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1、MM420系列变频器组成的变频拖动系统,第5章 MM420系列变频器组成的变频拖动系统,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,5.0 生产机械对变频拖动系统的基本要求 及变频运行的问题,a）变频调速系统 b）对调速范围的要求 c）对机械特性硬度的要求,一、在机械特性方面的要求对调速范围的要求对机械特性“硬度”的要求对升、降速过程及动态响应的要求,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,对调速范围的要求绝大多数变频器的输出频率可调节范围在1Hz（200400）Hz之间，能满足所有负载的调速范围的要求。但在整个频率范围内能否带得动负载，能不能长时间运行？所有要充分了解负载的机械特性和电动机变频后
2、的有效转矩线。2. 对机械特性“硬度”的要求 异步电动机变频调速时，其机械特性的稳定运行部分基本是平行的，属于硬特性，所以大多数情况下，只需采用V/F控制方式，就能满足。 对精度要求较高的机械，则采用矢量控制方式。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,3. 对升、降速过程及动态响应的要求近代变频器在升、降速时间和升、降速方面都有相当完善的功能，足以满足大多数负载的要求。但还要考虑：（1）负载对启动转矩的要求，如起重机的起升机构；（2）负载对制动过程的要求，是否需要制动电阻，制动电阻的大小和容量等；（3）大多数情况下，变频调速开环系统的动态响应能力能满足负载的要求，对要求特高的系统，则考虑采
3、用具有转速反馈的矢量控制方式。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,二、在运行可靠性方面的要求对过载能力的要求对机械振动和寿命的要求1.对过载能力的要求对电动机而言，都有短时过载能力。对容量较小的电动机，可能是几分钟；对容量较大的则可能是几十分钟，甚至几个小时。变频器也有过载能力，但允许的过载时间只有1分钟。所以相对于电动机允许的短时间过载，变频器实际上是没有过载能力。在这种情况下必须考虑加大变频器容量。2.对机械振动和寿命的要求（1）避免机械谐振；（2）超过额度转速时，机械的振动、各部分轴承及传动机构的磨损增大问题。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,三、变频供电对异步电动机的影响
4、,1. 对电流的影响流入电动机电流含有高次谐波，因此与工频运行相比，在带动相同负载的情况下，电流要大些。资料表明，同为50Hz时，输出额度转矩时，变频时电流有增大5%10%。2. 对磁路的影响在V/F下，由于电压随频率而下降，磁通减小，使输出转矩减小。为使电动机也能达到额度转矩，必须补偿足够的电压。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,四、变频调速的要害低频运行与起动,1. 重载低频运行的对策,a）转矩提升b）转差补偿c）矢量控制,转矩补偿：在U/f控制方式下，变频器利用增加输出电压来提高电动机转矩的方法。转差补偿：当电动机转速随着负载转矩增加(降低)而下降(升高)时，变频器的输出频率自动
5、升高(降低)，以补偿电动机转速变化的过程。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,2. 起动特点及对策,a）传输带b）起动特点c）起动频率d）S形加速,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,五、上下限频率的预置要点,（1）上限频率尽量接近于额定频率：fHfN,（2）尽量提高下限频率有利于电动机的散热。提高在下限频率下运行的稳定性（尤其是无反馈矢量控制方式）。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,5.1 恒转矩负载变频拖动系统恒转矩负载的特点当运行时，无论其速度变化与否，负载阻转矩大小总保持恒定或基本恒定。,图5-1 恒转矩负载及其特性,a）带式输送机 b）机械特性 c）功率特性,MM4
6、20系列变频器组成的变频拖动系统,恒转矩负载基本特点：负载转矩 :负载的阻转矩基本恒定，即负载转矩的大小与转速无关。负载功率:负载功率与速度成正比。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,1.恒转矩负载的调速范围,（1）调速范围和负荷率的关系负荷率：电动机轴上的负载转矩TL（负载折算到电动机轴上的转矩）与电动机额定转矩TMN的比值，用。,变频器在外部无强迫通风的状态下提供的有效转矩线,主要功能的参数设置,A电动机允许的负荷率,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,结论：在拖动恒转矩负载时，允许的工作频率范围与实际的负荷率有关，实际负荷率越大，允许的工作频率范围越小；反之，实际负荷率越小，允
7、许的工作频率范围越大。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,（2）满足调速范围的方法实例： 某恒转矩负载数据：TL140Nm，nmax720r/min，nmin80r/min， n nmax / nmin =9。原选电动机的数据： PN11kW， nN1440r/min。原有传动装置的传动比2。今采用变频调速，用户要求不增加额外的装置，如速度传感器和风扇等。但可适当改变皮带轮的直径，即在一定范围内改变传动比。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,计算：1. 原设备的计算（1）电动机的额定转矩：（2）负载转矩的折算值：（3）电动机的负荷率：（4）核实允许的变频范围：由图5-2知，当负荷率
8、为0.96时，允许的频率范围是1952Hz，则对应的调频范围：显然，与负载要求的调速范围相去甚远，必须考虑解决办法。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,2. 改造解决方法：减小负荷率（1）由图5-2知，如果负荷率为70%，则允许调频范围为670Hz，则：（2）电动机轴上的负载转矩应限制在：（3）确定传动比：选,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,3. 校核（1）电动机的转速范围：（2）额定转差率：（3）工作范围:（假定调速中，转差率不变）符合负荷率频率范围。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,a）=2 b）=2.75,减小负荷率，增大调速范围,MM420系列变频器组成的变频拖动
9、系统,恒功率负载及其特性a）卷径很小时b）卷径增大时c）卷径最大时,2主要特点 （1）功率特点 P L F常数 （2）转矩特点 TLF （3）转速特点 n1/r,1典型实例,恒功率负载的特点,5.2 恒功率负载变频拖动系统,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,恒功率负载在实现变频调速时，考虑的主要问题是如何减小拖动系统的容量是关键问题。,1实现变频调速的主要矛盾,额定频率以下带卷绕机,恒功率负载变频调速要点,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,实例：某卷曲机，负载的转速范围为53318r/min，电动机的额定转速为960 r/min，传动比为3。卷曲机的特性曲线如图。,计算：电动机的选
10、择（1）最高转速时的负载功率（2）最低转速时的负载功率,张燕宾P158（a）,电动机拖动恒功率负载（fxfN),MM420系列变频器组成的变频拖动系统,（3）所需电动机的容量因为电动机的额定转矩必须能够带动负载的最大转矩，即同时，电动机的额定转速又必须满足负载的最高转速，即所以，电动机的容量应满足选择可见，所选电动机的容量为负载所需功率的7.5倍。这是因为： 所以:这样，变频调速系统的容量是负载实际所需功率的n倍，是很浪费的。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,2减小电动机容量的解决方法,（1）基本考虑当电动机在fxfN时运行时，是恒功率性质的，所以应尽量利用电动机的恒功率区带动恒功率负
11、载，使两者特性比较吻合。（2）fx2fN时的电动机容量当fmax=2fN时，因为电动机的最高转速比原来增大一倍，则传动比必须也增大一倍， 。下图绘出了增大传动比的机械特性。电动机的额定转矩：因为 ，所以负载转矩的折算值减少了一半，即 。电动机的额定转速仍为960r/min。电动机的容量为取可见，电动机的容量减少了一半。,图张P158(b),电动机拖动恒功率负载（fx2fN),MM420系列变频器组成的变频拖动系统,由于电动机的工作频率过高会引起轴承及传动机构磨损的增加，故对于卷曲机一类的必须连续调速的机械，拖动系统的容量已经不大可能进一步减小。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,3车床实
12、例,某意大利产SAG型精密车床，原拖动系统采用电磁离合器配合齿轮箱进行调速。现改用变频调速。具体数据如下：（1）基本数据：主轴转速八挡：75、120、200、300、500、800、1200、2000r/min；电动机额定容量：2.2kW，额定转速1440r/min；（2）主要计算数据：调速范围：nL300r/min为恒转矩区； nL500r/min为恒功率区。（3）各挡转速下的负载转矩实际功率按2kW计算。各挡转速下的负载转矩如表所示：,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,（4）电动机额定转矩（5）对调速方案的分析功率调节范围限制在额定频率以下电动机须满足：所以：取，所需电动机容量是原来
13、的7倍多。,图5-10 额定频率以下带车床运行,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,功率调节范围扩大到100Hz因为车床的大部分机械特性属于恒功率性质，而电动机在额定频率以上也是恒功率性质。因此从充分利用电动机的潜能出发，将电动机的最高工作频率扩大到100Hz。这样电动机的额定转速只需最高转速的一半。即取虽减小了一半，但仍是原来的3倍多。,图5-11 二倍频以下带车床运行,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,功率调节范围扩大到100Hz，采用两挡传动比由于车床在切削过程中是不进行调速的，每次调速都是在停车下进行。所以可以考虑采用两挡传动比方案。低速挡时，传动比较大，高速挡时，传动比较小
14、，这时电动机折算到负载轴上的机械特性与负载的机械特性曲线十分接近。折算到负载轴上的电动机转速只需要：取可见，原来的电动机即可。,图5-12 两挡传动比带车床运行,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,校核：当负载为500r/min时，电动机为500*5=2500r/min。这时电动机的输出转矩为折算到负载轴上为8.4*5=42Nm38.2Nm当负载运行在800r/min时，电动机速度为800*1.5=1200r/min。这时电动机的输出转矩为折算到负载轴上为17.5*1.5=26.25Nm23.9Nm可见，用原来的电动机拖动没有问题。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,二次方律负载的特
15、点,1转矩特点,二次方律负载及其特性,2功率特点,5.3 二次方律负载变频拖动系统,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,风机变频调速要点,二次方率负载实现变频调速后的主要问题是如何得到最佳的节能效果。,1功能预置要点,（1）控制方式VF控制方式 由于在低频运行时，即使无电压补偿，电动机的转矩与负载转矩相比，仍有较大余量。通常变频器出厂时都设定了一定补偿量，所以直接接上风机或水泵运行，节能效果就不明显了。,风机、水泵用的Uf线a）艾默生变频器b）康沃变频器c）A-B变频器,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,（2）上限频率（或最高频率）,由于风机属于二次方律负载，故最高频率不允许超过电动
16、机的额定频率（基本频率）。,设工作频率fX上升10%，即 fX=1.1fN=1.150=55Hz则，转速也上升10%，于是，负载转矩TLX为 TLX=(1.1)2TLN=1.21TLN可见，负载转矩将增大21%，使电动机处于严重过载状态。,（3）下限频率,风机频率太低时，实际意义不大，故下限频率通常预置位25Hz。,（4）起动功能,根据需要，可预置起动前的直流制动功能，以保证零速起动。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,（5）加、减速时间与方式,1）加、减速时间 因为：）风机的惯性较大； ）起动与停机很不频繁。 所以：加、减速时间应适当延长，使起动时的电动机电流和停止时的直流电压都限制在
17、允许范围内。2）加、减速方式 因为：风机在低速时阻转矩很小，而在频率较高时阻转矩增加较快。 所以：采用半S方式为宜。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,tS,tD,tS,tA,S形时间tS可以按升速时间tA或降速时间tD的20%30%来预置。如tA=tD=30s，则tS可预置69s。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,2风机控制电路实例,某锅炉鼓风机系统，采用西门子S7-200 PLC和MM430变频器进行控制。要求：（1）即可工频运行，也可变频运行；（2）变频器频率由温度传感器测定信号后，经PID调节器进行控制；（3）变频器出现故障后，风机停止变频运行，5s后转入工频运行，同时报
18、警指示灯亮。故障排除后通过复位按钮控制，报警指示灯灭，风机停止工频运行，5s后转入变频运行。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,电路图：（1）主电气电路KM3控制工频供电，KM1、KM2控制变频供电。（2）控制电路S7-200 PLC的I/O分配及各电气器件的功能。（表5-3）MM430参数设置表（表5-4）,图5-17,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,水泵变频调速的功能参数设置,1泵的基本特性与节能原理,泵是一种平方降转矩负载，其转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率P的关系如下式所示： 泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。 扬程单
19、位质量的水被水泵上扬时所获得的能量。单位m。扬程主要包括三个方面：（1）提高水位所需的能量；（2）克服水在管路中的流动阻力（管阻）所需的能量；（3）使水流具有一定的流速所需的能量。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,下图是泵的流量Q与扬程H的关系曲线。曲线为泵在转速n1下扬程流量(HQ)的特性；曲线为泵在转速n2下扬程流量(HQ)的特性；曲线为泵在转速n1下功率流量(PQ)的特性；曲线、为管阻特性。假设泵在标准工作点A点效率最高，输出流量Q为1OO%，此时轴功率P1与Q1、H1的乘积面积AH1OQ1成正比。根据生产工艺要求，当流量需从Q1减小到Q2时,如果采用调节阀门方法(相当于增加管网
20、阻力)，使管阻特性从曲线变到曲线,系统由原来的标准工作点A变到新的工作点B运行。此时，泵扬程增加，轴功率P2与面积BH2OQ2成正比。,泵的扬程流量曲线,如果采用变频器控制方式，泵转速由n1降到n2，在满足同样流量Q2的情况下，泵扬程H3大幅降低，轴功率P3与面积CH3OQ2成正比。轴功率P3和P1、P2相比较，将显著减小，节省的功率损耗P与面积BH2H3C成正比,节能的效果是十分明显的。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,泵的扬程和出水压力是线性关系，因此可以近似表示为出水压力P。EA 是恒压线,n1,n2,n3是不同转速下的流量/压力特性。可见在n1 转速下如果通过控制阀门的开度使流
21、量从Qa 减少到Qc 时,压力将沿n1 曲线升高到D点，所以在流量减少的同时，提高了压力。如果从转速n1降低到n3，则流量沿着恒压力线从Qa 减少到Qc 时，而压力没变。可见在一定范围内可以在保持出水压力恒定的前提下，通过改变转速来调节流量，并且没有压力升高带来的损失。这种特性表明调节水泵转速改变出水流量，使压力稳定在恒压线上就能够完成流体的恒压供水。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,2恒压供水调控原理及变频控制系统结构,恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式，这样既可以满足各个部位的用户对水的需求，又不使电机空转造成能量浪费。为了实现上述目标，需要变频器
22、根据给定压力信号和反馈压力信号调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。恒压供水变频调速控制系统原理结构图（图5-19）。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,水泵电机是输出环节，转速由变频器控制实现变流量恒压控制。MicroMaster430 接收给定和反馈信号后，经过PID 调节输出运转频率指令。压力传感器检测管网出水压力，并将其转变为变频器可接收的模拟信号，进行调节。变频调速恒压供水控制最终是通过调节水泵的转速来实现的，水泵是供水的执行单元，通过调速能实现水压恒定。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,3.MM430变频器端子配置：,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,
23、4. MicroMter430的内置功能：MicroMter430 拥有内置PID 调节器，可以提高供水系统压力的控制精度，改善控制系统的动态响应。PID 调节器设定一个目标值，目标值与用户要求的压力对应的值进行比较，通过调节PID 参数来调节变频器的输出频率，从而调整水泵转速，改变水泵流量，使压力保持恒定。MicroMaster430 还扩展PID 控制器的功能，电机可以以最小频率运行然后，断开电机，如果达到重新起动频率电机将自动再起动。这就是节能方式控制（在无负载的情况下，可以断开电动机的运行），为用户节约大量能源。为了防止水池缺水时，水泵因空转而受到损坏，MM430 变频器提供缺水和断带
24、检测功能（用于检测传动部分的机械故障例如皮带断裂水泵缺水运行等）。变频器无需传感器，可以通过设定转矩变化范围，来对转矩进行监控，可以识别水泵是否因缺水空转和传动部分的机械故障，从而对水泵进行全面保护。,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,电动机的循环起动控制在PID 控制信号作用下，最多可以控制三台辅助电动机各台辅助电动机可以通过接触器或电动机起动器投入或退出运行，接触器和电动机起动器的接通和断开由变频器的继电器的输出接点进行控制。为保证供水系统的连续性MicroMaster430 还提供旁路切换功能，通过继电器输出接点控制两个机械上互相联锁的接触器，实现变频和工频的切换。,MM420系列
25、变频器组成的变频拖动系统,5. MICROMASTER430变频器在恒压供水应用举例：实例1：由BOP-2面板作为压力给定，由模拟量通道2接入压力反馈信号，具体参数如下：（对于比例积分参数需要现场调试）,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,实例2：分级控制功能：MICROMASTER430变频器的分级控制用于使用一台变频电机和若干台（1至3台）辅助电机进行闭环控制的应用场合，需要和变频器的PID功能配合使用。系统中的变频电机由变频器进行控制，通过PID控制器调节变频电机的转速。其它辅助电机则由变频器通过数字量输出进行控制。,图5-20 一拖二辅供水系统,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,（1）设备参数：某大楼的供水系统：实际扬程HA=30m，要求供水压力保持在0.5MPa，压力变送器的量程是01MPa。采用一拖二辅供水系统。主泵电动机：22kW、42.5A、1470r/min，由变频器控制。配用变频器：西门子MM430，29kVA（适配电动机为22kW），45A。辅泵电动机：5.5kW、11.6A、1440r/min，直接接工频供电。（2）参数配置（表5-5、5-6、5-75-10）,MM420系列变频器组成的变频拖动系统,