自動化綜合實踐李方園自動化綜合實踐李方園1

課題5離心機控制裝置離心機是將液體與固體顆粒混合物進行分離的設備，它一般是工藝流程中的后處理設備，所以直接關系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。從整體上看，我國離心機及自動控制技術水平與國外先進水平相比存在較大差距。主要表現(xiàn)在：離心機品種、規(guī)格少，不能完全滿足國內(nèi)生產(chǎn)需要，特別是分離物料粘度大、精度細的機械，效率高、生產(chǎn)能力大、自動化程度高的離心機絕大多數(shù)依賴進口；分離機理和應用技術研究落后，新產(chǎn)品開發(fā)速度慢；制造工藝落后，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性較差，技術水平和自動化水平較低；配套設備和材料不能滿足離心機產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，尤其是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性很不穩(wěn)定。

課題5離心機控制裝置2從離心機的發(fā)展來看，交流變頻器將替代原來的電磁調(diào)速、直流調(diào)速、液力偶合調(diào)速、多速電動機，而逐步成為分離機械的主要驅(qū)動裝置；而PLC控制也將逐漸替代原來的手動操作和繼電器控制。從離心機的發(fā)展來看，交流變頻器將替代原來的電磁調(diào)速、直流調(diào)3

【課題任務書】

1、任務概述現(xiàn)有兩臺離心機（如圖5-1所示），一臺為雙電動機離心機，用以分離洗滌混合物進料，分離出來后的成品（純凈洗滌劑）可以加入到第二臺離心機（為水洗離心機）。請根據(jù)工藝流程來設計離心機控制裝置的解決方案。

【課題任務書】4圖5-1離心機控制裝置自動化綜合實踐5

2、工藝流程根據(jù)圖5-1所示，離心機控制裝置的工藝流程如下：（1）先啟動雙電動機離心機，大約20分鐘，操作人員根據(jù)現(xiàn)場情況判斷是否可以進料；待出料達到一定數(shù)量后，開始進入停車程序段，10分鐘后停車完成。（2）自動水洗機的工作流程由進水、進洗滌液、水洗、排水和脫水五個過程組成，其控制是通過水位開關、進水電磁閥、進洗滌液電磁閥、排水電磁閥等配合完成。整個水洗流程為全自動操作。（3）離心機運行至少四個速度、正反兩個方向。

自動化綜合實踐63、控制要求（1）輸入電源為三相380V電源。（2）電動機功率：M1為3～22KW4極；M2為3～5.5KW4極；M3為3～5.5KW為6極電動機。（3）雙電動機離心機的轉速控制為電位器手動控制。（4）水洗機為全自動操作，水位開關用來控制進水到水洗機內(nèi)高、中、低水位。進水電磁閥起著通/斷水源的作用。進水時，進水電磁閥打開，將水注入；排水時，排水電磁閥打開，將水排出。（5）水洗機變頻可以采用多段速進行，在脫水階段，根據(jù)時間進行4段速控制；在水洗階段，采用一個速度進行正反轉控制。（6）水洗結束，應該設置一個報警指示。3、控制要求7子課題1：離心機雙變頻控制一、離心機雙變頻的組成1、離心機雙變頻結構臥螺離心機用雙電動機驅(qū)動(圖5-2所示)，早在60年代已應用于實驗室,判斷主、副電動機工作狀態(tài)的方法是：與主動件相連的電動機處于電動機工作狀態(tài),與從動件相連的電動機處于發(fā)電動機狀態(tài)。子課題1：離心機雙變頻控制一、離心機雙變頻的組成8圖5-2雙電動機離心機示意圖圖5-2雙電動機離心機示意圖9因此，雙電動機離心機中主電動機處于電動機狀態(tài)，副電動機處于發(fā)電動機狀態(tài)。但這種傳動方式幾十年來沒有在工業(yè)上獲得廣泛應用，究其原因：關鍵在于副電動機再生的電能在當初的技術條件下，不能合理利用。一種方法是用普通變頻器驅(qū)動副電動機,再生能量以熱能的形式消耗在制動電阻上.另一種方法是,使用帶有能量回饋單元的專用變頻器驅(qū)動,可將再生的電能回送到交流電網(wǎng),如富士公司的RHR系列能量回饋裝置,ABB公司的ACS611/811系列變頻器,但價格貴,只在少數(shù)場合獲得應用(如軋鋼、礦山)。因此，雙電動機離心機中主電動機處于電動機狀態(tài)，副電動機處于發(fā)10隨著電力電子技術的快速發(fā)展,近年來變頻器的性能價格比大大提高,共母線雙電動機雙變頻器驅(qū)動在臥螺離心機上廣泛應用,即主、副電動機各用一臺普通變頻器驅(qū)動,其直流母線用適當?shù)姆绞讲⒔?較好的解決了這個問題,在能源日益緊缺的今天,有特別重要的意義。雙電動機離心機如圖5-3所示。

隨著電力電子技術的快速發(fā)展,近年來變頻器的性能價格比大大提11VF1-主變頻器;VF2-副變頻器1-主電動機;2-轉鼓;3-螺旋;4-差速器;5-差速器小軸;6-副電動機;圖5-3雙電動機離心機變頻控制VF1-主變頻器;VF2-副變頻器122、雙電動機離心機的工作過程

由電動機學知道,電動機處于再生制動狀態(tài)的基本特征是:電動機的轉子轉速超過同步轉速n>n0并且二者方向相同.工作點沿著機械特性曲線從第1象限向第2象限移動,這時,電動機產(chǎn)生的電磁力矩的方向和轉子轉向相反,圖5-4中,A點對應的電磁力矩TL是制動力矩,用來使離心機螺旋產(chǎn)生足夠的推料力矩,其大小是螺旋推料力矩的i分之一(i是差速器速比).

2、雙電動機離心機的工作過程13圖5-4離心機的機械特性曲線

圖5-4離心機的機械特性曲線14由于電磁轉矩只和主磁通ΦM與轉子電流有功分量I2COSφ2的乘積成正比:TM=KTΦMBI2COSφ2回饋到電網(wǎng)的定子電流有功分量經(jīng)圖5-3中VD1-VD2全波整流,加到直流母線上,由于主、副變頻器的母線并接,該能量就被主電動機利用,使母線電壓Vd維持在610V以內(nèi).共母線雙電動機雙變頻節(jié)能建立在此基礎上。

由于電磁轉矩只和主磁通ΦM與轉子電流有功分量I2COSφ2的153、差轉速的調(diào)節(jié)

a)減少差速b）增加差速圖5-5差轉速的調(diào)節(jié)

3、差轉速的調(diào)節(jié)a)減少差速b）增加差速16由于螺旋擔負著將沉積在轉鼓內(nèi)壁的干泥推出轉鼓的使命,因此,差轉速的快慢直接影響到離心機的產(chǎn)量和分離效果.差轉速按下式計算Δn=(n鼓-n臂)/i(1)式中:Δn—差轉速r/minn鼓—轉鼓轉速r/minn臂—差速器小軸轉速r/mini--差速器速比由上式可以看出,由于轉鼓轉速和差速器速比一般固定不變,因此,調(diào)節(jié)轉臂轉速即可調(diào)節(jié)差轉速.

由于螺旋擔負著將沉積在轉鼓內(nèi)壁的干泥推出轉鼓的使命,因此,差17差轉速的調(diào)節(jié)是通過改變副變頻器輸出頻率實現(xiàn).調(diào)節(jié)過程如下:設要減小差速,則增加輸出頻率,在頻率剛剛增加的瞬間,由于機械慣性的原因,轉速不可能突變,但機械特性已由曲線1變?yōu)榍€2（如圖5-5a）,工作點由A點跳到B點,由于B點制動轉矩小于A點,電動機加速,工作點沿著曲線2向左移動,在C點,力矩重新達到平衡,電動機穩(wěn)定運行在升高的轉速上。圖5-5中有陰影區(qū)域是過渡過程.增加差速的過程見圖5-5b.不難看出,當調(diào)速范圍較大時,副電動機短期將運行于電動機狀態(tài).

差轉速的調(diào)節(jié)是通過改變副變頻器輸出頻率實現(xiàn).調(diào)節(jié)過程如下:18二、離心機雙變頻系統(tǒng)的模型分析

1、離心機雙變頻模型圖5-6為離心機雙變頻共直流母線方式的配置方案。在共直流母線中，整流器前端回路可以有不同的組成方式，預充電回路的控制方案也有差異，這兩者通過直流熔絲與直流電解電容兩端連接，因此是共直流母線方式中最不可忽略的關鍵因素。

二、離心機雙變頻系統(tǒng)的模型分析1、離心機雙變頻模型19交流變頻器的整流回路可以是二極管，也可以是晶閘管，如圖5-7所示。在二極管整流器前端回路中，根據(jù)預充電方式還有兩種，即串接在電容組上，如圖5-7a）所示；也可以串接在母線上，如圖5-7b）所示。而在晶閘管整流前端回路中，其預充電是在一定的時間中通過逐步改變晶閘管的觸發(fā)角（從180度到0度）來實現(xiàn)的，如圖5-7c）所示。因此，當不同類型的交流變頻器通過共直流母線互相連接到一起的時候，由于預充電控制的不協(xié)調(diào)性和整流回路的配置不同，將會大大降低系統(tǒng)的可靠性，而且在變頻器預充電、電動機電動或是電動機發(fā)電狀態(tài)時不同變頻器之間還有相互反作用。

交流變頻器的整流回路可以是二極管，也可以是晶閘管，如圖5-720圖5-6兩臺交流變頻器的共直流母線方式配置

圖5-6兩臺交流變頻器的共直流母線方式配置21a)

b)

c)

圖5-7帶預充電回路的整流器前端模型

a)b)c)圖5-7帶預充電回路的整流器前端模型22基于上述因素，要為交流變頻器共直流母線方案制定一個統(tǒng)一的通用指導方案將會變得十分困難，而去分析和研究在不同運行模式下可能產(chǎn)生的電流等級將變得十分有必要。因為有了模型分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)之后，才能針對不同的共母線方案選擇合適的部件、合適的母線連接方式，否則將會面臨整個系統(tǒng)不穩(wěn)定因素的干擾、交流變頻器的損壞等現(xiàn)象。

基于上述因素，要為交流變頻器共直流母線方案制定一個統(tǒng)一的通用232、整流前端和預充電回路的波形

在二極管整流回路中，預充電控制可以通過使用一個可控的電壓開關來進行模擬，而晶閘管整流回路則可以通過改變晶閘管的開關脈沖來實現(xiàn)。由于交流變頻器的前端壓降和其他固有特性將在共直流母線方案中的電流回路和幅值起到支配性的影響，所以有必要對于交流變頻器的主回路前端整流回路建立一個精確的模型，這樣才能準確地反應實際工作情況。

2、整流前端和預充電回路的波形24在一個共直流母線系統(tǒng)中，除了圖5-7a）和圖5-7c）外，其他不同功率段和不同品牌的交流變頻器都可以任意互相連接，盡管他們之間的預充電策略和預充電時間間隔會有所不同。而在帶晶閘管整流回路中，其預充電波形將會難免產(chǎn)生電流浪涌。圖5-8和圖5-9為典型的二極管整流回路和晶閘管整流回路的預充電波形曲線。在圖5-8中，發(fā)生在接近末端的電流脈沖是由于預充電回路的電阻切斷的瞬間所致。

在一個共直流母線系統(tǒng)中，除了圖5-7a）和圖5-7c）外，其25圖5-8二極管整流回路的典型預充電波形

圖5-8二極管整流回路的典型預充電波形26圖5-9晶閘管整流回路的典型預充電波形

圖5-9晶閘管整流回路的典型預充電波形273、帶二極管整流回路的5.5KW和90KW交流變頻器并列運行分析（1）分析預充電過程

交流變頻器處于共直流母線的并列運行中時，每臺變頻器由于自身的充電時間不同，將導致不同的充電狀態(tài)，因此必須對此進行分析以確保并列運行中小容量變頻器的整流二極管和充電電容的電流有效值不能超過額定值，同時需測定最大的母線熔絲電流值以及有可能存在的變頻器環(huán)路電流值。

3、帶二極管整流回路的5.5KW和90KW交流變頻器并列運28圖5-10為兩變頻器并聯(lián)后的直流母線電壓、母線熔絲電流和直流電容電流。圖5-11為兩并列變頻器的進線A相線電流，從圖中可以看出小容量變頻器5.5KW的線電流在共母線后的電流有顯著的增加。圖5-12中可以看出不同的預充電時間將對兩直流母線回路的直流電壓差、直流熔絲電流產(chǎn)生很大的影響，尤其是在直流熔絲中將產(chǎn)生兩個電流浪涌，同時小容量變頻器5.5KW的直流電容將產(chǎn)生紋波電流。電流浪涌的產(chǎn)生是由于預充電時的兩次瞬變切換所造成的，其浪涌幅值將比各自變頻器在獨自預充電時要大得多。如果多臺并聯(lián)變頻器具有同一種預充電時間，則電流浪涌將會更大，這是因為這些變頻器在同一時間進行瞬變切換。如果多臺并聯(lián)變頻器具有不同的預充電時間，則電流浪涌會發(fā)生在每一臺變頻器的預充電時間切換點，直至所有的變頻器都預充電結束。

圖5-10為兩變頻器并聯(lián)后的直流母線電壓、母線熔絲電流和直流29在不同變頻器并聯(lián)方案中，如果頻繁上電，其預充電回路的累積效果就會造成小容量變頻器直流電解電容的額外發(fā)熱、整流二極管過電流等不利情況。在模擬試驗中，電流浪涌有一個幅值達106A的尖峰和大約3ms的持續(xù)時間，因此母線熔絲的額定電流應該要與之匹配（I2t），否則就會造成預充電失敗。

在不同變頻器并聯(lián)方案中，如果頻繁上電，其預充電回路的累積效果30圖5-10兩變頻器并聯(lián)后的直流母線電壓、母線熔絲電流和直流電容電流圖5-10兩變頻器并聯(lián)后的直流母線電壓、母線熔絲電流和直流31圖5-11兩并列變頻器的A相線電流

圖5-11兩并列變頻器的A相線電流32圖5-12不同預充電時間的影響

圖5-12不同預充電時間的影響33在表5-1中，將預充電回路進行定量比較，即比較兩臺交流變頻器5.5KW和90KW在單獨上電和共直流母線方案（即并列運行）下的不同電流有效值。對于小容量的交流變頻器5.5KW而言，在并列運行方式下比單獨上電整流二極管上流過的電流達到了100％的增加，在直流電容上的電流則增加了有26％左右。相反，對于大容量的交流變頻器90KW來說二極管整流電流和電容直流電流卻下降了24％和19％。

在表5-1中，將預充電回路進行定量比較，即比較兩臺交流變頻器34表5-1預充電回路電流比較

表5-1預充電回路電流比較35在本次分析中，盡管對于小容量變頻器來說，其電流的增加值還在其額定范圍內(nèi)，但隨著并列方式的復雜性（如共直流母線的交流變頻器數(shù)量增多或者并列的交流變頻器容量更大），這些數(shù)據(jù)都將會被重新改寫，甚至超出額定值。（2）分析電動和發(fā)電狀態(tài)

圖5-13和圖5-14是變頻器逆變回路和異步電動機的模型結構，這個模型結構對于分析電動機處于電動和發(fā)電狀態(tài)是非常有效的。

在本次分析中，盡管對于小容量變頻器來說，其電流的增加值還在其36圖5-13PWM變頻器主回路模型

圖5-13PWM變頻器主回路模型37圖5-14異步電動機模型

圖5-14異步電動機模型38用與交流變頻器同等功率的交流異步電動機進行拖動，這里我們將分析兩種情況：（1）兩者都處于電動狀態(tài)；（2）90KW電動機處于發(fā)電狀態(tài)而5.5KW電動機處于電動狀態(tài)。圖5-15為5.5KW變頻電流和正端熔絲電流，圖5-16則為90KW變頻器電流和負端熔絲電流。

用與交流變頻器同等功率的交流異步電動機進行拖動，這里我們將分39圖5-155.5KW變頻器電流和正端熔絲電流

圖5-155.5KW變頻器電流和正端熔絲電流40圖5-1690KW變頻器電流和負端熔絲電流

圖5-1690KW變頻器電流和負端熔絲電流41表5-2中列出的數(shù)據(jù)是在不同運行模式下變頻器的電動機電流、電容直流電流、二極管整流電流和直流熔絲電流，其中包括單獨電動、并列電動、并列小容量電動和大容量發(fā)電等。很明顯，小容量5.5KW變頻器的直流母線電容電流Ic在并列模式下兩種情況都增長過快（分別為43.75A和44.44A），甚至超過額定范圍，這將導致直流熔絲電流Ifuse會居高不下。解決該問題的辦法首推背對背的二極管母線連接方式，如圖5-17所示，即在直流母線的正端和負端都跨接一對背對背二極管組（圖5-17中的D1和D2、D3和D4）。這種背對背并列方式將大幅度降低電容直流電容的電流等級，無論是在哪種方式下（電動或發(fā)電），如本例中，下降的幅度如表5-2所示，電容直流電容從43A左右降至16.88A，而直流熔絲電流則降至11.11A。

表5-2中列出的數(shù)據(jù)是在不同運行模式下變頻器的電動機電流、電42表5-2不同運行模式下的電流值

表5-2不同運行模式下的電流值43圖5-17共直流母線模式下的背對背二極管連接方式

圖5-17共直流母線模式下的背對背二極管連接方式44三、離心機雙變頻系統(tǒng)的實踐

1、通用變頻器共直流母線方案上面的研究結論將不僅僅限于對兩臺變頻器共直流母線并聯(lián)的分析，對于三臺或三臺以上的并聯(lián)方式也可由之引申。共直流母線方式是交流變頻器在現(xiàn)代工業(yè)非常受歡迎的一種應用方案，它具有節(jié)約成本、節(jié)省安裝空間和更高的運行可靠性。但是由于交流變頻器整流部分的多樣性導致并聯(lián)的先天性不足，無論在預充電還是電動機處于電動和發(fā)電狀態(tài)時，變頻器的整流部分都有可能不能很好地分配電流。這將導致在并列方式下，不同變頻器之間會增加額外的環(huán)路電流。因此，在不同的交流變頻器被連接到一起之前，對系統(tǒng)必須做一個精確的分析以確保系統(tǒng)在不同方式下的安全和可靠。

三、離心機雙變頻系統(tǒng)的實踐1、通用變頻器共直流母線方案45對于通用變頻器而言，采用共用直流母線很重要的一點就是在上電時必須充分考慮到變頻器的控制、傳動故障、負載特性和輸入主回路保護等。圖5-18所示為在其中一種應用比較廣泛的方案。該方案包括3相進線（保持同一相位）、直流母線、通用變頻器組、公共制動單元或能量回饋裝置和一些附屬元件。

對于通用變頻器而言，采用共用直流母線很重要的一點就是在上電時46圖5-18通用變頻器共直流母線方案

圖5-18通用變頻器共直流母線方案47該方案有以下特點：（1）使用一個完整的變頻器，而不是單純使用傳統(tǒng)意義上的整流橋加多個逆變器方案；（2）不需要有分離的整流橋、充電單元、電容組和逆變器；（3）每一個變頻器都可以單獨從直流母線中分離出來而不影響其他系統(tǒng)；（4）通過連鎖接觸器來控制變頻器的DC到共用母線的聯(lián)絡；（5）快熔來保護掛在直流母線上的變頻器的電容單元；（6）所有掛在母線上的變頻器必須使用同一個三相電源。

該方案有以下特點：（1）使用一個完整的變頻器，而不是單純使用482、雙電機離心機變頻器的兩種連接方法

（1）單路供電法如圖5-19所示，交流電網(wǎng)接到主變頻器的R、S、T端,兩變頻器的直流母線直接并聯(lián).由于副電動機需要的無功勵磁電流和副電動機偶爾作為電動機運行(例如啟動階段和加減速過渡過程)時的有功電流都要由主變頻器提供,因此,選取主變頻器的功率時應予以考慮。

2、雙電機離心機變頻器的兩種連接方法（1）單路供電法49圖5-19單路供電法

圖5-19單路供電法50該設計方案的特點是電路簡單,不需要調(diào)試,動作可靠性極高,缺點是成本稍高.另外,由于副變頻器R、S、T端懸空,副變頻器應有”輸入缺相保護禁止”功能。（2）雙路供電法

兩變頻器的R、S、T端都接到交流電網(wǎng)(圖5-20),變頻器用快熔保護,快熔型號可選RSO/RS3型,額定電流按整流管額定電流的1.4倍,分斷能力可選50KA或100KA.變頻器母線應設置直流接觸器并參與故障連鎖,以保證在兩臺變頻器完成充電后可以進行母線連接,或在任何一臺變頻器故障后將MC2斷開,控制邏輯見圖5-21MC2的電壓選660VDC,額定電流應該為VF2額定電流的1.5倍。該設計方案的特點是電路簡單,不需要調(diào)試,動作可靠性極高,缺點51圖5-20雙路供電法

圖5-20雙路供電法52圖5-21雙路供電法的邏輯

圖5-21雙路供電法的邏輯53雙路供電法設計方案的優(yōu)點是變頻器功率自由選配,和方案（1）比較成本較低,缺點是增加了接觸器和快熔降低了系統(tǒng)可靠性。3、節(jié)能效果副電動機處于發(fā)電狀態(tài)的必要條件是在氣隙中建立主磁場,只有這樣才能在繞組中感應工作電勢,才能在n>n0的條件下,向網(wǎng)路輸送有功電流。但是,副電動機本身并不產(chǎn)生建立磁場所需要的激磁無功電流,它將繼續(xù)從變頻器吸取作為電動狀態(tài)時同樣的空載勵磁電流。

雙路供電法設計方案的優(yōu)點是變頻器功率自由選配,和方案（1）比54異步電動機由電動機轉變?yōu)榘l(fā)電動機時,只是電流的有功分量發(fā)生了方向改變,而無功分量電流卻是不變的?；仞伒诫娋W(wǎng)的是產(chǎn)生制動力矩的有功電流,功率為:P=Tn/9550式中:P—回饋電網(wǎng)的有功功率KW；T—制動力矩N.m；n—副電動機轉速r/min異步電動機由電動機轉變?yōu)榘l(fā)電動機時,只是電流的有功分量發(fā)生了55【任務訓練5-1：MM440變頻器在雙電動機離心機中的應用】A、硬件接線（如圖5-22所示）MM440變頻器在雙電動機離心機中，采用單回路供電法，其中由于主變頻器需要承擔M1和M2電動時的全部電流，因此，M1電動機的變頻器功率選型必須大于22KW＋5.5KW，根據(jù)功率高選原則，確定為30KW?！救蝿沼柧?-1：MM440變頻器在雙電動機離心機中的應用】56圖5-22雙電機離心機變頻配置圖5-22雙電機離心機變頻配置57為了確保任何一臺變頻器出了故障之后，能夠快速將故障點縮小至最小范圍，需要安裝接觸器，其與任何一臺變頻器的故障繼電器輸出相連；同時，兩變頻器之間的直流母線最好外接熔絲。直流熔絲電流的大小可以按表5-3所示MM440變頻器技術參數(shù)的選型進行。因此，Idc1選80A，Idc2選40A。為了確保任何一臺變頻器出了故障之后，能夠快速將故障點縮小至最58表5-3MM440變頻器技術參數(shù)

表5-3MM440變頻器技術參數(shù)59B、參數(shù)設置按照外部端子啟動、鍵盤頻率給定的方式進行，加速時間可以設置為200s以上。

B、參數(shù)設置60子課題2：離心水洗機的變頻控制一、離心水洗機的控制原理離心水洗機能廣泛用于紡織業(yè)的染整、洗水、織造、賓館旅游業(yè)水洗物料的脫水以及陶瓷化工、選礦等廠家。圖5-23所示的離心水洗機主要由滑動支承組件、外殼組件、錐體轉筒組件、驅(qū)動電動機等組成。電動機的轉軸與錐體連在一起，當電動機轉軸旋轉時，帶水的紡織物在錐體轉筒內(nèi)，在離心力的作用下，紡織物的水甩向轉筒的外壁，從轉筒壁上的排水孔由電磁閥開通向底盤從地下排水道排掉，達到脫水的目的。子課題2：離心水洗機的變頻控制一、離心水洗機的控制原理61該離心水洗機的工作步驟分為3個部分：

（1）進布方式：帶水的紡織物從落布架上進入到錐體轉筒中，此時脫水機以低速正向運行，保證可以手工進行紡織物的堆放調(diào)整；（2）自動水洗方式：帶水的紡織物在錐體轉筒的高速離心力作用下，自動水洗并脫水，然后在設定的時間結束后，逐漸減速運行直至停止；（3）出布方式：脫水后的紡織物從錐體轉筒經(jīng)過落布架輸送到成品車上，此時離心水洗機以低速反向運行。該離心水洗機的工作步驟分為3個部分：62圖5-23離心水洗機工作原理圖5-23離心水洗機工作原理63二、離心水洗機變頻的啟動和制動方式

1、變頻器的啟動運行方式變頻器從停機狀態(tài)開始啟動運行時通常有以下幾種方式：（1）從啟動頻率啟動。變頻器接到運行指令后，按照預先設定的啟動頻率和啟動頻率保持時間啟動。該方式適用于一般的負載。啟動頻率是指變頻器啟動時的初始頻率，如圖5-24所示的fs，它不受變頻器下限頻率的限制；啟動頻率保持時間是指變頻器在啟動過程中，在啟動頻率下保持運行的時間，如圖中的t1。二、離心水洗機變頻的啟動和制動方式64圖5-24啟動頻率與啟動時間示意

圖5-24啟動頻率與啟動時間示意65電動機開始啟動時，并不從0Hz開始加速，而是直接從某一頻率下開始加速。在開始加速瞬間變頻器的輸出頻率便是上述所說的啟動頻率。設置啟動頻率是部分生產(chǎn)設備的實際需要，比如：有些負載在靜止狀態(tài)下的靜摩擦力較大，難以從0Hz開始啟動，設置了啟動頻率后，可以在啟動瞬間有一點沖力，使拖動系統(tǒng)較易啟動起來；在若干臺水泵同時供水的系統(tǒng)里，由于管理里已經(jīng)存在一定的水壓，后起到的水泵在頻率很低的情況下將難以旋轉起來，故也需要電動機在一定頻率下直接啟動；錐形電動機如果從0Hz開始逐漸升速，將導致定子和轉子之間的摩擦，所以了啟動頻率，可以在啟動時很快建立起足夠的磁通，使轉子和定子間保持一定的氣隙，等等。

電動機開始啟動時，并不從0Hz開始加速，而是直接從某一頻率下66啟動頻率保持時間的設置對于下面幾種情況比較適合：A、對于慣性較大的負載，啟動后先在較低頻率下持續(xù)一個短時間t1，然后再加速運行到穩(wěn)定頻率；B、齒輪箱的齒輪之間總是有間隙的，啟動時容易在齒輪間發(fā)生撞擊，如在較低頻率下持續(xù)一個短時間t1，可以減緩齒輪間的碰撞；C、起重機械在起吊重物前，吊鉤的鋼絲繩通常是處于松弛的狀態(tài)，啟動頻率保持時間t1可首先使鋼絲繩拉緊后再上升；D、有些機械在環(huán)境溫度較低的情況下，潤滑油容易凝固，故要求先在低速下運行一個短時間t1，使?jié)櫥拖♂尯笤偌铀?；E、對于附有機械制動裝置的電磁制動電動機，再磁抱閘松開過程中，為了減小閘皮和閘輥之間的摩擦，要求先在低速下運行，待磁抱閘完全松開后再升速。

啟動頻率保持時間的設置對于下面幾種情況比較適合：A、對于慣性67從啟動頻率啟動對于驅(qū)動同步電動機，尤其適合。（2）先制動再啟動。本啟動方式是指先對電動機實施直流制動，然后再按照方式（1）進行啟動。該方式適用于變頻器停機狀態(tài)時電動機有正轉或反轉現(xiàn)象的小慣性負載，對于高速運轉大慣性負載則不適合。

從啟動頻率啟動對于驅(qū)動同步電動機，尤其適合。68如圖5-25所示為先制動再啟動的功能示意，啟動前先在電動機的定子繞組內(nèi)通入直流電流，以保證電動機在零速的狀態(tài)下開始啟動。如果電動機在啟動前，拖動系統(tǒng)的轉速不為零，而變頻器的輸出是從0Hz開始上升，則在啟動瞬間，將引起電動機的過電流故障。它包含兩個參數(shù)：制動量和直流制動時間，前者表示應向定子繞組施加多大的直流電壓，后者表示進行直流制動的時間。

如圖5-25所示為先制動再啟動的功能示意，啟動前先在電動機的69圖5-25先制動再啟動功能示意

圖5-25先制動再啟動功能示意70（3）轉速跟蹤再啟動。在這種方式下，變頻器能自動跟蹤電動機的轉速和方向，對旋轉中的電動機實施平滑無沖擊啟動，因此變頻器的啟動有一個相對緩慢的時間用于檢測電動機的轉速和方向，如圖5-26所示。該方式適用于變頻器停機狀態(tài)時電動機有正轉或反轉現(xiàn)象的大慣性負載瞬時停電再啟動。

（3）轉速跟蹤再啟動。在這種方式下，變頻器能自動跟蹤電動機的71圖5-26轉速跟蹤再啟動功能示意

圖5-26轉速跟蹤再啟動功能示意722、變頻器的加減速方式變頻器從一個速度過渡到另外一個速度的過程稱為加減速，如果速度上升為加速，速度下降為減速。加減速方式主要有以下幾種：（1）直線加減速。變頻器的輸出頻率按照恒定斜率遞增或遞減。變頻器的輸出頻率隨時間成正比地上升，大多數(shù)負載都可以選用直線加減速方式。如圖5-27a。加速時間為t1、減速時間為t2。

2、變頻器的加減速方式73一般定義加速時間為變頻器從零速加速到最大輸出頻率所需的時間，減速時間則相反，變頻器從最大輸出頻率減至零頻所需的時間。必須注意的是：A、在有些變頻器定義中，加減速時間不是以最大輸出頻率fmax為基準，而是固定的頻率（如50Hz）；B、加減速時間的單位，可以根據(jù)不同的變頻器型號選擇為秒或分；C、一般大功率的變頻器其加減速時間相對較長；D、加減速時間必須根據(jù)負載要求適時調(diào)整，否則容易引起加速過流和過壓、減速過流和過壓故障。

一般定義加速時間為變頻器從零速加速到最大輸出頻率所需的時間，74圖5-27加減速方式a)直線加減速b)S型曲線加減速

圖5-27加減速方式75（2）S曲線加減速。變頻器的輸出頻率按照S型曲線遞增或遞減。如下圖5-27b。我們將S曲線劃分為3個階段的時間，S曲線起始段時間如圖5-27b中①所示，這里輸出頻率變化的斜率從零逐漸遞增；S曲線上升段時間如圖5-27b中②所示，這里輸出頻率變化的斜率恒定；S曲線結束段時間如圖5-27b中③所示，這里輸出頻率變化的斜率逐漸遞減到零。將每個階段時間按百分比分配，就可以得到一條完整的S型曲線。因此，只需要知道三個時間段中的任意兩個，就可以得到完整的S曲線，因此在某些變頻器只定義了起始段①和上升段②，而有些變頻器則定義兩頭起始段①和結束段③。

（2）S曲線加減速。變頻器的輸出頻率按照S型曲線遞增或遞減。76S曲線加減速，非常適合于輸送易碎物品的傳送機、電梯、搬運傳遞負載的傳送帶以及其他需要平穩(wěn)改變速度的場合。例如，電梯在開始啟動以及轉入等速運行時，從考慮乘客的舒適度出發(fā)，應減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。（3）半S形加減速方式。它是S曲線加減速的衍生方式，即S曲線加減速在加速的起始段或結束段，按線性方式加速；而在結束段③或起始段①，按S形方式加速。因此，半S形加減速方式要么只有①，要么只有③，其余均為線性，如后者主要用于如風機一類具有較大慣性的二次方律負載中，由于低速時負荷較輕，故可按線性方式加速，以縮短加速過程;高速時負荷較重，加速過程應減緩，以減小加速電流；前者主要用于慣性較大的負載。S曲線加減速，非常適合于輸送易碎物品的傳送機、電梯、搬運傳遞77（4）其他還有如倒L形加減速方式、U型加減速方式等。3、變頻器加減速時間的切換通過多功能輸入端子的組合來實現(xiàn)加不同減速時間的選擇，如圖5-28所示，將多功能輸入端子X1、X2定義為加減速時間端子1、加減速時間端子2就能按照表5-4中的邏輯組合實現(xiàn)4種不同加減速時間的切換。

（4）其他還有如倒L形加減速方式、U型加減速方式等。78圖5-28加減速時間的切換

圖5-28加減速時間的切換79表5-4加減速時間的切換

表5-4加減速時間的切換80生產(chǎn)實踐中，有時還會遇到這樣的情況：在拖動系統(tǒng)正在加速的過程中，又得到減速或停機的指令。這時，就出現(xiàn)了加速過程和減速過程的銜接問題。變頻器對于在加速過程尚未結束的情況下，得到停機指令時減速方式的處理如圖5-29所示。

生產(chǎn)實踐中，有時還會遇到這樣的情況：在拖動系統(tǒng)正在加速的過程81圖5-29加減速的銜接功能

圖5-29加減速的銜接功能82圖5-29是加、減速曲線。曲線①是在運行指令時間較長情況下的Ｓ形加速曲線;曲線②和曲線③是在加速過程尚未完成，而運行指令已經(jīng)結束時的減速曲線。用戶可根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況進行選擇。另外，某些生產(chǎn)機械，出于特殊的需要，要求加、減速時間越短越好。對此，有的變頻器設置了加、減速時間的最小極限功能。其基本含義是：

圖5-29是加、減速曲線。曲線①是在運行指令時間較長情況下的83A、最快加速方式。在加速過程中，使加速電流保持在變頻器允許的極限狀態(tài)(IA≯150%IN，IA是加速電流，IN是變頻器的額定電流)下，從而使加速過程最小化。B、最快減速方式。在減速過程中，使直流回路的電壓保持在變頻器允許的極限狀態(tài)(UD≯95%UDH,UD是減速過程中的直流電壓，UDH是直流電壓的上限值)下,從而使減速過程最小化。A、最快加速方式。在加速過程中，使加速電流保持在變頻器允許的84C、最優(yōu)加速方式。在加速過程中，使加速電流保持在變頻器額定電流的120%(IA≯120%IN)，使加速過程最優(yōu)化。D、最優(yōu)減速方式。在減速過程中，使直流回路的電壓保持在上限值的93%(UD≯93%UDH)，使減速過程最優(yōu)化。其中C和D統(tǒng)稱為自動加減速方式，它能根據(jù)負載狀況，保持變頻器的輸出電流在自動限流水平之下或輸出電壓在自動限壓水平之下，平穩(wěn)地完成加減速過程。C、最優(yōu)加速方式。在加速過程中，使加速電流保持在變頻器額定電854、變頻器的停機方式

變頻器接收到停機命令后從運行狀態(tài)轉入到停機狀態(tài)，通常有以下幾種方式：（1）減速停機。變頻器接到停機命令后，按照減速時間逐步減少輸出頻率，頻率降為零后停機。該方式適用于大部分負載的停機。（2）自由停車。變頻器接到停機命令后，立即中止輸出，負載按照機械慣性自由停止。變頻器通過停止輸出來停機,這時,電動機的電源被切斷,拖動系統(tǒng)處于自由制動狀態(tài)。由于停機時間的長短由拖動系統(tǒng)的慣性決定,故也稱為慣性停機。

4、變頻器的停機方式86（3）帶時間限制的自由停車。變頻器接到停機命令后，切斷變頻器輸出，負載自由滑行停止。這時，在運行待機時間T內(nèi)，可忽略運行指令。運行待機時間T，由停機指令輸入時的輸出頻率和減速時間決定。（4）減速停機加上直流制動。變頻器接到停機命令后，按照減速時間逐步降低輸出頻率，當頻率降至停機制動起始頻率時，開始直流制動至完全停機。如圖5-30所示。

（3）帶時間限制的自由停車。變頻器接到停機命令后，切斷變頻器87圖5-30減速停車加直流制動

圖5-30減速停車加直流制動88直流制動是在電動機定子中通入直流電流，以產(chǎn)生制動轉矩。因為電動機停車后會產(chǎn)生一定的堵轉轉矩，所以直流制動可在一定程度上替代機械制動；但由于設備及電動機自身的機械能只能消耗在電動機內(nèi)，同時直流電流也通入電動機定子中，所以使用直流制動時，電動機溫度會迅速升高，因而要避免長期、頻繁使用直流制動；直流制動是不控制電動機速度的，所以停車時間不受控。停車時間根據(jù)負載、轉動慣量等的不同而不同；直流制動的制動轉矩是很難實際計算出來的。

直流制動是在電動機定子中通入直流電流，以產(chǎn)生制動轉矩。因為電89直流制動強度：即在定子繞組上施加直流電壓UDB或直流電流IDB的大小，它決定了直流制動的強度。如圖5-30所示。預置直流制動電壓UDB(或制動電流IDB)的主要依據(jù)是負載慣性的大小，慣性越大者，UDB也應越大。直流制動時間：即施加直流制動的時間長短。預置直流制動時間tDB的主要依據(jù)是負載是否有“爬行”現(xiàn)象，以及對克服“爬行”的要求，要求越高者，tDB應適當長一些。

直流制動強度：即在定子繞組上施加直流電壓UDB或直流電流ID905、變頻器的能耗制動不少的生產(chǎn)機械在運行過程中需要快速地減速或停車，而有些設備在生產(chǎn)中要求保持若干臺設備前后一定的轉速差或者拉伸率，這時就會產(chǎn)生發(fā)電制動的問題，使電動機運行在第二或第四象限。然而在實際應用中，由于大多通用變頻器都采用電壓源的控制方式，其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓，使之不能迅速反向，另外交直回路又通常采用不可控整流橋，不能使電流反向，因此要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行就比較困難。

5、變頻器的能耗制動91圖5-31變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運行狀態(tài)a)W1>W電動b)w1<w發(fā)電

圖5-31變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運行狀態(tài)92圖5-31a和圖5-31b所示為變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運行狀態(tài)，即電動和發(fā)電。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的，在頻率減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉子轉速未變。當同步轉速w1小于轉子轉速w時，轉子電流的相位幾乎改變了180度，電動機從電動狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時，電動機軸上的轉矩變成了制動轉矩Te，使電動機的轉速迅速下降，電動機處于再生制動狀態(tài)。電動機再生的電能P經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路。由于直流電路的電能無法通過整流橋回饋到電網(wǎng)，僅靠變頻器本身的電容吸收，雖然其他部分能消耗電能，但電容仍有短時間的電荷堆積，形成“泵升電壓”，使直流電壓Ud升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。

圖5-31a和圖5-31b所示為變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運行狀態(tài)93因此，對于負載處于發(fā)電制動狀態(tài)中必須采取必需的措施處理這部分再生能量。常用的方法是采用電阻能耗制動。電阻能耗制動采用的方法是在變頻器直流側加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上，轉化為熱能。電阻能耗制動包括制動單元和制動電阻二部分，如圖5-32所示。

因此，對于負載處于發(fā)電制動狀態(tài)中必須采取必需的措施處理這部分94圖5-32能耗制動和制動單元、制動電阻的連接方式

圖5-32能耗制動和制動單元、制動電阻的連接方式95三、離心水洗機的變頻設計1、離心水洗機的運行特點離心水洗機的運行過程如圖5-33所示。時間t1表示洗滌時的加速時間，因與減速時間通常一致，因此沒有單獨標出，而t2表示脫水加速時間，t3表示脫水完畢的減速時間。為獲得較強揉搓作用，洗滌時間t1通常設置得較短，這樣滾筒轉速就可以在短時間內(nèi)達到設定值。而脫水的加/減速時間則設置得比較長，避免出現(xiàn)過壓等故障。

三、離心水洗機的變頻設計96圖5-33離心水洗機的運行過程圖5-33離心水洗機的運行過程97水洗機上的變頻器容易出現(xiàn)故障，主要是因為變頻器的負載變化較大、頻率范圍寬、振動大。不同重量的布草、不同的高度的洗滌液位以及滾筒轉動時布草的跌落等，都會引起負載力矩的大范圍變化。因此導致了變頻器容易過壓故障，統(tǒng)計表明，這類故障約占工業(yè)水洗機變頻器總故障率的50％左右。水洗機的負載是一個不斷變化的負載，以布草洗滌為例，布草和洗滌液開始時在滾筒中處于靜止狀態(tài)，洗滌時，電動機要拖動它在短時間內(nèi)達到設定的洗滌速度，滾筒內(nèi)的提升筋將布草提升到洗滌液面的某一高度，當布草的離心力垂直向上的分量小于布草的重力時，布草便跌落到洗滌液中，起到揉搓作用。水洗機上的變頻器容易出現(xiàn)故障，主要是因為變頻器的負載變化較大98為了加強揉搓的作用，滾筒總是正轉一段時間后，停下來再反轉，這樣布草的洗凈度更高。洗滌完畢后，通過一個比洗滌速度略高的均布動作將布草均勻分布在滾筒中，避免因布草分布不均勻致使布草嚴重偏心，在高速脫水時引起機器的劇烈振動，損壞機器。均布完畢后即進入脫水階段，為了減小機器的振動，一般都會設置高速脫水頻率的一半—即中脫頻率來過渡，使機器穩(wěn)定一段時間以后再繼續(xù)加速到高脫頻率。對于變頻器來說，洗滌和均布過程，都是恒轉矩輸出的過程，而中脫和高脫過程，則是恒功率輸出過程。洗滌時變頻器的頻率決定于滾筒直徑和傳送比。要獲得最大揉搓作用，就要用適當?shù)霓D速將布草帶到最高處然后落下，如果速度太慢，布草可能在較低的位置就已經(jīng)落下，揉搓作用較小；如果轉速太快，則由于離心力大于布草重力，布草無法落下，起不到揉搓作用。為了加強揉搓的作用，滾筒總是正轉一段時間后，停下來再反轉，這992、變頻器制動單元制動單元的功能是當直流回路的電壓Ud超過規(guī)定的限值時接通耗能電路，使直流回路通過制動電阻后以熱能方式釋放能量。該限值電壓的選擇范圍根據(jù)品牌的不同而從630伏到800伏不等，制動限值電壓選擇基于兩個標準：

2、變頻器制動單元100（1）制動限值電壓必須足夠高，不能因為電網(wǎng)電壓升高而使制動單元誤動作。中國電網(wǎng)波動范圍較大，在很多地方，夜間電壓會超過交流450v,對應變頻器直流電壓為640vDC,安全的電壓設定點必須在這個數(shù)值以上。如果我們按進口變頻器標準把制動限值電壓設定在630vDC,十有八九會燒壞制動電阻。原因還在于電網(wǎng)電壓，發(fā)達國家電網(wǎng)波動指標是+10%-15%，我國電網(wǎng)波動實際范圍是+20%-20%。

（1）制動限值電壓必須足夠高，不能因為電網(wǎng)電壓升高而使制動單101（2）制動限值電壓應該足夠低，盡量使變頻器工作在額定電壓附近，對設備安全運行有最大保證。選擇高的制動限值電壓，雖然可以保證制動單元不會誤動作，但是過高的電壓對設備長期安全運行是有很大影響的。特別對于元器件電壓等級選擇較低的變頻器，這種影響是明顯的。同時，電壓設設定過高會使電動機過電壓磁飽和，控制精度下降和電動機損耗加大。表5-所示不同電網(wǎng)電壓下、不同地區(qū)的推薦制動限值電壓。由表5-5中可知，對于我國大部分情況下應該選用690-700vDC的制動限值電壓。

（2）制動限值電壓應該足夠低，盡量使變頻器工作在額定電壓附近102表5-5變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運行狀態(tài)

**變頻器生產(chǎn)商設計電壓指標為一般為+10%，-15%。

表5-5變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運行狀態(tài)**變頻器生產(chǎn)商設計103制動單元根據(jù)安裝形式可分內(nèi)置式和外置式二種，前者是適用于中小功率的通用變頻器，后者則是適用于中大功率變頻器或是對制動有特殊要求的工況中。從原理上講，二者并無區(qū)別，都是作為接通制動電阻的“開關”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動電路（如圖5-34）。

制動單元根據(jù)安裝形式可分內(nèi)置式和外置式二種，前者是適用于中小104圖5-34制動單元的連接方式

圖5-34制動單元的連接方式105能耗制動的過程如下：A、當電動機在外力作用下減速、反轉時（包括被拖動），電動機即以發(fā)電狀態(tài)運行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高；B、當直流電壓到達制動單元開的狀態(tài)時，制動單元的功率管導通，電流流過制動電阻；C、制動電阻消耗電能為熱能，電動機的轉速降低，母線電壓也降低；D、母線電壓降至制動單元要關斷的值，制動單元的功率管截止，制動電阻無電流流過；E、采樣母線電壓值，制動單元重復ON/OFF過程，平衡母線電壓，使系統(tǒng)正常運行。

能耗制動的過程如下：A、當電動機在外力作用下減速、反轉時（包106制動單元的選用標準一般有以下幾點：（1）有過熱、過電流保護，并有良好的故障報警系統(tǒng)，能提醒用戶。（2）有完全短路保護，不會因為電阻短路損壞變頻器。（3）在全頻范圍內(nèi)噪聲過濾，不會干擾其他設備。

制動單元的選用標準一般有以下幾點：1073、變頻器制動電阻制動電阻是用于將電動機的再生能量以熱能方式消耗的載體，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數(shù)。選擇正確的制動電阻是保證制動效果并避免設備損壞的必要條件：首先要計算制動功率并繪制正確的制動曲線；再根據(jù)制動曲線確定制動周期及制動功率；根據(jù)所確定的制動功率及制動周期，同時參考電壓、阻值等條件選擇合適的制動電阻。需要注意的是，用戶所選制動電阻阻值一般不能小于選型手冊中規(guī)定的數(shù)值，否則將直接造成變頻器損壞！有時候制動功率不好確定，或為了確保安全，可選擇制動功率較大的電阻。

3、變頻器制動電阻108制動電阻的選擇一般有以下幾個標準：

（1）制動電阻最好采用無感電阻，以降低電感量。通常在工程上選用較多的是波紋電阻和鋁合金電阻兩種，前者采用表面立式波紋有利于散熱減低寄生電感量，并選用高阻燃無機涂層，有效保護電阻絲不被老化，延長使用壽命；后者電阻器耐氣候性、耐震動性，優(yōu)于傳統(tǒng)瓷骨架電阻器，廣泛應用于高要求惡劣工控環(huán)境使用。只有特殊設計的制動單元，才能與普通電阻相連接。（2）制動電阻必須有過熱自動隔離的保護裝置。

制動電阻的選擇一般有以下幾個標準：109（3）制動電阻嚴禁接地故障發(fā)生，否則將引起本裝置和變頻器的重大故障。（4）制動電阻的容量選用為參考值，并依負載慣性和制動頻率等特性作修正。能耗制動的優(yōu)點是構造簡單，缺點是運行效率降低，特別是在頻繁制動時將要消耗大量的能量，且制動電阻的容量將增大。（3）制動電阻嚴禁接地故障發(fā)生，否則將引起本裝置和變頻器的重110【任務訓練5-2：離心水洗機變頻器MM440制動單元的設計與選型】A、制動單元和制動電阻的選配和計算步驟依次如下：

【任務訓練5-2：離心水洗機變頻器MM440制動單元的設計與111（1）制動轉矩TB的計算假設電動機從現(xiàn)在的運行速度開始制動，在一定的減速時間里，到達新的一個穩(wěn)定轉速，這樣的一個制動過程所需的電磁轉矩TB可以由以下公式計算：式中，TB為制動電磁轉矩（Nm）；GD2M為電動機的轉動慣量（Nm2）；GD2L為電動機負載側折算到電動機側的轉動慣量（Nm2）；TL為負載阻轉矩（Nm）；N1為制動前電動機速度（r/min）；N2為制動后電動機轉速（r/min）；ts為減速時間（s）。根據(jù)離心機的電磁制動負載為100%計算，根據(jù)公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)估算為45Nm。

（1）制動轉矩TB的計算112（2）制動電阻的阻值計算

在制動單元工作過程中，直流母線的電壓升降取決于常數(shù)RC，R為制動電阻的阻值，C為變頻器的電解電容的容量。由充放電曲線我們知道，RC越小，母線電壓的放電速度越快，在C保持一定（變頻器型號確定）的情況下，R越小，母線電壓的放電速度越快。由以下公式可以求出制動電阻的阻值：

式中，UC為制動單元動作電壓值，通常可以取710V；TM為電動機額定轉矩（Nm）。這里，設定N2為0，計算出阻值為30歐姆，基本能滿足離心機電動機減速狀況的要求。

（2）制動電阻的阻值計算式中，UC為制動單元動作電壓值，通113（3）制動電阻的標稱功率

由于制動電阻為短時工作制，即每次通電時間很短，在通電期間，電阻溫升遠遠達不到穩(wěn)定溫升，但瞬時功率很高；每次通電后的間歇時間較長，在該段時間內(nèi)其溫度在不斷下降，如此循環(huán)往復，最終電阻達到一定的穩(wěn)定溫升，一般有80～100度。因此根據(jù)電阻的特性和技術指標，我們知道電阻的標稱功率（即額定功率）將小于通電時的消耗功率，一般可以由下式求得：（3）制動電阻的標稱功率114式中，PR為制動電阻的標稱功率或額定功率（W）；PS為制動期間的平均消耗功率（W）；ED%為制動使用率，這里選擇10％；a為制動電阻降額系數(shù)，一般選1.5～2，該值可以由電阻的降額曲線查得。PS可由以下公式求得：

式中，PR為制動電阻的標稱功率或額定功率（W）；PS為制動期115由此可以計算出制動電阻的容量為2KW左右。總之，制動電阻采用2Kw/30歐姆的標稱規(guī)格，可以適應離心水洗機的正常制動。B、制動單元與制動電阻的電氣接線

由于MM440變頻器在75KW以下均已經(jīng)內(nèi)置了制動單元，因此可以按圖5-35進行接線，只需要將制動電阻跨接在B+和B-端子上即可。由此可以計算出制動電阻的容量為2KW左右。116圖5-35水洗機離心機變頻器的能耗制動接法圖5-35水洗機離心機變頻器的能耗制動接法117C、變頻器參數(shù)設置設置變頻器停止方式為減速停車。

C、變頻器參數(shù)設置118子課題3：離心洗衣機落布速度的測定一、落布速度的測量

為了直觀地了解離心水洗機進料或出料的速度，需要在落布架的轉動軸處安裝一個帶齒輪的碼盤，并配接一個電感式傳感器，來獲取齒輪變化的規(guī)律（如圖5-36所示）。子課題3：離心洗衣機落布速度的測定一、落布速度的測量119圖5-36落布速度的測量圖5-36落布速度的測量120當PLC的高速輸入端子接收到電感式傳感器的脈沖后，進行計算，可以直接轉化為轉動軸的運行速度（如圖5-37所示）。當PLC的高速輸入端子接收到電感式傳感器的脈沖后，進行計算，121圖5-37測速PLC接線圖5-37測速PLC接線122二、落布速度的顯示數(shù)顯表首先要把連續(xù)變化的模擬量轉換成斷續(xù)變化的數(shù)字量（A/D轉換），再上計數(shù)器（如果輸入信號是數(shù)字量，則直接上計數(shù)器）、寄存器、譯碼器，最后在LED數(shù)碼管上顯示出來（如圖5-38所示）。

二、落布速度的顯示123圖5-38數(shù)顯表外觀圖5-38數(shù)顯表外觀124數(shù)顯表大多是以電壓表為主體的，大量的物理量經(jīng)傳感變送后轉換成相對應的電信號，儀表的輸入部分將這些電信號處理成常規(guī)的電壓信號，所以大多數(shù)數(shù)顯表的主體只是個電壓表，不同點在于輸入轉化部分。一只數(shù)顯表應具備A/D轉換、非線性補償及標度變換三部分。數(shù)顯表大多是以電壓表為主體的，大量的物理量經(jīng)傳感變送后轉換成125A/D轉換：將模擬量轉換成數(shù)字量，有專門的單芯片。非線性補償：大多數(shù)被測參數(shù)與顯示值之間呈現(xiàn)非線性關系，為了消除非線性誤差，必須在儀表中加入非線性補償電路。常用的方法有：模擬式非線性補償法、非線性數(shù)模轉換補償法、數(shù)字式非線性補償法等。標度變換：測量值與工程值之間往往存在一定的比例關系，數(shù)顯表顯示的不應該是輸入值，而是實際的工程值，所以要進行標度變換。一般數(shù)顯表的顯示量程是全范圍可設定的。A/D轉換：將模擬量轉換成數(shù)字量，有專門的單芯片。126【任務訓練5-3：離心水洗機落布架速度的測量】A、電氣接線（如圖5-37所示）B、程序編制落布架速度的測量分主程序、子程序和中斷程序三部分。主程序如圖5-39所示?！救蝿沼柧?-3：離心水洗機落布架速度的測量】A、電氣接線（127圖5-39落布架測速主程序圖5-39落布架測速主程序128圖5-40落布架測速子程序圖5-40落布架測速子程序129中斷程序如圖5-41所示，其中速度單位的轉換根據(jù)實際情況額定。

中斷程序如圖5-41所示，其中速度單位的轉換根據(jù)實際情況額定130圖5-41落布架測速中斷程序

圖5-41落布架測速中斷程序131子課題4：綜合解決方案一、離心機變頻器容量的選擇變頻器的容量直接關系到離心機變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的控制。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補充。

子課題4：綜合解決方案一、離心機變頻器容量的選擇1321、從電流的角度

大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。

1、從電流的角度133選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。

選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負1342、從效率的角度

系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。（2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。2、從效率的角度135（3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調(diào)整節(jié)能程序的設置，以利達到較高的節(jié)能效果。

（3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作136變頻器負載率b與效率h的關系曲線見圖5-42。

圖5-42負載率與效率的關系曲線

變頻器負載率b與效率h的關系曲線見圖5-42。圖5-42137可見：當b=50%時，h=94%；當b=100%時，h=96%。雖然b增一倍，h變化僅2%，但對中大功率例幾百千瓦至幾千千瓦電動而言亦是可觀的。系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。（2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。（3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調(diào)整節(jié)能程序的設置，以利達到較高的節(jié)能效果。

可見：當b=50%時，h=94%；當b=100%時，h=961383、從計算功率的角度對于連續(xù)運轉的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式：（1）滿足負載輸出：PCN≥PM／η（2）滿足電動機容量：PCN≥1.732×kUeIe×10-3（3）滿足電動機電流：ICN≥kIe式中PCN為變頻器容量（單位kVA），PM--負載要求的電動機軸輸出功率（單位kW），Ue為電動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），η為電動機效率(通常約為0．85)，cosφ為電動機功率因數(shù)(通常約為0．75)，k是電流波形補償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加，通常k約為1．05～1．1）。

3、從計算功率的角度139二、離心機控制裝置的硬件部分1、離心機I/O配置（如表5-6所示）

二、離心機控制裝置的硬件部分1、離心機I/O配置（如表5-6140表5-6離心機的輸入/輸出資源配置表5-6離心機的輸入/輸出資源配置1412、電氣接線示意（如圖5-43所示）

圖5-43離心機綜合解決方案的原理2、電氣接線示意（如圖5-43所示）圖5-43離心機綜合142三、離心機控制系統(tǒng)的軟件部分

離心機控制系統(tǒng)的軟件部分包括雙電機離心機啟動、離心水洗機全自動控制、落布架速度測量與顯示。這里主要介紹一下離心水洗機全自動控制的程序。離心水洗機的正常運行包括如下步驟：（1）將水位開關選擇開關設在合適的位置（高中低），按下啟動按鈕，開始進洗滌液、進水，達到設定的水位后，停止進水；

三、離心機控制系統(tǒng)的軟件部分1432）進水停止2秒后開始洗衣；（3）洗衣時，正轉20秒，停2秒，然后反轉20秒，停2秒；（4）如此循環(huán)5次，然后開始排水；（5）排空后脫水30秒，然后再進水，重復（1）-（4）步，如此循環(huán)共3次；（6）洗衣過程完成，3秒后自動停機。2）進水停止2秒后開始洗衣；144“強制停止”方式具體控制要求如下：（1）若按下“停止”按鈕，洗衣過程停止，即洗滌電動機停止轉動，停止進水和排水；（2）可用手動排水開關及手動脫水開關進行手動排水和脫水。主程序如圖5-44所示，其采用的中間變量說明如表5-7所示?！皬娭仆Ｖ埂狈绞骄唧w控制要求如下：145表5-7主要中間變量說明表5-7主要中間變量說明146自動化綜合實踐147自動化綜合實踐148自動化綜合實踐149自動化綜合實踐150自動化綜合實踐151自動化綜合實踐152自動化綜合實踐153自動化綜合實踐154自動化綜合實踐155自動化綜合實踐156自動化綜合實踐157自動化綜合實踐158自動化綜合實踐159自動化綜合實踐160自動化綜合實踐161自動化綜合實踐162自動化綜合實踐163自動化綜合實踐164自動化綜合實踐165圖5-44離心水洗機主程序

圖5-44離心水洗機主程序166子課題5：技術答疑【問題1】離心機能耗制動的故障主要由哪些？該如何解決？

離心機能耗制動的故障主要有以下幾種：A、制動單元有制動動作（可通過響聲和指示燈判斷），但是變頻器仍然過有電壓發(fā)生。

解決辦法：延長變頻器的減速時間；制動電阻值過大，減小電阻值10-15%再試，但不能低于選型手冊中的最小值。

子課題5：技術答疑【問題1】離心機能耗制動的故障主要由哪些？167B、制動單元無制動動作

可能原因：電阻斷路，制動無效；電阻短路，制動器自動停止輸出；電纜線未接好；制動單元故障；用戶的系統(tǒng)本來就不需要制動單元和制動電阻。C、制動電阻太熱

解決辦法：需要加大制動電阻的功率。D、變頻器不工作時，電阻仍然發(fā)熱

可能原因：制動單元電壓的等級錯誤，比如220伏的制動單元用在380伏電網(wǎng)中

B、制動單元無制動動作168E、制動時變頻器發(fā)生過電流保護

解決辦法：制動電阻值大小，制動力矩過大，需要加大電阻阻值，也可能需要延長變頻器減速時間。F、變頻器無法投電

可能原因：制動單元輸入正負方向錯誤G、制動單元過熱

可能原因：通風不好，重新安裝；系統(tǒng)的制動頻度太高，超出了一般的工作系數(shù)（如15%），選擇大一個檔的制動單元。

E、制動時變頻器發(fā)生過電流保護169【問題2】什么是制動單元的參數(shù)設置？應該如何設置？

制動單元按照變頻器的配置方式分為兩種，即內(nèi)置式制動單元和外置式制動單元。但無論哪一種，在使用電阻能耗制動功能時，必須對制動單元的硬件跳線和變頻器參數(shù)進行設置。A、內(nèi)置式制動單元

不同的變頻器其內(nèi)置式制動單元的功率配置是不同的，如西門子MM440變頻器的內(nèi)置式制動單元可到75KW，而很多變頻器只到7.5KW為止。對于內(nèi)置式制動單元，其硬件往往是和驅(qū)動板做在一起，而且硬件跳線不需要設置，只需設置相關的變頻器參數(shù)即可。

【問題2】什么是制動單元的參數(shù)設置？應該如何設置？170這些相關的變頻器參數(shù)包括：（1）電阻能耗制動選擇。請務必根據(jù)實際使用情況，正確設置是否選擇，否則將影響控制特性。（2）制動使用率。即制動周期在整個運行周期中的比值，一般用百分比來表示，在有些變頻器中被稱為制動周期（比）。本參數(shù)的設置必須考慮到制動電阻的阻值和功率。制動使用率的數(shù)值可在0～100％選擇。比如，西門子標準傳動產(chǎn)品提供的MM4系列制動電阻均為5％制動周期的電阻，所以在選型時應加以注意，其制動周期在參數(shù)P1237中選擇，同時應將P1240設置為0，用以禁止直流電壓控制器。

這些相關的變頻器參數(shù)包括：（1）電阻能耗制動選擇。請務必根據(jù)171B、外置式制動單元

外置式制動單元一般來說可以適用于大部分品牌的變頻器，因此，其選用上比較自由。但是，標準的制動單元都具有硬件參數(shù)設置功能，這些參數(shù)通常是采用撥碼開關或者硬件跳線來實現(xiàn)，其功能主要有：（1）制動限值電壓設定。根據(jù)上面描述中選擇相應的限值電壓，如630V、660V、690V、710V等，對于特殊需要的情況下（如制動單元并聯(lián)），還提供了電位器微調(diào)。（2）制動使用率。即設定制動單元的工作使用率。往往廠家都有一個缺省的設置值，沒有特殊情況是不允許改動的。特殊情況下，改動可通過幾個跳線或撥碼組合來實現(xiàn)0～100％的設置。

B、外置式制動單元172這些硬件參數(shù)的重置的有效性一般定義如下：上述兩個參數(shù)僅在系統(tǒng)上電或制動單元復位時自動裝載一次，其他情況下設置參數(shù)不會立即有效。對變頻器來說，識別制動和使用制動只有在設置“外置制動單元有效”和“變頻器過壓失速功能禁止”時才起作用。因為一旦變頻器使用過壓失速功能，變頻器將會一直比較母線電壓和過壓失速點，然后采取失速的辦法防止過壓跳閘，因此變頻器的制動限值電壓將始終達不到。

這些硬件參數(shù)的重置的有效性一般定義如下：上述兩個參數(shù)僅在系統(tǒng)173【問題3】能否用接觸器替代離心機變頻器的制動單元？

接觸器替代制動單元的方法是采用普通的380VAC交流接觸器（線圈電壓220VAC）替代原本用功率器件做成的制動單元。從原理上來說，通過母線電壓與制動限值電壓進行比較得出的信號電平來驅(qū)動接觸器的開與斷，接觸器吸合的同時就能通過電阻進行電能到熱能的轉換，最終實現(xiàn)制動目的。這種方式對于制動偶爾發(fā)生的場合有效。

【問題3】能否用接觸器替代離心機變頻器的制動單元？174接觸器的連接方式，是通過三個觸點的串聯(lián)后接入制動電阻。采用三個觸點的原因有以下兩點：（1）因為交流接觸器的觸點耐壓是交流500V左右，而變頻器的直流母線電壓可達700VDC，三個觸點串聯(lián)后，可具有足夠的耐壓能力。（2）交流接觸器的滅弧能力較差，三個觸點串聯(lián)后，可在三個地方同時接通和斷開，有利于滅弧。同時因為負載屬于純電阻性質(zhì)，故滅弧能力已經(jīng)足夠。用接觸器替代制動單元的方式有兩個優(yōu)點：（1）用戶能夠觀察接觸器觸點的損壞情況，并能自行維修。（2）因為接觸器是外配的，制動單元并不與接觸器容量掛鉤，故選用方便。

接觸器的連接方式，是通過三個觸點的串聯(lián)后接入制動電阻。采用三175接觸器的選擇是根據(jù)觸點電流I，其計算公式是：I＝2×700V÷Rb（Rb是制動電阻）必須注意的是，由于接觸器的壽命是以動作次數(shù)來計算的，所以在一些制動非常頻繁的場合并適用，必須使用制動單元。接觸器的選擇是根據(jù)觸點電流I，其計算公式是：I＝2×176【問題4】離心機的變頻器經(jīng)常干擾PLC高速脈沖信號和其他輸入信號，應該如何預防？PLC由于具有功能強、程序設計簡介，維護方便等優(yōu)點，特別是高可靠性、較強的適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，已被廣泛應用于很多行業(yè)。但由于離心機現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣、濕度高、以及各種工業(yè)電磁、輻射干擾等，會影響系統(tǒng)的正常工作，因此必須重視工程的抗干擾設計。

【問題4】離心機的變頻器經(jīng)常干擾PLC高速脈沖信號和其他輸入177PLC所受的干擾源主要有電源系統(tǒng)引入的干擾、接地系統(tǒng)引入的干擾和輸入輸出電路引入的干擾三類。如果PLC的干擾問題解決得不好，系統(tǒng)將無法可靠運行，將會影響到正常工作。為防止干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾措施，其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗干擾和防干擾兩方面入手來抑制和消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。PLC所受的干擾源主要有電源系統(tǒng)引入的干擾、接地系統(tǒng)引入的干178（1）電源系統(tǒng)引入的干擾電網(wǎng)的干擾，頻率的波動，將直接影響到PLC系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，從這個意義上來說抑制電源系統(tǒng)的干擾是提高PLC的抗干擾性能的主要環(huán)節(jié)對于電源系統(tǒng)引入的干擾主要有兩種抗干擾方法：

（1）電源系統(tǒng)引入的干擾179A、加裝濾波、隔離、屏蔽、開關穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從電源線傳導到系統(tǒng)中，使用隔離變壓器。必須注意的是：屏蔽層要良好接地，次級連接線要使用雙繞線(減少電線間的干擾)，隔離變壓器的初級繞組和次級繞組應分別加屏蔽層。為了抑制電網(wǎng)大容量電機設備起停引起電網(wǎng)電壓的波動，保持供電電壓的穩(wěn)壓，可采用開頭穩(wěn)壓電源。B、分離供電系統(tǒng)PLC的控制器與I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電，并與主電源分開，這樣當輸入輸出供電斷電時，不會影響到控制器的供電。如圖5-45所示。A、加裝濾波、隔離、屏蔽、開關穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。180圖5-45分離供電系統(tǒng)圖圖5-45分離供電系統(tǒng)圖181（2）接地系統(tǒng)引入的干擾PLC系統(tǒng)分為邏輯電路接地和功率電路接地，有共地、浮地及機殼共地和電路浮地等幾種方式，一般采用PLC與其它設備分別接地方式最好。接地時注意：接地線盡量粗，一般大于2mm2的線接地；接地點應盡量靠近控制器，接地點與控制器之間的距離不大于50m；接地線應盡量避開強電回路和主回路的電線，不能避開時，應垂直相交，應盡量縮短平行走線的長度。（2）接地系統(tǒng)引入的干擾182工程實踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。（3）輸入輸出電路引入的干擾為了實現(xiàn)輸入輸出電路上的完全隔離，近年來在控制系統(tǒng)中光電耦合得到廣泛應用，已成為防止干擾的最有效措施之一。

工程實踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段，良好的183光電耦合器具有以下特點：首先，由于是密封在一個管殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾；其次，由于靠光傳送信號，切斷了各部件電路之間地線的聯(lián)系；第三，發(fā)光二極管動態(tài)電阻非常小，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，能夠傳送到光電耦合器輸入輸出的干擾信號就變得很小；第四，光電耦合器的傳輸比和晶體管的放大倍數(shù)相比，一般很小，遠不如晶體管對干擾信號那么靈敏，而光電耦合器的發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時才能發(fā)光。因此，即使是在干擾電壓幅值較高的情況下，由于沒有足夠的能量，仍不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而可以有效地抑制掉干擾信號。光電耦合器具有以下特點：首先，由于是密封在一個管殼內(nèi)，不會受184由于光電耦合器的線性區(qū)一般只能在某一特定的范圍內(nèi)，因此，應保證被傳信號的變化范圍始終在線性區(qū)內(nèi)。為了保證線性耦合，既要嚴格挑選光電耦合器，又要采取相應的非線性校正措施，否則將產(chǎn)生較大的誤差。由于光電耦合器的線性區(qū)一般只能在某一特定的范圍內(nèi)，因此，應保185圖5-46光電耦合輸入電路圖5-46光電耦合輸入電路186光電耦合輸入電路如圖5-46所示。其中圖(a)為高電平時接法；圖(b)為低電平輸入時接法；圖(c)為差動型接法，它具有兩個約束條件，對于防止干擾有明顯的優(yōu)越性，適用于外部干擾嚴重的環(huán)境，當外部設備電流較大時，其傳輸距離可達100~200m；圖(d)考慮到COMS電路的輸出驅(qū)動電流較小，不能直接帶動發(fā)光二極管，所以加接一級晶體管作為功率放大，需要注意的是圖中發(fā)光二極管和光敏三極管應分別由兩個電源供電，電阻值視電壓高低選取。光電耦合輸入電路如圖5-46所示。其中圖(a)為高電平時18