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1、变频调速系统的设计,刘美俊,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速系统是一样的
2、，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率来决定控制器的输出，并自动调整控制器
3、。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，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
4、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
5、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
6、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
7、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，
8、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2p4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
9、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
10、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。
11、由该曲线可以查得，当v0.1m/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
12、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
13、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,（1）开环转速控制。,对于风机、泵等平方减转矩负载，不太要求
14、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感器）和变频器等组成的转速闭环控制系统。图中的虚线路
15、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
16、。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
17、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EV2000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
18、，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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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 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
24、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7-56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
25、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
26、下所列。（1）控制字（16位），见表,控制字及其功能,状态字及其功能,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120
27、3-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,
