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【西门子变频器的理解与调试】

news 2025/11/10 10:47:21

变频器常识

1.1 变频器是一种什么器件？

主要功能是通过改变器件输出频率与电压来改变电动机的频率。随着变频技术的不断发展，现在的一些高性能变频器（如西门子矢量变频器等）不仅能够控制变频器的频率，而且对电动机的转矩控制、远程通讯控制等方面也已非常成熟稳定。即变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的一种电力电子装置。

1.2 变频器对电动机控制的应用特点如下：

1启动与停止的柔性控制

2调速

3转矩控制

4过载保护、参数检测、控制设备精度等

这些特点在工业控制中都起到了非常重要的作用，如今，在工业设备控制的各行各业都能够看到变频器的应用

5节能

1.3 变频的调速原理

n=60fp×(1-s)

式中：n是异步电动机的转速，p电动机的极对数(4极=2对)

f是异步电动机的频率，s是电动机的转差率（同步转速-异步转速）/同步转速

●r/min：电机旋转速度单位，即每分钟旋转次数，也可表示为rpm（如rpm1430）。电机的旋转速度同频率成比例。

●电机的旋转速度取决于电机的极数和频率。电机的极对数一般是固定不变的，所以不适合改变极对数来调节电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。

ϕ=Uf 磁通不变，频率和电压都要调

1.4 变频器控制的对象，电动机特性电动机功率/转速/转矩/电流的关系

T=K×ϕm×I×cosφ(ϕm是主磁通，保持恒定）

P=T×n9550

T=9550×Pn

电动机的电流取决于负载的大小，转矩是由负载决定的，转速越快功率越大

T 是扭矩,单位N·m,P 是输出功率,单位KW, n 是电机转速,单位r/min

当电机的负载变化时,根据公式可以看出,Φm不变,只能是I随着T正比变化。

关键理解说明：

转矩的大小只是与电动机电流大小有关，即：转矩大小取决于负载大小；
在负载不变（转矩不变）的情况下，电动机的转速越大，功率就越大；
电动机的功率大小取决于负载转矩与电动机转速大小

★为什么异步电动机启动电流大？

异步电动机的工作原理和变压器是一样的，都是利用电磁感应原理实现原方和付方的能量转换。变压器的付方电流取决于负载阻抗，而电动机转子电流取决于转子转速与同步速之间的转差。当电动机启动瞬间，转子还没有转动，定子线圈形成的磁场以同步速掠过转子线圈，这时转子回路感应电势和电流达到最大值，相对的定子电流也达到最大值，这就是为什么启动电流很大的道理。

★为什么三相交流异步电动机负载越大电流越大？

∵转差率

S=n1-nn1×100%

其中：n1——交流电动机定子旋转磁场转速，N——交流电动机转速

∴当频率和电压一定时，转差与负载有关，当负载增大时，电动机转子转速下降，此时转差增大，转子切割磁力线速度 V 增加（定子旋转磁场转速是不变的），感应电势

E=BLVsinθ

增大，转子电流增大（定子电流同步增大），转矩增大，直到与负载转矩平衡为止。即，负载增大——转差率 S 增大——转子电流 I 增大 ——转动力矩 T 增大直到平衡。

1.5 正弦波PWM脉宽调制的定义

通过改变逆变电路开关器件交替导通的时间，从而改变逆变器输出波形的频率；通过改变每半周内逆变电路开关时间比，即改变脉冲宽度，来改变逆变器输出电压幅值的大小。

1.6 变频器的负载类型

恒转矩负载（V/F）：当频率增加时，为了保持相同的磁通水平，必须相应增加电压。例如，若电机的额定频率为50Hz，则对应的额定电压也应设定为额定值。在实际应用中，电压与频率的比值（V/F比）保持恒定，以确保电机可以在不同转速下稳定运行。

负载转矩 T 与转速 n 无关，任何转速下 T 总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。

变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。因此，选择变频器时，应选择通用型变频器。

恒功率负载（转矩控制）:

机床主轴、轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。（外部负载T在不断变化）因此，选择变频器时，应选择矢量型变频器。

(a) 恒功率负载是指负载转矩的大小与转速大小成反比。

即：由于P=常数T=9550P/N

(b) 功率特性：

由于转矩的大小与转速大小成基本线性反比所以：P=T*n/9550

总结：转速越大转矩越小，转速越小转矩越大，功率恒定

2次方律负载（大大节能）

在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。

例如:将供电频率由50Hz降为45Hz，则P45/P50=（45/50）的3次方=0.729，即P45=0.729P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为40Hz，则P40/P50=（40/50）的3次方=0.512，即P40=0.512P50（P为电机轴功率）。

水泵和风机消耗功率与转速的三次方成正比。即T=k*n²、P=k n³

P：为水泵和风机消耗功率；

n：为水泵和风机运行时的转速；

K为比例系数。而水泵和风机设计是按工频运行时设计的，但除高速外，大部分时间流量较小，由于采用了变频技术及微机技术有微机控制，因此可以使水泵和风机运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵和风机运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%。

采用变频器调速时，可以根据实际工艺需要方便地控制速度。例如：当电机转速为额定转速的80%时，负载功率为额定功率的（80%）的三次方，即50%左右。这样可见，转速下降二成，节能达四成多。同时，可以方便地实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。使用变频器避免了起动时对电网的冲击，降低设备故障率，消除震动和水锤现象，延长设备使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。

风机启动：电机启动在加速过程中，会吸入大量空气产生阻力，再加上本身叶片的负荷，造成电机负荷过大，容易烧毁，所以，先关闭风门，待完全启动后，叶片的负荷，可以减小了，再一点一点加大风量，让负荷一点一点增加，这样就不会给电机一下过大的负荷。

风机风量的定义为：风速V与风道截面积F的乘积。(其实风速是由压力产生的)

所以：风道截面积减少时，风量就减少，负载就减少，启动时电动机电流就小。其实泵也是一样：管道流量=管道横截面积乘流速（其实流速是由压力产生的）。而流量决定负载大小。