西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8介绍说明

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随着变频器应用范围的扩大，运行中出现的问题也越来越多，主要表现为：高次谐波、噪声与振动、负载匹配、发热等问题。本文针对以上问题进行分析并提出相应措施。

谐波问题及对策

    通用变频器的主电路形式一般由整流、逆变和滤波三部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，中间滤波部分采用大电容作为滤波器，逆变部分为IGBT三项桥式逆变器，且输入为PWM波形。输出电压中含有除基波以外的其它谐波，较低次谐波通常对电动机负载影响较大，引起转矩脉动；而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加，使电动机出力不足，因此变频器输出的高低次谐波都必须抑制，可以采用以下方法抑制谐波。

    （1）增加变频器供电电源内阻抗

    通常电源设备的内阻抗可以器到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时，较好选择短路阻抗大的变压器。

    （2）安装电抗器

    在变频器的输入端与输出端串接合适的电抗器，或安装谐波滤波器，滤波器的组成为LC型，吸收谐波和增大电源或负载阻抗，达到抑制目的。

    （3）采用变压器多项运行

    通用变频器为六脉波整流器，因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行，使相位角互差30°，如Y－△、△－△组合的变压器构成12脉波的效果，可减小低次谐波电流，很好的抑制了谐波。

    （4）设置专用谐波

    设置专用滤波器用来检测变频器和相位，并产生一个与谐波电流的幅值相同且相位正好相反的电流，通到变频器中，从而可以有效的吸收谐波电流。

噪声与振动及其对策

    采用变频器调速，将产生噪声和振动，这是变频器输出波形中含有高次谐波分量所产生的影响。随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量都在大范围内变化，很可能引起与电动机的各个部分产生谐振等。

    （1）噪声问题及对策

    用变频器传动电动机时，由于输出电压电流中含有高次谐波分量，气隙的高次谐波磁通增加，故噪声增大。电磁噪声由以下特征：由于变频器输出中的低次谐波分量与转子固有机械频率谐振，则转子固有频率附近的噪声增大。变频器输出中的高次谐波分量与铁心机壳轴承架等谐振，在这些部件的各自固有频率附近处的噪声增大。

    变频器传动电动机产生的噪声特别是刺耳的噪声与PWM控制的开关频率有关，尤其在低频区更为显著。一般采用以下措施平抑和减小噪声：在变频器输出侧连接交流电抗器。如果电磁转矩有余量，可将U / f定小些。采用特殊电动机在较低频的噪声音量较严重时，要检查与轴系统（含负载）固有频率的谐振。

    （2）振动问题及对策

    变频器工作时，输出波形中的高次谐波引起的磁场对许多机械部件产生电磁策动力，策动力的频率总能与这些机械部件的固有频率相近或重合，造成电磁原因导致的振动。对振动影响大的高次谐波主要是较低次的谐波分量，在PAM方式和方波PWM方式时有较大的影响。但采用正弦波PWM方式时，低次的谐波分量小，影响变小。

    减弱或振动的方法，可以在变频器输出侧接入交流电抗器以吸收变频器输出电流中的高次谐波电流成分。使用PAM方式或方波PWM方式变频器时，可改用正弦波PWM方式变频器，以减小脉动转矩。从电动机与负载相连而成的机械系统，为防止振动，必须使整个系统不与电动机产生的电磁力谐波。

负载匹配及对策

    生产机械的种类繁多，性能和工艺要求各异，其转矩特性不同，因此应用变频器前首先要搞清电动机所带负载的性质，即负载特性，然后再选择变频器和电动机。负载有三种类型：恒转矩负载、风机泵类负载和恒功率负载。不同的负载类型，应选不同类型的变频器。

    （1）恒转矩负载

    恒转矩负载又分为摩擦类负载和位能式负载。

    摩擦类负载的起动转矩一般要求额定转矩的150%左右，制动转矩一般要求额定转矩的**左右，所以变频器应选择具有恒定转矩特性，而且起动和制动转矩都比较大，过载时间和过载能力大的变频器，如FR-A540系列。

    位能负载一般要求大的起动转矩和能量回馈功能，能够快速实现正反转，变频器应选择具有四象限运行能力的变频器，如FR-A241系列。

    （2）风机泵类负载

    风机泵类负载是典型的平方转矩负载，低速下负载非常小，并与转速平方成正比，通用变频器与标准电动机的组合较合适。这类负载对变频器的性能要求不高，只要求经济性和可靠性，所以选择具有U/f=const控制模式的变频器即可，如FR-A540(L)。如果将变频器输出频率提高到工频以上时，功率急剧增加，有时**过电动机变频器的容量，导致电动机过热或不能运转，故对这类负载转矩，不要轻易将频率提高到工频以上。

    （3）恒功率负载

    恒功率负载指转矩与转速成反比，但功率保持恒定的负载，如卷取机、机床等。对恒功率特性的负载配用变频器时，应注意的问题：在工频以上频率范围内变频器输出电压为定值控制，，所以电动机产生的转矩为恒功率特性，使用标准电动机与通用变频器的组合没有问题。而在工频以下频率范围内为U/f定值控制，电动机产生的转矩与负载转矩又相反倾向，标准电动机与通用变频器的组合难以适应，因此要专门设计。

发热问题及对策

    变频器发热是由于内部的损耗而产生的，以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为保变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热。主要方法有：

    （1）采用风扇散热：变频器的内装风扇可将变频器箱体内部散热带走。

    （2）环境温度：变频器是电子装置，内含电子元件机电解电容等，所以温度对其寿命影响较大。通用变频器的环境运行温度一般要求－10℃~+50℃，如果能降低变频器运行温度，就延长了变频器的使用寿命，性能也稳定

压力传感器装于用户端管网上，用于检测用户端水压。压力设定值与所测管网压力在调节器中进行比较，其误差信号作为变频调速的速度给定。变频调速器输出频率可变的电力给水泵电机，使水泵转速相应变化。管网压力保证了恒定。

1.2 水泵控制主回路

水泵控制主回路见图二

1.2.1 变频器的选择

变频器类型的选择要根据负载的要求来进行，泵类负载的转矩与转速成平方比，低速下负载转矩较小，通常可以选择普通功能型U/f变频器。泵类一般运转方式为连续型，变频器容量的计算式如下：

PCN≥KPM／ηφ

PCN≥k√3 UMIM×10-3

ICN≥kIM

式中 PM——负载所要求的电动机的轴输出功率KW，

η——泵用电动机的效率（通常约0.85）

φ——电动机的功率因数（通常约0.75）

UM——电动机电压V

IM——电动机电流A，功频电源时的电流

K——电流波形的修正系数（PWM方式时取1.05-1.0）

PCN——变频器的额定容量KVA

ICN——变频器的额定电流

变频器的过载能力较小，允许过载时间亦很短，但泵类负载除起动外无瞬时过载问题，变频器传动时较大轴功率基本上等于电动机的额定功率。当泵低速运行时，散热能力变差，但温升不会有太大变化，对于较大轴输出功率无影响。

对于交直交变频器，功率因数取决于谐波而不是电容含量。变频器设计时，如果电网对谐波污染要求比较严格，要求变频器有很高的功率因数，则根据产品说明书要求校合电源侧电感量，如不满足则附加电抗器。

如果采用变频器专用电动机，则可以根据查表选择电动机（表由厂家给出），对于青海高原地形，变频器容量还应乘以约1.25系数，在变频器位置安放上应考虑环境温度与湿度。

1.2.2 空气开关，接触器，热继电器、导线、外部直流电源选择

空气开关的额定电流应大于电动机的额定电流，延时动作的过电流脱扣器的额定电流应为电动机额定电流1.1至1.2倍。瞬时动作的过电流整定值应按大于电动机起动电流的1.7至2.0倍考虑。

接触器选择应考虑较数、额定工作电压、额定工作电流、接通与分断能力，都应符合电机要求，所带附助触头应满足继电逻辑控制要求。

热继电器额定电流应为电动机额定电流的1.05至0.95倍，在长期过载20%时应可靠动作，热继电器动作时间必须大于电动机起动或长期过载时间。

导线选择应根据载流量及铺设方式定。一般根据青海气候及厂内土壤、地形及周围管网情况，取系数0.85。

1.3 微电脑选择

恒压供水系统实际上是一个单闭环系统，微电脑控制器实际上是一个外置PID控制器，输出信号4—20mA，给定信号4—20mA，反馈信号同上。利用变频器内部PID，可以省掉调节器，压力传感变送器信号直接输入到变频器内。相应接线端子见变频器操作手册。也可外置PID调节器，如川仪GTZ—2100。

1.4压力传感器

选用HS950型合金薄膜变送器，二线4～20mA输出，测量范围0.2至0.8Mpa，电源24V。

1.5直流电源选择

选择KW1-24，输出24V，33A，或5-24，输出24V。直流电源供给压力传感器、微电脑控制器。因为压力传感器与微电脑控制器的视在功率很小，也可以选用PLC的24V直流输出端供电，

1.6给定信号的产生

给定信号采用电位器RX-5，外部电源24V，或者采用变频器提供电源，以上都可输出4～20mA控制电流。根据设定压力产生的电流信号确定给定值。

2逻辑继电设计

通过继电器可以作到工频、变频转换（KM0），一备一用（KM1—4），参见相关图集。也可以选择I/O点数为20点的PLC实现逻辑控制及信号指示与报警，PLC的梯形图由相关图集中所列逻辑关系移植过来，简单方便。结合变频器的相关继电输出口就能实现技术要求。

系统起动后，若1#泵速度升至较大时用户端管网压力仍未达到设定值，2#泵起动并全速运行。若压力**过设定值，变频器调节1#泵速度使压力恒定。若压力升高到一定值，变频器频率已减小至较低，则可以让2#泵退出。为了达到此目的，利用变频器的继电器输出功能，当频率大于设定值时，继电器输出，接通继电逻辑回路，控制*二个电动机起动，退出情况与此相反。例如使用SEMENS的MICROMASTER VECTOR操作手册P41所列功能。

此外，三垦公司*有的恒压供水基板IWS备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式。无须PID、PLC就可构成较多7台泵的高性能、又经济的供水系统。（SAMCO-IHF、IPF变频器）。  

3．变频器参数设置及调节器参数设置

3.1变频器参数设置

变频器参数设置如下：较大频率50HZ，较小0HZ，基本频率50HZ，额定电压380V，总加速时间 15S，减速时间15S，电动机平滑起动，电子热保护 1.05，转矩限制1.5，瞬停再起动功能有，转矩矢量控制无，其余功能遵照变频器出厂设定。调节器参数设定如下：

由于被控对象模型复杂，管网恒定值要求不高，PI 参数确定时，可先不考虑管网的影响（管网波动，水流变化的滞后），忽略起动较初影响，忽略压力测量变送器的滞后环节，因为变频器与电动机的开环机械特性与直流机的开环特性非常接近，所以把变频器与泵用电动机看做一个和直流电动机功率一样的电动机，基于此可以方便确定KP 、TS，是一个二阶系统，由此可定系统图。

另外，TS ，KP的确定可以由实验取得，做变频器电动机的阶跃响应曲线辩识过程数学模型，可以认为是一个二阶惯性环节，是一个自衡对象。就可以求得这两个参数,得出系统图如下，可以初略算出K 、τ 。T1，T2为变频器起动上升时间，KP为信号放大倍数。

原理图中相关参数：α=0.01 mA/r/min（电动机为1500r/min） 。

当PI参数计算取得后，在实际调试过程中，应根据所带负载进行调整，可先使泵空载运行，改变给定值，如果系统稳定，再使水泵带载运行调整，使系统稳定并有一定的灵敏度。

4，变频调速控制柜的设计

变频调速柜一般柜面有电流电压指示，电能计量，工况运行指示，工况运行控制按钮。如果变频器功率小,体积小，可以把变频器与控制元件装在一个柜内，柜体体积为通用柜尺寸，根据控制柜所处环境，柜体的防护等级为IP54。

5，恒压供水成套装置

变频调速供水成套供应的公司现在也非常多，CPS系列（三垦公司），LBP系列（上海连成）等。定货时只要给出要求即可。一般参数要求为：电动机功率，水泵台数，控制特征，柜体特征，附加功能等。

6，变频调速供水的节能分析

当前给水工程中应用的变频调速装置，根据控制方式不同，有恒压变量与变压变量之分。对于恒压变量供水来说（图1），从工作点从A变到工作点B，HA/HB=1,水泵轴功率按下式计算：

N=ρgQH/η

ρ——水的密度，Kg2/m3; g——重力加速度，m/s2；η——水泵效率。

N——水泵的轴功率，Q——管网流量， H——水泵扬程。

由于A，B为非相似工况点，转速的降低将导致水泵效率下降。对于恒压变量供水来说，当系统Q’=0.8Q时，

N‘=ρgQ‘H’/η‘=ρg0.8QH/η’＞0.8N

即当水泵流量减小20%时，节能小于20%，这取决于水泵的效率与转速的关系。

如果水系统是变压变量供水，HA/HB= SQA2/S2= QA2/2，N∝Q3，则节约能量为51%左右。

变频器的输入功率因数比较高，根据电源侧的电抗情况，加入交流电抗器或直流电抗器，可以使变频器的功率因数达到0.92以上，与泵用电动机的功率因数0.85左右相比，节约电能也非常可观。

7，结论

采用恒压供水，水泵起动为软起动，对电网影响小，可以减小变压器的容量，可以减少机械传动的设备损坏，节约电能。据相关资料，一般两年节约的电能费用就能收回设备投资。特别适合负载周期变化特别大的场合，例如生活小区，白天与深夜的需水量就特别大。对于短时制的工作也非常明显。

1. 引言

    近年来，随着变频器本身功能的不断完善，交流调速技术有了长足的进步。如何在不同应用条件下充分开发变频器自身功能、有效的降低设备的改造成本已成为一个重要问题。 与通常的控制方式相比，利用变频器直流制动功能实现交流拖动系统准确停车的设计方案省去了价值昂贵的变频器专用制动单元／制动电阻，有效降低了设备改造成本，工作稳定可靠、控制精度高。
    2. VVVF能耗制动的理论分析

    通用变频器提供的制动方式主要有：能耗制动、再生制动、整流回馈等。在转动惯量较大的工况条件下，变频器厂家所建议采用的一般方式是外接制动电阻和制动单元的再生制动方式，某些情况下可以配合采用直流制动。这一设计思路基本为大多数目内用户所接受，并在实际使用中获得了较好的效果。但该方案需另外购买变频器厂家提供的专用制动单元／制动电阻，无形中增大了改造成本。

    所谓“直流制动”，一般指当变频器的输出频率接近为零，电机的转速降低到一定数值时，变频器改向异步电动机定子绕组中通入直流，形成静止磁场，此时电动机处于能耗制动状态，转动着的转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。在电动机制动过程中，由于变频器输出频率逐渐降低，则定子绕组内的同步磁场转速低于转子转速，电动机处于再生制动过程，此时旋转系统存储的动能转换成电能热损耗的形式消耗于异步电动机的转子回路中，为防止电动机减程中所形成的再电制动以及直流制动过程中的能量回馈，造成变频器和电机的损坏，需串入专用制动单元／制动电阻。

    如图1所示为一般交流电动机制动时的机械特性曲线。设A点为正常工作点。电动机同步旋转磁场转速为：

    式中， 为电机同步转速， 为电源频率， 为电动机磁较对数。

    图1．异步电动机机械特性曲线

    在通常电动机的制动过程中，电动机先减速，电动机同步旋转磁场转速低于转子转速，工作点在同一转速下由曲线①的A点跳至曲线②的B点，即从**象限过渡到*二象限称之为同一转速下特性的跳转，则电机得到反方向的制动转矩T 进入发电制动状态，拖动系统沿图1中曲线②迅速降速，当低于某一转速后，向定子绕组输入直流，形成固定磁场，产生制动转矩。在这一过程中，电机将经过再电制动和能耗制动而较终停止。

    从理论析，如果能够控制电动机同步磁场的转速缓慢下降，使电动机在同一转速下特性跳转时，特性曲线维持在**象限，如图 1中虚线组③所示缓慢降速，不跳转至*二象限则拖动系统在降程中可以有效的避免发生再生制动过程。如图1所示，当电机转速在小于临界转速nh的情况下接入直流进行制动，并相应控制接入直流的大小和时间，理论析电机只经历有限的能耗制动阶段，不会过热。而变频器良好的内、外特性可以保证上述各项条件的满足。

    但是，采用该方法有一些必要的前提条件，首先，系统不能频繁进行启／停，否则会造成变频器直流电路故障。其次，提升机、电梯等下放重物的工况不适宜采用。再次，系统降速时间不能过短，即降速不能过快，否则工作点将进入*二象限发生再生制动过程，引起电机过热。