变频器02调速系统的设计.ppt

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1、变频调速系统的设计 变频调速控制系统的应用范围很广，如轧钢机、 卷扬机、造纸机等，不同的控制对象有其具体的控 制要求；对于动态、静态指标要求比较高的控制系 统，在变频调速设计时要求经常利用速度反馈、电 流反馈、电压反馈、张力反馈、位置反馈等，通过 利用反馈组成一个控制策略优良的自调系统来改善 系统的性能。对于动态、静态指标要求不高的生产 工艺系统，在变频调速控制系统中也有电流反馈、 位置反馈等。但是这些反馈一般都是开关量的，因 此这些开关量通常用于变频调速控制系统的保护。 在变频调速控制系统中，如果外环是转速环，目前已 经具有较为成熟的控制方案。例如变频器采用矢量控 制，其转速环的结构和直流调

2、速系统是一样的，可以 建立与直流调速系统一样的数学模型，而且控制系统 并不复杂，采用PID控制就能够取得较满意的效果。 但是如果外环不是转速环，例如外环是位置环或张力 环等，尤其是变频器网络系统，控制对象具有多变量 、变参数、非线性、强耦合等特点，使得线性PID调 节器常常不能胜任， 不能使系统在各种工况下都保持设计时的性能指标 ，也就是说系统的稳定鲁棒性（系统在某种扰动下 保持稳定的能力）和品质鲁棒性（系统保持某一品 质指标的能力）不是很理想。为了解决常规PID调 节器的不足，人们开始把智能控制引入到变频调速 控制系统中。智能控制可以不需要精确的数学模型 ，仿照人的智能，根据系统误差及其变化

3、率来决定 控制器的输出，并自动调整控制器。在电气传动系 统中引入智能控制方法，可以克服电气传动对象的 多变量、变参数、非线性等不利因素，以提高系统 的鲁棒性。 影响变频调速控制系统性能的因素 变频调速控制系统性能是否优良，一般与下述因素有关： （1）同样是一个开环调速系统，所选择的通用变频器型 号不同，变频调速控制系统的性能优良程度也不一定相同。即 使选择相同的变频器型号，变频器的参数设置不同，其性能优 良程度也不会相同。 （2）同样是一个闭环变频调速控制系统，所放置的反馈元 件位置不同，系统的性能优良程度相差十分明显。即使反馈元 件的放置位置相同，反馈元件的型号、质量不同，由抑制定理 可知，

4、其性能优良程度也不会相同。所以，反馈信号的真实程 度及质量决定着一个闭环变频调速系统的成败。 （3）调节器的控制算法、参数设置不同，变频调速控制系统 的性能优良程度相差比较大。如果调节器的控制算法选择不合 适、参数设置不恰当，闭环变频调速系统有时还不如一个开环 控制系统的性能好。因此，设计选择一套控制算法合理、简单 、可靠、调试方便和控制精度高的调节器是用户必须特别注意 的问题。 （4）两个完全一样的变频调速控制系统，如果安装环境不同 ，可能效果会完全不同。特别是输出电缆布置不合理，不但影 响变频调速控制系统性能，还会损坏开关管和驱动电路。 除变频器优良程度影响系统的性能外，电动机固有特性的

5、硬度、安装质量也严重影响变频器调速控制系统的性能。 异步电动机的选择方法 电动机的选择包括电动机类型、型式、额定转速和额定功 率的选择，其中主要的是电动机额定功率的选择。通常，选 择电动机的步骤如图所示 1电动机类型的选择 电动机类型选择的基本原则是：在满足工作机械对于拖 动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行 可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时， 若工作机械对拖动系统无过高要求，应优先考虑选用交流电 动机。 2电压等级及转速的选择 交流电动机电压等级的选择应考虑运行场所供电电网的电压等 级。中等功率以下的交流电动机额定电压一般为380V，大功率 交流电动机的额定

6、电压多为3kV或6kV。 电动机额定转速的选择是否恰当，关系到电动机的价格和运行 效率，甚至关系到生产机械的生产率。对于经常工作于起动、制 动状态下的电动机，应考虑额定转速对起动、制动时间和起动、 制动过程中能量损耗的影响。可以证明，从缩短起动、制动时间 和减小起动、制动过程中能量损耗的角度考虑，应选用GD2与 额定转速nN乘积最小的电动机。 3电动机类型的选择 （1）开启式。开启式电动机的定子两侧和端盖上开有很大的 通风口，具有良好的散热条件，但灰尘、水滴和铁屑容易侵入 电动机内部，影响电动机的正常工作，它适用于干燥、清洁的 工作环境。 （2）防护式。防护式电动机的通风口在机壳下部，通风条件

7、 较好，且可以防止水滴、铁屑等杂物从垂直方向小于45角落入 电动机内部，但不能防止尘土和潮气侵入，仅适用于比较干燥 、灰尘不多且无腐蚀性及爆炸性气体的场所。 （3）封闭式。封闭式电动机采用全封闭结构，又分为自冷式 、强迫通风式和密闭式三种，前两种类型的电动机适用于多尘 土、潮湿和有腐蚀性气体的场所，如纺织厂、碾米厂、水泥厂 等。密闭式电动机则适用于在液体中工作的机械，如电动潜水 泵、深井泵等。 （4）防爆式。防爆式电动机是在封闭式电动机基础上制成的隔 爆型，适用于有易燃、易爆气体的场所，如油库、煤气站及矿 井等。 4电动机容量的选择 选择电动机容量时应考虑如下几点：电动机容量、起动转 矩必须大

8、于负载所需要的功率和起动转矩；电源电压下降10% 15%的情况下，转矩仍能满足起动或运行中的需要；从电动 机温升角度考虑，为了不降低电动机的寿命，温升必须在绝缘 所限制的范围以内；如果电动机每次在最低频率时连续工作的 时间不长，则可留用原有电动机，反之如果在最低频率时连续 运行的时间较长，则电动机的容量应提高一挡。 如果变频器具有矢量控制功能，若有条件，最好选择2p 4的电机，因为多数矢量控制变频器是以2p4的电机作为 模型进行设计的。 电动机工作频率的范围应包含负载对调速范围的要求。由 于某些通用变频器低速运行特性不理想，所以最低频率越高 越好。 使用变频器传动时电动机的几个问题 （1）低速

9、时的散热能力。 标准笼型异步电动机的散热能力，是按额定转速且 冷却风扇与电动机同轴的条件下考虑冷却风量的。当 使用变频器之后，在电机运行速度降低的情况下冷却 风量将自动变小，散热能力随之变差。由于电动机的 温升与冷却风量之间成反比，所以在额定速度以下连 续运行时，可采用设置恒速冷却风扇的办法改善低速 运行条件下电动机的散热能力。 （2）额定频率运行时有温升提高。 由于变额器的三相输出电压波形是SPWM波形， 因此不可避免地在异步电动机的定子电流中含有 高次谐波，高次谐波增加了电动机的损耗，使电 动机的效率和功率因数都变差。高次谐波损耗基 本与负载大小无关，所以电动机温升将会比变频 调速改造前有

10、所提高。变频器高次谐波分量越少 ，电动机的温升也就越小。这也是检验变频器性 能是否优良的重要标志之一。 大量的实践表明，电动机在额定运转状态下（即电动 机的电压、频率、输出功率均为额定值），用变频器 供电与用工频电网供电相比较，电动机电流增加10% ，而温升增加20%左右。选择电动机时，应考虑这种 情况，适当留有裕量，以防止温升过高，影响电动机 使用寿命。 （3）电动机运行时出现噪声增大。 这是SPWM变频器的载波频率与电机铁心的固有振 荡频率发生谐振引起的电机铁心振动而发出的噪声。 解决方法是重新设定载波频率。 负载功率的计算实例 吊车、提升机等负荷作垂直移动时，所拖动负载即为重力负载 ，如

11、图所示 重力负载 机械设备所需的功率为： 式中，W为额定载荷重力加吊钩重力再加钢绳重 力之和（N）；v为提升速度（m/s）；为机械效 率 （kW） 0.75条件下所需提升功率和不同的提升力、提升 速度之间的关系曲线。由该曲线可以查得，当v 0.1m/s，W9800N时，所需电动机的容量为1.5kW 。 0.75时提升所需的功率 2摩擦负载 吊车的平移机械、轨道上移动的水平台车等搬送机械，其负载 与重力负载的不同之处在于负载的运动方向不同 摩擦负载 （水平运动） （kW） 式中，W为负载重力（N）；v为负载移动速度 （m/s）；为摩擦系数；为机械效率。 摩擦负载（斜面运动） 在这种情况下，所需的

12、功率为： （sincos）10-3（kW） 选定电机的注意事项 （1）速度控制上限。普通异步电动机的速度上限就是 额定频率所对应的额定速度。一般不要将额定频率为 50Hz的电动机超频运行，否则，会引起带负载能力下 降、过电流，甚至机械性破坏。 （2）中间速度。采用普通异步电动机变频调速时，要 考虑在连续可调速度区段（中间速度）内运行时的机械 共振问题。异步电动机所产生的脉动转矩频率一旦与固 有振动频率一致，则会发生共振，并产生强烈的振动和 噪声，最严重的情况下会引起轴系断裂事故。 （3）速度控制的下限。采用普通异步电动机进行变 频调速时，考虑到电动机自身由于低速冷却能力下降 而确定的最低转速与

13、机械系统所允许的下限速度一起 决定了最终的速度下限 , 对于风机，需根据其共振临界风量确定最低转 速，当用泵进行流量控制时，因有净扬程，所以需要 控制泵的速度下限，避免出现低于某一速度时不能送 水而发生倒流现象。 2预防浪涌电压的危害 由于通用变频器的功率开关器件在工作时会产生 浪涌电压，当通用变频器驱动异步电动机时，有时 需要采取措施防止浪涌电压对电动机绝缘的破坏。 浪涌电压在通用变频器中显著，由于功率开关器件 IGBT的开关速度快，电压脉冲的上升沿陡度du/dt 非常大，这种快速上升的电压脉冲和较高的开关频 率会在电动机内部形成轴承电流，从而会逐渐损坏 轴承。若通用变频器与电动机之间的接线

14、距离较长 ，通用变频器的输出电压达到波峰值的时间比前行 波达到电动机端子的时间短，在电动机端子部位， 前行波相对于其反射波的波峰值为通用变频器输出 波峰值的两倍，如图所示。 浪涌电压的前行与反射 防止冲击电压的措施 位 置 冲击电压 的 处理 具 体 措 施 尖峰 值 du/dt尖峰值du/dt 变频 器侧 抑制抑制 浪涌吸收器（电容 ）过压钳 位 浪涌保护器 电动 机侧 提高 耐压 能力 提高 耐陡 能力 强化相间及对地绝 缘 强化绕组间绝缘 ，平均 分担绕级间电压 用变频器驱动已有电动机时采用强化绝缘或 更换绕组 其 他 限制 上升 抑制使用电抗器使用滤波器 （1）开环转速控制。 对于风机

15、、泵等平方减转矩负载，不太要求快速响 应，常常采用开环控制。此时，对于变频器来说， 频率给定为输入信号，变频器向电动机输出电压Un 和频率fn。电动机依转矩特性根据电压Un、频率fn 产生转矩Tn，与负载转矩相一致，在转速nn下稳定 运转。此时，影响转速精度的因素主要有负载转矩 的变化、输出频率的精度以及电源电压的变动等。 （a）开环控制系统；（b）转矩特性 （2）闭环转速控制 造纸、泵类机械、机床等要求速度精度高的场合 ，需要装设传感器，以便检测出电动机速度。在 这些传感器中，光电编码器、分解器等能检测出 机械位置，可用于直线或旋转位置的高精度控制 。 图所示为PLG（由脉冲频率测量速度的传

16、感器） 和变频器等组成的转速闭环控制系统。图中的虚 线路径表示通用变频器的开环控制；调节器用来 修正速度误差，f/U变换构成反馈，可获得良好的 控制效果 闭环速度控制系统 在转速控制范围内如果存在着能引起大的扭转谐 振的转速或其他危险转速，就必须避免在这些转速下 连续运转。 前面所谓的扭转谐振，是指电机转矩的脉动分量与机 械系统（含负载和电机）的固有频率一致时，电机进 入谐振状态将超过额定转矩的扭转应力加在机械系统 上的现象。机械系统有时在速度控制范围内存在大的 扭转谐振。 所谓危险速度，是指旋转系统轴弯曲的固有频率与旋 转频率一致时的转速。通常，危险速度大于电动机的 额定速度。但对于大容量的

17、24极电机，危险速度有 时小于额定速度。 变频调速流量控制 （1）单台水泵控制系统。 图中的流量给定可根据需要进行设置，反馈环节是流量计及流量- 电量传感转换器，调节器将实现该量信号与给定流量信号进行动态 比较，再决定变频器的频率指令，控制流量恒定或按要求改变。 （2）采用程序调节器的多台水泵控制系统 高精度控制的实现方法 对于一般的变频器，要求精度多为0.5%。这一数 值，对于开环控制的机型为频率精度，对于闭环控制 的机型则为速度精度。对于同步电机，只要频率高就 可以实现高精度的速度控制；而对于异步电动机，由 于存在转差，要获得高精度的速度则必须采用闭环控 制。图所示为可实现高精度控制的速度

18、闭环系统原理 图。 为了保证系统的高速度精度，应充分考虑抑制变频器的下 述几种误差：速度给定误差、速度反馈误差、速度控制器误 差以及定常偏差。 第四种定常偏差是因负载转矩等外界干扰的变化在速度上 引起的误差，此种误差在速度调节器的低频增益低时产生。 通常，速度调节器含有积分电路，能确保高的低频增益，所 以这种偏差较易克服。 前面已经讲过，造纸机要求长时间保持高控制精度。用以 前的模拟控制变频器，采用PLG和低漂移的控制回路，可以 得到0.05%的高精度。要完全排除温度漂移等周围环境的影 响，必须采用全数字控制变频器。 变频调速网络控制系统 1变频器-计算机控制系统的连接方式 以艾默生EV200

19、0变频器为例，变频器-计算机控制 系统按照通信方式的类型划分主要有以下几种方式。 （1）变频器RS-232接口与计算机的连接，如图所 示。 变频器与计算机的连接方式一 （2）变频器RS-485接口与计算机的连接 （3）变频器通过MODEM与计算机 的连接 变频器-PLC控制系统的设计 （1）开关指令信号的输入。 变频器的输入信号包括对运行/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。变频器通常 利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件 （如晶体管）与PLC相连，得到运行状态或者获取运行 指令，如图所示 在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动 作；使用晶体管进行连接

20、时，则需考虑晶体管本身的 电压、电流容量等因素，从而保证系统的可靠性。 开关信号的连接 在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，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。 例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电 器开闭产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的 误动作，应尽量避免。图给出了相应的连接方法。 变频器输入信号的连接 当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电 源和变频器控制电源（DC24V）之间的串扰。正确的 连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二 极管接到PLC， 数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接 口来给定；模拟输入则通过接线端子由

21、外部给定，通 常通过010V/5V的电压信号或0（4）20mA的电 流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必 须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。 当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号 为010V，而PLC的输出电压信号范围为05V时，或PLC一侧 的输出信号电压范围为010V，而变频器的输入电压信号范围 为05V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限 制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭 时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将 布线分开，保证主电路一侧的噪声不传到控制电路中。 通常，变频器也通过接线端子向外部

22、输出相应的监测模拟信号 。电信号的范围通常为010V/5V及0/420mA。无论是哪种情 况都应注意：PLC一侧输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流 不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。 将变频器与PLC相连接组成变频PLC控制系 统时应该注意以下几点： （1）对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地， 而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二 者尽可能分开，这一点一定要特别注意。 （2）当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块及输入/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。另 外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的措施。 （3）当把变频

23、器和PLC安装于同一操作柜中时，应尽可能使 与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。 （4）通过使用屏蔽线和双绞线达到抗噪声干扰的目的。 变频器现场总线控制系统，就是通过现场总线控制、监控变频 器的。在该系统中，通常使用专用的现场总线适配器，如图所 示。一般适配器是比较容易拆装的模块，能很方便地安装在变 频器的内部。 变频器与PROFIBUS总线组成的控 制系统 根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构通常 采用以下三种方式：线形、树形和环形。PROFIBUS采用的 是线形结构，用一根总干线从控制器连接到受控对象，总线电 缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有I/O站上的

24、输入，必要时还可发送信息到输出通道，实现多主式和对等式 通信。 1）SIMATIC S7主站：作为DP主站，CPU位于控制中心。本 系统选用CPU412-2DP模块化PLC，它集成了PROFIBUS-DP 现场总线接口装置，具有强大的处理能力（具有0.3ms处理 1024语句的速度）。PLC程序在上位机STEP 7中编制完成后 下载到CPU412并存储，CPU可自动运行该程序，根据程序内 容读取总线上的所有I/O模块的状态字，控制相应设备。 2）从站（Slave A、B）：从站A中选用SIEMENS公司 MM420系列交流变频器，6ES400-1PB00为与之配套的通信 模块。SIMOREG

25、K 6RA24为SIEMENS直流变流器，CB24 为与之配套的通信处理器。当S7-300或S7-400作PROFIBUS- DP网的主站时，可分别带这样的从站（SLAVE）32个，如加 中继器，最多可达127个。这种交直流传动产品可对电机进行 开、闭环控制，通过通信模块将从DP网中接受的数据存入双 向RAM中，双向RAM中的每一个字都被编址，在变频（流） 器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频（流）器写 入控制字、设置值或读出实际值，诊断信息等参数。 从站C中ET200M为分布式I/O，IM153为与之配套的 PROFIBUS通信模块。 （3）变频器从站的建立及参数的设置。 根据图7-

26、56所示结构，首先在上位机（IPC）中选 择STEP 7 V5.2编程软件和MM420变频器GSD文件 ，在STEP7编程软件中组建Profibus-DP网 PROFIBUS（1），并定义CPU412-2DP为主站：DP Master System（1）。然后导入MM420系列变频器 GSD文件，此操作使STEP7能识别MM系列变频器并 声明数据格式。此时，上位机的界面如图所示。 导入GSD文件时的界面 导入变频器GSD文件后，在从站选项中自动添加了MM4XX系 列变频器选项，此时再将变频器从站添加到DP Master System（1）上，通过DP模块6ES6400-1PB00上的拨码开关

27、定义变频器的DP地址为：4号站。上位机上出现的画面如图 所示 系统自动分配通信数据地址为：512-515，也就是 PIW512和PIW514 PQW512和PQW514在PLC程序中 就可以直接引用以上地址对变频器进行操作以及监视。 变频器在PROFIBUS总线中具体的数据格式如下所列 。 （1）控制字（16位），见表 控制字及其功能 位功 能位功 能 位00ON（斜坡上升）/OFF（ 斜坡下降） 位08正向点动 位01OFF2：按惯性自由停车位09反向点动 位02OFF3：快速停车位10由PLC进行控制 位03脉冲使能位11设定值反向 位04斜坡函数发生器（RFG） 使能 位12未使用 位0

28、5RFG开始位13用电动电 位计（MOP） 升速 位06设定值使能位14用（MOP）降速 位07故障确认位15本机/远程控制 状态字及其功能 位功 能位功 能 位00变频器准备位08设定值/实际值 偏差过大 位01变频器运行准备就绪位09过程数据控制 位02变频器正在运行位10已达到最大频率 位03变频器故障位11电动机电流极限报警 位04OFF2命令激活位12电动机抱闸制动投入 位05OFF3命令激活位13电动机过载 位06禁止ON（接通）命令位14电动机正向运行 位07变频器报警位15变频器过载 变频器与DeviceNet总线组成的控制系统 由于采用的是由DeviceNet网络组成的现场总

29、线网， 因此底层设备的交流变频器及软启动器要求也必须具 备DeviceNet网络通信协议，这样的底层设备才能挂 在DeviceNet现场总线上。基于这种思路，交流变频 器的接入有两种方式：一种是自身具备DeviceNet网 络通信功能；另一种可采用具备DeviceNet网络通信 功能I/O模块来控制不具各DeviceNet网络通信功能的 交流变频器，如图所示。 AB公司的1305变频器、1336PLUS变频器、1336IMPACT变 频器通过1203-GK5通信模块（对15HP，11kW以上的变频器用 变频器内置的1336-GM5）连到设备网络，可在网络上给出驱动 状态和诊断信息及通过显式信息传输方式，提供灵活的控制能力 DeviceNet网络的硬件布线及软件组态十分简便，因此系统的安 装调试周期大大缩短。 在进行DeviceNet网络硬件安装调试时应注意： （1）每个网段供电电源只能有一点接地。 （2）网络总线两端应安装正确的终端电阻（120），在系统不 上电时，测得的网络CAN-H和CAN-L之间的电阻值应为5070 。 图所示为罗克韦尔PowerFlex40变频器的DeviceNet总线配置图实 例。 PowerFlex40变频器的DeviceNet总线配置图