變頻器知識講解

1、變頻器控制功能的參數(shù)選擇與典型應(yīng)用一、相關(guān)參數(shù)1、加減速時間變頻器加速時間、減速時間分別對應(yīng)電機在啟動過程從0Hz到最大輸出頻率所需要的時間、停止過程中從最大輸出頻率到0Hz所需要的時間。加減速時間的大小將直接影響頻率給定躍變到實際最終輸出頻率響應(yīng)時間的長短。對于諸如風機類大慣量平方特性負載，時間值的過長或過短都將容易引發(fā)變頻器在啟動、停止過程中的過壓、過流故障的發(fā)生。需要在實際調(diào)試中通過不斷的啟停操作的嘗試來尋找合理的時間設(shè)定值。2、與電機保護直接相關(guān)的參數(shù)變頻器不僅是一個變頻、變壓裝置，更是一個電機綜合保護裝置，通常都有以下保護功能參數(shù)：輸入/輸出缺相保護、電子熱保護、熱敏保護、過載保護、

2、過流保護、堵轉(zhuǎn)保護等。除輸入缺相保護是對進線電源因素的保護外，后5種保護都是針對電機的直接保護，區(qū)別在于熱敏保護是一種直接的電機溫度信號檢測結(jié)果的保護，而其它保護則是一種基于電機銘牌數(shù)據(jù)（包括額定功率、電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速，以及定子電阻與電抗）而進行的電流熱效應(yīng)計算的理論保護。電機的銘牌數(shù)據(jù)可以手動設(shè)置，在大多數(shù)主流變頻器中，也可以利用一個被稱為“自動馬達適配”（AMA：Auto Motor Adapter）的參數(shù)幫助我們自動設(shè)置電機的部分特征參數(shù)。另外，需要指出的是堵轉(zhuǎn)保護功能的使能作用，經(jīng)常會導致電機啟動過程中實際加減速時間將不再嚴格按照加減速時間參數(shù)的設(shè)定值進行，通常會導致實際啟停過程

3、的時間延長。 3、與啟停操作和頻率給定方式相關(guān)的參數(shù)撇開RS-485串行通訊方式，變頻器的啟停操作方式和頻率給定方式一般都各自有2種：操作面板和端子。因此，我們可以得出變頻器如表1所述的4種組合運行方式：表1  啟停操作與頻率給定方式的組合其中，“0”代表該方式無效，“1”代表該方式有效。它們各代表的意義是，編號0：全端子操作與頻率給定方式；編號1：端子啟停+面板頻率給定方式；編號2：面板啟停+端子頻率給定方式；編號3：全面板操作與頻率給定方式。在集中控制系統(tǒng)應(yīng)用中以編號0方式（下文會常用到）使用的最多。在對變頻器的主要基本參數(shù)做出介紹后，下面讓我們來介紹一下變頻器中都有哪些常用的控

4、制方式，針對這些控制方式都應(yīng)用在哪些比較典型的應(yīng)用場合，以及相應(yīng)需要設(shè)置哪些相關(guān)參數(shù)。本文把以下將要介紹的開環(huán)與閉環(huán)控制方式、工藝過程控制方式、開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式、速度反饋轉(zhuǎn)矩控制方式統(tǒng)稱為常規(guī)控制方式，而把專用變頻器或通過選件卡實現(xiàn)的為某個特定行業(yè)應(yīng)用而采用的控制方式稱為特殊控制方式。二、控制方式典型應(yīng)用1、開環(huán)與閉環(huán)速度控制方式 對變頻器控制而言，所謂開環(huán)就是變頻器的運行輸出頻率只受頻率給定值大小變化的影響，而沒有與外部反饋信號作用建立數(shù)學關(guān)系或根本就不存在外部反饋信號。可見開環(huán)控制方式在概念上是一種只顧“命令”而不顧“實際結(jié)果”的控制方式（之所以說是概念上，是因為現(xiàn)在有些變頻器產(chǎn)品，諸如通

5、過滑差補償?shù)葏?shù)的設(shè)定可以達到命令與結(jié)果之間有一定程度的關(guān)聯(lián)），因此，開環(huán)速度控制方式的速度精度不夠精確，對需要追求高精度速度準確性或?qū)嶋H速度追蹤調(diào)節(jié)的控制應(yīng)用場合，就需要采用閉環(huán)速度控制方式。需要申明的是，我們在這里講的開環(huán)與閉環(huán)都是站在變頻器設(shè)備的角度而不是控制系統(tǒng)角度進行判定的。比如，在我們經(jīng)?？吹降淖冾l恒壓供水系統(tǒng)中，那些通過數(shù)字PID儀表來設(shè)定壓力給定值和接收現(xiàn)場壓力變送器的實際壓力反饋信號的控制方式，若站在控制系統(tǒng)角度，這個系統(tǒng)就是閉環(huán)控制方式，但若站在變頻器角度看，在這里仍然被稱為開環(huán)控制方式，因為對變頻器而言它的運行頻率給定來自PID儀表的輸出，整個給定、反饋、調(diào)節(jié)等功能全部又

6、PID儀表來完成的，變頻器只是被作為一個驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備在使用。1.1 開環(huán)速度控制方式 問題1的提出假設(shè)有這樣一個印刷業(yè)務(wù)用戶，希望通過變頻驅(qū)動實現(xiàn)對收卷過程的恒定線速度控制，具體要求如下：（1） 啟停操作和調(diào)速都在現(xiàn)場操作箱上進行，并可通過電位器在控制箱上調(diào)節(jié)收卷的線速度；（2） 收卷電機的線速度要始終與牽引電機的線速度保持一致（放卷由剎車片控制，張力由張力架調(diào)節(jié)）；（3） 限定速度調(diào)節(jié)范圍。針對用戶的機械設(shè)備和提出的這個需求，我們將其控制驅(qū)動對象分為2個部分：牽引輥道電機驅(qū)動和收卷筒電機的驅(qū)動。 問題1的分析首先，讓我們看看用戶對牽引電機控制的要求，針對用戶的需

7、求，可以把其中對牽引電機的需求收集為表2所示的具體子項，并將這些子項對應(yīng)給出所需求的變頻器功能。很顯然，按照表2中的參數(shù)，在牽引電機上只需要采用開環(huán)速度控制方式就可以滿足用戶對牽引電機變頻驅(qū)動的要求。同時，按照表2中的各項“需求對應(yīng)的變頻器功能”，我們也很容易去尋找到具備這樣功能的變頻器，那么，我們也就能相當輕松地完成用戶對牽引電機的控制需求了。當然，除了表2中的需要功能外，變頻器的一些基本參數(shù)功能，諸如：電機參數(shù)、頻率參數(shù)、加減速時間參數(shù)等，無論在什么樣的控制方式應(yīng)用系統(tǒng)中都是必不可少需要設(shè)置的。表2  開環(huán)速度控制方式的功能需求與參數(shù)選擇通過以上分析，可以得出如表2所示的分析結(jié)果

8、。再按照表2中的歸類后的功能需求，逐個分解為對變頻器某些特定的、具體的參數(shù)的設(shè)置。1.2 閉環(huán)速度控制方式 問題2的提出同問題1的提出，如圖2(a)，略。 問題2的分析首先，由于用戶需要收卷電機的運行線速度與牽引電機保持一致，為達到這個目的，我們只要將牽引電機與收卷電機用同一個速度給定就可以實現(xiàn)這2臺電機角速度的一致（當然，也可以將牽引電機實際運行速度的輸出信號DC420mA或DC05V/10V作為收卷電機的速度給定信號，這2種方式的差異在于：前者為同步速率給定方式；而后者為主從隨動給定方式，存在一定的響應(yīng)延遲，具體差異分析，略）；其次，由于收卷滾筒在運行過程中，隨著紙張等物體被不斷地纏繞在滾

9、筒上，導致滾筒的半徑在不斷地增大，如果收卷電機的角速度保持不變，那么，收卷過程中的線速度也同樣在不斷地加快，為滿足用戶對收卷過程中線速度恒定的需求，必須想辦法讓收卷電機的角速度隨滾筒半徑的增長而降低，以實現(xiàn)線速度恒定的目的。為此，需要一個檢測線速度的傳感器信號，以此來作為變頻器的速度反饋，告訴變頻器要做出角速度的實時調(diào)整。我們在夾送導向輥上安裝了編碼器（不能安裝在電機軸或收卷滾筒軸上，否則，編碼器測出的信號就不是線速度反饋信號而是角速度反饋信號），以編碼器的脈沖率來表示實際線速度的快慢。這樣對于2#變頻器而言，它既有一個用電位器表示的給定速度，又有一個用編碼器的脈沖來表示的實際速度反饋信號，因

10、此，2#變頻器就應(yīng)該是一個閉環(huán)速度控制方式的應(yīng)用案例。通過以上對用戶需求的分析，我們可以得出如表3所示的結(jié)果。表3  閉環(huán)速度控制方式的功能需求與參數(shù)選擇在表3中，我們略去了與閉環(huán)速度控制非直接相關(guān)的其它一些功能的列舉，在實際應(yīng)用中就像對基本參數(shù)的需求一樣，同樣需要對這些功能進行選擇與相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置。2、 工藝過程閉環(huán)控制方式 傳統(tǒng)的V/F控制實際上是一種角速度的控制模式，而閉環(huán)速度控制是通過對實際角速度的檢測的一種調(diào)節(jié)控制。但是，在現(xiàn)實的許多應(yīng)用場合，顯然，我們并不只關(guān)心電機的速度，而可能更多地要關(guān)注生產(chǎn)工藝過程中的某些被控對象的參數(shù)測量值，這些參數(shù)包括：溫度、壓力、流量、液位等信

11、號。比如，在混配料系統(tǒng)中，我們可能需要關(guān)心某種配料的質(zhì)量或流量，而這個量卻并不直接與電機的速度成正比例或反比例關(guān)系，這是工藝閉環(huán)過程控制與上面所敘述的閉環(huán)速度控制的根本差別，當然，工藝過程閉環(huán)控制也是一種閉環(huán)控制，它關(guān)注的不是速度而是工藝過程的參數(shù)變量。在諸如這樣的一些應(yīng)用場合，就需要我們采用工藝過程閉環(huán)控制方式。 問題3的提出假定有一個需要進行混配料比例控制的用戶，他的配料A和配料B由各自的配料電機送入配料攪拌筒中進行混合均勻攪拌，其中，配料B有生產(chǎn)過程決定其送料的多少，而配料A需要根據(jù)配料B的變化始終保持在攪拌筒混合料中的比例恒定。現(xiàn)要求對配料A的電機進行變頻控制，以實現(xiàn)如下具體需求：（1

12、） 配料A的比例可以自由設(shè)定；（2） 既使在配料B的量是變化的時候，配料A在混料攪拌筒中的比例也要維持在設(shè)定比例。 問題3的分析首先，用戶對配料電機A的控制需求是要根據(jù)配料B的變化始終維持恒定的配料A所占比例的一種閉環(huán)控制方式，這個反饋信號是混料筒中的配料A所占的比例信號，它與電機的速度無關(guān)，因此，可以準確地定位這種控制需求為工藝過程閉環(huán)控制方式。其次，用戶要求配料比可以在生產(chǎn)過程中根據(jù)需要進行設(shè)定，為此，需要提供配料A所占比例的設(shè)定手段電位器給定配料比方式。椐此可以得到如表4所示的需求與對應(yīng)功能。 表4  工藝過程閉環(huán)控制方式的功能需求與參數(shù)選擇對比表4與表3，

13、可以看見，他們之間的差異除了控制方式的選擇區(qū)別外，還有一個最為明顯的差異，那就是表4中作為控制對象的參考量與反饋值都是生產(chǎn)工藝過程中的參數(shù)（這樣設(shè)定的參數(shù)與反饋的參數(shù)都更直接表達了生產(chǎn)過程狀態(tài)，也更加直觀明了），而不再是速度參數(shù)。撇開這些表面上的差異，幾乎完全可以用一個虛擬的閉環(huán)“速度”控制來實現(xiàn)。從這個意義上講，工藝過程閉環(huán)控制方式與閉環(huán)速度控制方式在本質(zhì)上是沒有差異的，它是閉環(huán)速度控制方式的延伸形式與變種應(yīng)用。3、 開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式 上面介紹的無論是開環(huán)與閉環(huán)速度控制，還是工藝過程閉環(huán)控制，其實質(zhì)都還是變頻器的矢量控制技術(shù)的一種應(yīng)用。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流

14、矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以，稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。而轉(zhuǎn)矩控制則是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩

15、，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。對交流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)的引入，使得交流電機轉(zhuǎn)矩特性像直流電機一樣在應(yīng)用中表現(xiàn)的“硬”起來了，因此，DTC可以說是變頻器技術(shù)發(fā)展史上的又一個里程碑。目前，在丹佛斯VLT2800/5000、ABB ACS6000、愛默生TD2000等產(chǎn)品中都有直接轉(zhuǎn)矩控制功能。開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式就是利用變頻器本身對電機的轉(zhuǎn)矩的控制來實現(xiàn)輸出軸轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定控制，這種控制方式可廣泛地應(yīng)用在那些在運行過程中需要保持轉(zhuǎn)矩恒定，不需要改變運行方向的場合，諸如：卷繞、擠壓、皮帶輸送等相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。 問題4的提出假定有一個石料廠的皮帶輸送機用戶，皮帶輸送機需要

16、不斷地將從料斗中卸下的片石塊送到破碎機中進行破碎，如圖2(c)所示，用戶想對這個皮帶輸送機進行變頻驅(qū)動改造，具體要求如下：（1）由于料斗下料的大小、快慢不均勻，致使落在皮帶上的石塊總量不一致，希望即使在皮帶上的石塊較多時，皮帶也能夠拖的動；（2）皮帶上的石料多時，速度可慢些，在皮帶上的石料較少時，希望皮帶能盡可能快些；（3）現(xiàn)場無法提供檢測石塊在皮帶上數(shù)量多少的信號。 問題4的分析首先，應(yīng)用現(xiàn)場無法提供被控對象的檢測信號，可以說只能采用開環(huán)控制方式；其次，用戶的第個需求，實質(zhì)上就是轉(zhuǎn)矩控制的運行特點，而要保證一個始終穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩（用戶的第個要求）就只有采用轉(zhuǎn)矩控制方式，至此，我們可以肯定地說這個案例需要采用開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式。