变频器起停与加减速过程优化方案

1.起动方式

在变频调速系统中，电动机从较低转速升至较高转速的过程称为电动机的加速过程，电动机加速过程的极限状态是电动机的起动。变频器的控制命令包括控制电动机的起动、停止，电动机的运行方向。

1）起动、停止。当变频调速系统准备就绪后（通电），变频器处于待机状态，电动机并没有运行。要使系统运行需给变频器一个起动命令。变频器有三种起动方式：操作面板；外部端子（可以是固定电平也可以是脉冲信号）；通信方式。可以根据实际情况选择其中的任一种方式。变频器按正常方式起动后，变频器开环运行于设置频率，或闭环运行于被控量的期望值。变频器停止时和起动完全一样，只不过动作相反。

2）电动机的运行方向。交流电动机是通过改变其输入三相电源任意两相的相序来改变其旋转方向的，在变频器中只需给它一个电平信号自动调整三相电源任意两相的相序，从而改变电动机的旋转方向。采用模拟量给定的正、反转控制方式主要有两种：

①由双极性给定信号，给定信号可“-”可“+”，正信号控制电动机正转，负信号控制电动机反转，如图4-12a所示。

②由单极性给定信号，给定信号只有“+”值，由给定信号中间任意值作为电动机正转和反转的分界点，如图4-12b所示。

（1）工频起动

电动机工频起动是指电动机直接采用工频电源起动，也叫直接起动或全压起动。在电动机接通电源的瞬间，电源频率为额定频率（50Hz），如图4-13a所示，电源电压为额定电压（380V），如图4-13b所示。由于电动机转子绕组与旋转磁场的相对速度很高，电动机转子电动势和电流都很大，从而定子电流也很大，一般可达电动机额定电流的4～7倍，如图4-13c所示。电动机工频起动存在的主要问题有：

图4-13 工频起动

a）频率 b）电压 c）电流

1）起动电流大。当电动机的容量较大时，其起动电流将对电网产生干扰，引起电网电压波动。

2）对生产机械设备的冲击很大，影响机械设备的使用寿命。

（2）变频起动

电动机采用变频起动时，电动机电源的频率从最低频率（通常是0Hz）按预置的加速时间逐渐上升，如图4-14a所示。以4极电动机为例，假设在接通电源的瞬间，将起动频率降至0.5Hz，则同步转速只有15r/min，转子绕组与旋转磁场的相对速度只有工频起动时的百分之一。电动机的输入电压也从最低电压开始逐渐上升，如图4-14b所示。

图4-14 变频起动

a）频率 b）电压 c）电流

电动机转子绕组与旋转磁场的相对速度很低，故起动瞬间的冲击电流很小。因电动机电源的频率逐渐增大，电压开始逐渐上升，如在整个起动过程中，使同步转速n₀与转子转速n_M间的转差Δn限制在一定范围内，则起动电流也将限制在一定范围内，如图4-14c所示。减小了起动过程中的动态转矩，加速过程将能保持平稳，减小了对生产机械的冲击。

2.起动频率

电动机开始起动时，并不从变频器输出为零开始加速，而是直接从某一频率下开始加速。电动机在开始加速的瞬间，变频器的输出频率便是起动频率。起动频率是指变频器开始有电压输出时所对应的频率。在变频器的起动过程中，当变频器的输出频率还没达到起动频率设置值时，变频器就不会输出电压。通常，为确保电动机的起动转矩，可通过设置合适的起动频率来实现。变频调速系统设置起动频率是为了满足部分生产机械设备实际工作的需要，有些生产机械设备在静止状态下的静摩擦力较大，电动机难以从变频器输出为零开始起动，而在设置的起动频率下起动，电动机在起动瞬间有一定的冲力，使其拖动生产机械设备较易起动起来，系统设置了起动频率，电动机可以在起动时很快建立起足够的磁通，使转子与定子间保持一定的空气隙等。

起动频率的设置是为确保由变频器驱动的电动机在起动时有足够的起动转矩，避免电动机无法起动或在起动过程中过电流跳闸。在一般情况下，起动频率要根据变频器所驱动负载的特性及大小进行设置，在变频器过载能力允许的范围内既要避开低频欠激磁区域，保证足够的起动转矩，又不能将起动频率设置太高，起动频率设置太高在电动机起动时造成较大的电流冲击甚至过电流跳闸。变频调速系统设置起动频率的方式有：

1）给定的信号略大于零（X=0+），此时变频器的输出频率即为起动频率f_S，如图4-15a所示。

2）设置一个死区区间X_S，在给定信号X小于设置的死区区间X_S时，变频器的输出频率为零；当给定信号X等于设置的死区区间X_S时，变频器输出与死区区间X_S对应的频率，如图4-15b所示。

起动频率的设置既要符合工艺要求，又要充分发挥变频器的潜力。在设置起动频率时要相应设置起动频率的保持时间，使电动机起动时的转速能够在起动频率的保持时间内达到一定的数值后，再开始随变频器输出频率的增加而加速，这样可以避免电动机因加速过快而跳闸。在一般情况下只要能合理设置起动频率和起动频率保持时间这两个参数就可满足电动机的起动要求。

在实际调试过程中，常有这样的情况：在电动机起动困难或电动机在起动过程中过电流跳闸时，采取的措施是重新设置在低频段有更大转矩提升的转矩提升曲线，甚至是将变频器的允许过载能力调大，来解决电动机起动中存在的问题。这样电动机虽然能比较好的起动，但所选择的转矩提升曲线不能工作在相对最佳的状态，可能使电动机运行在过激磁状态，从而使电动机发热、无功损耗增加、功率因数降低，而调大变频器所允许的过载能力，则可能使变频器或电动机失去应有的保护。起动过程中存在的难起动或过电流跳闸的问题应采用合理设置起动频率参数来解决，而正常运行中存在的过电流或不正常发热的问题，也可以通过合理设置起动频率参数来解决。

图4-15 起动频率

a）X=0时以f_S起动 b）X=X_S时以f_S起动

图4-16 不同起动方式的速度上升曲线

①要维持一段低速运转的起动场合

②要有一定冲击的起动场合

不同起动方式的速度上升曲线如图4-16所示，可根据实际起动要求选择。图4-16中曲线①适合于需要维持一段低速运转的起动场合；图4-16中曲线②适合于需要有一定冲击的起动场合。对于大惯性负载，要求零速起动，例如风机有可能起动的瞬间正在旋转，会有大的冲击起动电流，因此，先要直流制动，在起动程序设置时应注意，否则有可能损坏变频器。当起动和停止过程中变频器电流偏大，甚至发生过电流保护，可延长升、降速时间，但一般只要不过电流，升、降速时间应尽量短以提高效率。

图4-17 加速过程

3.变频调速系统的加速过程

变频器的输出频率从f_X1上升至f_X2的加速过程如图4-17所示，当频率f_X上升时，电动机定子旋转磁场的同步转速n₀随即也上升，但电动机转子的转速n_M因为有惯性而不能立即跟上。结果是转差Δn增大了，导体内的感应电动势和感应电流也增大。为此，在电动机的加速过程中，必须处理好加速的快慢与拖动系统惯性之间的矛盾。在生产过程中变频调速系统的加速过程属于不进行生产的过渡过程，从提高生产率的角度出发，加速过程应该越短越好。由于变频调速系统存在着惯性，如果加速过程太快，电动机转子的转速n_M将跟不上电动机定子旋转磁场的同步转速的上升，转差Δn增大，引起加速电流增大，若达到过电流限值将使变频器跳闸。所以，在设置加速过程参数时，必须折中处理的问题是：在防止加速电流过大的前提下，尽可能地缩短加速过程。

4.变频调速系统的减速过程

变频调速系统的电动机转速从较高转速降至较低转速的过程称为减速过程。在变频调速系统中，电动机的减速过程是通过降低变频器的输出频率来实现的，电动机的转速从n₁下降至n₂，即变频器的输出频率从f_X1下降至f_X2的减速过程，如图4-18所示。

当频率刚下降的瞬间，旋转磁场的转速（同步转速）立即下降，但由于拖动系统具有惯性的缘故，电动机转子的转速不可能立即下降。此时，电动机转子的转速超过了同步转速，转子绕组切割磁场的方向和原来相反了。从而，转子绕组中感应电动势和感应电流的方向及所产生的电磁转矩的方向都和原来相反了，电动机处于发电状态。由于所产生的转矩和转子旋转的方向相反，能够促使电动机的转速迅速地降下来，该状态称为再生制动状态。

图4-18 减速过程

电动机在再生制动状态发出的电能，将通过和逆变开关管反向并联的二极管全波整流后反馈到直流电路，使直流电路的电压U_D升高，称为泵升电压。如果直流电压U_D升得太高，将导致整流器和逆变器损坏。所以，当U_D上升到一定限值时，须通过能耗电路（制动电阻和制动单元）放电，把直流回路内多余的电能消耗掉。

变频调速系统的减速过程和加速过程相同，在变频调速系统的减速过程也属于不进行生产的过渡过程，故减速过程应越短越好。由于变频调速系统存在着惯性的原因，频率下降得太快，电动机转子的转速n_M将跟不上电动机定子旋转磁场同步转速的下降，转差Δn增大，引起再生电流增大和直流回路内泵升电压升高，甚至可能超过设置的限值，导致变频器因过电流或过电压而跳闸。所以，在设置系统减速过程参数时，必须在防止减速电流过大和直流电压过高的前提下，尽可能地缩短减速过程。

5.电动机的停机方式

变频调速系统中的电动机可以设置的停机方式有：

1）减速停机。即按预置的减速时间和减速方式停机。在减速过程中，电动机处于再生制动状态。

2）自由停机。变频器通过停止输出来停机，此时，电动机的电源被切断，拖动系统处于自由制动状态。由于停机时间的长短由拖动系统的惯性决定，故称为惯性停机。在惯性停机时应注意不应在电动机未真正停止时就起动，如要起动应先制动，待电动机停稳后再起动。这是因起动瞬间电动机转速（频率）与变频器输出频率差距太大，会使变频器电流过大而损坏变频器的功率管。

3）减速加直流制动。首先按预置的减速时间减速，然后转为直流制动，直至停机。

4）异常停机功能。当生产机械发生紧急情况时，将发出紧急停机信号。对此，有的变频器设置了专门用于处理异常情况的功能。在异常停机过程中，变频器的操作信号都将无效。

6.加、减速模式选择

加、减速模式选择又叫加、减速曲线选择，通用变频器都具有线性、非线性和S形三种曲线，通常大多数都选择线性曲线；非线性曲线适用于变转矩负载，如风机等；S形曲线适用于恒转矩负载，其加、减速变化较为缓慢。加、减速模式选择时可根据负载转矩特性，选择相应曲线。如图4-19所示，图4-19中曲线①为线性升降曲线，适用于多数负载。曲线②为S形升降曲线，适用于电梯负载、起重机负载。曲线③为指数升降曲线，适用于风机负载、水泵负载。

图4-19 不同负载配合的升降曲线

（1）加速曲线

在变频调速系统的加速过程中，变频器的输出频率随时间上升的关系曲线，称为加速曲线。变频器设置的加速曲线有：

1）线性曲线。变频器的输出频率随时间成正比地上升，如图4-20a所示。大多数负载都可以选用线性曲线。(www.xing528.com)

2）S形曲线。在加速的起始和终了阶段，频率的上升较缓，加速过程呈S形，如图4-20b所示。例如，电梯在开始起动以及转入等速运行时，从考虑乘客的舒适度出发，应减缓速度的变化，以采用S形加速曲线为宜。

图4-20 加速曲线

a）线性曲线 b）S形曲线 c）半S形曲线1 d）半S形曲线2

3）半S形曲线。在加速的初始阶段或终了阶段，按线性曲线加速，而在终了阶段或初始阶段，按S形曲线加速，如图4-20c和图4-20d所示。图4-20c所示的方式主要用于如风机一类具有较大惯性的二次方律负载中，由于低速时负载较轻，故可按线性曲线加速，以缩短加速过程；高速时负载较重，加速过程应减缓，以减小加速电流。图4-20d所示曲线主要用于惯性较大的负载。

（2）减速曲线

减速曲线和加速过程类似，变频器的减速曲线也分线性曲线、S形曲线和半S形曲线。

1）线性曲线。变频器的输出频率随时间成正比地下降，如图4-21a所示。大多数负载都可以选用线性曲线。

2）S形曲线。在减速的起始和终了阶段，频率的下降较缓，减速过程呈S形，如图4-21b所示。

3）半S形曲线。在减速的初始或终了阶段，按线性方式减速，而在终了或初始阶段，按S形曲线减速，如图4-21c和图4-21d所示。

图4-21 减速曲线

a）线性曲线 b）S形曲线 c）半S形曲线1 d）半S形曲线2

减速时S形曲线和半S形曲线的应用场合和加速时相同。

7.加、减速时间的设置

加速时间就是从变频器输出频率为0上升到最高频率所需的时间，加速时间的定义如图4-22a所示。减速时间是指从变频器输出最大频率下降到0所需的时间，减速时间的定义如图4-22b所示。一般采用频率设置信号上升、下降来确定加、减速时间。在电动机加速时需限制频率设置的上升速率以防止加速过电流，减速时则限制下降速率以防止减速过电压。

电动机加速度dω/dt取决于加速转矩（T_t、T₁），而变频器在起动、制动过程中的频率变化率则根据变频调速系统要求设置。若电动机转动惯量J大或电动机负载变化率大，按预先设置加速时，有可能出现加速转矩不够，从而造成电动机失速，即电动机转速与变频器输出频率不协调，从而造成变频器过电流或过电压。因此，需要根据电动机转动惯量和实际负载合理设置加、减速时间，以使变频器的频率变化率能与电动机转速变化率相协调。此项设置通常的方法是按经验选定加、减速时间的设置值。若在起动过程中出现变频器过电流，则可适当延长加速时间；若在制动过程中出现变频器过电流，则适当延长减速时间。但系统的加、减速时间不宜设置太长，时间太长将影响生产效率，特别是变频调速系统频繁起、制动时。

加速时间设置的要点是：将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过电流失速而引起变频器跳闸。减速时间设置的要点是：防止平滑滤波电路电压过高，不使再生过电压而使变频器跳闸。

图4-22 加、减速时间的定义

a）加速时间 b）减速时间

加、减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先设置较长的加、减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警，然后将加、减速时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加、减速时间。不同变频器对加、减速时间的定义不完全一致，主要有以下两种：

1）变频器的输出频率从零频率上升到基本频率所需要的时间。

2）变频器的输出频率从零频率上升到最高频率所需要的时间。

通常情况下，变频调速系统的最高频率和基本频率是一致的，在进行加速或减速时间预置时，应该考虑加速或减速过程不是在零频率与f_ba之间进行的。因此，每个程序步的实际加速或减速时间并不等于预置的加速或减速时间。实际加速所需时间的计算方法如下：

实际加速时间Δt₁：

实际加速时间Δt₂：

某些生产机械设备，出于生产工艺的需要，要求加、减速时间越短越好。对此，有的变频器设置了加、减速时间的最小极限功能。其基本含义是：

1）最快加速方式。在加速过程中，使变频器输出电流保持在变频器允许的极限状态（I_A≯150%I_N，I_A是加速电流，I_N是变频器的额定电流）下，从而使加速过程最小化。

2）最快减速方式。在减速过程中，使变频器直流回路的电压保持在变频器允许的极限状态（U_D≯95%U_DH，U_D是减速过程中的直流电压，U_DH是直流电压的上限值）下，从而使减速过程最小化。

3）最优加速方式。在加速过程中，使变频器输出电流保持在变频器额定电流的120%（I_A≯120%I_N），使加速过程最优化。

4）最优减速方式。在减速过程中，使变频器直流回路的电压保持在上限值的93%（U_D≯93%U_DH），使减速过程最优化。

8.转矩限制功能

转矩限制是根据变频器输出电压和电流值，经微处理器进行转矩计算获得的，其能明显改善冲击负载在加、减速和恒速运行时的恢复特性。转矩限制功能可实现自动加速和减速控制。若设置加、减速时间小于负载惯量时间，也能保证电动机按照转矩设置值自动加速和减速。转矩限制分为：

1）驱动转矩。变频器的驱动转矩功能提供了强大的起动转矩，在稳态运转时，转矩功能将控制电动机的转差，而将电动机转矩限制在最大设置值内，当负载转矩突然增大时或加速时间设置过短时，也不会引起变频器过电流跳闸。在加速时间设置过短时，电动机转矩也不会超过最大设置值。驱动转矩应设置在80%～100%范围内。

2）制动转矩。变频器的制动转矩设置数值越小，其制动力越大，适合急减速的场合，如制动转矩设置数值设置过大会使变频器出现过电压报警。如制动转矩设置为0%，可使回馈在主电容器的再生总量接近于0，从而使电动机在减速时不使用制动电阻也能减速至停止而不会过电压跳闸。但在有的负载上，如制动转矩设置为0%时，减速时会出现短暂的空转现象，造成变频器反复起动，电流大幅度波动，严重时会使变频器跳闸。

9.暂停加速功能

暂停加速功能是指在电动机起动后，先在较低频率f_DR下运行一段时间，然后再继续加速的功能。在下列情况下，应考虑变频器调速系统预置暂停加速功能：

1）惯性较大的负载，起动后先在较低频率下持续运行一段时间t_DR，然后再加速。

2）采用齿轮箱传动的变频调速系统，由于齿轮箱的齿轮之间总是存在间隙，起动时容易发生齿间的撞击，如在较低频率下持续运行一段时间t_DR，可以减缓齿间的撞击。

3）起重机械在起吊重物前，吊钩的钢丝绳通常是处于松弛状态的，预置了暂停加速功能后，电动机起动后先在较低频率下持续运行一段时间t_DR，可使钢丝绳拉紧后再上升。

4）有些机械在环境温度较低的情况下，润滑油容易凝固，故要求先在低速下运行一段时间t_DR，使润滑油稀释后再加速。

5）对于附有机械制动装置的电磁制动电动机，在电磁抱闸松开过程中，为了减小闸皮和闸辊之间的摩擦，要求电动机起动后先在较低频率下持续运行一段时间t_DR，待磁抱闸完全松开后再升速。

变频器设置暂停加速的方式主要有：

1）变频器输出频率从零频率开始上升至暂停频率f_DR，停留t_DR后再加速，如图4-23a所示。

2）变频器直接输出起动频率f_S后暂停加速，停留t_DR后再加速，如图4-23b所示。

10.暂停减速功能

暂停减速功能是指在低频状态下，当频率下降到接近零时，电动机在较低频率下持续运行一段时间，然后再将变频器输出频率下降为零。在下列情况下，应考虑变频调速系统预置暂停减速功能：

1）惯性大的负载从高速直接减速至零时，为了避免因停不住而出现滑行现象，使电动机先在较低频率下运行一段时间，然后使电动机从低速降为零。

2）对于需要准确停车的场合，如卷扬机，为准确停车，使电动机先在较低频率下运行一段时间至爬行后，再使电动机从低速降为零，即可达到准确停车的目的。

3）对于附有机械制动装置的电磁制动电动机，在电磁抱闸抱紧前使电动机先在较低频率下短时运行，可减少磁抱闸的磨损等。

设置暂停减速的方式和暂停加速相同，需要预置的参数有：暂停减速的频率f_DD，停留时间t_DD。

图4-23 低频持续时间

a）从0Hz开始起动 b）以起动频率开始起动