制电路如图6-27所示。 （1）主电路 主电路采用QF空气断路器作为主电源的通断控制，KM接触器为变频器的通断开关。KM闭合，变频器通电；KM断开，变频器断电。 （2）控制线路 控制线路中SB1和SB2为变频器的通、断电按钮。当按下SB1，KM线圈通电，其触点吸合，变频器通电；按下SB2，KM线圈失电，触点断开，变频器断电。变频器的启动由SB3控制，按下SB3，中间继电器KA线圈得电吸合，其触点将变频

56、器的STF与SD短路，电动机转动。1256.4.2 6.4.2 电动机的正反转控制电动机的正反转控制 电动机的变频器控制，可以由继电器回路控制，也可以用PLC控制。 1继电器控制1262 2PLCPLC控制控制 1276.4.3 6.4.3 电动机的制动控制电动机的制动控制 变频器具有制动功能，常用的制动有电动机带抱闸制动控制和电阻制动控制。电动机抱闸控制电路 128问题与思考：问题与思考： 11. PLC 11. PLC与变频器连接时要注意哪些方面？与变频器连接时要注意哪些方面？ 12. 12. 叙述叙述PLCPLC与变频器连接时的操作步骤。与变频器连接时的操作步骤。1296.5 6.5 变

57、频器在生产中的应用变频器在生产中的应用6.5.1 6.5.1 变频器在造纸机上的应用变频器在造纸机上的应用 造纸设备虽然种类繁多，传动结构也各异，但从系统组成来造纸设备虽然种类繁多，传动结构也各异，但从系统组成来看都是由压榨、烘干、压光、卷取等几大部分组成的，各部分都看都是由压榨、烘干、压光、卷取等几大部分组成的，各部分都由电机驱动。由电机驱动。 造纸工艺要求：设备传动时应保证纸在各部分传送时具有恒造纸工艺要求：设备传动时应保证纸在各部分传送时具有恒定的速度及恒定的张紧度。定的速度及恒定的张紧度。 目前造纸设备实现这个要求的最佳控制方案是变频调速。目前造纸设备实现这个要求的最佳控制方案是变频调

58、速。130压光辊及卷纸辊电路系统的组成压光辊及卷纸辊电路系统的组成电路系统的组成电路系统的组成图中仅画出压光辊及卷纸辊电路，其他电路可依此画出。图中仅画出压光辊及卷纸辊电路，其他电路可依此画出。1311 1光缆护套机概述光缆护套机概述 光缆护套机是通信光缆制造过程中的最后工序使用的设备，它的作用是在成缆后的缆芯上加综合保护层，以保护缆芯不受外界机械、热、化学及水分的影响。 设备的配置如图6-6所示 。6.5.26.5.2变频器在光缆护套机上的应用变频器在光缆护套机上的应用13211缆芯放线架；缆芯放线架； 22放线张力舞蹈轮；放线张力舞蹈轮； 33轧纹机；轧纹机；44挤塑机；挤塑机； 55电气

59、控制柜；电气控制柜； 66履带式牵引机；履带式牵引机； 77收线张力舞蹈轮；收线张力舞蹈轮； 88收线架收线架图图6-6 6-6 光缆护套机主要设备配置简图光缆护套机主要设备配置简图 光缆护套机主要设备配置光缆护套机主要设备配置133 在控制系统中，放线、轧纹、挤塑、牵引、收线和排线电机均采用交流变频电机，驱动器采用西门子的MM440系列变频器，操作和生产工艺参数的显示采用西门子的TP-070触摸屏作为上位监控，可以实时、形象地显示现场信号，并可以实时地对现场控制点进行控制。 全线控制采用西门子的S7-226 PLC，外加模拟量输入模块EM231。为了提高设备的整体性能，采用S7-226 PL

60、C的自由通信口分别与上位机TP-070和变频器进行通信。其中S7-226的端口0用于和MM440通信（USS4），端口1用于 和TP-070通信。 控制系统结构图如图6-7所示。2. 2.系统构成系统构成1346-7 6-7 控制系统结构图控制系统结构图 控制系统结构图控制系统结构图触摸屏触摸屏 S7-226的端口0用于和MM440通信（USS4），端口1用于和TP-070通信。1356.5.3 MM4406.5.3 MM440变频器在电梯上的运用变频器在电梯上的运用 通过MM440变频器在电梯上的运用，来了解电梯舒适度概念，掌握变频器的选用、控制电路设计及参数预置方法。 在典型的升降系统的轿