12第2講 了解功能調變頻（下）（2）宜昌市自動化研究所張燕賓_摘要：本文介紹了變頻器的控制模式。主要有：VF控制、開環(huán)矢量控制、帶PG反饋的矢量控制，等。此外，本文還介紹了變頻器各控制端子的功能，如輸入控制端子、輸出控制端子、報警控制端子等。最后，介紹了變頻器的幾種保護功能。關鍵詞：VF控制開環(huán)矢量控制帶PG反饋的矢量控制輸入控制端子輸出控制端子報警端子保護功能自動重合閘功能瞬時停電的重合閘功能Abstract: This text introduced the control modes of the inverterThere are：the VF control、the open loop vector control、vector control with PG feedback，etc Furthermore, this paper also introduced the control terminals function of the inverterThere are：the input control terminals、the output control terminals and the alarm control terminalsIn finery, this paper introduced many maintenance function of the inverter.Key words: VF control torque boost open loop vector control vector control with PG feedback. input control terminal output control terminal alarm control terminal maintenance function auto-restart function restart after momentary power failure_24拖動負載須有勁241電機特性應知曉電動機的帶負載能力主要體現在其機械特性上。所謂機械特性，是在某一轉速下，電動機所能產生的電磁轉矩的大小。電動機在沒有人為地改變其參數時的機械特性，稱為自然機械特性。異步電動機的自然機械特性及其能量圖如圖223所示。由圖可知，轉速下降時，由于轉差增大，轉子繞組切割旋轉磁場的速度也增大，轉子電流和電磁轉矩也都隨之增大。自然機械特性的主要特征可由三個點來描述：1理想空載點圖223 電動機的自然機械特性電動機輸出軸上的轉矩為0，稱為理想空載。這時，電動機的轉速可以達到同步轉速（旋轉磁場的轉速）n0。所以，理想空載點的坐標是：（0，n0）2起動點電動機剛接通電源，但轉速仍為0時稱為起動點，這時的轉矩稱為起動轉矩TS，也叫堵轉轉矩。因此，起動點的坐標是：（TS，0）通常，異步電動機的起動轉矩應大于額定轉矩的1.5倍：TS1.5TMN3臨界點異步電動機的機械特性有一個拐點K。在這一點，電動機所能產生的電磁轉矩最大，稱為臨界轉矩，用TK表示，K點稱為臨界點。與此對應的轉速稱為臨界轉速nK，相應地，有臨界轉差nK和臨界轉差率sK。所以，臨界點的坐標是：（TK，nK）臨界轉矩與額定轉矩之比就是異步電動機的過載能力。通常，過載能力應大于2：TK2.0TMN4人工機械特性圖224異步電動機的人工機械特性a）改變定子電壓b）改變轉子電阻電動機在人為地改變了某個參數后所得到的機械特性，稱為人工機械特性。就異步電動機而言，常見的有：（1）改變定子電壓異步電動機在改變定子電壓后，其機械特性的特點如圖224a）中之曲線（曲線是自然機械特性）所示：1）臨界轉矩減小為TK；2）臨界轉速nK不變。（2）改變轉子回路的電阻這是繞線轉子異步電動機的調速方法。當轉子回路的電阻增大后，其機械特性的特點如圖224b）中之曲線所示： 1）臨界轉矩TK不變；2）臨界轉速下降為nK。242轉矩補償仔細瞧圖225 補償正好時的磁通a）負載較重b）補償uc）補償后的情形1補償正好在第一講曾經提到，電動機在低頻時的轉矩可以通過提高調節(jié)電壓與頻率的比值（Uf比）來提高。在變頻器中，這種方法稱為VF控制法。這種功能稱為轉矩補償功能，或轉矩提升功能。如圖225，假設在低頻運行時負載較重，如圖225a）所示。這時：電動機的電流等于額定電流IMN，定子電路中的阻抗壓降UX與額定狀態(tài)時相等：UXUN如果電壓的補償量u恰到好處，則可使反電動勢與頻率之比與額定狀態(tài)時相等：從而使鐵心內的磁通量也等于額定值：X N圖226 補償過分時的磁通a）負載較輕b）補償量不變c）補償后的情形電動機的運行將十分正常。2補償過分如果工作頻率不變，電壓的補償量也不變，但負載減輕了，如圖226a）所示。則：電動機的電流必將減?。篒MXIMN定子繞組的阻抗壓降也同時減小：UXUN其結果是，反電動勢EX”在外加電壓UX中所占的比例增大，反電動勢與頻率之比也增大：從而使鐵心內的磁通量將超過額定值：X” N結果是，電動機的磁路飽和，勵磁電流的波形發(fā)生畸變，其峰值有可能超過電動機允許的上限值，使電動機發(fā)熱甚至燒毀。3補償過分時的電流轉矩曲線在電壓和頻率都不變的常規(guī)情況下，人們習慣于“負載越大、電流也越大”的規(guī)律。這是因為作為傳遞能量的中間環(huán)節(jié)磁通的變化極小的緣故。但在變頻調速系統(tǒng)中，一個十分突出的問題，就是磁路系統(tǒng)工況的不穩(wěn)定。如第一講中所分析的：改變頻率時，電動機定、轉子之間的能量關系容易失衡，磁路容易飽和，并使勵磁電流發(fā)生畸變的情形。具體分析如下：假設電動機在工作頻率為fX（fN）時帶動某變動負載，負載的最大轉矩接近于電動機的額定轉矩（TLTMN），為了在頻率較低時也能帶動負載，在VF控制方式下進行了轉矩補償，選定了Uf比（kUk）。要討論的問題是：當負載由空載逐漸增大的過程中，電流的變化規(guī)律如何（電動機的工作頻率fX不變）。作為討論的基礎，我們假定：在所選的Uf比下，電動機剛好能克服負載最重時的阻轉矩。就是說，在負載最重的情況下，電動機的定子電流不超過額定值。這意味著，在負載最重的情況下，輸入功率與輸出功率正好平衡。（1）空載時的電動機電流 簡單地說，空載時，即使不進行補償（kUk），電動機也能帶得動。因此，被提升了的Uf比將使電動機處于“補償過分”的狀態(tài)。其結果如前述，將引起磁路的深度飽和、勵磁電流I0的波形發(fā)生嚴重畸變，峰值很大。在定子電流I1中，I0居主導地位。I1的有效值因I0的增大而增大，達到接近或超過額定電流IN的程度，甚至有可能導致因過流而跳閘。如圖227中之A點。圖227補償過分時的電流轉矩曲線（2）負載增大時電流的變化 負載增大時，轉子電流I2及其磁動勢I2N2（或I2N1）也增大。其去磁作用使勵磁磁動勢I0N1與磁通1減小，鐵心的飽和程度逐漸減輕，勵磁電流的尖峰值迅速減小，故而I1反而下降，如圖227所示的點以前的情形。（3）負載較重時電流的變化 當轉子電流I2及其磁動勢I2N2（或I2N1）增大到足以使鐵心脫離飽和狀態(tài)，勵磁電流I0的波形及其有效值恢復正常時，在定子電流I1中，代表負載大小的轉子電流I2又居主導地位。這以后，隨著負載和轉子電流I2的增大，定子電流I1也隨之增大。如圖227所示的點以后的情形。4I1（TL）曲線的實際意義許多負載在工作過程中，其阻轉矩TL的大小是不斷變化的（典型例子如塑料擠出機）。不言而喻，當負載轉矩變化時，電流I1和電阻壓降Ur也必隨之變化。另一方面，在大多數情況下，U比一經設定之后是不能變化的。通常，是以重載時也能帶得動負載作為設定U比的依據的。顯然，重載時電流I1和電阻壓降Ur都大，需要的補償量（即比）也大。但這樣一來，在負載較輕，I1和電阻壓降Ur都較小時，必將引起“補償過分”，導致磁路飽和。就是說，在比已經設定的情況下，負載變化時，磁路的飽和程度將隨之變化，如上述，這將導致勵磁電流的波形發(fā)生畸變，其有效值也有較大幅度的變化。因此，在預置Uf比（轉矩提升）時，必須考慮圖227所示的曲線。具體地說，則：（1）變動負載中Uf比的設定對于轉矩變化較大的負載，在采用VF控制方式時，正確地設定Uf比是十分重要的。毫無疑問，人們首先關心的是：低頻時電動機能否帶得動最重的負載？因而容易把Uf比設定得較大。然而，圖227所示的曲線表明，如Uf比過大，則空載時容易跳閘。因此，調試時，Uf比宜由小逐漸加大，每加大一檔，觀察能否帶得動重負載？及至能帶動時，還應反過來觀察空載時會不會跳閘？一直到在低頻運行時，既能帶得動重負載，又不會空載跳閘時為止。圖228風機的Uf比預置a）風機的機械特性b）預置的Uf線（2）二次方律負載的Uf比設定二次方律負載在低速時，負載的阻轉矩甚小，如果變頻器的Uf比由于某種原因而設定得較大時，有可能因此而跳閘。因此，應將Uf比設定得盡量地小，以利于節(jié)能。5準確預置Uf比舉例（1）風機風機屬于二次方律負載，在低轉速（頻率較低）運行時，負載的阻轉矩很小。即使不進行補償，負載轉矩也比電動機的有效轉矩小得圖229帶式輸送機的Uf比預置a）帶式輸送機b）機械特性c）Uf比預置多。針對這類負載，變頻器專門設置了若干根“負補償線”（kUk，如圖228b中之曲線（曲線是kUk的Uf線）所示。（2）帶式輸送機帶式輸送機屬于恒轉矩負載。如圖229a）所示的輸送煤碳或石料的傳輸帶，在運行過程中，其負載輕重雖略有變化，但總體上說，可以認為，負載的阻轉矩是基本不變的，其機械特性如圖b）所示。對于這類負載，必須考慮在低頻時也能帶動負載的問題。因此，應該選擇具有一定補償量的Uf線，如圖c）中之曲線所示。圖230離心澆鑄機的Uf比預置a）離心澆鑄機b）機械特性c）Uf比預置（3）離心澆鑄機離心澆鑄機的機械特性如圖230a）所示，低速時，鐵水并不灌入，機器處于空載狀態(tài)。鐵水在高速狀態(tài)下灌入，機器開始重載運行。重載時的調速范圍并不廣，工作頻率約為4050Hz。因為電動機在4050Hz范圍內運行時，即使不進行轉矩補償，有效轉矩基本上等于額定轉矩。而低速起動過程中，負載處于空載狀態(tài)，選擇基本Uf線即可，如圖b）中之曲線所示。243轉差補償特性調1轉差補償的目的由異步電動機的自然機械特性可知，當負載的阻轉矩從輕載（TLTM0）增大到額定值（TLTMN）的過程中，拖動系統(tǒng)的轉速是有所下降的。轉差補償的目的，是使拖動系統(tǒng)的轉速基本不變（nM2n02），從而得到較硬的機械特性。2轉差補償的方法當負載增加，轉速下降時，通過適當提高變頻器的輸出頻率，使電動機因轉差而降低了的轉速得到補償。例如，當負載轉矩為TLN（TMN）時，通過預置“轉差補償”，適當提高變頻器的輸出頻率，使電動機的同步轉速從n02上升至n02，而拖動系統(tǒng)的工作點則從Q2上升至Q2。使拖動系統(tǒng)的轉速與原來給定的同步轉速n02基本相等。由于用戶的給定頻率并未改變，因此，宏觀地從轉速給定的角度看，電動機的機械特性變“硬”了，如圖231b）所示。圖231 轉差補償原理及應用a）未補償 b）補償后c）風機未補償d）風機補償后3轉差補償應用舉例風機在變頻50Hz時的實際轉速常常比工頻運行時低一些，風量較小。究其原因，是因為變頻器的逆變管在交替導通過程中存在著死區(qū)，故50Hz時的輸出電壓低于380V，其機械特性如圖231c）中之曲線所示（曲線是自然機械特性）。所以，轉速從工頻運行時的n1降為n2。如果要使變頻50Hz時的轉速和工頻運行時相同，可適當預置轉差補償功能，使電動機的機械特性如圖d）中之曲線所示，風機的轉速將上升至n1。244矢量控制拇指翹1采用矢量控制方式的基本要領實行矢量控制的基本途徑，是進行磁場之間的等效變換，而進行等效變換的前提是必須對變換前的磁場有足夠的了解。因此，應把電動機的有關參數輸入給變頻器。主要有：電動機的額定容量、額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉速、磁極數等，以及定子每相繞組的電阻和漏磁電感、轉子每相等效繞組的電阻和漏磁電感、定、轉子繞組間的互感、空載勵磁電流等。目前，新系列的變頻器都配置了“自測定功能”，能夠自動地測定電動機的有關參數。具體方法如下：（1）使電動機脫離負載（實在不能脫離時，須參照說明書的有關規(guī)定）；（2）輸入電動機的額定數據；（3）使變頻器處于“鍵盤操作”方式；（4）將自測定功能預置為“自動”方式；（5）按下“”鍵，電動機將按照預置的升速時間升速至一定轉速（約為額定轉速的一半），然后又按照預置的降速時間逐漸降速并停止，當顯示屏上顯示“自測定結束”時，自測定過程即告完成，約需1.5min左右。但也有的變頻器在自測定過程中，電動機是不轉的，須注意閱讀說明書。2矢量控制方式的適用范圍變頻器內，通常以配用電動機容量與變頻器要求相吻合的4極電動機為基本模型進行計算的。由于受到內部微機容量的限制，變頻器對于靈活處理不同電動機參數的能力也就有限。主要限制有：（1）矢量控制只能用于一臺變頻器控制一臺電動機的情況下。當一臺變頻器控制多臺電動機時，矢量控制將無效。（2）電動機容量和變頻器要求的配用電動機容量之間，最多只能相差一個檔次。例如，變頻器要求的配用電動機容量為7.5kW，則配用電動機的最小容量為5.5 kW，對于3.7 kW的電動機，就不適用了。（3）磁極數一般以2、4、6極為宜，極數較多時須查閱有關說明書（不同變頻器對極數的限制也不一樣）。圖232無反饋矢量控制的機械特性a）基本接線b）機械特性（4）特殊電動機不能使用矢量控制功能。如力矩電動機、深槽電動機、雙鼠籠電動機等。3矢量控制的特點與應用（1）無反饋矢量控制無反饋矢量控制方式的主要優(yōu)點是使用方便，用戶不需要增加任何附加器件。且機械特性較硬，能夠滿足大多數生產機械的需要。主要缺點是調速范圍和動態(tài)響應能力都略遜于有反饋矢量控制方式。事實上，大多數恒轉矩負載都可以選擇無反饋矢量控制方式。它非但機械特性優(yōu)于VF控制方式，且不會發(fā)生電動機磁路飽和等問題，故調試方便。圖233有反饋矢量控制的機械特性a）基本接線b）機械特性（2）有反饋矢量控制有反饋矢量控制是各方面性能都比較優(yōu)越的一種控制方式。但因為它是以有轉速反饋為前提的，故必須安裝轉速測量裝置，這對于普通電動機的變頻改造來說，常常是比較麻煩的。因此，有反饋矢量控制方式主要用于如下場合：1）要求有較大調速范圍者，例如兼有銑、磨功能的龍門刨床；2）對動態(tài)響應能力有較高要求者，例如某些精密機床；3）對運行安全有較高要求者，例如起重機械等。25 端子功能可設定圖234 變頻器的外接輸入端子變頻器具有十分豐富的控制功能，這些控制功能是通過變頻器的輸入控制端和輸出控制端與外部電路配合完成的。251 輸入端子利遙控外接輸入控制端接受外部輸入的各種控制信號，以便對變頻器的工作狀態(tài)和輸出頻率進行控制。其控制電路如圖234所示，外部控制信號通常都是開關信號，變頻器內部則由光電耦合管來接受控制信號。因為實際上同時使用的控制功能往往是不多的，所以，為了節(jié)省變頻器的體積，變頻器可供聯接的控制端子較少，通常不到15個，其中，大部分控制端子的具體功能，須通過功能預置來決定。因為通過外接端子進行控制，對于遠距離控制來說，十分方便，故有的變頻器把這些端子稱為遙控端子?；究刂戚斎攵巳缯D（FWD）、反轉（REV）、點動（JOG）、復位（RST）等，基本信號輸入端在多數變頻器中是單獨設立的，其功能比較固定，如圖234所示；2可編程控制輸入端也稱為多功能輸入端，這些輸入端的具體功能須通過功能預置來確定?？深A置的功能有：多檔轉速控制，多檔升、降速時間控制，升速、降速控制，可編程序控制等，如表22所示。表22外接可編程控制端的控制功能功能碼功能名稱數據碼及含義L63X1功能選擇0：控制端閑置；1：多檔轉速1；2：多檔轉速2；3：多檔轉速3；4：多檔轉速4；5：正轉點動；6：反轉點動；7：自由停機；8：外部故障輸入；9：加、減速時間1；10：加、減速時間2；11：頻率遞增控制； 12：頻率遞減控制；13：頻率給定通道選擇1；14：頻率給定通道選擇2；15：頻率給定通道選擇3L64X2功能選擇L65X3功能選擇L66X4功能選擇L67X5功能選擇L68X6功能選擇L69X7功能選擇圖235多檔轉速控制3輸入端子編程舉例多檔轉速控制在預置多檔轉速控制時，可以在可編程控制端子中任意選擇三個（或四個）端子，作為多檔轉速控制的輸入端。進行預置時，應首先確定其組合順序。例如，當把“L63”功能預置為“1”時，則端子X1 為最低位；當把“L64”功能預置為“2”時，則端子X2 為中間位；當把“L65”功能預置為“3”時，則端子X3 為最高位。各檔轉速的檔次按二進制規(guī)律由表23決定。每個檔次的具體工作頻率則另行預置，如表24所示。表23各檔轉速的檔次X3（最高位）的狀態(tài)X2（中間位）的狀態(tài)X1（最低位）的狀態(tài)轉速檔次OFFOFFON1（001）OFFONOFF2（010）OFFONON3（011）ONOFFOFF4（100）ONOFFON5（101）ONONOFF6（110）ONONON7（111）要實現7檔轉速控制，需要預置的功能如表24所示。表24多檔轉速的功能預置功能碼功能含義數據碼數據碼含義備注L63X1功能選擇1多檔轉速端子1多檔轉速端子組合中的最低位L64X2功能選擇2多檔轉速端子2多檔轉速端子組合中的中間位L65X3功能選擇3多檔轉速端子3多檔轉速端子組合中的最高位L18 多檔頻率10.0fH第1檔運行頻率“001”時變頻器的輸出頻率L19 多檔頻率20.0fH第2檔運行頻率“010”時變頻器的輸出頻率L20 多檔頻率30.0fH第3檔運行頻率“011”時變頻器的輸出頻率L21 多檔頻率40.0fH第4檔運行頻率“100”時變頻器的輸出頻率L22 多檔頻率50.0fH第5檔運行頻率“101”時變頻器的輸出頻率L23 多檔頻率60.0fH第6檔運行頻率“110”時變頻器的輸出頻率L24 多檔頻率70.0fH第7檔運行頻率“111”時變頻器的輸出頻率252輸出端子分三種1外接輸出端子的安排圖236外接輸出端子的安排a）示例1b）示例2（1）報警輸出端當變頻器發(fā)生故障時，變頻器將通過輸出端子發(fā)出報警信號，如圖236a）中之TA、TB、TC所示。報警時，TA、TB間的動斷觸點斷開，而TA、TC間的動合觸點閉合。報警信號通常都采取繼電器輸出，繼電器接點可接至AC250V的電路中，最大電流大多為1A，也有2A的。（2）測量信號輸出端外接測量信號端有如圖236a中之和所示，有的變頻器配置的測量信號端可多至34個。通常給出的測量內容是：FM用于測量頻率，AM用于測量變頻器的輸出電流。但通過功能預置，可以改變其測量內容。如可以測量變頻器的輸出電壓、負荷率等等。變頻器通?？商峁﹥煞N測量信號：1）模擬量測量信號 如DC010V（10V與預置的最高頻率對應）等。2）數字量測量信號 可直接接至需要數字量的儀器或儀表。（3）狀態(tài)信號輸出端圖237頻率到達與頻率檢測a）頻率到達b）頻率檢測狀態(tài)信號的內容主要有：“運行”信號、“頻率到達”信號、“頻率檢測”信號等。狀態(tài)信號的輸出電路大多是晶體管的集電極開路輸出方式，用于直流低壓電路中，如圖236a）所示。但也有用繼電器輸出的，如圖b）所示。這里，就用戶常常難以區(qū)分的“頻率到達”和“頻率檢測”功能為例，說明如下：1）頻率到達功能如果某狀態(tài)信號輸出端被預置為“頻率到達”時，則當變頻器的輸出頻率fX到達給定頻率fG時，該端子有信號輸出，用戶并可以預置允許誤差f，如圖237a）所示。2）頻率檢測功能如果某狀態(tài)信號輸出端被預置為“頻率檢測”時，則當變頻器的輸出頻率fX到達并超過某一設定的頻率fset時，該端子有信號輸出，當頻率下降時，可以預置一個滯后頻率fh，則當頻率低于（fsetfh）時，輸出信號斷開，如圖b）所示。圖238報警輸出應用舉例2報警輸出端應用舉例圖239測量輸出應用舉例報警輸出端的實際使用例子如圖238所示。報警時，動斷觸點TATB將主接觸器的控制回路斷開，使主接觸器線圈斷電，其主觸點斷開，使變頻器脫離電源。同時，動合觸點TATC閉合，接通聲光報警電路，進行聲光報警。由于變頻器斷電后，報警信號將不可能維持，故在聲光報警電路中增加一個中間繼電器KA，當聲光報警電路接通時，KA的線圈得電，其觸點使KA自鎖，從而在變頻器斷電后，可以繼續(xù)進行聲光報警。當工作人員聞訊趕到時，只需按下SB，切斷KA的自鎖電路，聲光報警便停止了。3測量輸出端應用舉例今以由輸出信號DC010V測量變頻器的輸出頻率為例，說明其使用方法：到市場上買一塊量程為010V的直流電壓表，取出“表面”，將量程由原來的“010”修改為“050”（假設最高頻率為50Hz），同時，將電壓標志“V”修改為頻率標志“Hz”，則一塊外接頻率表就完成了，如圖239所示。圖a）為將模擬量輸出端AM預置為測量頻率，圖b）為表面的修改情形。如果儀表顯示的50Hz與變頻器本身的顯示不符，可通過“模擬輸出增益”功能進行校準。26過流過載要分清圖240過載與過流261 過流、過載兩分離1過載保護的對象與特點（1）過載保護變頻器的所謂過載，是指電動機過載。所以，過