绞车变频装置监控系统设计.docx

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绞车变频装置监控系统设计

摘要

绞车变频装置采用变频调速实现了软启动、软停车,减少了机械冲击,使运行更加平稳可靠。

运行速度曲线成S形,低速启动力矩可达200%,使加减速平滑、无撞击感。

安全保护功能齐全,除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外,还设有连锁保护、自动限速保护功能,还有回馈制动及直流抱闸制动

等多种选择制动方式,使安全性更加可靠。

关键词：

　绞车负力回馈　四象限运行　直接转矩DTC控制　不控整流电路的调制

DTCdirecttorquecontrolNon-controlledrectifiercircuitmodulation

1绪论

1.1绞车变频装置监控系统简介

绞车变频装置监控系统的发展趋势，主要是向多媒体化方向发展。

具体表现在以下几方面：

（1）智能化自检功能，系统故障自检功能向智能化发展，具有对故障的智能分析、判断功能，改变系统自检功能单一、简单的情况，做到系统常见的软件和硬件故障都能通过自检功能进行判断，从而缩短故障处理时间，更好地保障矿井运输安全生产。

（2）兼容性，现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用装置，互不兼容。

有些矿井为了安全生产的需要，在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下，不得不放弃该系统。

因此，制定统一的专业技术标准，对促进绞车变频装置监控技术发展和系统的推广应用具有十分重要的意义。

（3）实现变频装置监控信息网络化，根据监控系统网络化管理的需要，监控系统的实时监控信息将被网络共享，系统应用软件按统一的格式向外提供监测数据，每一台在网络远程终端都可以共享监控信息，为决策和管理层提供决策依据。

（4）提高变频器技术水准。

变频器的精度、可靠性等质量不断提高。

2绞车变频装置监控系统

系统采用变频装置进行调速，同时该系统还具有启动、停止（变频器和油泵电机）、急停（紧急切断变频器和油泵电源）、复位（恢复变频器软故障）、合闸（启动主接触器，变频器得电）、分闸（断开主接触器，变频器失电）、信号（发至下口工作人员）以及提升、下放等信号的控制及显示功能；具有电源电压、运行速度、运行频率、深度指示、电机电流、温度、时间等参数以及电源、允许、运行、故障等信号的显示功能。

2.1变频调速的优点

矿用提升绞车目前大多采用绕线电机串电阻器调速,该调速方法是有级的,且启动力矩大、速度不均匀、噪声大、耗能多、成本高;而采用鼠笼电机变频调速是无级调速,且无噪声,可节电50%,绞车启动、停止、加速和正反转等控制功能均由变频器完成,控制信号直接进入变频器,频率范围为5～50Hz。

采用变频调速技术,在提升减速及下降过程中,如电动机转速超过同步转速而进入了发电状态,变频器会自动进行能耗制动。

在工作过程中,电路中的开关及接触器一直处于闭合状态,变频器处于工作状态,可频繁启动。

在下降过程中,改变变频器的输出频率,即改变同步转速,下降速度随之改变。

在接到停机信号时,变频器给电机提供一直流电流,通过直流制动实现准确定位。

2.2变频调速原理

（1）

根据外设控制接点的切换

控制变频器进行1～4种

人为设定的频率运行,

如图1所示。

（2）可以根据需要通过外设控制接点,配合频率的设定进行变频器的脉动输出控制,如图2所示。

（3）根据应用对象的不同,设定不同的始动频率。

当低于始动频率时,装置自动停止,始动频率的调整范围在0.5～50Hz之间,以0.1Hz分档设定。

为了防止误操作引起的频率过高或过低,以致影响设备的正常运转,该装置可进行频率上限及下限的限幅设定,如图3所示。

2.转矩补偿

为了保证在调速过程中电动机产生的最大转矩基本不变,甚至在频率很低时也能保证有较大的转矩,该变频器设置了“转矩补偿”功能,从而保证在低速时,电动机仍能有较大的输出转矩。

为适应不同需要,还设定了25条补偿曲线,可通过手动或自动方式进行补偿。

3.制动转矩及制动时间可调

当减速到设定的始动频率以下时,可根据提升装置的转动惯量调整7种不同的制动力矩。

制动时间在1～200ｓ范围内连续可调。

4.加、减速时间设定

分别进行第一加速、第二加速、第一减速、第二减速时间的设定,设定范围从0.1～9999s,如图4所示。

使用变频器调速,可以实现高度智慧化,具有调速范围广、控制精度高、节电等优点;从启动、加速、等速到减速、爬行全过程的速度变化平稳可调;也可以根据需要另行设定,使其按一定的速度要求和时间要求实现控制过程的自动化。

而且操作简便,维护方便,占有空间小,免去大量接触器、继电器及其它元器件、易损件,使维护工作量大大减少,增加了可靠性。

此外,变频调速装置的故障率低,安装周期短,还可以消除原系统运行中对设备的冲击,延长设备使用寿命,减少维修费用,增加整机的安全可靠性;可以减少供电变压器的容量,减少对局部电网的冲击,保证供电质量,为保证煤矿的安全生产创造了条件。

2.3变频器的结构和故障判断简介

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。

其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。

对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

1.整流器，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。

2.中间电路，有以下三种作用：

a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。

b.通过开关电源为各个控制线路供电。

c.可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。

3.逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。

4.控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。

其主要组成部分是：

输出驱动电路、操作控制电路。

主要功能是：

a.利用信号来开关逆变器的半导体器件。

b.提供操作变频器的各种控制信号。

c.监视变频器的工作状态，提供保护功能。

在现场对变频器以及周边控制装置的进行操作的人员，如果对一些常见的故障情况能作出判断和处理，就能大大提高工作效率，并且避免一些不必要的损失。

为此，我们总结了一些变频器的基本故障，供大家作参考。

以下检测过程无需打开变频器机壳，仅仅在外部对一些常见现象进行检测和判断。

1上电跳闸或变频器主电源接线端子部分出现火花。

检测办法和判断：

断开电源线，检查变频器输入端子是否短路，检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否短路。

可能原因是整流器损坏或中间电路短路。

2上电无显示

检测办法和判断：

断开电源线，检查电源是否是否有缺相或断路情况，如果电源正常则再次上电后则检查检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否有电压，如果上述检查正常则判断变频器内部开关电源损坏。

3开机运行无输出（电动机不启动）

检测办法和判断：

断开输出电机线，再次开机后观察变频器面板显示的输入频率，同时测量交流输出端子。

可能原因是变频器启动参数设置或运行端子接线错误、也可能是逆变部分损坏或电动机没有正确链接到变频器。

4运行时“过电压”保护，变频器停止输出

检测办法和判断：

检查电网电压是否过高，或者是电机负载惯性太大并且加减速时间太短导致的制动问题，请参考第8条。

5运行时“过电流”保护，变频器停止输出

检测办法和判断：

电机堵转或负载过大。

可以检查负载情况或适当调整变频器参数。

如无法奏效则说明逆变器部分出现老化或损坏。

6运行时“过热”保护，变频器停止输出

检测办法和判断：

视各品牌型号的变频器配置不同，可能是环境温度过高超过了变频器允许限额，检查散热风机是否运转或是电动机过热导致保护关闭。

7运行时“接地”保护，变频器停止输出

检测办法和判断：

参考操作手册，检查变频器及电机是否可靠接地，或者测量电机的绝缘度是否正常。

8制动问题（过电压保护）

检测办法和判断：

如果电机负载确实过大并需要在短时间内停车，则需购买带有制动单元的变频器并配置相当功率的制动电阻。

如果已经配置了制动功能，则可能是制动电阻损坏或制动单元检测失效。

9变频器内部发出腐臭般的异味

检测办法和判断：

切勿开机，很可能是变频器内部主滤波电容有破损漏液现象。

10如判断出变频器部件损坏，则联系供应商或送交专业维修中心处理。

变频器故障分析

目前人们所说的交流调速系统，主要指电子式电力变换器对交流电动机的变频调速系统。

变频调速系统以其优越于直流传动的特点，在很多场合中都被作为首选的传动方案，现代变频调速基本都采用16位或32位单片机作为控制核心，从而实现全数字化控制，调速性能与直流调速基本相近，但使用变频器时，其维护工作要比直流复杂，一旦发生故障，企业的普通电气人员就很难处理，这里就变频器常见的故障分析一下故障产生的原因及处理方法。

一、参数设置类故障

常用变频器在使用中，是否能满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。

1、参数设置

常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。

在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的，但以面板操作并不满足大多数传动系统的要求。

所以，用户在正确使用变频器之前，要对变频器参数时从以下几个方面进行：

（1）确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

（2）变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。

采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

（3）设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。

（4）给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。

正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。

2、参数设置类故障的处理

一旦发生了参数设置类故障后，变频器都不能正常运行，一般可根据说明书进行修改参数。

如果以上不行，最好是能够把所有参数恢复出厂值，然后按上述步骤重新设置，对于每一个公司的变频器其参数恢复方式也不相同。

二、过压类故障

变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上。

正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的平均值。

若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线＝513V。

在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V左右时，变频器过电压保护动作。

因此，变频器来说，都有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器，常见的过电压有两类。

1输入交流电源过压

这种情况是指输入电压超过正常范围，一般发生在节假日负载较轻，电压升高或降低而线路出现故障，此时最好断开电源，检查、处理。

2发电类过电压

这种情况出现的概率较高，主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态，而变频器又没有安装制动单元，有两起情况可以引起这一故障。

（1）当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量回馈单元，因而变频器支流直流回路电压升高，超出保护值，出现故障，而纸机中经常发生在干燥部分，处理这种故障可以增加再生制动单元，或者修改变频器参数，把变频器减速时间设的长一些。

增加再生制动单元功能包括能量消耗型，并联直流母线吸收型、能量回馈型。

能量消耗型在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制功率管的通断。

并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统，这种系统往往有一台或几台电机经常工作于发电状态，产生再生能量，这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收。

能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时可逆变流器就将再生能量回馈给电网。

（2）多个电动施动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负荷分配引起的。

以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起故障。

在纸机经常发生在榨部及网部，处理时需加负荷分配控制。

可以把处于纸机传动速度链分支的变频器特性调节软一些。

三、过流故障

过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。

其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。

这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。

如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。

四、过载故障

过载故障包括变频过载和电机器过载。

其可能是加速时间太短，直流制动量过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。

一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。

负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。

如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。

五、其他故障

1、欠压

说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。

2、温度过高

如电动机有温度检测装置，检查电动机的散热情况；变频器温度过高，检查变频器的通风情况。

六、变频器发展的六大趋势

变频器是运动控制系统中的功率变换器。

当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：

驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。

因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

经历大约30年的研发与应用实践，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。

变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响，二要看对电网的谐波污染和输入功率因数，三要看本身的能量损耗（即效率）如何？

这里仅以量大面广的交—直—交变频器为例，阐述它的发展趋势：

1主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化，开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。

2变频器主电路的拓扑结构方面：

变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。

负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。

对于四象限运行的传动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。

目前，低、中压变频器都有这类产品。

3脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制（SPWM）控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。

4交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度变频器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。

5微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向：

运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。

近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。

DSP和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强10～15倍，以确保系统有更优越的控制性能。

数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。

6交流同步电动机已成为交流可调传动中的一颗新星，特别是永磁同步电动机，电机获得无刷结构，功率因数高，效率也高，转子转速严格与电源频率保持同步。

同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类。

自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似，用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器，如采用交—直—交变压变频器时叫做“直流无换向器电机”或称“无刷直流电动机（BLDC）”。

传统的自控变频同步机调速系统有转子位置变频器，现正开发无转子位置变频器的系统。

同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制，其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机简单。

2.4系统采用的变频调速装置简介

1.设备适用范围

采用隔暴兼本安安全型变频调速装置。

选用德国西门子公司的6SE7系列能量回馈型变频器，结合真空散热、程控等先进技术，通过改变电动机定子供电频率来实现绞车的调速。

该装置适用于交流50Hz、电源660VAC、直径2.0m以下、功率200Kw以下的绞车上，替代这类绞车电控沿用多年的窄电动机转子回路串接金属电阻或液体电阻的落后的调速方式，实现节电、运行更安全、调速性能更好、设备维修量大大减少和事故率大大降低。

2.使用环境

①工作环境温度－10℃～＋40℃；

②空气相对湿度不超过95﹪；

③煤矿井下有瓦斯突出的环境；

④设置场所应无显著振动与冲击；

⑤安装使用地点的海拔高度应不超过1000m；

⑥与垂直面的安装倾斜度不大于15°；

⑦无滴水和淋水的地方；

3.主要技术参数和特点

①输入电压：

660VAC、输入频率：

50Hz；电压持续波动应不超过正负10﹪，短暂波动应不超过－10﹪～＋15﹪；频率波动应不超过正负2﹪，频率的变化速度每秒应不超过正负1﹪，且频率的负波动和电压的正波动不能同时发生。

②输出电压：

0～660VAC、输出频率：

0～50Hz，额定输出功率：

200Kw

③超载能力：

136﹪额定电流，1min；160﹪额定电流，30S；功率因子>0.95；

④采用全数字无速度变频器向量控制，系统调速范围宽，调速精度高；

⑤四象限运行、具有能量回馈功能，使节电效果更加明显；

⑥实现调频软启动，启动电流小，启动力矩大；

⑦更为完整的安全保护功能：

具有过压、欠压、过流、短路、过热、断相、漏电闭锁、自动限速和开机自检等保护；

⑧设有故障记忆功能。

能保留最后8个故障跳闸数据；具有自动再启动、DC制动功能；

⑨操作简便，并具有手动、自动两种操作方式，二者互为闭锁、切换方便；

⑩变频器MPU操作面板、PLC触摸屏均具有RS-485串行接口，可与上位机和局域网进行通讯。

4.设备配置

本装置由变频器、电抗箱、电源控制箱和操作台四部分组成。

5.操作台功能说明

操作台上配置有数字显示仪表、指示灯、按钮、转换开关和操作手柄，如图5所示。

电源电压：

显示变频器的输入电压（V）。

运行速度：

显示电机的实际转速（转/分）。

运行频率：

显示绞车的实际运行频率（Hz）。

电机电流：

显示变频器的输出电流（A）。

温度指示：

显示变频柜内的温度（℃）。

时间指示：

显示小时、分信息。

深度指示:

显示绞车的实际运行位置（m）。

电源：

明亮表示控制电源得电；

允许：

明亮表示控制电路、检测电路合安全回路正常，设备可以运行；

运行：

明亮表示变频器在工作；

故障：

明亮表示控制电路、检测电路或安全回路有故障。

急停按钮：

遇到紧急情况，能切断变频器和油泵电源，使绞车快速停下来。

复位按钮：

恢复变频器出现的软故障。

信号按钮：

给下口的工作人员发出信号。

手动/自动转换开关：

转换到手动位置时，通过操作手柄控制绞车的运行，转换到自动位置时，通过设定的程序有PLC控制绞车的运行。

合闸按钮：

启动主接触器，变频器得电。

分闸按钮：

断开主接触器，变频器失电。

启动按钮：

启动变频器和油泵电机。

停止按钮：

关断变频器和油泵电机。

操作按钮：

向前推，绞车下放运行；朝后推，绞车提升运行；提升速度根据绞车运行需要、将手柄停在相应的位置。

放在中间零位时，变频器无频率输出，电机处于静止状态。

监控系统主画面按钮：

启动监控系统主画面。

通过上位机人机界面上显示。

防错道装置画面按钮：

启动防错道装置画面。

斜巷信号监控画面按钮：

启动斜巷信号监控画面

绞车变频装置监控画面按钮：

启动绞车变频装置监控画面

挡车装置监控画面按钮：

启动挡车装置监控画面

6.显示系统说明

显示系统通过可编程控制器结合人机界面实现对绞车的运行状态、运行参数等的实时检测、动态画面监控和技术参数的修改。

在人机界面设计部分详细介绍。

7.手动操作

①接到信号员发出的开车信号后，将本安电源箱的开关旋转到通电位置，操作台上电源指示灯和允许指示灯亮，将“手动/自动”转换开关旋转至手动位置。

检查操作台仪表是否正常，操纵手柄是否在中间停车位置。

此时人机界面出现系统状态接口，显示绞车运行参数、“手动操作”状态、变频器“允许合闸”、变频电源闪烁“送电分闸”、“制动泵停”、“抱闸”、“急停打开”和“安全回路接通”。

②确认一切正常时，按下合闸开关，主接触器闭合，人机界面显示变频器电源“送电合闸”

③按下启动按钮，变频器工作，运行指示灯亮；再按下松闸，人机界面显示“制动泵起”、“松闸”、“变频器运行”、“逆变正常”和“整流正常”。

④松开机械闸，根据绞车当前所处的工作位置，缓慢地向前或向后移动操纵手柄，人机界面相应显示绞车“下放”运行、“下放正常”或“提升”运行、“提升正常”，电机开始转动，随着绞车的加速，将操纵手柄扳到最大位置。

严禁将操作手柄猛力一次扳到最大位置。

⑤绞车的实际位置同时通过人机界面和操作台上的深度指示器直观显示。

当绞车运行到正（反）减速位置时，变频器输出从＋50Hz（－50Hz）自动降到＋10Hz（－10Hz）,人机界面提示“减速”；到达正（反）停车位置时，变频器输出为0，人机界面显示“停车”。

这时将操纵手柄移动到中间停车位置，将机械闸抱紧，按下停止按钮和抱闸按钮。

此时运行指示灯灭，油泵停止工作，人机界面显示“制动泵停”、“抱闸状态”。

如果需过一段时间再工作时，这时应把分闸按钮按住三秒使主接触器断开。

8.自动操作

①将操作台“手动/自动”转换开关旋转至自动位置。

②接到信号员发出的开车信号后，将本安电源箱的开关旋转到通电位置，操作台上电源指示灯和允许指示灯亮，检查操作台仪表是否正常，操纵手柄是否在中间停车位置。

此时人机界面出现系统状态接口，显示绞车运行参数、“自动操作”状态、变频器“允许合闸”、变频电源闪烁“送电分闸”、“制动泵停”、“抱闸”、“急停打开”和“安全回路接通”。

③确认一切正常时，按下合闸开关，主接触器闭合，人机界面显示变频器电源“送电合闸”

④按下启动按钮，变频器工作，运行指示灯亮；再按下松闸，人机界面显示“制动泵起”、“松闸”、“变频器运行”、“逆变正常”和“整流正常”。

⑤选择“下放”或“提升”运行方式后，松开机械闸，人机界面显示“松闸”，绞车开始自动运行，人机界面相应显示绞车“下放”运行、“下放正常”或“提升运行”、“提升正常”，绞车实际位置同时通过人机界面和操作台上深度指示器直观显示。

在从正（反）停车位置到正（反）减速位置期间，变频器输出从0Hz加速至＋7.5Hz（－7.5Hz），当过正（反）减速位置后，变频器输出在