1、变频器转矩提升和启动频率参数的设定2011-11-16 21:16:02 来源： 上海台津自动化工程有限公司在一次负载为进料泵电机的变频器带负荷试车过程中，变频器在起动过程中发生了过电流跳闸，笔者对此原因进行了分析，认为进料泵出料侧装有单向逆止阀、扬程高、料浆粘度大，造成了进料泵电机起动阻力较大，于是选择了转矩提升的方法，按泵类负载二次方转矩提升曲线设置了参数，解决了变频器起动时过电流跳闸的问题。可是后来笔者又发现变频器并不是运行在最佳状态，它在低频段运行时相对电流较大，电机温升较高。通过认真分析，认清了这个问题的真正本质，改用设定起动频率参数的方法，解决了变频器所需起动转矩的问题，即按进料泵
2、的实际运行状况选用了较低的理想的转矩提升曲线，这样将变频器所需的起动转矩和实际工作中所需的运行状态曲线分别进行相应处理，两者相互间不再有任何牵连。合理的参数设置使变频器运行在最佳状态，获得满意的效果。从以上问题的处理过程来看，笔者认为有必要将变频的转矩提升和起动频率两个参数进行认真的分析和比较，这对同行在变频器调试过程中对此类问题的处理和认识是有帮助的。1、变频器转矩提升功能(1) 设置转矩提升功能的原因普通电动机采用的冷轧硅钢片铁芯,其导磁系数不是很高而且不是常数,正常情况下铁芯工作在其磁化曲线的附点以上至膝点附近的一段区域内,在这段区域内导磁系数最高,在工频电源下能满足电机的正常运行要求.
3、采用变频器供电时可以在低频段运行,在低频段虽然电机所承受的最高电压同高频段一样,但电机电流却是很小(有时比电机在工频下的空载电流还要低), 使得这种冷轧硅钢片铁芯工作在了磁化曲线的附点附近及以下，在这一段区域内铁芯的导磁系数相对较小。电机绕组中电流产生的磁通在定子铁芯和转子铁芯中闭合的数量会相对减少，表现为对铁芯的磁化力不足,导致电机的电磁转矩严重下降,实际运行时将可能因电磁转矩不够或负载转矩相对较大而无法起动和在无法在低频段运行。因此各种各样的变频器中均设置有相应的转矩提升功能，为不同的负载提供了不同的转矩特性曲线，在不同的转矩提升曲线中为低频段设定了不同的转矩提升量，如富士 5000g11
4、s/p11s 系列变频器就提供了 38 条不同状态下的转矩提升曲线。在变频器调试时选择不同的转矩提升曲线可以实现对不同负载在低频段的补偿。(2) 转矩提升曲线的选择变频转矩提升曲线在调试时应按电机运行状态下的负载特性曲线进行选择,泵类、恒功率、恒转矩负载应在各自相应的转矩提升曲线中选择。一般普通电机低频特性不好,如果工艺流程不需要在较低频状态下运行,应按工艺流程要求设置最低运行频率,避免电机在较低频状态下运行,如果工艺流程需要电机在较低频段运行,则应根据电机的 实际负载特性认真选择合适的转矩提升曲线。而是否选择了合适的转矩提升曲线，可以通过在调试中测量其电压、电流、频率、功率因数等参数来确定，
5、在调试中应 在整个调速范围内测定初步选定的的几条相近的转矩提升曲线下的各参数数值，首先看是否有超差，然后对比确定较理想的数值。对转矩提升曲线下的于某一频率运 行点来说，电压不足(欠补偿)或电压提升过高(过补偿) 都会使电流增大，要选择合适的转矩提升曲线，必须通过反复比较分析各种测定数据,才能找出真正符合 工艺要求、使变频器驱动的电机能安全运行、功率因数又相对较高的转矩提升曲线。2、变频器起动频率起动频率的参数设置是为确保由变频器驱动的电机在起动时有足够的起动转矩,避免电机无法起动或在起动过程中过流跳闸。在一般情况下，起动频率要根据变频器所驱动负载的特性及大小进行设置，在变频器过载能力允许的范围
6、内既要避开低频欠激磁区域，保证足够的起动转矩，又不能将起动频率设置太高，在电机起动时造成较大的电流冲击甚至过流跳闸。既要符合工艺要求，又要充分发挥变频器的潜力。在设置起动频率时要相应设置起动频率的保持时间，使电动机起动时的转速能够在起动频率的保持时间内达到一定的数值后再开始随变频器输出频率的增加而加速，这样可以避免电机因加速过快而跳闸。在一般情况下只要能合理设置起动频率和起动频率保持时间这两个参数即可满足电机的起动要求。变频器功能解析电动机特性的控制功能收藏此信息 打印该信息 添加：张燕宾 来源：未知1 变频引出的特殊问题1.1 异步电动机在频率下降后出现的问题异步电动机的输入输出如图 1 所
7、示。图 1 异步电动机的输入和输出(1) 问题的提出(a) 电动机的输入功率众所周知，电动机是将电能转换成机械能的器件。三相交流异步电动机输入的是三相电功率 p1:(b) 电动机的输出功率电动机是用来拖动负载旋转的，因此，其输出功率便是轴上的机械功率:式(2)中: p2电动机输出的机械功率，kw;tm电动机轴上的转矩，nm;m 电动机轴上的转速，r/min。(c) 频率下降后出现的问题毫无疑问，频率下降的结果是转速下降。这是因为，异步电动机的转速和频率有关:式(4)中: 0同步转速 (即旋转磁场的转速), r/min。由式(2)知, 转速下降的结果是:电动机的输出功率下降。然而, 式(1)表明
8、, 电动机的输入功率和频率之间却并无直接关系。如果仔细分析的话，当频率下降时，输入功率将是有增无减的(因为反电动势将减小)。输入不变而输出减少，这似乎有悖于能量守恒的原理，出现了什么问题呢？(2) 异步电动机的能量传递异步电动机的转子是依靠电磁感应(转子绕组切割旋转磁场) 而得到能量的，如图 2(a)所示。所以，其能量是通过磁场来传递的。传递过程如图 2(b)所示, 可归纳如下:图 2 异步电动机的能量传递(a) 从输入的电功率 p1 中扣除定子侧损失(定子绕组的铜损 pcu1 和定子铁心的铁损 pfe1)后，便是通过磁场传递给转子的功率，称为电磁功率，用 pm表示:(b) 转子得到的电磁功率
9、 pm 中扣除转子侧损失 (转子绕组的铜损 pcu2 和转子铁心的铁损 pfe2)，便是转子输出的机械功率 p2:显然，频率下降的结果必将导致电磁功率 pm 的“中部崛起”，这意味着磁通的大量增加。那么，pm 是如何增大的呢？(3) 定子侧的等效电路(a) 定子磁通及其在电路中的作用 如图 3(a)所示，定子磁通可以分为两个部分:图 3 定子侧的等效电路主磁通 1 主磁通 1 是穿过空气隙与转子绕组相链的部分，是把能量传递给转子的部分。它在定子绕组中产生的自感电动势称为反电动势，用 e1 表示，其有效值的计算如下式:式(7)表明，反电动势 e1 与频率 fx 和主磁通 m 的乘积成正比:在频率
10、一定的情况下，反电动势的数值直接反映了主磁通的大小。或者说，主磁通 m 的大小是通过反电动势 e1 的大小来体现的。漏磁通 0 漏磁通 0 是未穿过空气隙与转子绕组相链的部分，它并不传递能量，它在定子绕组中产生的自感电动势只起电抗的作用，称为漏磁电抗 x1，其压降为 i1x1。(b) 定子侧的等效电路图 3(b)所示即为定子绕组的一相等效电路，其电动势平衡方程如下:(c) 电磁功率的计算如上述，把能量从定子传递给转子的是主磁通 m，而主磁通 m 在电路中通过反电动势 e1 来体现，所以，电磁功率可计算如下:(d) 频率下降的后果由式(8)知, 当频率 fx 下降时，反电动势 e1 也将下降，由
11、式(10)知，这将引起电流 i1 的增大，并导致磁通 m 和电磁功率 pm 的增大。1.2 保持磁通不变的必要性和途径(1) 保持磁通不变的必要性(a) 磁通减小 任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小，导致带载能力降低。(b) 磁通增大 电动机的磁路将饱和，由于在变频调速时，运行频率 fx 是在相当大的范围内变化的，因此，如不采取措施的话，磁通的变化范围也是非常大的。它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流，如图 4 所示。图 4 的上半部是电动机的磁化
12、曲线; 下半部则是励磁电流的波形。图 4 磁化曲线与励磁电流所以，变频调速的一个特殊问题便是:当频率 fx 变化时，必须使磁通 保持不变:const(2) 保持磁通不变的方法由式(8)知，保持 const 的准确方法是:即，在调节频率时，必须保持反电动势 e1x 和频率 fx 的比值不变。但反电动势是由定子绕组切割旋转磁通而感生的，无法从外部进行控制。于是用保持定子侧输入电压和频率之比等于常数来代替:式(13)中: u1x运行频率为 fx 时的输入电压，v。所以, 在改变频率时, 必须同时改变定子侧的输入电压。设频率的调节比为:1.3 变压变频存在的问题及原因分析(1) 存在的问题(a) 衡量
13、调速性能的主要因素电动机的基本功能是拖动生产机械旋转，因此，在低频时的带负载能力便是衡量变频调速性能好坏的一个十分重要的因素。(b) 调压调频存在的问题满足式(16) 的情况下进行变频调速时，随着频率的下降，电动机的临界转矩和带负载能力(用有效转矩mex 表示) 也有所下降，如图 5 所示。图 5 频率下降(u/fc)后的机械特性(2) 临界转矩下降的原因分析(a) 电磁转矩的产生 异步电动机的电磁转矩是转子电流和磁通相互作用的结果。因此，问题的关键便是:在满足式(16)的情况下，低频时能否保持磁通量基本不变？(b) 电磁转矩减小的原因 式(9)可以改写为:式(17)表明，反电动势是定子侧输入
14、电压减去阻抗压降的结果。当频率 fx 下降时，输入电压 u1x 随之下降。但在负载不变的情况下，电流 i1 及其阻抗压降却基本不变 , 于是反电动势 e1x 所占的比例必将减小。由式(12)知, 磁通 m 也必减小，磁通不变的要求并没有真正得到满足，结果是导致电动机的临界转矩也减小。2 v/f 控制功能2.1 v/f 控制模式(1) 指导思想为了确保电动机在低频运行时，反电动势和频率之比保持不变，真正实现 const，在式(16)的基础上，适当提高 u/f 比，使 kukf ，从而使转矩得到补偿，提高电动机在低速时的带负载能力。如图 6 中之曲线所示(曲线是 kukf 的 u/f 线)。这种方
15、法称为转矩补偿或转矩提升，这种控制方式称为 v/f 控制模式。图 6 转矩补偿(2) 基本频率 与变频器的最大输出电压对应的频率称为基本频率，用 fba 表示。在大多数情况下，基本频率等于电动机的额定频率，如图 7 所示。 图 7 基本频率(3) 基本 u/f 线 在变频器的输出频率从 0hz 上升到基本频率 fba 的过程中, 满足 ku=kf 的 u/f 线, 称为基本 u/f 线, 如图 8(a)所示。图 8 基本 u/f 线(4) 弱磁点当电动机的运行频率高于额定频率时，变频器的输出电压不再能随频率的上升而上升，如图 8(b)中之点以后所示。在这种情况下，由于 u/f 比将随频率的上升
16、而下降，电动机磁路内的磁通也因此而减小，处于弱磁运行状态。因此，通常把转折点称为弱磁点。2.2 u/f 线的选择功能(1) 不同负载在低速时对转矩的要求 各类负载在低速时所呈现的阻转矩是很不一样的, 例如:(a) 二次方律负载阻转矩与转速的二次方成正比，如图 9 中的曲线所示。低速时的阻转矩比额定转矩小得多;图 9 各类负载的机械特性(b) 恒转矩负载在不同的转速下, 负载的阻转矩基本不变, 如图 9 中之曲线所示。低速时的阻转矩与额定转速时是基本相同的 ;(c) 恒功率负载在不同的转速下，负载功率保持恒定，其机械特性呈双曲线状，如图 9 中之曲线所示。低速时的阻转矩比额定转速时还要大得多。(
17、2) 变频器对 u/f 线的设置 因为每台变频器应用到什么负载上是不确定的，而不同负载在低频时对 u/f 比的要求又很不一致。为此，各种变频器在 v/f 控制模式下，提供了任意预置 u/f 比的功能。使用户可以根据电动机在低速运行时负载的轻重来选择 u/f 比，如图 10 所示。 图 10 变频器为用户提供的 u/f 线(3) u/f 线的预置要点(a) 预置不当的后果如果负载在低速时的转矩较大而转矩补偿(u/f 比) 预置得较小，则低速时带不动负载。反之, 如果负载在低速时的转矩较轻而转矩补偿(u/f 比)预置得较大，则补偿过分，低速时电动机的磁路将饱和，励磁电流发生畸变，严重时会因励磁电流峰值过高而导致“过电流”跳闸。(b) 预置要点 调试时，u/f 比的预置宜由小逐渐加大，每加大一档，观察在最低频时能否带得动负载？及至能带动时，还应反过来观察空载时会不会跳闸？一直到在最低频率下运行时，既能带得动负载，又不会空载跳闸时为止。3 矢量控制功能3.1 基本思想(1) 对直流电动机的分析在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的。究其原因，是因为它具有两个十分重要的特点:
