变频器与伺服应用课件

《变频器应用技术》 5.调速方式汇总
《变频器应用技术》
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1.1.3变频调速原理
根据电动机学原理，在下述三个假定条件下，即忽略空间和时 间谐波、忽略磁饱和、忽略铁损，感应电动机的稳态模型可以 用T型等效电路表示。
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各参数表示如下： Rs、Rr′—定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻； L1s、L1r′—定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； Lm—定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感； Us、ω1—定子相电压和供电角频率； Is、Ir′—定子相电流和折合到定子侧的转子相电流。
转场式同步电动机
《变频器应用技术》 3.交流电动机的调速
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4.交流电动机的调速方式
（1）异步电动机的变极调速 这种多速电动机大都为笼型转子电动机，其结构与基本 系列异步电动机相似，现国内生产的有双、三、四速等 几类。
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（2）电磁调速 适用于容量在0.55～630kW范围内的风机、水泵或压缩机。 电磁调速电动机的调速系统主要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合器 和直流励磁电源等3部分组成(见图1.5),直流励磁电源功率较小,通过改变晶 闸管的控制角以改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。当电动机带动电 枢在磁极磁场中旋转时,就会感生涡流,涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使 电枢牵动磁极拖动负载同向旋转,通过控制励磁电流改变磁场强度,使离合器 产生大小不同的转矩,从而达到调速。
• 预定义的V/f曲线是指变频器内部已经为用户定义的各种不 同类型的曲线。如某品牌A变频器有三种特定曲线（图112a），曲线1为3.0次幂降转矩特性、曲线2为1.7次幂降 转矩特性、曲线为1.2次幂降转矩特性。某品牌变频器B则 有4种定义的曲线（如图1-12b），其定义的方式是在电动 机额定频率一半（即50％FN）时的输出电压是电动机额 定电压的30％时（即30％VN）为曲线1，35％VN为曲线2， 40％VN为曲线3，VN为曲线4。这些预定义的V/f曲线非常 适合在可变转矩（如典型的风机和泵类负载）中使用，用 户可以根据负载特性进行调整，以达到最优的节能效果。
这是恒压频比的控制方式,其控制特性如图1.9所示。 低频时,Us和Eg都较小,定子电阻和漏磁感抗压降所占的分量
相对较大,可以人为地抬高定子相电压Us,以便补偿定子压 降,称为低频补偿或转矩提升。
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(2)基频以上调速 在基频以上调速时,频率从f1N向上升高,但定子电压Us却不
感应电动机的每极气隙磁通为：
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(1)基频以下调速
为了充分利用电动机铁心,发挥电动机产生转矩的能力,在基 频以下采用恒磁通控制方式,要保持Φm不变,当频率f1从 额定值f1N向下调节时,必须同时降低Eg,即采用电动势频 率比为恒值的控制方式。然而,绕组中的感应电动势是难 以直接控制的,当电动势值较高时,可以忽略定子电阻和漏 磁感抗压降,而认为定子相电压Us≈Eg,则得
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3.V/f曲线转矩补偿
变频器在启动或极低速运行时，根据V/f曲线，电动机在低频时 对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著， 这就导致励磁不足而使电动机不能获得足够的旋转力，因此需 要对转矩进行补充补偿，这称为转矩补偿。通常的做法是对输 出电压做一些提升补偿，以补偿定子电阻上电压降引起的输出 转矩损失，从而改善电动机的输出转矩。
磁离合器的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调 速范围也比较宽，对电网无干扰，它可以空载启动，对需要重载启动的负 载可获得容量效益，提高电动机运行负载率。缺点是高速区调速特性软， 不能全速运行；低速区调速效率比较低。适用于调速范围适中的中小容量 电动机。
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（3）定子调压调速 定子调压调速是用改变定子电压实现调速的方法来改变电 动机的转速，调度过程中它的转差功率以发热形式损耗在 转子绕组中，属于低效调速方式。 调压调速的主要优点是控制设备比较简单，可无级调速， 初始投资低，使用维护比较方便，可以兼作鼠笼机的降压 启动设备。缺点是调速效率比较低，低速运行调速效率更 低；调速范围窄，只有对风机和泵类工作机械调速可以获 得较宽的调速范围并减少转差损耗；调速特性比较软，调 速精度差；对电网干扰也大。适用于调速范围要求不宽， 较长时间在高速区运行的中小容量的异步电动机。
可能超过额定电压UsN,只能保持Us=UsN不变,这将使磁通 与频率成反比地下降,使得感应电动机工作在弱磁状态。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起,如图 1.10所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电 流达到额定值,即都能在允许温升下长期运行,则转矩基本 上随磁通变化而变化。按照电力拖动原理,在基频以下,磁 通恒定,转矩也恒定,属于“恒转矩调速”性质,而在基频 以上,转速升高时磁通减小,转矩也随着降低,基本上属于 “恒功率调速”。
图1-18 接点信号给定
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3.模拟量给定
模拟量给定方式即通过变频器的模拟量端子从外部输入模拟量 信号（电流或电压）进行给定，并通过调节模拟量的大小来改 变变频器的输出频率。
模拟量给定 电流信号一般指0～20mA或4～20mA，电压信号一般指0～10V、 2～10V、0～±10V、0～5V、1～5V、0～±5V等。
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第1章变频器操作入门
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1.1变频器调速原理 1.2变频器的频率指令与启动指令 1.3变频器的电路结构 1.4三菱E700变频器端子接线与面板操作 1.5三菱E700变频器操作实例
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【导读】
变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理 想的调速方案。变频调速以其自身所具有的调速范 围广、调速精度高/动态响应好等优点，在许多需要 精确速度控制的应用中发挥着提高产品质量和生产 效率的作用。变频器常见的频率指令主要有操作面 板给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号 给定和通讯方式给定等。变频器的启动指令包括操 作面板控制、端子控制和通讯控制等。本章介绍了 变频器的工作原理、恒压频比工作方式及其特点、 电路结构，同时介绍了三菱E700变频器如何进行上 电、参数设置和多种模式运行的方法与步骤。
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在模拟量给定方式下，变频器的给定信号P与对应的变频器 输出频率f（x）之间的关系曲线f（x）=f（P）。这里的给 定信号P，既可以是电压信号，也可以是电流信号，其取值 范围在10V或20mA之内。一般的电动机调速都是线性关系， 因此频率给定曲线可以简单地通过定义首尾两点的坐标（模 拟量，频率）即可确定该曲线。如图1-20a所示，定义首坐 标为（Pmin，fmin）和尾坐标（Pmax，fmax），可以得到设 定频率与模拟量给定值之间的正比关系。如果在某些变频器 运行工况需要频率与模拟量给定成反向关系的话，也可以定 义首坐标为（Pmin，fmax）和尾坐标（Pmax，fmin），如图 1-20b。
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预定义V/f曲线
《变频器应用技术》 对于其他特殊的负载，如同步电动机，则可以通过 设置用户自定义V/ f曲线的几个参数，来得到任意 V/ f曲线，从而可以适应这些负载的特殊要求和特 定功能。自定义V/ f曲线一般都通过折线设定，典 型的有三段折线和两段折线。
用户自定义V/f曲线
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（4）转子串电阻调速 转子串电阻调速是通过改变绕线型感应电动机转子串接附加 外接电阻从而改变转子电流使转速改变的方式进行调速。
适合于调速范围 不太大和调速特 性要求不高的场 合。
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（5）变频调速 变频调速是通过改变异步电动机供电电源的频率f来实现无级 调速的，其接线简单。
如果选择键盘数字键或上升下降键给定，则由于是数字量 给定，精度和分辨率非常高，其中精度可达最高频率 ×±0.01%、分辨率为0.01Hz。也可以选择三菱FR-PA07操 作面板上的M旋钮给定（如图1-16）。
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LED或LCD 显示
键盘数字键
三菱FR-PU07操作面板
上升下降键 给定
• 同步电动机（synchronousmotor）是由直流供电的励磁磁场与电枢的 旋转磁场（交流）相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动 机，转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电机，具有运行稳定 性高和过载能力大等特点。
• 感应电动机，又称“异步电动机”，即转子置于旋转磁场中，在旋转 磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动，转子是可转动的 导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是 产生一个旋转磁场。定子绕组产生旋转磁场后,转子导条(笼型条)将 切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流,转子导条中的电流又与旋转 磁场相互作用产生电磁力,电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁 场方向以n1的转速旋转起来。一般情况下,电动机的实际转速n1低于 旋转磁场的转速n。
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1.1.4变频器V/f曲线定义
1.基本概念 变频器V/f控制的基本思想是V/f=C，因此定义在频率为fx时， Ux的表达式为Ux/fx=C，其中C为常数，就是“压频比系 数”。
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2.预定义的V/f曲线和用户自定义V/f曲线
• 由于电动机负载的多样性和不确定性，因此很多变频器厂 商都推出了预定义的V/f曲线和用户自定义的任意V/f曲线。
M旋钮给 定
三菱FR-PA07操作面板
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变频器的操作面板通常可以取下或者另外选配，再通过延长 线安置在用户操作和使用方便的地方，如图1-17所示三菱 E700变频器通过连接线与FR-PU07操作面板相连。
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2.接点信号给定 接点信号给定是通过变频器的多功能输入端子的UP和 DOWN接点来改变变频器的设定频率值。该接点可以外接按 钮或其他类似于按钮的开关信号（如PLC或DCS的继电器输 出模块、常规中间继电器）。具体接线可见图1-18，图中 DI1等为变频器的数字量输入。
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电磁调速 电磁离合器调速是由笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来 完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称滑差电动机，属 于低效调速方式。电磁调速电动机的调速系统，主要由笼型感应电动机、 涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成，直流励磁电源功 率较小，通过改变晶闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电 流。
《变频器应用技术》 1.1交流电动机的调速方式
1.异步电动机
※三相异步电动机外观
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※先决条件:一个旋转磁场
旋转磁场的转速为：n=60f/p
《变频器应用技术》 2.同步电动机
※一般分为转场式同步电动机和转枢式同步电动机
图中用AX、BY、 CZ三个在空间错 开120°分布的线 圈代表三相对称交 流绕组。
转矩补偿
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1.2 变频器的频率指令与启动指令
1.2.1 变频器的频率指令方式
变频器的频率指令方式就是调节变频器输出频率的具体方 法，也就是提供频率给定信号ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方式。常见的频率指令方 式主要有：操作面板给定、接点信号给定、模拟信号给定、 脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率指令各有优缺 点，必须按照实际的需要进行选择设置，同时也可以根据 功能需要选择不同频率指令之间的叠加和切换。
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1.操作面板给定 操作面板给定是变频器最简单的频率指令，用户可以通过 变频器的操作面板上的电位器、数字键或上升下降键来直 接改变变频器的设定频率。操作面板给定的最大优点就是 简单、方便、醒目（可选配LED数码显示或中英文LCD液晶 显示），同时又兼具监视功能，即能够将变频器运行时的 电流、电压、实际转速、母线电压等实时显示出来。图115所示为三菱E700系列的LCD液晶操作面板FR-PU07。
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※了解交流电动机的调速方式；； ※熟悉熟悉变频调速的基本原理及其优点； ※掌握恒压频比工作方式及其特点； ※掌握变频器的电路基本结构
☆能对变频器带电动机试运行； ☆能对变频器的各类参数进行操作； ☆能对变频器U/f曲线进行设定及测定。
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异步电动机和同步电动机区别