变频技术的设计与应用

变频技术的设计与应用
随着微电子和电力电子技术以及异步电动机控制理论的发展，变频技术也越来越成熟。

变频技术以其显著的节能效果、优异的控制性能、强大的通讯功能以及操作简单实用的特点而逐步取代直流调速。

在许多生产机械上使用变频调速已成为这些机械更新换代的一种标志。

我们也许多地用到了变频技术。

纸机传动装置是造纸的最关键设备之一：纸机各传动点的速度精度要求非常高；由于纸机某些部位各传动点相互接触叠压，所以要求相互接触叠压的各传动点进行负荷分配，对转矩的控制要求非常高；设备的主控制单元一般设在配电室，为能够方便、及时地控制，对设备的操作需要设在现场，故要求其有强大的通讯功能，以实现数据的实时更新；个别设备的速度需能随时单独调节，如网部摇震装置、移动喷水装置等。

这些都应用了变频技术。

盘磨打浆是造纸过程的首要步骤，它是通过对进、退刀电机的变频控制来完成的。

还有，为降低能耗、获取优良的调速性能，我们也采用了变频技术，如汽罩送热风机及货梯等。

下面针对不同的应用分别加以介绍：
1.盘磨进、退刀采用了美国ALLEN-BRADLEY公司的PowerFlex4小型变频器。

根据控制要求，设计其四个DI信号分别作为进、退刀命令信号，电机启动/停止命令，进、退刀速度输入信号1，进、退刀速度输入信号2，编程其继电器输出作为变频器运行反馈信号进入PLC。

这样，进、退刀电机的方向、转速以及启停都可以实现。

采用数字量控制进、退刀速度，控制信号衰减小，抗干扰能力强，控
制精度高，再通过完善的盘磨控制程序，实现了盘磨打浆的高度自动化。

2.纸机各传动点的速差要求非常高，速差波动大就很容易使纸松驰或断裂。

我们的纸机传动部分采用了美国ALLEN-BRADLEY公司的1336 PLUS II及1336PLUS IMPACT两种变频器产品。

该产品的主要特点是：采用最新的第三代IGBT功率模块和高级的控制算法，在全速范围内实现突出转矩性能的无速度传感器矢量控制，使控制精度更高并可实现自动整定；选择编码器作反馈元件，调速精度能达到±0.1%；模拟量I/O选件灵活组合，实现多种输入输出可编程搭配；负载丢失的自动检测；超前动作限流保护；在全速范围内，对电动机提供可编程的速度敏感I2T电子过载保护；提供非常简单的参数设定和操作；人机接口和通信可选件之间使用SCANport TM通讯协议，减少了装配空间，消除对一个独立电源的要求，并通过DeviceNet设备网形成互连网络，使得通讯变得简单易行。

纸机传动部分共有变频传动点22个，其中还有接触叠压的设备，需要转矩控制以求负荷分配，这样的设备有11台。

正因为采用了如此优秀的变频技术，才使得速度精度及转矩要求得以满足。

3.余热回收系统中的汽罩送风风量是随着纸页的干燥程度不断变化的。

变频调速能够很好地满足要求，因此我在设计中加入了一个参变量——送风压力，以它来调节控制汽罩送风机的转速，从而达到调节风量的目的。

我们采用了ABB公司的ACS800变频器，它可以很方便地进行组态，参数也很容易设置。

在设计中，该送风机有两种控制方式，一种是手动控制，另一种是自动控制，每种控制方式都可
以实现正、反转。

手动控制就是常用的电器控制回路，由按钮来操作，速度由变频器操作面板给定；自动控制则根据汽罩送风压力的变化而自动调整电机转速。

变频器的数字输入DI、数字输出DO、模拟输入AI、模拟输出AO都被巧妙地组态使用。

正、反转命令进入变频器的DI实现转向控制，其运行状态通过变频器的继电器输出DO进入PLC 用来显示，送风压力经过PLC运算处理后输出，进入变频器的AI作为控制电机转速的给定信号，而电机的运行电流则经过变频器的AO 输出4～20mA信号进入PLC进行显示。

这些信号能很好地实现对电机地控制，及时掌握其运行状态。

还考虑到在提供压力的变送器坏掉后的情况，送风机的转速设置了手动/自动给定。

在手动给定下，可以通过上位机方便地设定送风机的转速，切断压力信号源的控制。

以上的DI、DO、AI、AO等信号只是外部接线，还需要在变频器内对相应的参数进行一番设定。

另外，再设定一些必要的参数，如加减速时间、积分曲线类型、滤波时间、停车类型以及电气故障保护等，这样有利于改善设备运行特性。

4.结合以上应用实例，在实际应用中，我们应该注意的问题有以下几个方面：
4．1变频器的选型：根据设计要求，选择变频器要注意：
●电压等级与控制电机相符。

●额定电流为控制电机额定电流的1．1~1．5倍。

●根据被控设备的负载特性选择变频器的类型。

4、2安装环境：
由于变频器集成度高，整体结构紧凑，自身散热量较大，因此对
安装环境的温度、湿度和粉尘含量要求高。

4、3接线：
●电源线与负荷线不能接反；
●负荷电缆应尽量采用屏蔽电缆，长度不宜超过150米；
●负荷电缆直径过粗导致对地漏电流增加；
●变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制外部干扰的
重要手段，变频器接地端子GND接地电阻越小越好，接
地导线截面积应不小于2mm2，长度应控制在20m以内。

变频器的接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。

电
缆屏蔽层只能单端接地，否则有可能会串入接地电流，引
起信号变化波动，使系统振荡。

变频器与控制柜之间应电
气连通，如果实际安装有困难，可利用铜芯导线跨接。

4、4主要参数设定：
一般地，经过简单设置常用参数，变频器就能正常运行，这些常用参数有：额定电压、额定电流、额定功率、电机转速、额定频率、额定功率因数、外部命令（如启动、停止及方向等）输入DI信号、外部输入AI信号、模拟输出信号AO、继电器输出信号RO等，这些只要根据所带负载的铭牌数据及实际使用情况进行相应的设定即可。

为了优化变频器运行特性，改善其负载性能，还需要设定一些重要参数，如：
●加减速时间的选择：惯性大的负载，其加减速时间要大一些，否
则，变频器处于发电反馈状态，所产生的电压反馈到电网，易造成变频器过压跳闸;
●加减速曲线的选择：对于恒转矩负载，可采用线性，对于泵类或
风机类负载，为减小启动或停止过程的冲击，故可采用“S”曲线;
●最小输出频率、最大输出频率：它规定了变频器输出频率范围; ●变频器保护设置：如堵转电流的门限值及其执行的动作;若转速信
号来源于AI，则AI信号丢失后变频器采取的保护动作;另外还有电机热保护、欠载保护及过压保护等;
●整个调速系统的所有传动点要求同步性好，稳定性高，反应迅速，
信息共享，因此都采用通讯来实现。

针对通讯方面的主要参数有：通讯站点号、通讯协议、通讯速率、通讯故障处理方式、读写数据类型，还应对外部启停命令、允许运行命令及故障复位命令等修改为通讯控制。

5、变频器的不利因素：虽然变频调速的优良特性正逐渐取代直流调速，但其弊端也是我们需要解决的问题。

由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。

因此以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一。

随着变频器在电力电子系统、工业等诸多领域中的应用日益广泛，变频器产生的高次谐波对公用电网产生的危害也日益严重。

目前，我们有许多解决办法，如变频器的隔离、屏蔽、接地，加装交流电抗器和直流电抗器，加装无源或有源滤波器，加装无功补偿装置，线性负荷和非线性负荷线路分开等。

如何利用好变频器的诸多优良性能，规避其危害是我们在设计与应用中的重要问题。