预置好变频器的功能

预置好变频器的功能张燕宾张燕宾先生，宜昌市自动化研究所高级工程师。关键词：变频器转矩提升节能预置笔者每年都有机会接触到许多应用变频器的工程技术人员，又常常接到咨询电话，从而了解到：许多用户在安装好变频器并通电后，只要能转起来，就直接使用了；未曾针对生产机械的具体情况对变频器的各项功能进行准确的调整。实际上，变频调速系统的性能往往和生产机械并未很好地吻合。本文以最重要的两种功能作为例子，来说明正确预置变频器功能的重要性。—作者序一“转矩提升”关系重大迄今为止，我国变频器用户中的绝大部分，仍习惯于应用“U/f”控制模式，而在“U/f”控制模式中，正确预置“转矩提升”功能是十分重要的。1.“转矩提升”功能的含义(1)能量守恒要求电压随频率而降当频率下降时，转速nM必下降。在负载转矩TL(＝TM)不变的情况下，输出功率也必下降：P2=9550nTMM根据能量守恒的原理，输入功率也必须下降。但输入功率中的电流I1是用来产生磁通并传递能量的，所以在负载转矩不变的情况下，I1是不能减小的。因此，只能通过减小电压U1，来保持输入与输出之间的能量平衡。设：当频率下降为fX时，电动机输入的对应电压为UX，则：频率调节比为：kF=Nxff电压调节比为：kU=NxUU以上两式中的fN和UN分别是额定频率和额定电压。当kU=kF时，说明电压是和频率成正比下降的：xxfU=const(2)为什么要提升转矩？从输入功率到输出功率之间，还有损耗功率。当频率下降时，在负载转矩不变的情况下，由于电流大小也不变，所以，这些损耗功率几乎是不变的。就是说，当输入功率随频率而下降时，损耗功率在输入功率中所占的比例将增大，而输出功率在输入功率中所占的比例则减小。由于电动机轴上的转速是由频率决定的，故输出功率所占比例减小的具体反映便是电磁转矩的减小，这就降低了电动机的带负载能力。为了不降低电动机带负载的能力，当电压和频率同时下降时，应该在kU=kF的基础上适当地加大一点电压，使kU＞kF。因为加大电压的目的是为了增大转矩，故称之为转矩提升，也有叫电压提升或转矩补偿的。转矩提升的多少，实际上反映了电压与频率比值的大小。因此，通常也叫作调节U/f比。2.“转矩提升”与电动机电流(1)U/f比和磁通大小的关系如果输入功率和输出功率之间不平衡的话，将直接影响起传递作用的电磁功率PM的大小，具体地，则是影响磁通φ的大小。就是说，U/f比的大小是和磁路内磁通φ的大小密切相关的。简言之，则当频率下降为fX时，有：U/f↑→kU＞kF→P1X↑→φ↑U/f↓→kU＜kF→P1X↓→φ↓(2)磁通大小对电动机工作的影响在正常情况下，电动机磁路内的磁通大小应该保持恒定，原因如下：磁通f减小，由于异步电动机的电磁转矩TM是转子电流I2与磁通f相互作用的结果：TM=KTI2φcosφ2式中，KT—转矩常数；I2—转子绕组的电流，A；cosφ2—转子侧的功率因数。该式表明，磁通φ减小，将导致电磁转矩的减小，从而减小电动机的带负载能力。磁通φ增大，将使电动机的磁路进入饱和段，结果是导致励磁电流的波形严重畸变，产生很大的尖峰波，如图1所示。电动机的磁通与励磁电流间的关系，遵循磁化曲线的规律，如图1a和图1b中的曲线①所示。正常情况下，电动机的磁路工作在不饱和区，如图1a中之A'A段，当磁通大小在－f1～+f1之间交变时，励磁电流如图1a中之曲线②所示，其振幅值较小。如果因为U/f比增大而使磁通峰值增大至φ2时，虽然与φ1相比，增加得不多，但由于磁路饱和的原因，磁化曲线上的工作区域为B'B段。当磁通大小在-φ2～+φ2之间交变时，励磁电流如图1b中之曲线③所示，其波形严重畸变，峰值剧增，有可能使变频器因过电流而跳闸。3.“转矩提升”与节能效果在数量上占多数的离心式风机和水泵属于二次方律负载，二次方律负载进行变频调速时，通常都采用U/f控制方式。不少用户未对转矩提升功能进行必要的调整，实际上用的是出厂设定。其结果是：影响变频调速系统的节能效果。或者说，未能充分发挥变频调速系统在节能方面的优越性。因为变频器的出厂设定还需要兼顾各种机械的特性。就U/f比而言，出厂设定的原则是应能使大部分负载起动起来。然而，当应用于离心式风机和水泵时，U/f比的出厂设定是偏大的。(1)U/f比偏大的结果当风机在低频运行时，U/f比偏大相当于电压偏高，电动机机械特性如图2a所示。图中，曲线①是水泵的机械特性，曲线②是异步电动机的自然机械特性，曲线③是频率下降后的机械特性。由图知，如果在额定转速时，电动机的额定转矩正好和水泵的额定转矩相等的话，则在低频运行时，由于负载转矩TLD下降较多，而电动机的有效转矩TEX却减小有限，使拖动系统处于“大马拉小车”的状态。众所周知，异步电动机在“大马拉小车”的状态下运行时，其效率和功率因数都较低。两者之间又有一定的联系。如图2b所示，在电流的有功分量I1a相等的前提下，cosφ越低(φ角越大)，则定子电流越大，定子的铜损也必增大，效率也越低。结果是影响了节能效果。(2)变频器的节能对策针对上述情形，变频器在“转矩提升”功能中，专门设置了电压的负补偿功能，说明书中常称为低减U/f比。如图3所示。图3a中的曲线'④是变频器配置的低减U/f线，曲线④是压频比为常数时的U/f线。由图知，当运行频率下降为fX时，压频比为常数时的电压为UX1，电动机的机械特性如图3b中之曲线③，有效转矩点为EX点，而采用低减压频比时的电压将下降至UX2，电动机的机械特性如曲线'③，有效转矩点为EX'点，与拖动系统的工作点D'十分接近，“大马拉小车”的状态得到了缓解。所以，正确地预置好变频器的功能，可使电动机进一步节能。4.变频器提供的U/f线各种变频器都提供了可供用户选择或预置的U/f线。不同的变频器所提供U/f线的形状不尽相同，主要有以下几种类型：(1)直线形正补偿部分的U/f线均为直线，此外，还有两条用于风机、水泵类负载的负补偿线。(2)折线形高频部分不补偿，只补偿低频部分。高频与低频之间的转折频率ft以及低频时的补偿程度UC%由用户预置决定。(3)任意折线形变频器提供了两个或多个转折点，因而U/f线的形状可由用户任意设定。5.从负载的低频特性入手预置好转矩提升功能从上面的分析可以归纳出：U/f比太小，则低频时或带不动负载，或难以起动；U/f比太大，则低频运行时或不节能，或因磁路高度饱和而过电流跳闸。这里，U/f比的大小，是一个相对概念，是相对于负载的低速转矩而言的。因此，要正确预置转矩提升功能，关键是必须充分了解负载在低速运行时的转矩大小，以及起动时的特点。下面，就几种常见的负载类型进行说明：(1)调速范围较广的恒转矩负载这种负载的机械特性如图4a中之曲线①所示，其典型代表如带式输送机、起重机等。特点是在较低转速下运行时，电动机也必须有足够大的电磁转矩。在预置转矩提升功能时的主要矛盾是低频运行时也必须带得动负载。部分负载有较大的静摩擦转矩，要求有较大的起动转矩，如图4a中之曲线②所示，带式输送机就具有这种特点。对于这种负载，则低速时的U/f比应预置得更大一些。(2)调速范围较窄的恒转矩负载有的负载是轻载起动、重载运行，且重载运行的转速范围较窄，如图4b中之曲线③所示。对于这种负载，是否需要转矩提升，以及提升多少，主要看重载时的最低运行频率。一般说来，最低运行频率在额定频率的50%以上者，可以不必提升，或少量提升。(3)恒功率负载主要代表是卷绕机械，就变频器功能预置的特点而言，金属切削机床也可以归于这一类，其机械特性如图4c中之曲线④所示。这类负载由于调速范围广，且低速时负载转矩大，一般不宜采用U/f控制方式。如已经购买了只有U/f控制方式的变频器，则应根据转速越低，转矩越大；转速越高，转矩越小的规律进行预置。(4)二次方律负载主要代表是离心式风机和水泵，其机械特性大体上与转速的二次方成正比，如图4d的曲线⑤所示。对于这类负载，低频运行时，非但不需要进行补偿，相反，应选用低减U/f比，进行负补偿。6.几个预置不当的实例a.对负载特点不作分析某变频器经销公司的售后服务人员，为用户安装好变频器，并在空载情况下进行了试运行后就回去了。但在实际工作中，该机械是要加负载后再起动的。结果一加负载就起动不起来了。上述用户通过和笔者的电话咨询，加大了转矩提升，机械就起动起来了。但在额定频率(50Hz)下运行时，转速偏低(比工频运行时低)，又预置了转差补偿功能后，用户感到十分满意。b.顾重不顾轻某离心浇铸机，电动机容量为110kW，选用日立SJ300系列变频器。开始起动时能转起来，但升速到5Hz就过电流跳闸。机械的工况是：浇铸机空载起动，起动到所要求的转速后，浇入铁水；浇入铁水后负载很重，但所要求的调速范围不大，约为(80～100)%nN，日立SJ300系列变频器U/f线的特点如图5b所示，为折线型：刚起动时，U/f比从0开始逐渐增大；到达转折点(图5b中之C点)后U/f比不再改变。相应的功能码及用户预置的情况是：功能码A042—预置补偿程度，由于用户考虑到加入铁水后负荷很重，故数据码预置为上限值20%；功能码A043─预置转折点位置，用户预置为10%，(相当于5Hz)。用户预置的U/f线如图5b中之曲线④所示。针对上述情况，对跳闸原因分析如下：(1)负载的机械特性未浇入铁水时，电动机能起动起来，说明负荷不重；浇入铁水后，负荷加重，但调速范围不大，是40～50Hz。所以，负载的机械特性如图5a中的曲线①所示。(2)用户的预置结果曲线④与完全补偿线十分接近，电动机在变频过程中可以得到恒转矩的有效转矩线，如图5a中之曲线②所示。由图知，在未浇入铁水前，电动机的有效转矩比负载转矩大很多，处于补偿过分的状态，特别是在5Hz时(10%fN，图5b中之C点)，补偿量最大。这时的跳闸，是由于磁路严重饱和，励磁电流产生很大的尖峰波而引起的。事实上，在40Hz以上运行时，是可以不进行转矩补偿的。所以，取图5b中之曲线⑤所示的基本U/f线就可以了。具体方法是：将功能码A042和A043中的数据码都调到“0”即可，所得到的有效转矩线如图5a中之曲线③所示。c.“买来就用”某水泵厂，在水泵出厂时，大部分水泵为用户配置了变频器。但他们在配置变频器时，不知道还需要对各项功能在出厂设定的基础上进行必要的调整，而采取“拿来就用”的方法。这种做法将使变频器的许多功能不能充分发挥作用。以转矩提升功能为例，各种变频器在出厂时的转矩提升量都“＞0”，而大多数水泵都是离心式的，属于二次方律负载。从节能的角度出发，是应该采用“变转矩提升”中的低减U/f线的。因此，该厂的水泵虽然为用户配置了变频器，但未能充分发挥变频调速在节能方面的功效。二“加、减速时间”预置要点加速时间与减速时间也是与生产机械特性密切相关的功能。预置得正确与否，直接影响电力拖动系统的过渡过程。所以，也一定要根据生产机械的特点和要求正确预置。1.加速时间与电流的关系预置加速时间的长短，实际上也就预置了在加速过程中，频率上升的快慢。加速时间短，则频率上升快，由于拖动系统存在惯性的原因，存在着电动机转子的转速能不能跟得上频率上升的问题。当加速时间ta1较长时，频率fX上升较慢，电动机的转速nM1能够跟上频率的上升。这时，转子与旋转磁场之间的转差Δn1较小，转子绕组切割磁力线后产生的感应电动势和感应电流也较小，故加速电流不大。如果将加速时间缩短为ta2，则电动机的转速nM2将跟不上频率fX的上升。这时，转子与旋转磁场之间的转差Δn2较大，转子绕组中的感应电动势和感应电流也较大，故加速电流上升。所以，加速时间预置得太短，有可能导致因过电流而跳闸。2.减速时间与直流电压的关系(1)频率下降时的电动机状态当频率下降时，旋转磁场的同步转速立即下降，但转子的转速因为有惯性的原因不可能立即下降，于是出现了转子的转速大于同步转速的情形，转子绕组切割磁力线的方向与原来相反了，绕组中感应电动势和感应电流的方向也都相反了，如图6左下方所示，电动机变成了发电机，处于再生制动状态。电动机在再生制动状态发出来的电能经6个与逆变管反