演讲概述

本次演讲将主要介绍罗克韦尔新一代伺服驱动器Kinetix5300如何通过其优异的性能和特性，简化的选型以及良好的用户体验帮助用户以较低的总体成本提高中小型运动控制系统的效率并实现快速上市。

会议议程

1. K5300伺服驱动系统概述

2. K5300产品特点

3. K5300应用场景和参考架构

演讲人：张弦

个人简介：

罗克韦尔自动化

中国区运动控制产品经

•第8代英特尔酷睿i3- 8145UE双核/ i7-8665UE四核处理器•双通道内存插槽，支持高达32G内存•全尺寸Mini PCIe，双M.2插槽（NVMe，5G）实现灵活扩展•5线电阻式触摸控制及IP66防护等级前面板纯平面触摸屏，并支持定制服务•通过iDoor技术支持现场总线协议/ GPS / GPRS / Wi-Fi功能•支持面板和VESA等多种安装方式，满足繁杂现场的灵活安装

虹润8路触摸式温控器采用真正的人工智能算式，仪表启动自整定功能，可以根据被控对象的特性，自动寻找适合参数以达到很好的控制效果，无需人工整定参数。控温精度基本达±0.1℃，无超调、欠调，达国际先进水平。24路万能输入（可组态选择输入：标准电压、标准电流、热电偶、热电阻、毫伏等）其中可带8路控制输入。

虹润8路彩色调节无纸记录仪采用真正的人工智能算式，仪表启动自整定功能，可根据被控对象的特性，自动寻找适合参数以达到很好的控制效果，无需人工整定参数。控温精度基本达±0.1℃，无超调、欠调，达国际先进水平。24路万能输入（可组态选择输入：标准电压、标准电流、热电偶、热电阻、毫伏等）其中可带8路控制输入。

虹润公司主要研发生产的产品有数显表与温控器、无纸记录仪、隔离器与安全栅、温度变送器、压力变送器、电量表与变送器、过程校验仪等九大系列产品，以及新研发上市的触摸数据采集控制工作站、电能质量分析仪、PLC中文一体机、可编程继电器、电压电流变送器、电压电流表等新产品。

虹润12路彩色无纸记录仪采用新型大规模集成电路，对输入、输出、电源、信号采取可靠保护和强抗干扰设计。机身短节约空间，深度仅为76mm。12路万能信号输入，可带12路报警输出，6个变送输出，RS485通讯接口，以太网接口，微型打印机接口和USB接口，SD卡插座。

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本视频的主要内容是与大家一起探讨——变频器是否一定能节能？

   变频器作为一项先进的技术，多年以来被广泛应用在人们生活的方方面面，但是对于使用变频器之后是否一定节能，每个人的感受大不相同！

要讨论这个问题，首先来看看三种典型的负载：

1.    风机泵类的负载，这个在生活中是非常常见的，像小区的供水，隧道的通风等，应用非常广泛；这类负载的特性是负载的阻转矩与转速的二次方成比例上升，是一个平方的抛物线曲线。所以我们称这类负载为平方转矩负载，也有叫二次方负载。

2.    恒转矩负载，它的阻转矩是恒定的，不随电机转速的变化而变化，典型的应用有：输送带、起重机、电梯、压缩机、螺杆泵。像起重机，它始终要克服重力提住重物，这个力是恒定的，不随速度的变化而变化。这类负载，它的功率与转速是成正比的。P=FV，力是恒定的，速度越来越大，功率自然就越来越大。

3.   恒功率负载，功率P=常量，与速度大小无关，典型的应用就是收卷、放卷。这个在纺织厂、造纸厂非常常见。

   除了这三种典型的负载类型，还有一些其它的负载类型，这里就先不做探讨；

   对于风机泵类的二次方负载，当电机转速为额定转速的80%的时候，负载所需功率只有额定功率的51%左右

   对于起重机类的恒转矩负载，当电机转速为额定转速的80%的时候，负载所需功率只有额定功率的80%左右

   对于恒功率负载，电机转速的变化不会影响负载所需功率。

   这里只是做了一个极简单的示例，忽略了很多其它因素，像惯量、传动效率，风机水泵中的扬程特性、管阻特性等等，实际的函数模型远比这复杂，所以视频里面列出的数据只是便于大家理解负载类型对节能的影响，并非实际应用中真实的节能数据。

不过还是可以通过视频中负载类型曲线看到，对于风机泵类负载，只要平均转速下降一点，负载功率就下降的很多，从而取得可观的节能效果。毫无疑问，在各类负载中，风机水泵类负载节能效果居于首位。当然了，并非所有的风机泵类负载使用变频都会节能，因为前面提到了，节能的前提是转速可以下降，像一些高楼供水中，因为需要较大的扬程，电机一般工作在较高的频率或者就是50HZ甚至超频运行，那这时候节能就很有限，但是如果是一些工厂的低层建筑等，转速调节的范围较大，基本功率所占比例较小，采用变频调速后的节能效果比较显著。

在一些变频器中，还有一些内置功能，能够实现节能：

变频器内置二次方模式、节能模式的电机控制类型、PID功能、休眠唤醒等等，这些都有利于变频器节能。

这些功能都是变频器的常见功能，施耐德变频器不仅仅拥有这些功能，其中御程系列变频器中还推出了一个特殊功能，叫STOP&GO，御程系列22KW以上内置这个功能，当电机停止运行的时候，变频器会关闭功率部分、风扇、背光来降低能耗，从而达到节能的目的。

本视频的主要内容是给大家介绍—变频器如何选型

  在介绍变频器如何选型之前，先来了解一下负载类型，因为不同的负载类型对变频器会有一些要求。

  首先是风机泵类的平方转矩负载，对于这类负载，考虑使用风机水泵专用的变频器，因为这类专用变频器一般内置二次方模式、节能模式的电机控制类型，这更加利于节能，并且这类变频器还内置一些风机泵类的特殊功能与保护，像施耐德御程系列的ATV600、ATV212系列等。

  对于恒转矩的负载，在低频的时候也需要提供恒转矩，所以这就要求变频器能够有优异的低频转矩输出特性，并且像起重机这样的负载，它还会要求变频器具有较高的瞬时过载能力、还要求变频器有制动单元可以连接制动电阻等等。

  对于这类恒功率的负载，可以看到，低频转矩是很大的，这同样要求变频器有优异的低频转矩输出特性，并且这类负载可能还会要求变频器有一些同步功能、张力控制等功能，还有一些场合中，可能同时是有电机在收卷，有电机在放卷，有的在电动状态，有的在发电状态，需要考虑变频器共直流母线或者能量回馈。

  还有一些时变力矩特性的负载，像离心类负载，它的低频阻转矩很大。

破碎机类负载，运行中瞬时冲击很大，对变频器过载能力有较高的要求。

柱塞泵类负载，它的力矩是震荡的；可以看到这类负载对变频器的低频转矩特性、过载特性都有要求。

  一些特殊的负载与场合，像深水泵，因为压强的原因，属于重载；泥沙泵，因为混杂着泥沙，密度变大，属于重载，类似的还有油泵等因为液体粘稠，也属于重载。还有一些快速变化的音乐喷泉，这个大家应该都见过，瞬间可能就有水柱的猛烈变化，这些负载对变频器的过载能力都有要求。还有高速电机的负载，因为高速电机的电抗小，导致变频器输出高次谐波的增加从而导致输出电流增大。因此对于高速电机的变频器选型，其容量要稍大于普通电机的选型，同时还要核对变频器输出频率能否满足最高转速要求；有些应用场合是高温、高海拔，这个需要考虑变频器的降容问题。高温很好理解，直接影响散热，高海拔地区，空气稀薄同样也影响散热。

  这里只是列了几种情况，实际还会有更多的因素。

  那我们选型的时候，大家一般是根据什么选的呢？

  按照功率选型，这个是最普遍的选型方式。

  因为大多数厂家根据机械的特性要求，首先是计算出电机的功率，这个时候电机和减速机还没有买，减速比还没有定。他可能需要先按照电机功率估选一个变频器的型号，用于预算参考。

  这种情况下，可能只知道负载类型（比如是个水泵，它是个平方转矩负载，没有过载要求）、电机的电压:3相400V，电机功率355KW。

对于：电机电流、电机转速、机械负载实际轴功率、谐波、电机电缆长度、环境条件等等，这些都是未知的。如果按照这些条件，选型是否满足要求，一般只需要比较功率，即变频器的功率大于电机功率即可，比如选择一款功率355KW的变频器，就可以满足要求了。不过这种选型毕竟是最粗略的，如果实际应用只考虑电机功率选型，很容易变频器选小。

  另外一种常见的选型，是按照电机电流选。

  这时候，知道负载类型，是水泵二次方类负载，没有过载要求，这时候电机型号可能确定了，知道了电机额定电压400V，额定功率355KW，额定电流610A，额定转速1490r/min。

对于：机械负载实际轴功率、谐波、电机电缆长度、环境条件等等，这些都是未知的

  可以看到，相比之前只按功率选，多了电机电流的数据，这时候核算变频器是否满足要求的时候，不仅仅需要比较功率，还需要比较变频器的额定电流，比如变频器额定电流是660A，比电机额定电流610A大，那这个选型应该是没什么问题的。

  个别场合因为工艺的变更，造成实际运行电流长期超过电机额定电流，造成变频器过载，这种情况不仅仅需要更换变频器，电机或减速机也需要更换。

根据电机功率或者电机电流选型是最常见的选型方式，相对而言，根据电机电流选型要稳妥一点，但是这些都还是没有考虑过载、实际轴功率、系统动态响应等等其它因素。

实际选型，我们建议要确定以下这些信息：

负载类型：知道了负载类型，我们就知道了它的转矩特性曲线，这时候就会考虑它是否有过载、制动、摩擦、机械效率、动态响应等要求或影响。

还要知道额定功率、额定电压、额定电流等要求，额定电压不能忽略，比如客户是3相220V的电机，不能给它配一个3相380V的变频器。

我们还要考虑是否有一些附加的要求，比如：特定功能要求（像抱闸功能、主从功能、负载平衡功能等等），通讯接口、IO接口、滤波器、电抗器等。

还有一些环境的影响，是否需要考虑降容，防护等级，尺寸等等。

施耐德御程系列产品目录中，列出了变频器额定电压380~480V

额定功率，其中每个型号还标注了轻载和重载的功率，变频器的额定电流，这里列出了变频器的最大连续输出电流和60s的瞬时过载能力。选型的时候，一定要确保最大连续输出电流和瞬时过载电流都能够满足负载的需要，否则变频器的功率就是偏小的。

这些就是变频器的选型要素。

  本视频的主要内容是与大家一起探讨——什么是变频器？变频器为什么能调速？为什么要用变频器；

   什么是变频器？

   变频器是将恒压恒频的交流电转换为变压变频的交流电的装置，以满足交流电动机变频调速的需要；

   施耐德变频器种类丰富，可以覆盖客户的各种应用需求，为客户提供丰富的配置选择。

   变频器为什么能调速？

   在说变频器调速之前，我们先来看看电动机：

   三相鼠笼型异步电机的定子铁芯上嵌有对称的三相绕组，每个绕组在空间上相差120°电角度，绕组可以星型连接也可以三角形连接，鼠笼电机的转子上有均匀分布的导条（一般是铜条或者铝条），两端分别用铜环把它们联接成一个整体，形成一个短路的绕组，因为形状像松鼠笼子，所以叫鼠笼型。

   当三相电流通入对称定子三相绕组时，必然会产生一个转速一定的旋转磁场。这时候转子上的导条被这种旋转磁场切割，转子导条上产生感应电动势，并产生电流，转子电流与磁场相互作用，产生电磁转矩，于是转子就跟随着旋转磁场旋转。

   当三相电流随时间变化经过一个周期T，旋转磁场在空间上相应的转过360°，即电流变化一次，旋转磁场转过一转儿。

   因此，如果电机极对数是1，电流每秒变化f1次（f1就是电源频率），那么旋转磁场每秒转过f1转。所以定子上的旋转磁场转速（也称同步转速）n0=f1/p，其中F1为电源的频率，P为绕组磁场的极对数。

因为我们习惯用r/min来表示电机转速，所以经过单位换算后，同步转速=60f1/p

   在一般情况下，异步电动机的在电动状态下，转速不能达到旋转磁场的同步转速n0，总是略小于n0,这是由于异步电动机转子导条上之所以能受到电磁转矩，关键在于导条与旋转磁场之间存在一种相对运动从而发生电磁感应作用，如果异步电动机的转子转速达到同步转速n0，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内产生感应电动势，也就不会产生电磁转矩来拖动机械负载。

   因此，异步电动机的转速n总是略小于旋转磁场转速n0，它是跟随旋转磁场，与“旋转磁场”异步转动，异步电动机由此而命名。

   同步转速n0与电机转速n之间的差值，我们称之为转差，这个转差与同步转速n0之间的比值我们称之为转差率s，用百分比的形式表示

根据这个公式，就可以推导出异步电动机的转速公式n=60f1除以p 再乘上1-s

根据这个公式，通过改变供电电源频率f1就可以改变异步电动机转速，这就是变频调速，是三相异步电动机最主要的调速方式。

   变频可以调速，那么变频器是怎样一个结构来实现变频呢？

   通常使用的变频器是交直交结构的，这种结构的简单示意图(见视频)，它是把交流通过整流桥整流成为直流，然后再按照PWM的原理通过逆变桥IGBT转换为需要的可变频变压的交流给电机，从而实现无级调速。

   通常变频器的整流采用二极管全波整流，整流后的直流电存储在滤波电容里，直流电压一般是进线电压的根号2倍，有的变频器还内置直流电抗器和制动晶体管（例如：施耐德ATV900系列），制动电阻一般是外部选件。逆变部分一般是由6个IGBT和6个二极管组成，最终输出到电机。

   变频器将直流逆变为交流，采用的最普遍的就是PWM脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。 这种方式保持逆变器的工作频率不变，即载波频率不变，而通过改变 IGBT 的导通时间或截止时间来改变占空比，这样就可以获得一列列幅值相等，脉宽不同的波形。这个幅值就是变频器的直流母线电压。设想将正弦波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。变频器控制IGBT输出矩形脉冲波形，等幅不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化，实现等效正弦波，最终实现变压变频。

   可以看到，变频器的输出波形并非正弦波，只是面积等效正弦波，所以变频器的输出端只能接电机，不能当成电源接其它用电设备。

   为什么要用变频器？

   前面说了变频器就是变频的装置，所以变频调速是它基本的用途，在需要变频调速的场合就可以考虑变频器；另外，变频器在风机泵类负载的应用中节能效果明显，一般可以达到20%~30%，甚至更高。它还可以减少传动环节的应力，减少电机的电流冲击，提高机械与电机的使用寿命。另外变频器还集成了丰富的应用功能、通讯接口，实现自动化与信息化的融合，助力智能制造。

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