西門子變頻器參數設置的探討

0 引言

　　近十多年來，隨著大規模集成電路、計算機控制技術以及現代控制理論的發展，特別是矢量控制技術的應用，使得交流變頻調速技術逐步具備了寬調速范圍、高穩速精度、快動態響應，以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能，調速特性可與直流電力拖動相媲美。在交流調速技術中，由于變頻調速的調速性能與可靠性在不斷完善，價格也在不斷降低，特別是它的節電效果明顯，實現變頻調速極為方便，因此，在一切需要速度控制的場合，變頻器以其操作方便、體積小、控制性能高而獲得廣泛的應用。變頻器在使用中出現的一些問題大多情況下都是因為變頻器參數設置不當引起的。西門子Micromaster 440變頻器可設置的參數有幾千個，只有系統合適、準確地設置參數才能充分利用變頻器性能[1]。

1 控制方式選擇

　　變頻器控制方式的選擇由負荷的力矩特性決定，電動機的機械負載轉矩特性

　　P= Tn/ 9 550 （1）

　　式中：P為電動機功率（kW）；

　　T為轉矩（N·m）；

　　n為轉速（r/ min）。

　　轉矩T與轉速n的關系根據負載種類大體可分為3種[2]。

　　1）即使速度變化，轉矩也不太變化的恒轉矩負載，此類負載如傳送帶、起重機、擠壓機、壓縮機、羅茨風機等。

　　2）隨著轉速的降低，轉矩按轉速的平方減小的負載，此類負載如風機、各種液體泵等。

　　3）轉速越高，轉矩越小的恒功率負載，此類負載如軋機、機床主軸、卷取機等。

　　變頻器提供的控制方式有V/f控制、矢量控制、力矩控制。V/f控制中有線性V/f控制、拋物線特性V/f控制。將變頻器參數P1300設為0，變頻器工作于線性V/f控制方式，將使調速時的磁通與勵磁電流基本不變。適用于工作轉速不在低頻段的一般恒轉矩調速對象。

　　將P1300設為2，變頻器工作于拋物線特性V/f控制方式，這種方式適用于風機、水泵類負載。這類負載的軸功率N 近似地與轉速n 的三次方成正比。

　　其轉矩M近似地與轉速n的平方成正比。對于這種負載，如果變頻器的V/f特性是線性關系，則低速時電機的可用轉矩遠大于負載轉矩，從而造成功率因數和效率的嚴重下降。為了適應這種負載的需要，使電壓隨著輸出頻率的減小以平方關系減小，從而減小電機的磁通和勵磁電流，使功率因數保持在適當的范圍內。

　　可以進一步通過設置參數使V/f 控制曲線適合負載特性。將P1312在0至250之間設置合適的值，具有起動提升功能。將低頻時的輸出電壓相對于線性的V/f 曲線作適當的提高以補償在低頻時定子電阻引起的壓降導致電機轉矩減小的問題，適用于大起動轉矩的調速對象。

　　變頻器V/f 控制方式驅動電機時，在某些頻率段，電機的電流、轉速會發生振蕩，嚴重時系統無法運行，甚至在加速過程中出現過電流保護，使得電機不能正常啟動，這在電機輕載或轉矩慣量較小時更為嚴重。可以根據系統出現振蕩的頻率點，在V/f曲線上設置跳轉點及跳轉頻帶寬度，當電機加速時可以自動跳過這些頻率段，保證系統能夠正常運行。從P1091 至P1094 可以設定4 個不同的跳轉點，設置P1101確定跳轉頻帶寬度。

　　有些負載在特定的頻率下需要電機提供特定的轉矩，用可編程的V/f控制對應設置變頻器參數即可得到所需控制曲線。設置P1320、P1322、P1324 確定可編程的V/f特性頻率坐標，對應的P1321、P1323、P1325為可編程的V/f特性電壓坐標。

　　參數P1300設置為20，變頻器工作于矢量控制。

　　這種控制相對完善，調速范圍寬，低速范圍起動力矩高，精度高達0.01%，響應很快，高精度調速都采用矢量控制SVPWM。

　　參數P1300設置為22，變頻器工作于矢量轉矩控制。這種控制方式是目前國際上最先進的控制方式，其他方式是模擬直流電動機的參數，進行保角變換而進行調節控制的，矢量轉矩控制是直接取交流電動機參數進行控制，控制簡單，精確度高。

2 快速調試

　　在使用變頻器驅動電機前，必須進行快速調試。

　　參數P0010設為1、P3900設為1，變頻器進行快速調試。快速調試完成后，進行了必要的電動機數據的計算，并將其它所有的參數恢復到它們的默認設置值。

　　在矢量或轉矩控制方式下，為了正確地實現控制，非常重要的一點是，必須正確地向變頻器輸入電動機的數據，而且，電動機數據的自動檢測參數P1910必須在電動機處于常溫時進行。當使能這一功能（P1910 =1）時，會產生一個報警信號A0541，給予警告，在接著發出ON 命令時，立即開始對電動機參數的自動檢測。

3 加減速時間調整

　　加速時間就是輸出頻率從0 上升到最大頻率所需時間，減速時間是指從最大頻率下降到0 所需時間。加速時間和減速時間選擇的合理與否對電機的起動、停止運行及調速系統的響應速度都有重大的影響。加速時間設置的約束是將電流限制在過電流范圍內，不應使過電流保護裝置動作。電機在減速運轉期間，變頻器將處于再生發電制動狀態。傳動系統中所儲存的機械能轉換為電能并通過逆變器將電能回饋到直流側。回饋的電能將導致中間回路的儲能電容器兩端電壓上升。因此，減速時間設置的約束是防止直流回路電壓過高。加減速時間計算公式為

　　ta=（JM+JL）n/9.56（TMA-TL） （加速時間） （2）

　　tb=（JM+JL）n/9.56（TMB-TL） （減速時間） （3）

　　式中：JM為電機的慣量；
　　JL為負載慣量；
　　n為額定轉速；
　　TMA為電機驅動轉矩；
　　TMB為電機制動轉矩；
　　TL為負載轉矩。

　　加減速時間可根據公式算出來，也可用簡易試驗方法確定[3]。首先，使拖動系統以額定轉速運行（工頻運行），然后切斷電源，使拖動系統處于自由制動狀態，用秒表計算其轉速從額定轉速下降到停止所需要的時間。加減速時間可首先按自由制動時間的1/2到1/3進行預置。通過起、停電動機觀察有無過電流、過電壓報警，調整加減速時間設定值，以運轉中不發生報警為原則，重復操作幾次，便可確定出最佳加減速時間。

4 轉動慣量設置

　　電機與負載轉動慣量的設置往往被忽視，通常認為只需加減速時間的正確設置就可以保證系統正常工作[4]。其實，轉動慣量設置不當會使得系統振蕩，調速精度也受到影響。轉動慣量公式為

　　J=T/（d棕/dt） （4）

　　電機與負載轉動慣量的獲得方法一樣，讓變頻器工作頻率在合適的值，5 至10 Hz。分別讓電機空載和帶載運行，讀出參數r0333（額定轉矩）和r0345（電動機的起動時間），再將變頻器工作頻率換算成對應的角速度，代入公式（4）計算得電機與負載轉動慣量。設置參數P0341（電動機的慣量）與參數P0342（驅動裝置總慣量/電動機慣量的比值），這樣變頻器就能更好的調速。

5 結語

　　變頻器的品牌愈來愈多，功能也不斷完善和加強。如何正確地設置參數，對于正確使用變頻器和發揮其最佳性能是十分重要的。本文對于應用西門子Micromaster 440 變頻器進行調速時的參數設置給出了參考。

參考文獻：

[1] 西門子(中國)有限公司. 西門子變頻器手冊[Z]. 2003.
[2] 錢平. 交直流傳動控制系統[M]. 北京：高等教育出版社，2001.
[3] 張燕賓.變頻調速應用與實踐[M].北京：機械工業出版社，2002.
[4] 滿永奎. 通用變頻器及應用[M]. 北京：機械工業出版社，1995.