讲座(三)变频器功能解析—变频器的加减速功能

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讲座(三)变频器功能解析—变频器的加减速功能

作 者 ：宜昌市自动化研究所     张燕宾

摘 要 ：本文介绍了变频器中的加、减速时间，加、减速方式，以及起动和停机的相关功能。

英文摘 要 ：This paper introduced the function of acceleration time, deceleration time, acceleration pattern, deceleration pattern. And be related to the function of motor's start and stop.

关键词： 加速时间   减速时间   加速方式   减速方式   起动频率   暂停起动   斜坡停机   惯性停机   直流制动预励磁功能   零速伺服功能

1  加、减速的时间与方式 1.1基础概念 (1) 工频起动和变频起动       电动机从较低转速升至较高转速的过程称为加速过程，加速过程的极限状态便是电动机的起动。 (a)工频起动 　　      这里所说的工频起动，是指电动机直接接上工频电源时的起动，也叫直接起动或全压起动，如图1(a)所示。  图1    工频起动      在接通电源瞬间: ·电源频率为额定频率(50Hz)，如图1(b)的上部所示。以４极电动机为例，同步转速高达1500r/min。 ·电源电压为额定电压(380V), 如图1(b)的下部所示。 由于转子绕组与旋转磁场的相对速度很高，故转子电动势和电流都很大，从而定子电流也很大，可达额定电流的(4～7)倍，如图1(c)所示。      工频起动存在的主要问题有: ·起动电流大。当电动机的容量较大时，其起动电流将对电网产生干扰。 ·对生产机械的冲击很大，影响机械的使用寿命。 (b) 变频起动   　      采用变频调速的电路如图2(a)所示, 起动过程的特点有: 图2     变频起动 ·频率从最低频率(通常是0Hz)按预置的加速时间逐渐上升，如图2(b)的上部所示。仍以4极电动机为例，假设在接通电源瞬间，将起动频率降至0.5Hz，则同步转速只有15r/min，转子绕组与旋转磁场的相对速度只有工频起动时的百分之一。 ·电动机的输入电压也从最低电压开始逐渐上升，如图2(b)的下部所示。 ·转子绕组与旋转磁场的相对速度很低，故起动瞬间的冲击电流很小。同时，可通过逐渐增大频率以减缓起动过程，如在整个起动过程中，使同步转速n0与转子转速nM间的转差Δn限制在一定范围内，则起动电流也将限制在一定范围内，如图2(c)所示。      另一方面，也减小了起动过程中的动态转矩，加速过程将能保持平稳，减小了对生产机械的冲击。 (2) 加速过程中的主要矛盾 (a) 加速过程中电动机的状态 　 图3     加速过程      假设变频器的输出频率从fX1上升至fX2，如图3(b)所示。图3(a)所示是电动机在频率为fX1时稳定运行的状态，图3(c)所示是加速过程中电动机的状态。比较图3(a)和图3(c)可以看出:当频率fX上升时，同步转速n0随即也上升，但电动机转子的转速nM因为有惯性而不能立即跟上。结果是转差Δn增大了, 导体内的感应电动势和感应电流也增大。 (b) 加速过程的主要矛盾      加速过程中，必须处理好加速的快慢与拖动系统惯性之间的矛盾。      一方面，在生产实践中，拖动系统的加速过程属于不进行生产的过渡过程，从提高生产率的角度出发，加速过程应该越短越好;      另一方面，由于拖动系统存在着惯性，频率上升得太快了，电动机转子的转速nM将跟不上同步转速的上升，转差Δn增大，引起加速电流的增大，甚至可能超过一定限值而导致变频器跳闸。 　      所以，加速过程必须解决好的主要问题是:在防止加速电流过大的前提下，尽可能地缩短加速过程。 (3) 变频调速系统的减速 (a) 减速过程中的电动机状态 　      电动机从较高转速降至较低转速的过程称为减速过程。在变频调速系统中，是通过降低变频器的输出频率来实现减速的，如图4(b)所示。图中，电动机的转速从n1下降至n2(变频器的输出频率从fX1下降至fX2)的过程即为减速过程。 图4      减速过程      当频率刚下降的瞬间，旋转磁场的转速(同步转速)立即下降，但由于拖动系统具有惯性的缘故，电动机转子的转速不可能立即下降。于是，转子的转速超过了同步转速，转子绕组切割磁场的方向和原来相反了。从而，转子绕组中感应电动势和感应电流的方向，以及所产生的电磁转矩的方向都和原来相反了，电动机处于发电机状态。由于所产生的转矩和转子旋转的方向相反，能够促使电动机的转速迅速地降下来，故也称为再生制动状态。 (b) 泵升电压        电动机在再生制动状态发出的电能，将通过和逆变管反并联的二极管VD7～VD12全波整流后反馈到直流电路，使直流电路的电压UD升高，称为泵升电压。 (c) 多余能量的消耗 　      如果直流电压UD升得太高，将导致整流和逆变器件的损坏。所以，当UD上升到一定限值时，须通过能耗电路(制动电阻和制动单元)放电，把直流回路内多余的电能消耗掉。 (4) 减速过程中的主要矛盾 (a) 减速快慢的影响 　 如上述，频率下降时，电动机处于再生制动状态。所以，和频率下降速度有关的因素有: ·制动电流      就是电动机处于发电机状态时向直流回路输送电流的大小。 ·泵升电压      其大小将影响直流回路电压的上升幅度。 (b) 减速过程的主要矛盾 　      和加速过程相同，在生产实践中，拖动系统的减速过程也属于不进行生产的过渡过程，故减速过程应该越短越好。 同样，由于拖动系统存在着惯性的原因，频率下降得太快了，电动机转子的转速nM将跟不上同步转速的下降，转差Δn增大，引起再生电流的增大和直流回路内泵升电压的升高，甚至可能超过一定限值而导致变频器因过电流或过电压而跳闸。　      所以，减速过程必须解决好的主要问题是在防止减速电流过大和直流电压过高的前提下，尽可能地缩短减速过程。在一般情况下，直流电压的升高是更为主要的因素。 1.2 加、减速的功能设置      变频器中，针对电动机在升、降速过程中的特点，以及生产实际对拖动系统的各种要求，设置了许多相关的功能，供用户进行选择。 (1) 加、减速时间 (a) 加速时间的定义 不同变频器对加速时间的定义不完全一致，主要有以下两种: ·定义1      变频器的输出频率从0Hz上升到基本频率所需要的时间; ·定义２      变频器的输出频率从0Hz上升到最高频率所需要的时间。      在大多数情况下，最高频率和基本频率是一致的。      加速时间的定义如图5(a)所示。 图5     加速时间的定义 (b) 减速时间的定义 ·定义１      变频器的输出频率从基本频率下降到0Hz所需要的时间; ·定义２      变频器的输出频率从最高频率下降到0Hz所需要的时间。      减速时间的定义如图5(b)所示。 (2) 加、减速方式 (a) 加速方式        加速过程中，变频器的输出频率随时间上升的关系曲线，称为加速方式。变频器设置的加速方式有: ·线性方式      变频器的输出频率随时间成正比地上升，如图6(a)所示。大多数负载都可以选用线性方式。 图6    加速方式 ·S形方式      在加速的起始和终了阶段，频率的上升较缓，加速过程呈S形，如图6(b)所示。例如，电梯在开始起动以及转入等速运行时，从考虑乘客的舒适度出发，应减缓速度的变化，以采用S形加速方式为宜。 ·半S形方式      在加速的初始阶段或终了阶段，按线性方式加速;而在终了阶段或初始阶段，按S形方式加速，如图6(c)和6(d)所示。图6(c)所示方式主要用于如风机一类具有较大惯性的二次方律负载中，由于低速时负荷较轻，故可按线性方式加速，以缩短加速过程; 高速时负荷较重，加速过程应减缓，以减小加速电流; 图6(d)所示方式主要用于惯性较大的负载。 (b) 减速方式   和加速过程类似，变频器的减速方式也分线性方式、S形方式和半S形方式。 ·线性方式      变频器的输出频率随时间成正比地下降，如图7(a)所示。大多数负载都可以选用线性方式。 图7     减速方式 ·Ｓ形方式      在减速的起始和终了阶段，频率的下降较缓，减速过程呈Ｓ形，如图7(b)所示。 ·半S形方式      在减速的初始阶段或终了阶段，按线性方式减速; 而在终了阶段或初始阶段，按S形方式减速，如图7(c)和7(d)所示。 减速时S形方式和半S形方式的应用场合和加速时相同。 2  变频调速的起动功能 2.1 起动频率与暂停加速功能 (1) 起动频率 (a) 功能含义       电动机开始起动时，并不从0Hz开始加速，而是直接从某一频率下开始加速。在开始加速瞬间，变频器的输出频率便是起动频率。      设置起动频率是部分生产机械的实际需要，例如: ·有些负载在静止状态下的静摩擦力较大，难以从0Hz开始起动，设置了起动频率后，可以在起动瞬间有一点冲力，使拖动系统较易起动起来; ·在若干台水泵同时供水的系统里，由于管路内已经存在一定的水压，后起动的水泵在频率很低的情况下将难以旋转起来，故也需要电动机在一定频率下直接起动; ·锥形电动机如果从0Hz开始逐渐升速, 将导致定、转子之间的磨擦。所以, 设置了起动频率, 可以在起动时很快建立起足够的磁通, 使转子与定子间保持一定的空气隙等等。 (b) 设置起动频率的方式 　 主要有两种方式: ·稍有给定信号(X=0+)，变频器的输出频率即为起动频率fS，如图8(a)所示; 图8      起动频率 ·设置一个死区XS%，在给定信号X (2) 暂停加速功能   (a) 功能含义   电动机起动后，先在较低频率fDR下运行一个短时间，然后再继续加速的功能。 在下列情况下，应考虑预置暂停加速功能： ·对于惯性较大的负载，起动后先在较低频率下持续一个短时间tDR，然后再加速； ·齿轮箱的齿轮之间总是存在间隙的，起动时容易发生齿间的撞击，如在较低频率下持续一个短时间tDR，可以减缓齿间的撞击； ·起重机械在起吊重物前，吊钩的钢丝绳通常是处于松弛状态的，预置了暂停加速功能后，可首先使钢丝绳拉紧后再上升; ·有些机械在环境温度较低的情况下，润滑油容易凝固，故要求先在低速下运行一个短时间，使润滑油稀释后再加速; ·对于附有机械制动装置的电磁制动电动机，在磁抱闸松开过程中，为了减小闸皮和闸辊之间的磨擦，要求先在低频下运行，待磁抱闸完全松开后再升速，等等。 (b) 设置暂停加速的方式 设置暂停加速的方式主要有两种: ·变频器输出频率从0Hz开始上升至暂停频率fDR，停留tDR后再加速，如图9(a)所示; 图9     低频持续时间 ·变频器直接输出起动频率fS后暂停加速，停留tDR后再加速，如图9(b)所示。 2.2 起动前直流制动功能 (1) 功能含义 　      起动前先在电动机的定子绕组内通入直流电流，以保证电动机在零速的状态下开始起动。 如果电动机在起动前，拖动系统的转速不为0(nm=0)的话，而变频器的输出频率(从而同步转速n0)从0Hz开始上升，则在起动瞬间，电动机或处于强烈的再生制动状态(起动前为正转时)，或处于反接制动状态(起动前为反转时)，如图10(a)所示，容易引起电动机的过电流。例如: 拖动系统以自由制动的方式停机，在尚未停住前又重新起动; 风机在停机状态下，叶片由于自然通风而自行转动(通常是反转)。 (2) 功能设置 ·选择功能 即选择是否需要起动前的直流制动功能; ·制动量 即应向定子绕组施加多大的直流电压UDB; ·直流制动时间 即进行直流制动(施加直流电压)的时间tDB。如图10(b)所示。 图10      起动前的直流制动 3  变频调速的停机功能 3.1 基础概念 (1)电动机的停机方式   在变频调速系统中，电动机可以设定的停机方式有: (a) 减速停机      即按预置的减速时间和减速方式停机，如上述，在减速过程中，电动机处于再生制动状态，如图11(a)所示。 图11     变频器的停机功能 (b) 自由制动      变频器通过停止输出来停机, 这时, 电动机的电源被切断, 拖动系统处于自由制动状态。由于停机时间的长短由拖动系统的惯性决定, 故也称为惯性停机, 如图11(b)所示。 (c) 减速加直流制动      首先按预置的减速时间减速，然后转为直流制动，直至停机，如图11(c)所示。 (d) 在低频状态下短暂运行后停机, 当频率下降到接近于0时, 先在低速下运行一个短时间, 然后再将频率下降为0Hz, 如图11(d)所示。在下列情况下, 应考虑预置暂停减速功能:      惯性大的负载从高速直接减速至0Hz时，有可能因停不住而出现滑行的现象。如先在低速段运行，然后从低速降为0Hz，可消除滑行现象;      对于需要准确行车的场合，如卷扬机，为准确停车，即在低速短时运行即爬行后，再减至0Hz，即可达到准确停车的目的。      对于附有机械制动装置的电磁制动电动机, 在磁抱闸抱紧前先在低速段作短时运行, 可减少磁抱闸的磨损, 等等。 (2) 设置暂停减速的方式 和暂停加速相同，需要预置的参数有: (a) 暂停减速的频率fDD; (b) 停留时间tDD，如图11(d)所示。  3.2 变频器的直流制动功能 (1) 基础概念 (a) 采取直流制动的必要性 ·有的负载要求能够迅速停机，但减速时间太短将引起电动机实际转速的下降跟不上频率的下降，产生较大的泵升电压，使直流回路的电压超过允许值。采用直流制动，能增大制动转矩、缩短停机时间，且不产生泵升电压; ·有的负载由于惯性较大，常常停不住，停机后有“爬行”现象，可能造成十分危险的后果。 采用直流制动, 可以实现快速停机, 并消除爬行现象。 (b) 方法和原理         直流制动就是向定子绕组内通入直流电流, 使异步电动机处于能耗制动状态。如图12(a), 由于定子绕组内通入的是直流电流，故定子磁场的转速为0。这时, 转子绕组切割磁力线后产生的电磁转矩与转子的旋转方向相反, 是制动转矩。因为转子绕组切割磁力线的速度较大，故所产生的制动转矩比较强烈, 从而可缩短停机时间。此外, 停止后, 定子的直流磁场对转子铁心还有一定的“吸住”作用, 以克服机械的“爬行”。 (2) 功能设置      采用直流制动时，需预置以下功能: (a) 直流制动的起始频率fDB           在大多数情况下, 直流制动都是和再生制动配合使用的。即:首先用再生制动方式将电动机的转速降至较低转速，然后再转换成直流制动, 使电动机迅速停住。其转换时对应的频率即为直流制动的起始频率fDB, 如图12(b)所示。 图12    直流制动原理和预置     预置起始频率fDB的主要依据是负载对制动时间的要求，要求制动时间越短，则起始频率fDB应越高。 (b) 直流制动强度          即在定子绕组上施加直流电压UDB或直流电流IDB的大小，它决定了直流制动的强度。如图12(b)所示。 预置直流制动电压UDB(或制动电流IDB)的主要依据是负载惯性的大小，惯性越大者，UDB也应越大。 (3) 直流制动时间tDB         即施加直流制动的时间长短。 预置直流制动时间tDB的主要依据是负载是否有“爬行”现象，以及对克服“爬行”的要求，要求越高者，tDB应适当长一些。 4  变频器的预励磁和零伺服功能 4.1 基础概念 (1) 电磁制动电动机及其控制特点 对于要求停机位置十分准确的场合，常常采用带有机械制动功能的电磁制动电动机。 (a) 电磁制动电动机简介 　      以YEJ系列电磁制动电动机为例，其基本电路如图13所示。  图13     电磁制动电动机      当接触器KM断开、电动机Ｍ未运行时，制动电磁铁的线圈YB处于失电状态，制动器的抱闸为抱紧状态;      当接触器ＫＭ接通时，YB经ＫＭ的辅助接点而得电，所得电压是经半波整流的相电压(DC99Ｖ)。这时，制动器的抱闸松开，电动机起动。      图13中，二极管VD1用于进行半波整流; VD2用于当外加电压过０时，为线圈YB提供一个续流通路;压敏电阻RV1、RV2用于当ＫＭ断开时，防止线圈YB因反电动势过大而击穿。 (b) 电磁制动电动机的控制特点        由于磁抱闸从通电到完全松开，以及从断电到完全抱紧，都需要时间(约0.3～0.6s)，并且有一个逐渐松开和逐渐抱紧的过程。在逐渐松开和逐渐抱紧的过程中，希望在抱闸和闸辊之间，尽量减少滑动磨擦。最好是在电动机停住的状态下抱紧，在抱闸完全松开后起动。 (2) 起重机械的溜钩问题      起重机械由于重物本身具有重力加速度，当重物从空中的停止状态转为上升或下降的运动状态时，如果使制动电磁铁YB先通电，等抱闸松开后再接通电动机，则在抱闸逐渐松开，而电动机尚未通电的过程中，重物必将下滑，形成“溜钩”。如果使电动机和制动电磁铁YB同时通电，则当抱闸尚未完全松开的过程中，电动机将处于过载状态。      同样，当重物从上升或下降的运动状态转为停止状态时，如果使电动机和制动电磁铁YB同时断电，则因为抱闸从断电到完全抱紧，需要时间，在抱闸尚未完全抱紧的过程中，重物也必将下滑，形成“溜钩”。如果令制动电磁铁YB在电动机断电之前，提前断电，待电动机断电时，抱闸已经抱紧了。在制动电磁铁YB逐渐抱紧的过程中，电动机也必将处于过载状态。 4.2 功能设置      在“有反馈矢量控制”方式下，当变频器的运行信号有效，但频率给定信号为0Hz时, 可以使变频器向电动机提供足够的励磁电流，产生足够大的零速转矩，以防止重物“溜钩”。 (1) 预励磁功能      当电动机从停住状态转为运行状态时，预先向电动机绕组内输入足够大的励磁电流，使电动机产生足够强的零速转矩的功能。 (2) 零伺服功能      当电动机从运行状态转为停住状态时，变频器在运行指令有效的情况下，在频率给定信号为０时，变频器使电动机保持足够强的零速转矩的功能。 5  某些变频器的特殊功能 (1) 加、减速的衔接功能      生产实践中，有时会遇到这样的情况:在拖动系统正在加速的过程中，又得到减速或停机的指令。这时，就出现了加速过程和减速过程的衔接问题。      变频器对于在加速过程尚未结束的情况下，得到停机指令时减速方式的处理如图14所示。 图14     加减速的衔接功能      图14(a)是运行指令，图14(b)是加、减速曲线。曲线①是在运行指令时间较长情况下的Ｓ形加速曲线;曲线②和曲线③是在加速过程尚未完成，而运行指令已经结束时的减速曲线。用户可根据生产机械的具体情况进行选择。 (2) 加、减速时间的最小极限功能      某些生产机械，出于特殊的需要，要求加、减速时间越短越好。对此，有的变频器设置了加、减速时间的最小极限功能。其基本含义是: (a) 最快加速方式      在加速过程中，使加速电流保持在变频器允许的极限状态(IA≯150%IN，IA是加速电流，IN是变频器的额定电流)下，从而使加速过程最小化。 (b) 最快减速方式      在减速过程中，使直流回路的电压保持在变频器允许的极限状态(UD≯95%UDH, UD是减速过程中的直流电压，UDH是直流电压的上限值)下, 从而使减速过程最小化。 (c) 最优加速方式      在加速过程中，使加速电流保持在变频器额定电流的120%(IA≯120%IN)，使加速过程最优化。 (d) 最优减速方式      在减速过程中，使直流回路的电压保持在上限值的93%(UD≯93%UDH)，使减速过程最优化。 (3) 异常停机功能      当生产机械发生紧急情况时，将发出紧急停机信号。对此，有的变频器设置了专门用于处理异常情况的功能。在异常停机期间，其操作信号都将无效。 参考文献 (略) 作者简介 张燕宾(1937-)  男  高级工程师  退休前在宜昌市自动化研究所工作，曾任自动化研究所副所长、宜昌市科委驻深圳联络处主任; 宜昌市自动化学会理事长、湖北省自动化学会常务理事。著作: SPWM变频调速应用技术(编著，机械工业出版社1997年12月初版; 2002年４月第二版); 变频调速应用实践(主编，机械工业出版社2001年1月出版); 变频器应用基础(副主编，机械工业出版社2003年1月出版)。