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1、 PowerFlex系列变频器 应用实例 罗克韦尔自动化实验室 I 目 录 第 1 章 变频器的介绍.1 1.1 交流调速系统简介1 1.1.1 概述.1 1.1.2 交流调速原理简介.2 1.2 变频器的工作原理4 1.3 变频器的控制方式7 1.4 变频器的容量选择10 1.5 变频电动机的选择11 1.6 变频器的外围设备13 1.6.1 变压器 T .14 1.6.2 无熔丝低压断路器 QF.15 1.6.3 接触器 KM .16 1.6.4 电抗器.17 1.6.5 EMC 滤波器 FIL 19 1.6.6 制动电阻.21 1.6.7 过载继电器.25 第 2 章 变频器的控制方式.
2、26 2.1 U/f 控制模式27 2.1.1 U/f 控制原理.27 2.1.2 U/f 曲线的类型.28 2.2 矢量控制模式32 2.2.1 矢量控制的基本思想.33 2.2.2 转子磁场定向的矢量控制.36 第 3 章 PowerFlex4 系列变频器实验40 3.1 PowerFlex 4 系列交流变频器简介.40 3.2 PowerFlex40 的应用41 3.2.1 PowerFlex40 变频器选型.41 3.2.2 PowerFlex40 硬件接线.42 3.2.3 PowerFlex40 内置键盘操作.44 3.2.4 PowerFlex40 设备级控制实验.47 3.2.
3、5 PowerFlex40 的 EtherNet/IP 网络控制54 3.2.6 PowerFlex40 的 DeviceNet 网络控制61 3.2.7 PowerFlex40 的多变频器模式.81 3.3 PowerFlex400 的应用99 3.3.1 PowerFlex400 变频器选型.99 3.3.2 PowerFlex400 硬件接线100 3.3.3 Auto/Manual 功能102 3.3.4 休眠/唤醒功能106 3.3.5 变频器内置 PID 调节功能.108 3.3.6 一拖多的功能.112 3.3.7 飞速起动与断电后重起动功能. 116 3.4 PowerFlex
4、4 的应用 118 3.4.1 PowerFlex4 变频器选型. 118 3.4.2 PowerFlex4 硬件接线. 119 3.4.3 PowerFlex4 的 Modbus 网络控制 120 II 第 4 章 PowerFlex70 系列变频器实验.135 4.1 PowerFlex70 系列交流变频器简介135 4.2 PowerFlex70 变频器的应用137 4.2.1 PowerFlex70 变频器的产品选型指南.137 4.2.2 PowerFlex70 硬件接线.138 4.2.3 PowerFlex70 的内置键盘操作.148 4.2.4 PowerFlex70 的 De
5、viceNet 网络控制153 4.2.5 PowerFlex70 的 ControlNet 网络控制.177 4.2.6 PowerFlex70 的 EtherNet 网络控制186 4.2.7 PowerFlex70 的计数功能实验.194 4.2.8 PowerFlex70 的 Auto/Manual 实验.196 4.2.9 PowerFlex70 的对等实验.199 4.2.10 PowerFlex70 变频器的断电后重起与飞速起动功能.204 4.2.11滑差补偿功能.205 第 5 章 PowerFlex700 VC 系列变频器实验207 5.1 PowerFlex700 系列交
6、流变频器介绍207 5.1.1 PowerFlex700 系列交流变频器的灵活性.207 5.1.2PowerFlex700 变频器的产品选型.207 5.2 PowerFlex700 I/O 接线.209 5.3 PowerFlex700 的内置键盘操作211 5.4 PowerFlex700VC B 系列变频器的速度曲线功能.218 5.5 PowerFlex700VC B 系列变频器的位置控制功能.229 5.6 PowerFlex700VC B 系列数字量输出屏蔽 239 5.7 PowerFlex700VC B 系列变频器的高电平数字量输入.240 5.8 PowerFlex700V
7、C B 系列变频器的动态用户设置.241 第 6 章 PowerFlex 700S Phase II 变频器实验243 6.1 PowerFlex 700S 系列交流变频器介绍 .243 6.1.1 PowerFlex 700S 系列交流变频器特性介绍.243 6.1.2 PowerFlex 700S 变频器的产品选型 244 6.2 PowerFlex 700S 端子.250 6.2.1 PowerFlex 700S 电源端子 250 6.2.2 PowerFlex 700S 控制端子 252 6.3 PowerFlex 700S 的内置键盘操作 .254 6.4 PowerFlex 700
8、S Phase II 的 Startup258 6.5 PowerFlex 700S Phase II 点到点的位置控制实验.260 6.6 PowerFlex 700S Phase步序器实验.267 6.7 PowerFlex 700S Phase II 齿轮比跟随器实验.270 6.8 PowerFlex 700S Phase II 齿轮比跟随同步连接实验.274 附录 A286 附录 B292 附录 C302 附录 D309 第 1 章 1 第 1 章 第 1 章 变频器的介绍 变频器是近 10 年发展起来的交流电动机新型变频调速装置，它具有调速精度高、响应 快、保护功能完善、过载能力强
9、、节能显著、维护方便、智能化程度高、易于实现复杂控 制等优点，已在我国推广普及。变频器的功率从几百瓦到几百千瓦，主要是进口变频器， 有罗克韦尔自动化、西门子、ABB、安川、富士、台达公司等产品。这些产品更新换代快， 竞争激烈，其总的趋势是向小型化、智能化、多功能、大容量、低价格的方向发展。现代 变频器大都采用高速全控开关器件 GTR、IGBT 等管，由这些功率开关器件组成 PWM 电 压型逆变器，智能功率模块 IPM 也已在变频器中广泛被采用。现代变频器的控制系统要比 早先产品复杂得多，而且是数字化的，它采用微处理器控制，也有的采用 32 位数字信号处 理器 DSP，为实现高级控制方式和复杂性
10、能提供了保证。变频器现在作为交流电动机变频 调速用的高新技术产品，在国民经济的各部门得到了广泛的应用。变频器一方面可用以驱 动通用型交流电动机，但不一定使用专用变频电机；另一方面变频器具有各种可供选择的 功能，能适应许多不同性质的负载机械。 本章首先介绍了交流调速系统得到普遍应用的背景，通过理论分析阐明为何变频调速 成为交流调速系统的主流，然后介绍变频器基本工作原理、控制方式等，使您能够通过本 章的学习达到对变频器的初步了解。 1.1 交流调速系统简介 1.1.1 概述 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期 内，调速传动领域基本上由直流电动机调速系统所垄断
11、。直流电动机虽有调速性能好的优 越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。其缺点是： 第 1 章 2 维修工作量大，事故率高；容量、电压、电流和转速的上限值均受到换向条件的制约， 在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；使用环境受限，特别是在易燃易爆场 合难于应用。而交流电动机有一些固有的优点：容量、电压、电流和转速的上限，不像 直流电动机那样受限制；结构简单、造价低；坚固耐用，事故率低，容易维护。它的 最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的理论问题的 突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了 克服
12、。目前交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。 在电气调速传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。目 前，从数百瓦级的家用电器直到数千千瓦级乃至数万千瓦级的调速传动装置，可以说无所 不含的都可以用交流调速传动方式来实现。交流调速传动已经从最初的只能用于风机、泵 类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制。从性能价格比的角度 看，交流调速装置已经优于直流调速装置。 目前人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频 调速传动。除变频器以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差 离合器调速
13、等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速 所取代。 交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，和如下一些关键性技术得突破性进展 有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路 的电力变换技术、 交流电动机的矢量变换控制技术、 直接转矩控制技术、 PWM （Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。 1.1.2 交流调速原理简介 异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，此时电机气隙内会产生一 个旋转磁场，其旋转速度为同步转速 p f n 1 0 60 = （
14、1- 1） 式中： 1 f定子绕组电源频率； p电机磁极对数。 异步电动机转差率 第 1 章 3 0 0 n nn s = （1- 2） 则异步电动机转速 ()()s p f snn=1 60 1 1 0 （1- 3） 由电机学可知，转差功率 2semcu pspp= （1- 4） 式中： em p电磁功率； 2cu p转子铜耗。 表 1- 1 异步电动机各种调速方法性能指标的评价 变转差率 调速方法 比较项目 变极 变频 调压调速 转子串电阻 电磁转差离 合器调速 串级调速 是否改变同步转速 （ 01 60/nfp= ） 变 变 不变 不变 不变 不变 静差率 （转速相 对稳定性） 小（好）
15、 小（好） 开环时大 闭环时小 大（差） 开环时大 闭环时小 小（好） 在一般静差率 要求下的调速 范围 D 较小 （D=24） 较大 （D=10） 闭环时较大 （D=10） 小 （D=2） 闭环时较大 （D=10） 较小 （D=24） 调速平滑性 差 （有级调速） 好 （无级调速） 好 （无级调速） 差 （有级调速） 好 （无级调速） 好 （无级调速） 低速时效率 高 高 低 低 低 中 适应负载类型 恒转矩 恒功率 恒转矩 恒功率 通风机 恒转矩 恒转矩 通风机 恒转矩 恒转矩 设备投资 少 多 较少 少 较少 较多 调 速 指 标 电能损耗 小 较小 大 大 大 较小 运用电机类型 多速
16、电机 （鼠笼式） 鼠笼式 一般为绕线 式， 小容量时 可采用特殊 鼠笼式 绕线式 滑差电机 绕线式 第 1 章 4 表 1 - 1 给出了各种调速方法性能指标的比较，以便了解。 由式（1 - 4 ）可知，变极调速与变频调速为转差功率不变型，不论其转速高低，转差功 率消耗基本不变，因此调速效率为最高。在变转差率s的调速方法中，定子调压、转子串 电阻及电磁转差离合器这三种调速为转差功率消耗型。因为 s nsp，随转速的降 低，转差功率将转换成热能消耗掉，所以调速效率最低。串级调速的指导思想是回收转差 功率 s p，因此它属于转差功率回馈型。在低速时，一部分能量消耗在转子中，大部分能量 回馈给电网或
17、转化成机械能，调速效率居中。在电力电子技术和计算机控制技术突飞猛进 发展的今天，交流调速的主流为变频调速。 1.2 变频器的工作原理 变频器的主要任务就是把恒压恒频（constant voltage constant frequency，CVCF）的交 流电转换为变压变频（variable voltage variable frequency，VVVF）的交流电，以满足交流 电机变频调速的需要。 变频器的种类很多，通过了解它们的分类，有利于我们认识变频器的性能和区别，这 是用好变频器的前提。变频器的种类可以按照以下几种方式划分：按应用分，有变频器和 专用变频器；按结构分，有交- 交变频器（直接
18、变频器）和交- 直- 交（间接变频器） ；在交- 直- 交变频器中，按直流侧电源性质分，有电压源型变频器和电流源型变频器；按输出电压 调节方式分， 有脉冲幅值调节方式 （pulse amplitude modulation， PAM） 和脉宽调制方式 （pulse width modulation，PWM） 。此外，变频器还可以按照导通模式、输出电压波形、逆变器调 制方式等划分为许多种类。 我们通常使用的通用型变频器大多为交- 直- 交 PWM 电压型变频 器，下面将以此类变频器为例进行介绍。 交- 直- 交变频器是把频率不变的工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电 变换成频率、电压均
19、可控制的交流电，它的主电路由整流器、中间直流环节（直流母线） 和逆变器组成，如图 1- 1 所示。 第 1 章 5 M 3 电动机 整流器 中间直流环节 逆变器 图 1- 1 变频器的基本构成 1. 整流器 电网侧变流器是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流电整流成直流电。 图 1- 1 中的整流单元是由VD1VD6组成的三相整流桥， 它们将工频 380V的交流电整流 成直流，平均直流电压可用式（1- 5）表示： 513V3801.351.35UU LD = （1- 5） 式中 L U电源的线电压 变频器中采用如图 1- 1 所示的二极管不可控桥式整流电路方案的占绝大多数。当逆变 器采
20、用 PWM 方案的情况下，这是一种较好的方案。与晶闸管整流器相比，这种方案在全 速度范围内网侧功率因数比较高。由于不必设置相应的控制电路，所以控制简单，成本也 较低。 二极管桥式整流电路的工作原理十分简单，不必深入分析。这里主要就其用于变频器 时的一些技术问题进行必要的说明。理论上讲，二极管整流器的原侧功率因数应该接近于 1，但实际上，由于中间直流回路采用大电容作为滤波，其值小于 1。整流器的输入电流实 际上是电容器的充电电流，呈较为陡峻的脉冲波，其谐波分量较大。虽然其基波功率因数 1 cos接近于 1，但总功率因数却不可能是 1。高次谐波电流造成的不良影响简述如下： (1) 占用电网容量。一
21、般情况下应考虑电源设备的裕量。 第 1 章 6 (2) 引起电网电压波形畸变。电网容量越大，观察到的电流波形越陡峻，畸变越严重。 与此相反，电网容量相对较小，电压波形的畸变较严重。同时畸变程度与变频器的负载大小 有关。由于电流、电压波形的畸变，供电线路上的其他设备必然受到影响，引起过热、噪声、 振动甚至误工作。变频器的应用日益增多，对电网的污染问题不容忽视。 (3) 对改善功率因数用的电力电容器产生不良影响。当变频器单机容量或总和容量较 大时，这种影响便会显现出来。一旦由于高次谐波而引起并联谐振，电力电容器则流入异常 大的电流，引起过热或绝缘而损坏。这种情况下，高次谐波电流的幅值将特别大，危及
22、电力 电容器的安全。解决的办法有如下几种：1）改变电容器回路中电感的可调部分。2）高次谐 波含量较多时，增加电容回路串联电抗器的电抗值。3）投入电力电容器的调整容量。4）电 力电容器设置位置适当改变。 2. 逆变器 负载侧的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的 三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三 相交流电输出。图 1- 2 中由 1 V- 6 V组成了三相逆变桥，V 导通时相当于开关接通，V 截止时 相当于开关断开。 三相逆变电路的原理图见图 1- 2 所示： 图 1- 2 a）中， 61 S-S组成了桥式逆变电路，这 6
23、 个开关交替地接通、关断就可以在输 出端得到一个相位互相差32的三相交流电压。 当 1 S、 4 S闭合时， v-Uu为正； 43 S-S 闭合时，v-Uu为负。用同样的方法可得： 2 S、 6 S同时闭合和 61 S-S同时闭合，得到 u- Uw。 25 S-S同时闭合和 1 S、 6 S同时闭合，得到u- Uw。为了使三相交流电v-Uu、 w-Uv、u- Uw在相位上依次相差32；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规 律在图 1- 2 b）中已标明。根据该规律可得v-Uu、w-Uv、u- Uw波形如图 1- 2 c）所 示。 第 1 章 7 图 1- 2 三相逆变电路的原理图 观察 6
24、 个开关的位置及波形图可以发现以下两点： (1) 各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如 1 S、 2 S； (2) 各相的开关顺序以各相的 “首端” 为准， 互差32电角度。 如 3 S比 1 S滞后32， 5 S比 3 S滞后32。 上述分析说明，通过 6 个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的 通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过 d U的大小来调节。 现在常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管(IGBT)，大功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管 第 1 章 8 (GTO)、功率场效层晶体管(MOSFET)等。其中续流二极管( 127 VD-VD)功能有下面几点
25、： (1) 由于电动机是一种感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要 127 VD-VD 提供通路； (2) 降速时电动机处于再生制动状态， 127 VD-VD为再生电流提供返回直流的通路； (3) 逆变时 127 VD-VD快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替地工作在导通 和截止状态，在切换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。 3. 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状 态，其功率因数总不会为 1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。 这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所
26、以又常称中间 直流环节为中间直流储能环节。 1.3 变频器的控制方式 当对异步电动机调速时，需要根据电动机的特性对供电电压（电流）和频率进行适当 控制，采用不同的控制方法所得到的调速性能、特性和作用是不同的。 变频器所采用的控制方式可按系统结构分为两类：开环控制和闭环控制。开环控制主 要是 U/f 协调控制。闭环控制需要速度等反馈信息，可进行转差频率控制、矢量变换控制 等。变频器的控制方式是按 U/f 控制、转差频率控制、矢量控制的顺序发展起来的，越是 后来的控制方式其性能越优良。特别是矢量控制技术，可以实现与直流电动机拖动系统相 当的调速性能。当然，先进的控制方式其控制比较复杂，需要专门的知
27、识，同时需要调整 的因素多，变频器的价格也比较高。目前各种控制方式的变频器已产品化，我们可根据调 速目的、用途和调速系统所需的性能指标选择合适的控制方式的变频器，以构成性价比高 的交流调速系统。 按照变频器控制方法的难易程度和算法的不同，变频器的控制方式可分为： 1. U/f 控制方式 这种方式经常应用于简单的开环频率控制应用场合，而不能控制任何在矢量技术中特 有的组成部分。U/f 变频器调节电动机的实际频率，从而产生期望速度。大多数的 U/f 变频 器不能区分磁通电流与转矩电流，而只能以满电动机电流进行处理。这种变频器依赖于简 单的电流限制策略，通常使用增加电压提升的方法来产生更大的起动转矩
28、。尽管这种电压 第 1 章 9 提升能够提供额外的起动转矩，它却需要更大的电流，并且经常会发生“电流限制”的情 况从而使得性能变差。尽管 U/f 技术看起来类似于矢量控制，但通过实际运行中的对比可 以看出几乎在所有的领域中都显现了“无矢量控制”的性能，包括起动，加速，低速运行 情况以及转矩控制时。 2. 无速度传感器矢量控制方式 这种方式提供了一种性能介于 U/f 控制方式与纯磁场定向控制方式之间的控制方式。 无速度传感器或者开环矢量控制可以提供较大的起动，加速以及冲击负载转矩，较宽的恒 转矩调速范围 （包括基本速度） ， 并且还可以改善低速性能， 但是它并不是转矩控制变频器， 因此，不能调节
29、电动机中产生的转矩量。它们也无法挑战磁场定向控制在动态响应，高性 能速度调节或速度范围领域内的卓越性能。它所能做到的是电动机每安培所提供的更高转 矩。通过建立满定子磁通并不断观测估算“过磁通”状况，无速度传感器矢量控制可以提 供用户所需的最大电动机转矩（接近衰减） 。这包括所有苛刻性工作领域: 脱扣、加速和减 速，冲击性负载，低速和“弱磁”或基速以上工作场合。 3. 磁场定向控制方式 这种方式由于既控制电流环节组成部分（磁通电流和转矩电流）并控制它们之间的夹 角（矢量和） ，因此它既可以调节速度又可以调节转矩。这种变频器提供良好的转矩特性以 及更严格的速度调节，更宽的速度范围和更高的响应带宽。
30、专用的自适应控制器提供了独 立的转矩与磁通控制，从而允许对电动机速度和转矩的连续调节。 以上各种控制方式的控制性能比较如表 1- 2 中所示。 表 1- 2 三种控制方式的控制性能比较 控制方式 控制性能 电压/频率 无速度传感器矢量控制 磁场定向控制 速度控制 频率控制 滑差补偿 频率控制滑差补偿 编码器反馈 速度控制 编码器反馈 速度调节 1% 滑差补偿 0.5% 编码器 0.1% 开环 0.5% 闭环 0.001% 转矩调节 NA NA 取决于电动机 2- 5% 速度范围 40:1 120:1 开环 120:1 闭环1000:1 第 1 章 10 续表 1- 2 起动转矩 150% 25
31、0% 取决于变频器/电动机 150% 最小 400% 最大 快速加速转矩 150% 150% 取决于变频器/电动机 150% 最小 400% 最大 峰值运行转矩 250% 260% 取决于变频器/电动机 150% 最小 400% 最大 动态响应 N/A 6- 12 弧度 30 弧度开环 100 弧度闭环 1.4 变频器的容量选择 变频器的容量选择要根据不同的负载来确定。 变频器说明书中的“配用电动机容量”只适用于连续恒定负载，如鼓风机、泵类。对 于变动负载、断续负载和短时负载，电动机允许短时间过载，因此变频器的容量应按运行 过程中可能出现的最大工作电流来选择， maxCNM II （1- 6）
32、 式中 CN I变频器额定电流； maxM I电动机最大工作电流。 变频器的过载能力的允许时间只有 1 分钟，这只是对于设定电动机的启动和制动过程 才能有意义。而电机的短时过载是相对于达到稳定温升所需的时间而言的，通常是远远超 过 1 分钟。 对于连续恒负载运转时所需变频器容量计算可按下式进行 3 310 CNMM PkU I （1- 7） CNM IkI （1- 8） 式中 k电流波形系数（PWM 方式取 1.051.0） ； CN P变频器额定容量（kV A?） ； 第 1 章 11 M I、 M U电动机额定电流、电压； CN I变频器额定电流。 在变频器驱动绕线式异步电动机时，由于绕线
33、式异步电动机绕组阻抗较鼠笼式异步电 动机小，容易发生纹波电流而引起过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。 1.5 变频电动机的选择 在电动机选择问题上，我们分两个方面讨论：在新设计的系统中，什么类型的电动机 是最适当的选择；在改造工程中，什么类型的电动机可以保留使用。 1. 新设计系统的电动机选择 通用变频器是针对交流异步电动机设计的，由于变频调速时不再需要考虑改变转子回 路电阻，没有必要采用绕线转子异步电动机，而多数通用变频器的预置电动机模型都是四 极电动机模型。因此，一般而言，四极笼型交流异步电动机是合适的电动机选择。 额定频率 50Hz的四极电动机， 其同步转速是 1500/
34、minr， 需要靠机械减速机构的减 速比设置，使电动机调速范围与工艺需要的调速范围配合起来。同步转速是变频调速时恒 转矩运行和恒功率运行的转折点，向下调速时，转矩不变，功率与转速正比，如果调速范 围上限低于同步转速，电动机的功率能力将不能充分发挥，也就是电动机需要选样的比实 际需要的功率大；向上调速时，功率不变，转矩随转速增大而衰减，如果调速范围上限高 于同步转速，电动机的转矩输出能力将不能充分发挥，而且在超同步运行段，一些变频器 在矢量控制下的运行性能不能达到最佳效果。 因此，通过减速比选择，尽量上工艺的调速上限对准电动机同步转速，是最能够充分 发挥电动机能力的方式。利于四极电动机，开环 U
35、/f 控制的调速范围大约为 150 1470/minr， 无速度传感器矢量控制及直接转矩控制的调速范围大约为 601500/minr， 有速度传感器矢量控制及直接转矩控制的调速范围大约为 51500/minr，在 5/minr以 下持续运转时转速的相对稳定性差，但也能够运行。这些数据可以作为减速比选择的参考 依据。 当选择四极电动机配备减速比有困难时，二极、六极和八极电动机也可以选择。 普通笼型电动机是空气自冷式的，外壳冷却依靠端部的风扇叶片，内部空气流通依靠 转子两端的搅拌叶片，叶片都固定在转子轴上跟随转子转动，随着转子转速降低，端部风 第 1 章 12 扇叶片逐步失去散热能力，转速进一步降
36、低时，内部搅拌叶片也失去使空气流通的能力。 因此，对于二次方转矩负载，由于随着转速降低转矩也降低，发热程度降低，因此， 使用普通笼型电动机是最佳选择，但建议不要在 40同步转速以下长期运行；对于恒转矩 负载，如果满负载长期运行(以连续运行时间超过 10min，或断续运行时暂载率超过 40 为准)的转速在 60同步转速以上， 使用普通笼型电动机是合适选择； 满负载长期运行时的 转速在 2560同步转速之间，使用带有外部强制风冷的笼型电动机是合适选择，这种 电动机也被称为变频专用电动机；如果满负载长期运行的转速达到 25同步转速以下，则 应该使用完全的强制冷却笼型电动机， 有的厂家称这种电动机为矢
37、量控制变频专用电动机。 当电动机用于超过同步转速运行时，除电磁转矩输出能力弱磁原因要降低外，由于转 速增加，会增加轴承磨损，离心力增加，需要更高的转子机械强度。因此，在超同步转速 120以上运行时，应选择增强了机械强度、高速轴承的变频专用电动机，并且运行转速不 要超过其说明书提供的转速上限。 再生制动时直流母线电压会升高，这对电动机绝缘能力有一定要求，不要选择绝缘等 级太低的电动机。电压型脉宽调制变频器的dv di比较高，对于电动机绝缘可能产生疲劳 性损伤，因此，用于变频调速的电动机寿命可能受到影响，运行维护时要注意绝缘检查。 有的时候，采用同步电动机变顿调速可以取得良好的转速精度，可以考虑选
38、择交流同 步电动机。 2. 改造工程的电动机保留使用考虑 对于改造工程的变频调速系统，如果能够保留原有电动机继续使用，不仅可以节省电 动机投资，还避免了机座号改变件带来的基础重新施工等麻烦。那么什么类型的电动机可 以保留使用呢？ 普通笼型异步电动机在二次方转矩负载应用，以及恒转矩负载下满负载长期运行转速 在同步转速的 60以上，并且会出现 120以上超同步运行的情况，可以考虑保留使用。 绕线转子异步电动机，将转子短接后运行特征接近笼型异步电动机，在上述同样的限 制条件下可以保留使用。短接转子的方式有两种：在转子内部直接短接三相绕组，优点是 绕过了集电环结构，维护变得简单，但短接结构强度要适应离
39、心力情况，并且空间几何布 置要对称，以避免影响转子的动态平衡；在接线盒位置短接，优点是施工简单，缺点是原 有集电环结构仍然起作用，需要定期维护滑环。综合比较，推荐采用接线盒短接方式。 变极电动机即多速电动机，基本结构属于笼型电动机，在同样的限制条件下可以保留 第 1 章 13 使用，定子可固定连接为一种极数。若要保留变极方式，变频器容量要按照最大额定电流 的接法来选择，电动机的参数要分组保存，并且在变极时自动切换，外部控制功能上则要 保证只在电动机停止时改变极数。 在空载起动、负载比较稳定、起动时间没有特殊要求的应用中，同步电动机可以保留 作为他控方式运行。散热方式对负载和转速关系的限制及超同
40、步限制向上。变频器应采用 U/f 控制方式，不能够使用对异步电动机的矢量控制模式，也不能使用转差补偿功能，起动 时间设置要长，过渡圆弧时间设置也要长一些，否则起动时容易失步。 专用于同步电动机的矢量控制及自控型同步电动机变频调速控制性能远比他控型开环 调速要好，但需要专用型变频器。 对于防爆电动机，变频器本身一般不具备防爆能力，需要安装在非防爆场所，变频器 输出电流的载波对于防爆功能略有影响，因此，防爆电动机的防爆等级需要在变频器驱动 下重新检测确定，如果仍然符合要求，在满足散热条件和超同步运行限制前提下，可以使 用。 锥形转子制动的电动机(如电动葫芦的电动机)依靠弹簧力自行进行机械制动，运行
41、时 靠磁场的轴向分量推离制动位置，为保证必要的初始磁场强度，起动时应该将最低频率设 置适当提高，对应最低频率电压也相应提高，由于无法脱离制动部分进行参数自动辨识运 行，因此，建议不要使用矢量控制和直接转矩控制模式。 单相电动机使用的起动辅助措施一般不能适应变频变压的运行条件，因此通用变频器 组成的调速系统一般不允许使用单相电动机，否则可能烧毁电动机，适用于单相电动机调 速的变频器属于特种变频器。 1.6 变频器的外围设备 在选定了变频器之后，下一步的工作就是根据需要选择与变频器配合工作的各种外围 设备。正确选择变频器外围设备主要是为了以下几个目的： (1) 保证变频器驱动系统能够正常工作； (
42、2) 提供对变频器和电机的保护； (3) 减少对其他设备的影响。 变频器的外围设备主要包括图 1- 3 给出的几种类型。该图是 一个示意图，它以变频器 第 1 章 14 为中心，给出了所有类型的外围设备，而下表则给出了这些外围设备的主要功能。在实际 应用过程中，用户可以根据需要进行选择。 图 1- 3 变频器的外围设备接线图 表 1- 3 变频器的外围设备功能 设备名称 要否 功能 变压器 T 绝对需要 将电网电压转换为变频器所需的电压 无熔丝低压 断路器 QF 绝对需要 （1）电源的开闭 （2）防止发生过载合短路时的大电流烧毁设备 电磁接触器 KM 根据系统需 要进行选择 （1）当变频器跳闸
43、时将变频器从电源切断 （2）使用制动电阻器的情况下发生短路时将变频器从电源切断 滤波器 FIL 根据系统需 要进行选择 降低变频器传至电源一侧的噪声 输入电抗器 ACL 建议设置 （1）电源的匹配 （2）改善功率因数 （3）降低告辞谐波对其他设备的影响 输出电抗器 ACL 根据系统需 要进行选择 降低电动机的电磁噪声 过载继电器 THR 根据系统需 要进行选择 （1）使用一台变频器驱动多台电动机时对电动机进行过载保护 （2）对不能使用变频器内电子热保护的电动机进行热保护 1.6.1 变压器 T 变压器的作用是将供电电网的高压电源转换为变频器所需要的电压 （200V或 400V） 。 对于以电压
44、型变频器为负载的变压器来说，在决定其容量时应该考虑的因素为接通变频器 时的冲击电流和由此造成的变压器副边的压降。 变压器容量的具体计算可以参考式（1- 9） ： 第 1 章 15 变频器的容量 t P （1- 9） 式中 P变频器输出功率（被驱动电机的总容量） ，kw； t 变频器的输入功率因数 （无输入电抗器时为 0.60.8， 有输入电抗器时为 0.8 0.85） ； 变频器效率（约为 0.95，PWM 控制变频器的场合） 。 在初步选择了变压器容量之后，下一步要考虑的问题为接通变频器时变压器副边的电 压降问题。 变频器的工作过程是一个交流直流交流的电源转换过程。在电压型变频器中，为 了得
45、到质量较高的直流电压，在其直流中间电路中设有大容量的平滑电容。当接通变频器 电源时，平滑电容将被充电，并在充电过程中流入较大的浪涌电流，而这个浪涌电流又将 给变压器副边带来一个短时间的电压降。为了抑制这种现象的影响，通常在变频器内部设 有限流电阻，将浪涌电流的峰值限制在额定电流的 2 3 倍左右。但是，当变压器的容量不 够大时，因为上述电压降所占比重相对较大，所以有可能使变频器因供电电压过低（低于 额定电压的 1525）而出现跳闸现象。因此，希望在接通变频器时变压器副边的压降 能够保持在 10以下。 变压器副边的电压降可以通过式（1- 10）求得。当求得的电压降超过 10时，则应重 新考虑根据
46、式（1- 9）求得的变压器容量。 % i rt t nP EX P = （1- 10） 式中 i P变频器合计总容量，kvA； t P变压器容量，kvA； % t X以百分比表示的变压器阻抗； n接通电源时的电流倍数（通常为额定电流的 23 倍） 。 1.6.2 无熔丝低压断路器 QF 在直流回路上，滤波电容和逆变器之间，常常装设有快速断路器，这个断路器具有对 逆变器及以后部分的保护能力。它是一种电源开关，决定各用电设备是否供电。在检修用 第 1 章 16 电设备时，则起隔离电源的作用。 1. 功用 (1) 隔离作用。当变频器进行维修时，或长时间不用时，将 QF 切断，使变频器与电 源隔离。
47、(2) 保护作用。低压断路器大都具有过电流及欠电压等保护功能，当变频器的输入侧 发生短路或电源电压过低等故障时，可迅速进行保护。 2. 选择 因为低压断路器具有过电流保护功能，为了避免不必要的误动作，取 (1.31.4) QNN II （1- 11） 式中 QN I低压断路器的额定电流； N I变频器的额定电流。 1.6.3 接触器 KM 因为在使用变频器对异步电动机进行起动、停止等控制时，是通过变频器的控制端使 用指令进行的，而不是通过电磁接触器进行的，所以在正常运行时并不需要电磁接触器。 但是，为了在变频器出现故障时能够将变频器从电源切断，则需要设置电磁接触器。此外， 在使用制动电阻的场合
48、，也需要设置电磁接触器。在制动电路晶体管出现故障时，由于在 制动电阻中将连续流过大电流，所以如不尽快切断电路，具有短时间额定值特性的制动电 阻将会被烧毁。在这种情况下，可以利用装在制动电阻上的过载继电器的信号将电磁接触 器释放，从而达到保护制动电阻的目的。在选择电磁接触器时应注意使其容量满足额定电 流大于变频器的输入电流值。 1. 输入侧接触器 (1) 可通过按钮方便地控制变频器的通电与断电； (2) 当变频器发生故障时，可自动切断电源。 2. 输出侧接触器 输出接触器仅用于和工频电源切换等特殊情况下，一般不用。 第 1 章 17 1.6.4 电抗器 对于电抗器来说，根据其使用目的，也可以分为输入用电抗器和输出用电抗器。接在 电网电源与变频器输入端之间的输入电抗器的主要作用是为了改善系统的功率因数和实现 变频器驱动系统与电源之间的匹配，而接在变频器输出端和电动机之间的输出电抗器的主 要作用则是为了降低电动机的运行噪音。 在选择电抗器的容量时，一般可以根据式（1- 12）进行计算。 (2% 5%) 2 V L fI = （1- 12） 式中 V额定电压，V； I额定电流，A； f最大频率，Hz。 1. 输入电抗器 使用输入电抗器的主要目的有：实现变频器和电源的匹配，改善功率因数，减少高次 谐波的不良影响。 在下述情况下，因为变频器和电源不匹配，所