第五章 第五章
第五章 变频器的选择与安装 变频器的选择与安装 变频器的选择与安装 变频器的选择与安装
变频器的选择与安装是应用过程中的一个重要环节，选型不当会造成变频器 不能充分发挥其作用；安装不规范会使变频器因散热不良而过热；布线不合理会使 干扰增强，这些都可能造成变频器工作不正常。本章主要学习变频器选择与安装方 面的基本知识。
第一节 负载的机械特性及传动机构 一、机械传动系统
由电动机、传动机构和负载组成
电动机是系统的动力源，由它拖动系统运行。
最简单的传动系统，由电动机、连轴器和负载组成，电动机输出转矩 TM， 它与负载的阻转矩 TL大小相等，方向相反，即
TM＝TL （5-1）
当电动机以转速 n 运行时，输出功率为
9550 nTM
p= （5-2）
式中：n — 电动机转速，单位r/min； 图 5-1 传 动系统
TM — 电动机输出转矩，单位N.m；
p — 电动机轴输出功率，也是负载侧消耗的总功率，单位kW。 由第一章中的介绍已经知道，电动机的机械特性 n= f(TΜ)，它必须与 负载的机械特性n= f(TL)相匹配，整个传动系统才能正常工作。下面对几种 二、典型负载的机械特性加以分析。
1．恒转矩负载
这类负载的转矩不随转速的变化而变化，而是一恒定值。
例如起重机的位能性负载，。
电动机拖动卷绕轮将重物吊起，重物受到地球引力为FL，卷绕轮的半径
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为 r，则负载转矩为 TL = r FL。不管电动机的转速如何，因为 FL不变，TL 不变，所以这类负载具有恒转矩特性。
除了电梯、卷扬机、起重机、抽油机等位能性负载具有恒转矩特性之 外，摩擦类负载也是具有恒转矩特性的负载，如传送带、搅拌机、挤压成型 机、造纸机等。恒转矩负载的机械特性如图 5-3 中直线①所示，这类负载当
转速发生变化，其负载功率与转矩成线性关系，如图 5-3 中直线②所示。
最后要说明的是，恒转矩负载只是转矩不随转速的变化而变化，而转矩 会随负载自身的变化而变化，如起重机的重物发生了变化，则转矩也会发生 变化。
2．恒功率负载
当负载的转速发生变化时，其转矩也随着变化，而负载的功率始终为一 恒定值。例如，车床以相同的切削线速度和吃刀深度加工工件时，若工件的 直径大，则主轴的转速低；若工件的直径小，则主轴的转速高，保持切削功 率为一恒定值。又如卷绕机，开始卷绕时卷绕直径小，转矩小，则卷绕速度 高；当卷绕直径逐渐增大时，转矩增大，则卷绕速度降低，保持卷绕功率为 一恒定值。恒功率负载的机械特性如图 5-4 中直线①所示，其转速与转矩之 间的关系如图示。
3．平方转矩负载
风机、泵类等流体机械，当叶轮转动时其工作介质（如空气、水、油等）
对叶轮的阻力大致与叶轮转速的平方成比例。当叶轮的转速较低时，流体的 流速低，对叶轮的阻力小。随着叶轮转速的增加，流体的流速加快，对叶 轮的阻力按转速的二次方比例增加，即 TL =kn2。平方转矩负载的机械特性 如图 5-5 所示，曲线①是转矩特性，曲线②是功率特性。
由特性曲线可见，这类负载起动转矩小，随着转速的升高，转矩也在增 大；其负载功率与转速的三次方成比例，转速发生变化，其负载功率就有较 大变化，所以这类负载用变频器调速具有很好的节能效果。
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三、齿轮传动机构
变频器在风机、泵类等负载中应用，主要目的是利用变频器对负载流量
负载应用。选择和应用变频器时要注意以下几个问题：
（1）合理选择变频器的容量 一般应用时，选择变频器的容量等于电 动机的容量即可。但空气压缩机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉等 负载，由于电动机工作时冲击电流很大，所以选择时应留有一定的余量。
对新设计系统，可先计算出电动机容量，然后再根据电动机的工作性质 选择变频器容量。电动机的容量可由下式来计算：
3 P C
10− ρ ×
= η η P QH
（5-9） 式中：P－电动机轴输出功率，单位为kW；
Q－流量，单位为m3/s；
H－全扬程，吸程和扬程总合，单位为m； ηc－ 电动机及传动装置效率，一般取0.8。 ηP－ 泵效率，一般取0.6~0.7。
ρ－ 液体的密度，单位为kg/m3。
（2）处理好工频－变频切换 风机、泵类负载运行中往往需要进行工 频－变频切换，原因是，一方面变频运行在不满载的情况下才可达到节能的 目的，如果风机工作在高风量区（90％~100％）、泵类工作在大流量区，变 频运行反而不如工频运行合适；另一方面，当变频器跳闸或出现故障停止输 出时，为使电动机继续运转，需将电动机由变频运行切换到工频运行。因此 风机、泵类用变频器都采用工频－变频切换电路。由于变频器的输出为电子 开关电路，过载能力差，在切换时要考虑变频器的承受能力。
①由工频运行切换到变频运行时，先将电动机断电，让电动机自由降速 运行。同时检测电动机的残留电压，以推算出电动机的运行频率，使接入变 频器的输出频率与电动机的运行频率一致，以减小冲击电流。
②当变频运行切换到工频运行时，采用同步切换的方法，即变频器将频
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率升高到工频，确认频率及相位与工频一致时再进行切换。
（3）起动瞬停再起动功能 对一些重要设备或无人看管的节能设备，
当电源瞬时停电时，要求变频器具有“在复电后能够重新起动”的功能，以 保证电动机连续运转。
（4）设置合适的运行曲线 一般变频器都有多条 U∕f 补偿运行曲线。
为了达到节能的目的，变频器要选择平方律补偿曲线或将变频器设置为节能 运行状态。
（5）风机、泵类负载一般采用连轴器传动即可满足工作要求。
二、机械传动系统变频器的选择
选择机械传动用变频器，除了考虑节能效果之外，更多的是考虑变频器 是否能满足传动要求。下面介绍不同应用场合变频器的选择。
1．机床用变频器的选择
机床采用变频器作为主轴电动机的驱动系统，不仅可以简化机床的传动结构，
提高产量和产品加工精度，同时可以方便地由数控系统发出的指令进行转速控制。
因此数控机床主轴电动机均采用变频器驱动，而老式机床经过数控改造后亦可大大 提高机床的性能。
（1）数控车床 老式车床的主轴是齿轮传动调速，最多只有 30 种速 度可供选择，无法进行恒线速切削控制，影响工作效率及工件表面加工质量。
直流电动机虽可进行无级调速，但由于存在电刷维护困难、最高转速受限等 问题，也使其应用受到影响。近年来随着通用型变频器的问世，数控车床的 主轴电动机改为变频器驱动。由变频器驱动主轴电动机，可以根据切削需要 改变主轴的转速，还可以由数控系统控制主轴运行、停止，正、反转以及与 进刀系统保持严格的传动比关系，完成工件的自动加工，从而大大提高工作 效率和工件的成品率。图 5-10 是数控车床应用变频器框图，图 5-11 是车削 工件刀具轨迹和主轴转速图。由图 5-11 可见，随着工件直径的变化，主轴转 速亦随着变化，保持刀具的恒线速切削。
数控车床一般可选用普通 U∕f 控制变频器，为了提高控制精度选用矢
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量控制变频器效果更好。考虑到车床的急加速或偏心切削等问题，可适当加 大变频器的容量；为了提高低速切削时的主轴转矩，可采用一级降速齿轮传 动。
（2）立式车床 立式车床是加工大型圆盘类工件的车床，主轴立式安 装，圆盘类工件水平装卡在卡盘上。
立式车床的主轴也是通过齿轮分档调速。当圆盘类工件的端面需要连续 从外加工到中心时，由于中途一般不可变速，刀具越接近中心线速度越小，
工件表面粗糙度增加，机床效率下降。为解决这一问题，立式车床可采用变 频调速。
立式车床为重型机床，主轴电动机在 22~100kw，主轴及卡盘的惯性很 大，是电动机惯性的 10 倍以上。在断续切削时是一冲击性负载，但由于有 主轴惯性，相当于配有很大的飞轮，因此选择变频器时可不增大变频器的容 量。由于主轴有很大惯性，选用变频器时要特别注意到制动装置和制动电阻 的容量。立式车床选择通用 U∕f 控制变频器即可满足要求。
立式车床采用变频器传动取消了变速箱、离合器等机械变速部分，使机 床维护大为改善；变频器可无级调速，使工件可恒线速切削，提高了效率和 加工质量。图 5-12 和图 5-13 是立式车床调速框图和刀具位置与主轴速度图。
2．大惯性负载变频器选择
大惯性负载如离心泵、冲床、水泥厂的旋转窑等，此类负载的惯性很大，
起动速度慢，起动时可能会产生振荡，电动机减速时有能量回馈。此类负载 可选择通用 U∕f 控制变频器，为提高起动速度，可加大变频器的容量，以 避免振荡；使用时要配备制动单元，并要选择足够容量的制动电阻。
3．不均匀负载变频器选择
不均匀负载是指系统工作时负载时轻时重，例如轧钢机、粉碎机、搅拌机等。
对不均匀负载选择变频器容量，要以负载最大时进行测算；如没有特殊要求，可选 择通用 U∕f 控制变频器。轧钢机除了工作时负载不均匀之外，对速度精度要求很 高，原来多采用直流电动机拖动，随着大功率、高性能矢量控制变频器的出现和价 格的降低，现在很多轧钢机都选用高性能矢量控制变频器拖动。
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4．流水线用变频器选择
式中：ION — 变频器输出额定电流，单位为 A；
I1、I2 、I3 — 各运行状态下平均电流，单位为 A；
I1、I2 、I3 — 各运行状态下平均电流，单位为 A；