作者：高安邦、胡乃文、马欣 主编
出版社：化学工业出版社
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通用变频器应用技术完全攻略试读：
前言
通用变频器作为交流电动机的驱动装置，具有调速性能好、效率高、性能稳定、可靠性高等优点，在各种生产机械中，如风机、水泵、生产线、机床、纺织机械、塑料机械、造纸机械、食品机械、石化设备、工程机械、矿山机械、钢铁机械、起重机械、数控伺服、冷轧机同步传动、高楼供水等多种场合都有着极其广泛的应用，它可以提高自动化水平、机械性能、生产效率、产品质量和节省能源，已成为现代电气传动自动化的一项核心技术。此外，它重要的技术特征是还可以充分地与现代网络技术结合，发挥智能控制的优势，实现分布式网络控制系统，是现代工业企业自动化的重要发展方向。概括之，通用变频器在各行各业中的各种设备上的应用，已成为当今节电、改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量、改善环境、推动技术进步的主要手段之一，是国民经济和日常生活中普遍需要的高新技术，也是国际上技术更新换代最快的领域之一，在国际上称其为绿色技术。为此，学习变频器、操作变频器、应用变频器也是当代电工必备的岗位技能之一。
本书的写作意图不仅仅是满足普及应用变频器知识的需要，更偏重于中/高档次复杂控制系统的开发应用。它以工程应用的开发设计为主线，从实用的角度出发，详尽介绍了变频器工程应用必需的技术基础；用“授人以渔”的方法，重点介绍了变频器应用的技巧、工程开发应用设计的方法；又给出了大量的工程应用设计实践案例，内容丰富，可读性、可用性和实践性强。完全攻略能给人提供攻克变频器应用技术的学习指南、注意要点、诀窍、方法和步骤等，给人以指引和启迪；设计实践案例能够提供示范、样板和经验，让读者省去摸索的时间，少走或不走弯路，完全把变频器应用技术学到手，达到事半功倍的效果。本书的宗旨就是引领变频器工程技术人员在掌握正确的设计理念和方法的基础上，以设计实践案例为示范和样板，举一反三，真枪实弹地创造出变频器工程应用的精品来。
全书共有5章，内容包括：快速打开变频器交流调速应用技术的大门；熟知典型三菱FR-A500系列通用变频器的操作应用；熟知典型西门子MM420/MM440变频器的操作应用；熟练掌握常用变频器的一些典型应用实例；实地进行常用变频器的操作运行和维护检修训练等。
本书的编写既是编者多年来从事教学研究和科研开发实践经验的概括和总结，又博采了目前各著作之精华；它以多单位校企合作的形式集体完成。参加本书编写工作的有哈尔滨理工大学高安邦教授（本书策划、选题、立项、制定编写大纲、前言、选定参考文献）和胡乃文高级工程师（第1章），黑龙江科技大学薛易副教授/博士（第2章），哈尔滨信息工程学院马欣讲师/硕士和哈尔滨华威集团技术开发部罗泽艳工程师（合编第3章），金陵科技学院机电学院高素美副教授和智淑亚副教授（合编第4章），保定电力职业技术学院崔冰讲师/硕士和哈尔滨锅炉集团公司高云高级工程师（合编第5章）。全书由哈尔滨理工大学三级教授/硕士生导师/江苏省淮安信息职业技术学院和海南省三亚高级技工学校特聘教授/金陵科技学院客座教授/铁岭市华通开关集团生产技术顾问高安邦主持编写和负责统稿；聘请了哈尔滨理工大学机械动力工程学院院长/博导邵俊鹏教授/博士、金陵科技学院机电学院研究员级高级工程师/博士吴洪兵、黑龙江辰能投资集团高世民副董事长/高级工程师担纲主审，他们对本书的编写提出了宝贵的意见，在此表示最衷心的感谢！三亚技师学院的高家宏、高鸿升、佟星、郜普艳、李梦华、谢越发、谢礼德、樊文国、孙佩芳、沈洋、冯坚、吴英旭、王海丽、陈瑾、刘曼华、黄志欣、孙定霞、尚升飞、吴多锦、唐涛、钟其恒、王启名等，淮安信息职业技术学院的杨帅、薛岚、陈银燕、关士岩、陈玉华、毕洁廷、赵冉冉、刘晓艳、王玲、姚薇、居海清、蒋继红、吴会琴、卢志珍、刘业亮、张守峰、丁艳玲、张月平、张广川、尹朝辉、裴立云、朱绍胜、于建明、邱少华、王宇航、马鑫、陆智华、余彬、邱一启、张纺、武婷婷、司雪美、朱颖、杨俊、周伟、陈忠、陈丹丹、杨智炜、霍如旭、张旭、宋开峰、陈晨、丁杰、姜延蒙、吴国松、朱兵、杨景、赵家伟、李玉驰、张建民、施赛健等也为本书做了大量的辅助性工作，在此表示最衷心的感谢！本书的编写得到了哈尔滨理工大学、黑龙江东方影视传媒学院、保定电力职业技术学院、金陵科技学院、哈尔滨华崴集团、海南省三亚学院、哈尔滨锅炉集团公司、三亚技师学校、黑龙江农垦职业学院和淮安信息职业技术学院的大力支持，在此也表示最真诚的感激之意。
鉴于水平和经验所限，书中不足之处在所难免，恳请读者和专家批评指正，以便今后更好地完善、充实和提高。编 者第1章 快速打开变频器交流调速应用技术的大门1.1 概述
在电力拖动的发展历史中，交流与直流拖动两种方式始终并存于工业领域中。伴随着科学发展的进程，它们相互竞争，互相促进，推动着历史的发展。
在19世纪80年代以前，利用蓄电池的直流拖动系统占据统治地位。80年代后，随着三相交流电的传输方式的应用产生了笼式交流电动机，并很快在工业生产及人民生活的各个领域获得了广泛的应用，并占据主要地位。之后，随着科学技术的发展，对拖动系统提出了更高的要求，特别是在精密机械、冶金、国防工业等方面，要求调速精度高、调速范围宽、动态性能好，启、制动灵活等。交流拖动则难以满足以上要求。因此，过去很长一段时期，在高性能的电力拖动系统中，一直是直流拖动占主要地位。然而交流电动机与直流电动机相比也具有很多明显的优点。
①交流电动机不存在换向器的转动速度的限制，也不存在电枢元件的电抗电势的限制，其转速可以设计得比相同功率的直流电动机的转速更高。
②直流电动机的电枢电流和电压的值受换向器的限制，交流电动机则无此限制，它的单机功率可以比直流电动机更大。
③直流电动机的换向器制作工艺复杂，成本较高，相比之，交流电动机则成本低廉。
④直流电动机在高速范围内运行时，由于受电抗电势的限制，一般最高速时（额定转速以上），输出功率仅能达到额定功率的80％，交流电动机则不受限制，它可以在高速时以额定功率运行。
⑤交流电动机无换向器之类需要经常保养维护的部分。维护方便，经久耐用。在某些恶劣的环境下，例如，易燃易爆场合，也能可靠地工作。
⑥直流拖动系统的控制设备复杂，机构庞大，造价高。而某些简单的交流调速系统（特别是现在大量使用的变频器的调速系统）则具有设备简单、造价低、维护方便的优点。
⑦现在大量使用的变频器的调速系统在节能方面有明显的优点（特别是在风机、泵类方面的应用中）。
由于交流拖动具有以上优点，过去在一些性能要求不高的场合，仍有人愿意采用交流电动机调速，以求得体积小、系统简单、维护方便的优点。近年来，随着电子计算机的发展及新型电力电子器件的出现，交流变频调速方式获得了广泛的应用，许多过去采用直流电动机的精密设备、大型设备，现在改用交流拖动的例子不胜枚举，目前已有逐渐取代直流拖动的趋势。1.1.1 交流调速的基本原理（1）交流电动机的机械特性
由电动机学可知，异步电动机有以下公式：
①转差率S： （1-1）
式中，n为同步转速；n为电动机转速。1
②电动机角速度Ω： （1-2）
③同步角速度Ω与速度n：11 （1-3）
式中，f为定子频率；p为定子极对数。1
④传给转子的功率（又称电磁功率）P与机械功率P、转子MMX铜耗P之间有如下关系式：M2P=P-P=（1-S）P （1-4）MXMM2M
⑤电动机的平均转矩M：CP （1-5）
⑥电磁功率与转差率S的关系式： （1-6）
式中，m为定子相数；U为输入电压；r为定子电阻；为折算111后的转子电阻；X为定子漏感抗；为折算后的转子漏感抗；c为11系数。
⑦异步电动机的每相等值电路如图1-1所示。图1-1 异步电动机的每相等值电路
图中，Z=r+jX为定子绕组阻抗；r为定子绕组电阻；X为定子11111漏感抗；r为励磁电阻；I为励磁电流；U为定子绕组每相端电压（m01为U的复数形式，）；为主磁通在定子绕组产生的电势。1
由以上各公式可解出： （1-7）
此公式即是异步电动机的M-S（转矩-转差率）关系式。它的M-S曲线如图1-2所示。图1-2 异步电动机的M-S曲线
由于S=1-n/n，因此，图上曲线只要将S轴的刻度改变即可获得1异步电动机的机械特性曲线，其中：S=0的点对应同步转速n。图上1曲线中S=0～1的这一段称为电动状态曲线，曲线峰值M称最大转矩，m对应的点S称为临界转差率。S>1的这一段曲线称制动状态曲线。KS<0的这一段曲线称发电状态曲线，电动机转速高于同步转速运行时，处于发电状态。
最大转矩M，由解出：m （1-8）
因，近似得： （1-9） （2）生产机械的转矩特性
实际的生产机械是多种多样的，一般可将其分成三大类：恒转矩负载、恒功率负载和风机水泵类负载。
①恒转矩负载 它的负载转矩是一个恒值，不随转速n而改变。它又可以分为两类：
a.摩擦类负载 它的特性曲线如图1-3（a）所示，位于1、3象限。例如，传送带、搅拌机、挤压机、采煤机、运输机和机床的进给机构等。图1-3 生产机械的负载特性
b.位能恒转矩负载 它的特性曲线如图1-3（b）所示，位于1、4象限。例如，提升机、起重机和电梯等。它的负载转矩是由重物重力产生的。
②恒功率负载 这类负载的转矩M与转速n成反比。它的特性曲线如图1-3（c）所示。例如车床的切削负载、轧钢、造纸机和塑料薄膜生产线的卷取机等即是这类负载。
③风机水泵类负载 这类负载的转矩随转速的增大而改变，可表2示为M=kn。例如风机、水泵和油泵等。它的特性曲线如图1-3（d）所示。（3）常用的交流调速方式及性能比较
由式（1-1）得：n=n（1-S），由式（1-3）有：n=60f/p，由上111面的两式解出异步电动机转速的表达式： （1-10）
式中，f为供电电源频率；p为定子绕组极对数；S为转差率。1
从上式可看出，对异步电动机的调速有三个途径。即：改变定子绕组极对数p；改变转差率S；改变电源频率f。对于同步电动机，转1差率S=0，它只具有两种调速方式。实际应用的交流调速方式有多种，现仅介绍如下几种常用的方式。
①变极调速 这种调速方式只适用于专门生产的变极多速异步电动机。通过绕组不同的组合连接方式，可获得二、三、四极三种速度，这种调速方式的速度变化是有级的，只适用于一些特殊应用的场合，只能达到大范围粗调的目的。
②转子串电阻调速 这种调速方式只适用于绕线式转子异步电动机，它通过改变串联于转子电路中电阻阻值的方式，来改变电动机的转差率，进而达到调速的目的。由于外部串联电阻的阻值可以多级改变，故可实现多种速度的调速（原理上，也可实现无级调速）。但由于串联电阻消耗功率，效率较低，同时这种调速方式机械特性较软，只适合于调速性能要求不高的场合。
③串级调速 这种调速方式也只适用于绕线式异步电动机，它是通过一定的电子设备将转差功率反馈到电网中加以利用的方法。在风机水泵类等传动系统上广泛采用。这种调速方法常用以下几种结构方案。
a.电气串级方式 结构见图1-4（a）。MA的转子电流经UR整流后供给直流电动机M，由M传动的交流发电机G将转差功率反馈给交流电源。调节直流电动机M的励磁电源即可改变MA的转速。这种方式具有恒转矩特性。图1-4 电气、电动机串级调速
b.电动机串级方式 结构如图1-4（b）所示。它是由MA的转子电流经UR整流，供给与MA同轴连接的直流电动机M，经M变为机械能施加到主异步电动机轴上的一种调速方式。调节M的励磁电流即可进行调速。这种方式具有恒功率特性。
c.低同步串级调速方式 如图1-5（a）所示。它是在图1-4（a）中接入逆变器和变压器，代替原来的直流电动机M和交流发电动机G，将转子电源变为与电源同频率的交流电，使转子侧的转差功率反馈给电源的一种调速方式。调节有源逆变器晶闸管的控制角即可进行调速。图1-5 低同步、超同步串级调速
d.超同步串级调速 如图1-5（b）所示。它是在图1-4（b）中接入一个交-交变频器（或交-直-交变频器），代替原来的不控整流器和逆变器。通过控制交-交变频器（或交-直-交变频器）的工作状态，可以使电动机在同步速度上下进行调速。与低同步串级调速相比，其变流装置小、调速范围大、能够产生制动转矩。
④调压调速 如图1-6所示。它将晶闸管反并联连接，构成交流调速电路，通过调整晶闸管的触发角，改变异步电动机的端电压进行调速。这种方式也改变转差率S，转差功率消耗在转子回路中，效率较低，较适用于特殊转子电动机（例如，深槽电动机等高转差率电动机）中。通常，这种调速方法只有构成转速或电压闭环才能实际应用。图1-6 调压调速
⑤电磁调速异步电动机 这种系统是在异步电动机与负载之间通过电磁耦合来传递机械功率，调节电磁离合器的励磁，可调整转差率S的大小，从而达到调速的目的。该调速系统结构简单、价格便宜，适用于简单的调速系统中。但它的转差功率消耗在离合器上，效率低。
⑥变频调速 改变供电频率，可使异步电动机获得不同的同步转速。采用变频机对异步电动机供电的调速方法已很少使用。目前大量使用的是采用半导体器件构成的静止变频器电源。目前这类调速方式已成为交流调速发展的主流。
各种调速方式性能的比较如表1-1所示。表1-1 交流电动机各种调速方式的比较（4）交流电动机的启动
由图1-7所示的交流电动机的机械特性曲线可知，电动机的启动力矩必须大于电动机静止时的负载转矩，即M>M，否则电动机无法0n进入正常运转工作区。图1-7 交流电动机的机械特性曲线
交流电动机的启动电流一般为额定电流的4～6倍，直接启动时，过大的启动电流会使电源电压在启动时下降过大，影响电网其他设备的正常运行，另外一方面还会造成线路及电动机中产生损耗引起发热。
启动时一般要考虑以下几个问题：
①应有足够大的启动力矩和适当的机械特性曲线。
②尽可能小的启动电流。
③启动的操作应尽可能简单、经济。
④启动过程中的功率损耗应尽可能小。
普通交流电动机在启动过程中为了限制启动电流，常用的启动方法有三种。即：串联电抗器启动、自耦变压器降压启动、星形-三角形换接启动。
目前，采用电子器件构成的“交流电动机软启动系统”以其良好的性能和平稳的启动过程而获得了迅速的发展和应用。
对于较高级的调速系统可采用矢量控制方式的电流、速度双闭环系统，能获得令人满意的动、静态性能。（5）交流电动机的制动
具有良好制动性能的交流电动机可使电动机迅速停止，准确停车，提高控制性能。
交流电动机的制动方式有：机械制动，它采用机械抱闸装置；电磁力制动，采用磁铁抱闸或电磁摩擦片等装置；电力制动，它主要由电气系统的控制装置使电动机本身产生制动力，这种制动无机械磨损问题，减小了维修工作量，因此获得了广泛的应用，它可分为回馈制动、反接制动和能耗制动三类。
①回馈制动 由图1-2所示的机械特性曲线可知，当电动机的转速n>n时，电动机处于发电工作状态。此时电动机不消耗电能，而1将能量反馈到供电系统中来，因此称为回馈制动，又称再生发电制动。
然而，异步电动机电动状态运行时，转子转速n永远小于同步转速n，以转差率0
下面以供电频率减小为其1/2的情况说明制动过程：由公式（1-7）和（1-8）可知，当f减小为原来的1/2时（供电电压不变），同1步转速为n，M-S曲线在M轴方向放大2倍，分别画出同步转速为n、21n（n=2n）的M-S曲线如图1-8（a）、（b）所示，利用公式（1-1）212变换为M-n曲线后，将两条曲线叠加在一起，如图1-8（c）所示。图1-8 回馈制动特性曲线
如原来电动机以电源频率f运行，电动机处于曲线的A点（负载1为M），此时如果将电源频率改为f，因机械惯性原因，转速不能突Z2变。此时运行状态将转至第二象限的B点，曲线处于S<0的发电工作状态。于是电动机处于回馈制动状态，电磁转矩为负值，与转动方向相反为制动转矩。之后转速迅速下降，由B点运行至C点，达到同步转速n，电动机转为电动状态。在负载转矩M的作用下继续减速到D2Z点稳定运行。于是，整个制动过程结束。
以上是利用降低电源频率的方法获得回馈制动。同理，利用改变电动机极对数的方法也可以获得回馈制动，制动的机理与上类同。
②反接制动 众所周知，如将三相交流电动机的三相交流电任意调换两个接线（改变相序，即换相），即可使电动机反转。这是因为换相后产生了反向旋转磁场。也就是说，将正在旋转的电动机的输入电源线任意调换两个接线后，即可产生与旋转方向相反的制动力矩，这就是所谓的反接制动。
如图1-9（a）所示，电动机正转时的机械特性为1、4象限的曲线，反转时的机械特性曲线为2、3象限的曲线，正转和反转时的曲线是以原点对称的。图1-9 反接制动、能耗制动
原来电动机正转时稳定在A点运行，当改变输入电源的相序后，电动机换为第2象限的B点运行。反向电磁力矩M与负载转矩M共同BZ作用于电动机产生制动力，使电动机迅速降速，沿曲线移动，由B降至C点，电动机转速n=0。由于此时电动机的电磁转矩｜-M｜（绝对C值）大于负载转矩｜-M｜（绝对值），因此电动机不会停止，沿曲Z线继续反向加速到D点后稳定运行。如在BC段运行期间，设法加大负载使其大于｜-M｜，那么电动机会停止在n=0处，不再反转（这种C方法很少使用）。如在C点及时断开电源，电动机也会停止，常常使用速度继电器来作为C点速度的检测装置控制停车时间。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]