第三章：变频器的工程应用案例

第三章：变频器工程应用3.1变频器PID应用变频器PID应用主要应用在过程控制中，如恒压供水控制、恒压供气控制、恒温控制等。变频器控制什么量，就由传感器将什么量转化为电信号，这个电信号和给定信号在变频器内进行比较，比较的差值通过PID控制器控制变频器的输出频率，来控制电动机的转速，使变频器的控制量保持恒定。第三章：变频器工程应用3.1.1富士G11S变频器PID控制富士G11S变频器，驱动7KW电动机，拖动水泵恒压供水，PID控制，压力表量程1MPa,输出电流4—20mA,要求管道中压力为0.6MPa。1.控制电路压力变送器第三章：变频器工程应用2.需要解决的问题：

1）反馈端子的确定；2）目标信号给定端子的确定；3）目标信号的给定值为多少；4）PID控制端子的确定；5）P、I、D参数的选取。上述5项都要通过变频器的功能码进行预置。下面根据富士变频器的流程图分析参数的选择及设置情况。第三章：变频器工程应用第三章：变频器工程应用3.功能参数E01=20(X1端子有效，OFF,PID有效)E02=11（X2端子有效，OFF,F01设定目标值。F01=1（模拟电压端子设定目标值）H20=1（PID正动作）H21=1（C1端子为反馈端子，并正动作）H22，P增益，0.01～10.0倍；H23，I积分时间，0.01～3600sH24，D微分时间，0.01～10.0s；现场调试决定,H25，PID反馈滤波，0.0～60s见下图第三章：变频器工程应用PID控制特性：PID控制特性见右图；负载反映特性见下图。第三章：变频器工程应用第三章：变频器工程应用4.富士G11S变频器PID控制目标量选择目标量：目标量在设置时大小等于反馈量。在本控制中，反馈量为：压力表的量程为1MPa，控制压力为0.6MPa，为压力表总量程的60%，其输出信号也为总输出信号的60%，(4+（20-4）x60%=13.6mA)。目标量输入的是电压值，0—10V，其电压的60%为6V,即12端子输入电压为6V；C1端子输入电流为13.6mA。第三章：变频器工程应用5.关于多功能输入输出端子的使用1）在上例中，用E01—E09参数（对应X1—X9端子）指定一个PID功能切换端子，为什么用端子进行切换，而不用编程的方法进行切换呢？因为用端子切换是随机的，不受时间的限制。2)E01—E09参数只是选定端子，这个端子干什么还要用参数值确定。E01=20，“20”就是参数值，这条指令的含义是：X1端子有效，功能是控制PID功能切换。3）多功能输出端子的使用也是如此，首先选定端子，再指定端子干什么。4）这种控制和编码方式具有普遍性，多种变频器采用这种方法。如三肯、三菱、台达、英威腾等。机械·负载变频器机种容量选定·讨论重点负载转矩加速特性减速特性

（再生制动讨论）泵

（2次方递减负载）L100L300P◎△△以最大功率选定电机·变频器容量一般场合不需要

（负载·机械的惯量小）一般场合不需要

（负载·机械的惯量小）风机

（2次方递减负载）L100

L300P◎○○以最大功率选定电机·变频器容量因为风机（鼓风机）的惯量大，有时需要因为风机（鼓风机）的惯量大，有时需要卷取机等

（恒定转矩负载）SJ100SJ300◎◎○以卷取终了时的必要功率选定电机·变频器容量以卷取开始的必要功率选定电机·变频器容量一般场合不需要

但在限制的场合，有必要探讨行车

(台车等)平面行车SJ100

SJ300△◎○

以加速时的必要功率选定电机·变频器容量很多场合需要选定再生制动单元斜面行车SJ100

SJ300△◎◎有的场合需要以向上加速时的必要功率选定电机·变频器容量以向下减速时的必要功率选定电机·变频器容量

很多场合也需要选定再生制动单元升降·卷扬机（起重机等）SJ100

SJ300△◎◎

以上升加速时的必要功率选定电机·变频器容量以下降减速时的必要功率选定电机·变频器容量

很多场合也需要选定再生制动单元26关于风机泵类的设置负载特性速

度转矩2次方递减负载

风机・泵但请注意真空泵等与之特性相异恒定转矩负载

卷取机・台车3负载特性加速时间

ta

因为在加速时，能够得到额定120%

ta=[ΣJ＊Nmax]／[9.55＊(1.2＊Tm-TL)]

的转矩，所以在加速时没有必要

设定太长的加速时间。

减速时间

td

在减速时，转矩为额定的10～20%，

td=[ΣJ＊Nmax]／[9.55＊(0.1*Tm+TL)]

对于惯量大的风机，有必要设定相

当长的减速时间。

加速・减速时间的计算J

：电机轴换算总惯量

(kg・m2）Nmax：最高转速(rpm)

Tm

：电机额定转矩(N・m)

TL

：负载转矩

(N・m)（但，计算减速时间时：TL=

0

）4再生制动单元（电阻）的选定顺序减速转矩的计算

Tb=[ΣJ＊Nmax]／[9.55＊tb]

Tb：需要的减速转矩(N・m)

tb：减速时间的限制值

(s)再生功率的计算

Pb=0.105＊Nmax＊Tb

(w)

再生电阻(Rb)的计算

Rb=VPN2／[1.2＊Pb]（Ω）

VPN：200V级时为350V400V级时为700V再生电阻容量(型号)的选定

求得使用率(%ED)，从产品手册中的各制动电阻的允许使用率及电阻值中选定

使用电阻的型号。

再生制动单元的选定

有变频器内置再生制动电路和需要在外部设置的两种。从产品手册中选定能够和上述的制动电阻相吻合的再生制动单元。

5缩短减速时间的简易方法

转速N1Nmaxtd1

td

N1NmaxTL1通常使用范围td1=[ΣJ＊(Nmax-N1)]／[9.55＊(0.1＊Tm+TL1)]能够缩短到，用通常使用范围下限的负载转矩计算所得的减速时间可以用「第2减速时间2设定」设定，可以用外部端子「2段加减速」切换。6控制方式控制方式

V/F控制

V/F恒定控制(VC特性)

V/F递减控制(VP特性1.7次方)

V/F任意设定

节能运行控制

矢量控制

带编码器矢量控制

无速度传感器（无编码器）

矢量控制风机・泵用控制方式面向搬运机械、升降机等的控制方式7自动节能运行自动节能运行功率消耗运行频率自动调整至最节能状态通常V/F控制自动节能运行8

运行范围的限制－1

频率限制功能的使用

限制功能输出频率频率指令输入fHLIMfLLIM如左图所示，能够限制输出频率的上下限。上限fHLIM：A061(A261)下限fLLIM：A062(A262)9运行范围的限制－2

外部频率起点·终点功能

a.

起点选择(A015,A105)：00时输出频率频率指令输入ｆＥｆＳ

OSOE能设定如左图的频率起点·终点。起点频率

ｆＳ

：A011

(A101)终点频率ｆＥ

：A012

(A102)起点比例

OS：A013

(A103)终点比例

OE：A014

(A104)10

b.

起点选择(A015,A105)：01时运行范围的限制－2

外部频率起点·终点功能

输出频率频率指令输入ｆＥｆＳ

OSOE能够设定如左图的频率起点·终点。起点频率

ｆｓ

：A011(A101)终点频率

ｆＥ

：A012

(A102)起点比例

OS：A013

(A103)终点比例

OE

：

A014

(A104)11负载机械系统内存在共振点，在由共振引起的振动・噪音很大时，能够自动避开此共振点（跳开）运行的功能。避免共振

跳频功能能够自动避开共振范围运行可设置三点跳频点。

跳频设定1：A063跳频设定2：A065跳频设定3：A067

跳频幅宽1：A064跳频幅宽2：A066跳频幅宽3：A068

输出频率频率指令12瞬时断电后的重起功能－1

和周围机器的协调

13由负载的惯量・负载转矩特性所决定，瞬时断电中的电机转速降低的程度来决定最适合的重起方法。14瞬时断电重起时转速降低的对策系统下降压力降低转速降低程度大泵负载对策来电后，马上重起设定短的重起待机时间有发生过电流跳闸的危险低惯量负载大15过电流跳闸原因—1

电机残留电压（1）

V=V0・exp[-1/T2・t]・exp[jωrt]

T2

：电机消磁时间常数

ωr：电机角速度（转速）输出遮断电机残留电压

衰减特性根据电机自身的剩磁的衰减特性决定了电机残留电压衰减特性遮断后，短时间内维持高电压。16过电流跳闸原因—2

电机残留电压（2）标准电机(4P)的消磁时间常数的概算值17过电流跳闸原因—3

开关部分的短路模式开关部分的短路模式电机残留电压短路电流路径变频器开关部分上臂的IGBT全部为ON状态18第三章：变频器工程应用3.3变频器在回转窑上的应用回转窑广泛用于冶金、化工、建筑耐火材料、环保等工业。水泥回转窑是水泥熟料干法和湿法生产线的主要设备。回转窑由筒体，支承装置，带挡轮支承装置，传动装置，活动窑头,复合碎石机，窑尾密封装置，喷煤管装置等部件组成。回转窑的回转部分如右图所示。回转窑的窑体与水平呈一定的倾斜，整个窑体由托轮装置支承，并有控制窑体上下窜动的挡轮装置。回转窑的转动由电动机通过齿轮减速箱，减速箱的输出齿轮和回转窑的回转齿条啮合，拖动回转窑转动。第三章：变频器工程应用3.3.1.回转窑负载分析1.起动力矩分析启动时回转窑内的物料处于正下方，在窑体起动并不断加速的过程中，整个窑体要克服摩擦力、窑体变形产生的阻力以及窑内的物料堆积角产生的阻力。当窑体克服所有阻力开始转动时，堆积物料的偏转角也随着变化，当物料偏转角达到90度时，此时物料所引起的附加转矩最大，变频器的输出电流也最大，达到正常工作电流的3-4倍。此时变频器的输出频率上升到10-13Hz。第三章：变频器工程应用2.运行力矩分析

回转窑起动过程，既是一个加速过程，也是克服设备巨大惯性的过程。一旦变频器克服了这种大惯性负载而起动起来，维持正常运转时，所需的驱动转矩及功率减小。回转窑在正常工作时，因为物料运行的不规则冲击和窑体受热变形弯曲引起的附加力矩，回转窑为冲击负载。根据回转窑的这种负载特点，选择变频器及电动机的功率就比较复杂，功率选择过大，起动没问题，但正常运转时出现大马拉小车现象，能耗大，一次性投资加大；功率选择小些适合于正常运行，效率高投资小，但不能正常起动。第三章：变频器工程应用3.3.2.变频器选择原则根据上述回转窑负载特性的分析，变频器在选型和容量选择上有其特殊性。1）变频器在起动时负载很大，是正常工作时的几倍，因此，变频器的容量选择要有充分的裕量，否则变频器将不能正常启动。2）变频器是在起动时的低速区（10～13Hz）电流最大，因此变频器在选型时要选择起动过载能力大、具有低频转矩补偿的变频器。3）提高电动机的上限转速，加大减速装置的传动比，以提高起动时的低频转矩。第三章：变频器工程应用3.3.3应用实例1.工作现状有一回转窑改造项目，原来选用55KW电动机调速驱动，因回转窑烧结温度较高，热膨胀系数较大，窑体变形严重,使起动及工作电流增大,电动机经常堵转不能正常运转。2.改造分析改造时考虑到原电动机的功率不足，同时考虑到55KW、4极电动机转速为1460r/min，而回转窑正常运行时电动机的转速只有800r/min左右，电动机的散热效果差。根据以上情况，将电动机改为6极、90kW，该电动机额定转速960r/min，当运转在800r/min时，变频器的输出频率为40Hz左右，电动机发热量下降。选择惠丰HF-G7-90T3型通用变频器，该变频器功率为90kW，额定电流180A。第三章：变频器工程应用3.系统调试1）变频器选择HF-G7-90T3，起动正常（？），但在运行中频繁跳“OC”过流，使生产不能正常进行。查其原因，发现由于负载惯量大，物料在窑中滚动时不断形成附加转矩，使变频器产生瞬间过流。瞬时峰值电流达340A。而HF-G7-90T3变频器的过载极限电流为270A，小于其负载峰值电流，故不能正常工作。第三章：变频器工程应用2）根据这一现场情况，经反复论证计算，最后变频器选择为HF-G9-160T3型，该变频器额定功率160kW，额定电流320A。过载能力为1.5-1.8倍，过载极限电流为480-570A。该变频器足可以克服负载瞬时波动产生的峰值电流，回转窑运行正常，不再跳“OC”过流。3）变频器在正常停机的情况下，启动困难，借助辅助设备才有可能起动。分析其情况，判断为起动转矩不足，修改变频器的转矩补偿曲线，变频器启动正常。第三章：变频器工程应用总结：1）变频器的容量是以瞬时冲击电流为依据，变频器只有满足了负载的瞬时冲击电流要求，才能不跳闸。该例中瞬时峰值电流为340A，所选变频器的额定电流为320A（略小于峰值电流，见下图）。2）电动机的容量根据负载的平均功率选取，只要负载的瞬时电流达不到堵转电流，电动机的容量就不必增加。3）考虑低速电动机的发热问题，尽量使电动机工作在高转速区。第三章：变频器工程应用3.4变频器在张力控制设备上的应用生产线一般由多个驱动环节组成，每个驱动环节有一台或多台电动机。因为生产线工作时的连续性，要求众多的驱动环节在运行时的速度或同速、或按比例运行、或根据现场情况随机调整。在采用变频器控制时，为各个驱动环节的调速控制提供了方便。变频器根据速度传感器的取样信号，可方便的进行速度控制。第三章：变频器工程应用

3.4.1.检测传感装置1.张力控制传感装置卷取机械是带材和线材生产不可缺少的设备，如塑料带的卷取，造纸厂纸张的卷取，冶金厂的薄板卷取、带铜卷取等。在卷取过程中，为了使产品合格，要给卷材上加一定的张力，张力的大小关系到产品的质量。同时，卷取工序与前道工序之间有着密切的联系，如与前道工序速度要同步、稳定、调速精度要高等。第三章：变频器工程应用（1）用变频器转矩电流控制张力图为以转矩电流作为控制信号的张力控制系统示意图。如图所示，用滚筒2移动加工物，在滚筒1上施加与旋转方向相反的转矩，使两组滚筒间的加工物具有张力，该张力与滚筒1电动机的制动转矩大小成比例。因此，变频器2可以选用通用变频器调速；而变频器1则必须选用具有转矩控制功能的矢量控制变频器。图中所用传感器为电流传感器，它将电动机的定子电流（定子电流和电动机的转矩成正比）转化为4～20mA的控制信号，加在变频器的反馈输入端，控制变频器输出转矩的稳定，达到控制带材张力稳定的目的。第三章：变频器工程应用（2）采用调节辊控制张力图为调节辊装置的示意图。调节辊利用弹簧、气压、重锤等在一定方向上施加一定大小的力，不管其位置是否变动始终使加工物保持一定的张力。使用调节辊时，张力与变频器的控制没有直接关系，其大小为F的一半。调节辊的张力控制功能只限于在其容许的行程以内。第三章：变频器工程应用（3）张力检测器控制张力对于高精度张力控制或用调节辊控制在控制失调时对产品质量影响很大的场合，可采用张力检测器的反馈控制。张力检测器有差动变压器式和测力传感器式等类别。第三章：变频器工程应用3.4.2张力控制在拉丝机上的应用1.拉丝原理拉丝机是金属线材制造的一种重要设备。设备的种类很多，常见的有水箱式拉丝机、直进式拉丝机、滑轮式拉丝机、倒立式拉丝机等。拉丝机主要应用在对铜、铝、铁、合金等金属线缆材料的加工，将直径较大的金属材料拉制成直径较细的金属丝。第三章：变频器工程应用2.三肯SAMCO-vm05变频器在拉丝机上的应用（1）卷绕原理第三章：变频器工程应用（2）卷绕变频器的内部控制功能框图由拉丝机给出的频率控制信号fx1，加到卷绕变频器的频率控制端，这个频率控制信号通过变频器内部的比例增益电路处理，与“卷绕曲线预测”信号叠加，生成X+信号，与张力架位置补正信号叠加，生成fx2输出频率控制信号，控制变频器逆变电路频率输出。第三章：变频器工程应用（3）控制电路第三章：变频器工程应用该电路控制特色：1）将第一台变频器其中一个多功能输出指示端子AOUT1设置为频率输出指示端子，作为第二台变频器的速度同速信号,加在第二台变频器的频率控制端URF2。2）为了运行同步，将第一台变频器的输出指示端子DO1设为运行中，作为第二台变频器的运行开关信号。3）为了方便穿线作业，设置了JOG点动端子；停车时，为了防止卷绕变频器重量较大的满盘线轴因惯性引起的断线，采取制动电阻+直流制动的方法，使电动机马上停止。4）以摆动张力传感器的输出电压信号作为反馈信号进行内部可变PID补正控制，以三垦变频器独特卷绕曲线进行速度预测图形运转，实现恒线速度收卷，满足工艺要求。第三章：变频器工程应用

3.5变频器在降速设备上的应用在变频传动中，因为电动机是恒转矩负载，如果电动机的转速很低，输出功率不足(电动机的输出功率为P=nT)。为了充分发挥变频器和电动机的功率，在负载转速很低时，要通过降速机构改变电动机和负载的速度比，达到功率匹配的目的。第三章：变频器工程应用3.5.1机械传动系统机械传动系统的组成由电动机、传动机构和负载组成。最简单的传动系统：电动机、连轴器和负载，电动机输出转矩TM

，它与负载的阻转矩TL

大小相等，方向相反，即

TM=TL当电动机以转速n运行时，输出功率为电动机的机械特性，必须与负载的机械特性相匹配，整个传动系统才能正常工作。第三章：变频器工程应用3.5.2常见传动机构1.传动比图示4种传动机构中，电动机和负载通过减速装置传动，电动机轴和减速输出轴的转速比称为传动比λ，TM

nM—为电动机轴输出转矩和转速；

TL

nL—为负载轴输入转矩和转速第三章：变频器工程应用2.齿轮传动机构中各量之间的关系传动比：输入轴转速n1与输出轴转速n2之比,用λ表示，即：由传动比的定义式可知，λ﹤1，为升速传动；λ﹥1为降速传动；λ＝1，为直接传动。第三章：变频器工程应用3.5.3传动方案选择实例例：已知变频调速系统，其负载为恒转矩负载，阻转矩为88N·m，调速范围为0~335r/min，由4极电动机驱动，负载最大功率消耗为Pmax=3.5kW。请选择驱动方案。解：电动机联轴器直接驱动负载条件：

TM＞

TL

取TM=100N·m>88N·m，所需电动机功率为：P=（kW）因此，选择的变频器的功率也应为15

kW。（功率公式）第三章：变频器工程应用2.采用一级齿轮降速传动降速齿轮传动的传动比：λ=4.3取整数4，电动机的输出转矩TM=（N·m）所需电动机的功率为：取P=3.7（kW）变频器的功率也应为3.7（kW）。当负载的转速为0～335r/min，电动机为0～1340r/min.

结论：变频器调速遇到转速和输出功率的矛盾时，就要考虑具有一定传动比的降速或升速装置。第三章：变频器工程应用结论：1.电动机是一个恒转矩电器，转速低，输出功率低，转速高，输出功率高（）。2.当变频器采用变频调速时，为了充分利用变频器和电动机的输出功率，电动机尽量工作在高速区。为了满足负载低速时的转矩要求，可采用降速装置。降速比λ根据电动机的额定转速和负载的最高转速确定。第三章：变频器工程应用例2：已知负载功率为7KW，转速在450—900r/min之间可调，要求恒功率调速，请选择电动机和变频器功率。解：1）按低速选择当负载输出450r/min时，电动机输出额定转速1450r/min，传动比为

λ=1450/450=3.2电动机和变频器可选择功率为7kW。当负载输出900r/min时，电动机输出转速为2900r/min(100Hz)，超频工作。2）按高速选择当负载输出900r/min时，电动机输出额定转速1450r/min，传动比为

λ=1450/900=1.6当负载输出450r/min时，电动机输出转矩为额定转矩的1.6倍，即应选用1.6×7=11.2kW的电动机和变频器。第三章：变频器工程应用3.6变频器同速控制变频器的速度控制有操作面板（或操作面板上的电位器）、外接模拟控制端子和外接升降速数字端子三种控制方法。操作面板不适应变频器的联动控制。3.6.1开环同速控制开环同速是“准同步”运行，在多台变频器同速运行时不需要反馈环节，在要求不高的系统中多被采用。实现开环同步方法可以采用共电位控制、升降速端子控制和电流信号控制等。第三章：变频器工程应用1）共电位控制共电位控制框图如图所示，3台变频器的电压模拟调速端子上所加的是同一调速电压，3台变频器的“频率增益”和“频率偏置”功能参数要进行统一设置。通过同一电位器控制3台变频器同速运行。第三章：变频器工程应用2）升降速端子控制升降速端子控制框图如图所示，图中升速端子由同一继电器控制，降速端子也由同一继电器控制，由这两个继电器分别控制变频器的升速和降速。每个变频器的升降速端子上分别并联上一个点动开关SB，分别用它们进行每个变频器的速度微调。因为升降速端子是数字控制，工作稳定没有干扰。第三章：变频器工程应用3）电流信号控制电流信号控制是应用变频器的IRF电流调速端子（4～20mA），进行串联控制，以得到同速运行，如图所示。它的优点是构成简单，可以有较长的连接距离，抗干扰能力比较强。缺点是需要一个电流源，且每台设备都需要有微调控制，操作比较麻烦。第三章：变频器工程应用4）利用变频器的频率输出指示端子做同步信号由第一台变频器的模拟输出指示端子作为第二台变频器的同步信号，使两台变频器同步运行。该同速控制不能准确同步。因FMA是二次信号，它输出的精度、与输出频率的比率存在一定的误差，也容易引进干扰。第三章：变频器工程应用2．闭环同速控制闭环同速控制用于控制精度要求比较高的场合。在有上位机存在的系统中，同速控制可以有不同的构成形式。一种为将各变频器的反馈信号输入到上位机，由上位机作总闭环控制计算，由上位机分别给出控制变频器运行的信号，如图所示。此闭环控制方式计算速度快，控制电路简单，但由于采用电压及电流反馈形式，传输距离有所限制，其分布范围不能很大。第三章：变频器工程应用另一种控制方法是采用单机就地自闭环的方法，上位机输出相同给定信号，如图所示。此闭环控制方式的优点是动态响应快，分布距离可以较远。复杂的控制由上位机来完成，一些系统监测信号直接连到上位机。第三章：变频器工程应用3.6.2应用实例该电路为4台变频器比例运行。第三章：变频器工程应用1.光电耦