变频器的加减速功能

变频器的加减速功能 王 � 超 (中铁大桥局机械租赁分公司,武汉 430050) 摘 � 要: � 介绍了变频器中的加、减速时间, 加、减速方式的相关功能。 关键词: � 加速时间; � 减速时间; � 加速方式; � 减速方式 Acceleration and Deceleration Function of Frequency Converter WANG Chao ( Machiner y Leasing Branch Company , China Zhongtie Major Bridge Engineering G roup Co L td, Wuhan 430050, China) Abstract: � This paper introduced the funct ion of acceleration time, deceleration time, acceleration pattern, deceleration pattern of fr equency converter. Key words: � acceleration time; � deceleration time; � acceleration pattern; � deceleration pattern 1 � 加、减速的时间与方式 1. 1 � 基础概念 1. 1. 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。 1)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 ( 50 Hz) ,如图 1( b)的上部所示。以 4极电动机为例, 同 步转速高达 1 500 r/ min。电源电压为额定电压 ( 380 V) , 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。 2) 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:频率从最低频率(通常是 0 Hz)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. 5 Hz, 则同步转速只有 15 r/ 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 120 建材世界 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 2010年 � 第 31卷 � 第 1期 n0与转子转速 nM 间的转差 �n 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。 图 2� 变频起动 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。 1. 1. 2 � 加速过程中的主要矛盾 1)加速过程中电动机的状态 假设变频器的输出频率从 f X1上升至 f X2, 如图 3( b)所示。图 3( a)所示是电动机在频率为 f X1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 f X 上升时,同步转速 n0 随即也上升,但电动机转子的 转速 n M 因为有惯性而不能立即跟上。结果是转差 �n 增大了, 导体内的感应电动势和感应电流也增 大。 2)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 �n 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。 1. 1. 3 � 变频调速系统的减速 1)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 n 1 下降至 n2(变频器的输出频率从 f X1下降至 f X2)的过程即为减速过程。 图 3 � 加速过程 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。 2) 泵升电压 121 建材世界 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 2010年 � 第 31卷 � 第 1期 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。 3) 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。 1. 1. 4 � 减速过程中的主要矛盾 1)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。 2)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 �n 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. 2. 1 � 加、减速时间 1) 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 2种: 定义 1: 变频器的输出频率从 0 Hz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。 2)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 0 Hz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 0 Hz所需要的时间。 减速时间的定义如图 5( b)所示。 图 5 � 1. 2. 2 � 加、减速方式 1) 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。 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。 图 6 � 加速方式 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 122 建材世界 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 2010年 � 第 31卷 � 第 1期 式加速,如图 6( c)和图 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。 图 7� � � 2) 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。 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。 参考文献 [ 1] � 张燕宾. 电动机变频调速图解[ M ] . 中国电力出版社, 2003. [ 2] � 张燕宾. SPWM 变频调速应用技术[ M ] . 3 版. 北京: 机 械工业出版社, 2005. [ 3] � 王 � 树. 变频调速系统设计与应用[ M ] . 北京: 机械工 业出版社 , 2005. 收稿日期: 2009-12-03. 作者简介: 王 � 超( 1983- ) ,助理工程师. E-mail: w c626@ hotmail. com 123 建材世界 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 2010年 � 第 31卷 � 第 1期