最新变频器技术教案

教学回顾：电力拖动中的设备不少都需要调速，比如机床线路有些是机械调速，而有些则需要电气调速。

教学引导：交流异步电机的调速有三种方法，一.变级调速；二.改变转差率调速；

三.变频调速。

正课内容：

变频技术

课题一：变频调速的基础知识和控制原理

一、变频器及其分类

1.变频器

变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用，将工频

交流电变换成频率、电压连续可调的交流电的电能控制装

置，如图4-2所示。

2.变频器的分类

变频器的种类很多，分类方法也有多种，常见的分类方

式见下表。

二、通用变频器的甚本结构

目前，通用变频器的变换环节大多采用交一直一交变频变压方式。即先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电逆变成频率、电压连续可调的交流电。基本框图如下。

2.变频器的控制电路

变频器的控制电路为主电路提供控制信号，其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。

通用变频器控制电路的控制框图如图4-5所示，主要由主控板、键盘与显示板、电源板与驱动板、外接控制电路等构成。各部分的功能见下表

常用的逆变管：

1. 大功率晶体管（GTR ），高电压、大电流。工作在开关状态。

2. 绝缘栅双级晶体管（IGBT ），输入电阻大，栅极电流约为零。

3. IPM 智能模块，驱动、保护、检测在一个模块。

三、变频器的工作原理和功能

1.变频器的工作原理

(1)逆变的基本工作原理当开关S1、S2与S3、S4轮流闭合和断开时，在负载上即可得到波形如图4-17b所示的交流电压，完成直流到交流的逆变过程。用具有相同功能的逆变器开关元件取代机械开关，即得到单相逆变电路，电路结构和输出电压波形如图4-18所示。改变逆变器开关元件的导通与截

止时间，就可改变输出电压

的频率。

常用的变频器采用三相

逆变电路，电路结构如图

4-19a所示。在每个周期中，

各逆变器开关元件的工作情

况如图4-19b所示，图中阴

影部分表示各逆变管的导通时间。下面以U、V之间的电压为例，分析逆变电路的输出线电压。

1).在△t1、△t2时间内，Vl, V4同时导通，U为“＋”、V为“一”，u uv为“＋”，且U m＝U D。

2).在△t3时间内，V2, V4均截止，u uv= 0 。

3).在△t4、△t5时间内，V2, V3同时导通，U“一”，V为“＋”，u uv为“一”，且U m＝U D。

4).在△t6时间内，Vl, V3均截止，u uv= 0 。

根据以上分析，可画出U与V之间的电压波形。同理可画出V与W之间、W与U之间的电压波形，如图4-19c所示。从图中看出，三相电压的幅值相等，相位互差120 0 。

上面讨论的仅是逆变的基本原理，据此得到的交流电压是不能直接用于控制电动机的运行，实际应用的变频器要复杂得多。

(2) U/f控制是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维持电动机磁通基本恒定，三相交流异步电动机在工作过程中，铁心磁通接近饱和状态。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。

在励磁不足时，电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时，又会使铁心中的磁通处于饱和状态，使电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铁耗，并易使电动机温升过高。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定并为额定值。

由异步电动机定子绕组感应电

动势可得到：

显然，要使电动机的磁通在整个调速过程中保持不变，只要在改变电源频率f的同时改变电动机的感应电动势E,使其满足E/f为常数即可。考虑到正常运行时电动机的电源电压与感应电动势近似相等，只要使U/f等于常数，即可使电动机的磁通基本保持不变，采用这种控制方式的变频器称为U/ f控制变频器。

当电动机低速运行时，感应电动势较低，定子阻抗上的压降不能忽略，采用U/f控制的调速系统在工作频率较低时，电动机的输出转矩将下降。为了改善低频时的转矩特性，可采用补偿电源电压的方法，即低频时适当提升电压U来补偿定子阻抗上的压降，以保证电动机在低速区域运行时仍能得到较大的输出转矩，这种补偿功能称为变频器的转矩提升功能。

综上所述，对电动机供电的变频器一般要求兼有调压和调频功能，通常将这种变频器称为变频变压(VVVF)型变频器。

(3)脉冲宽度调制(PWM)技术在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度（或用占空比表示），达到改变等效输出电压的一种方法。

PWM的输出电压基本波形如图4-20所示。在半周中保持脉冲个数不变而改变脉冲宽度，可改变半周内输出电压的平均值，从而达到改变输出电压有效值的目的。

PWM输出电压的波形是非正弦波，用于驱动三相异步电动机运行时性能较差。如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化，即使脉冲宽度先逐步增大，然后再逐渐减小，则输出电压也会按正弦规律变化，简称SPWM。如图4-21所示，如将一个正弦波的正半周划分为12等份，每一份正弦波下的面积可用一个与该面积近似相等的矩形脉冲来代替，则这12个等幅不

等宽的矩形脉冲的面积之和与正弦波所包围的面积等效。

2.变频器的功能

(1)系统所具有的功能

1)全范围转矩自动增强功能变频器在电动机的加速、减速和正常运行的所有区域中可以根据负载情况自动调节U/f值，对电动机的输出转矩进行补偿。

2)防失速功能变频器的防失速功能包括加速过程的防失速功能、恒速运行过程的防失速功能和减速过程的防失速功能三种。

3)过转矩限定运行功能这种功能的作用是对机械设备进行保护并保证运行的连续性。利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定，当电动机的输出转矩达到该设定值时，变频器停止工作并发出报警信号。

4)运行状态检测显示功能该功能主要用于检测变频器的工作状态并及时显示。

5)自动节能运行功能该功能使变频器能自动选择工作参数，使电动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行。

6)自动电压调整功能当电源电压下降时，使用自动电压调整功能可以维持电动机的高启动转矩。

7)通过外部信号对变频器进行启停控制的功能变频器通常都具有通过外部信号控制变频器启停的功能。

(2)频率设定功能

1)给定频率的设定方法有面板给定、预置给定、外接

给定三种方式。

2)基本频率f b和最高频率f max.电动机的额定频率称为

变频器的基本频率。当频率给定信号为最大时，变频器的给

定频率称为最高频率。

3)上限频率,f'H和下限频率f L 上限频率与下限频率是

调速系统所要求变频器的工作范围，

设与f H、f L对应的给定信号分别是X H、X L，则上限频率的定义是：当X > X H时，f x=f H；下限频率的定义是：当X

4)点动频率生产机械在调试的过程中，以及每次新的加工过程开始前，常需要点动控制。

(3)升速时间和降速时间的设定功能

升降速时间的设定输出频率可以从很低时开始，频率上升的快慢可以任意设定，从而可以有效地将启动电流限制在一定范围内，减速也是如此。

(4)变频器的保护功能

1)过电流保护功能

2)过载保护功能此功能

过载保护可设置为反时限特性，可较好地实现电动机的过载预报警和过载保护。

3)电压保护功能升速过压，减速过压。

另外变频器还具有接地保护、冷却风扇异常保护、过热保护和短路保护等保护功能。

课题二通用变频器的选用、安装与调试

一、变频器的选用

1.变频器的额定值

(1)输入侧的额定值输人侧的额定值主要是电压和相数。中小容量变频器输入电压的额定值有以下几种（均为线电压）：

1) 380 V/50 Hz,三相，用于绝大多数设备中。

2）200～230 V/50 Hz或60 Hz、三相，主要用于某些进口设备中。

3) 200～230 V/50 Hz,单相，主要用于小容量设备和家用电器中。

(2)输出侧的额定值

1)额定输出电压U N 是指变频器输出电压中的最大值。在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。

2)额定输出电流I N额定输出电流是指变频器可以连续输出的最大交流电流的有效值。

3)输出容量S N(kV A) 变频器输出容量是决定于额定输出电流与额定输出电压的三相视在输出功率

S N＝3U N I N

4)适用电动机功率P N(kW) 是指以4极的标准电动机为对象，表示在额定输出电流以内可以驱动的电动机功率。

5)过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为150%1N 、60s或180％I N,、0.5s。专门用于风机、泵类负载调速的变频器规定为120％I N、60 s 。

2.变频器的选择

变频器的选择包括类型的选择、容量的选择和外围设备的选择三方面。

(1)变频器类型的选择U/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器。

变频器类型的选择，要根据负载的要求来进行。

1)风机、泵类负载，低速下负载转矩较小（为平方转矩负载），通常可以选择普通功能型。

2)恒转矩类负载，例如挤压机、搅拌机、传送带、起重机的平移机构、起重机的提升机构和提升机等，有以下两种情况：

a）选用普通功能型的，常采用加大电机和变频器容量的办法，以提高低速的转矩。

b）选用具有转矩控制功能的高性能变频器，以实现恒转矩负载的稳速运行。

(2)变频器容量的选择变频器的容量通常用额定输出电流(A)、输出容量(KV A)、适用电动机功率(kW)表示。

对于标准4极电动机拖动的连续恒定负载，变频器的容量可根据适用电动机的功率选择。对于其他极数的电动机拖动的负载，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择，

(变频器)I N≥I max（电动机最大电流）

(3)变频器外围设备及其选

择外围设备通常是指配

件，分为常规配件和专用配件，

如图4-29所示。图中断路器和接

触器是常规配件；交流电抗器、

滤波器、制动电阻、直流电抗器

和输出交流电抗器是专用配件。

二、变频器的安装

1.变搜器对安装环境的要求

(1)环境温度温度是影响

变频器寿命及可靠性的重要因

素，一般要求为－10～400C

(2)环境湿度相对湿度不超

过90％（无结露现象）。

(3)安装场所应在海拔高度1

000 m以下使用。

(4)其他条件在振动场所应

用变频器时，应采用防振措施，

并进行定期检查、维护和加固工

作。

2.变频器的发热与散热

变频器内部存在着功率损耗，因而工作过程中会导致变频器发

热。因此，安装变频器时必须保证其散热途径畅通，不能被堵塞。

3.安装变频器的方法和要求

(1)墙挂式安装一般情况下允许直接靠墙安装，称为墙挂式

安装。为保持良好的通风以改善冷却效果，变频器应垂直安装并与

周围阻挡物间留有足够的距离。安装间距如图

4-30所示。

(2)柜式安装柜式安装同样需注意变频器

的冷却。当一个柜内装有两台或两台以上变频

器时，应尽量并排安装。若必须采用上下排列

方式时，则应在两台变频器间加一隔板，以免

下面变频器中出来的热风进人上面变频器内，

如图4-31所示。变频器在控制柜内不能上下

颠倒或平放安装。

4.变颇器的接线

图4-32所示为森兰SB60/61系列变频器

的基本接线图。

(1)主电路的接线主电路的基

本接线如图4-33所示。R, S, T是变频

器的输人端，接电源进线。U、V、W

是变频器输出端，与电动机相接。输

出端与输人端绝对不允许接错，否则

会严重损坏变频器。

图4-33中的热继电器仅在电动

机连续运行于10 Hz以下或60 Hz以

上，或者一台变频器驱动多台电动机

的情况下考虑使用。其他情况下可不

必使用热继电器。变频器的输出端不

能接电力电容器或浪涌吸收器。

(2)控制电路的接线变频器的控

制电路大体可分为模拟和数字两种。

模拟量控制线主要包括输人侧的给

定信号线和反馈线及输出侧的频率

信号线和电流信号线。由于模拟信号

的抗干扰能力较低，因此模拟量控制线必须使用屏蔽线。

课题三通用变频器的认

识

1．变频器操作面板介绍

(1) 如图2-1-5所示。把用参数

单元控制变频器运行的方法叫“PU”

操作，“PU”操作模式不需外部操作

信号，通过FR-DU04操作面板上的

按键即可开始运行及停止。

(

2)

FR-

DU

04

操

作

面

板各按键的功能表2-1-1中列出了面板上各按键的

功能。

2．变频器主接线端子的介绍

主接线端子见图2－1－6所示。

3.变频器控制回路端子的介绍

(1)控制回路端子如图2-1-7所示。

(2）控制回路端子功能介绍

1)输人信号端子输入信号端子功能介绍见表

2－1－40（P73页）

2)输出信号端子输出信号端子功能介绍见表2-1-5 0（P74页）

课题四变频器基本参数的意义及设置方法

一、实训目的及要求

1．理解基本参数的意义。

2．掌握变频器的参数设定方法。

3．掌握变频器的模式切换操作和各种清除操作。

4．掌握频率设定及监视的操作。

二、实训内容及步骤

1．基本功能参数及意义

(1)基本功能参数基本功能参数见表2-2-1（P75页）

(2）基本功能参数的意义

1)转矩提升(Pr. 0) 此参数主要用于设定电动机启动时的转矩大小，用百分数设定0时的

电压值。设定过大，将导致电动机

过热；设定过小，启动力矩不够，

一般最大值设定为10%，如图2-2-1

所示。

2)上限频率(Pr. 1)和下限频率(Pr. 2) 这是两个设定电动机运转上限和下限频率的参数。在这两个值确定之后，电动机的运行频率就在此范围内设定，如图2-2-2所示。

3)基底频率(Pr. 3) 此参数主要用于调整变频器输出到电动机的额定值，当用标准电动机，通常设定为电动机的额定频率。

4)多段速度(Pr. 4 ，Pr .5 ，Pr .6) 用此参数将多段运行速度预先设定，经过输人端子进行切换。各输人端子的状态与参数之间的对应关系见表2-2-2

Pr. 24 ，Pr. 25 ，Pr. 26和Pr. 27也是多段速度的运行参数，与Pr. 4，Pr. 5，Pr. 6组成七种速度的运行。

在以上七种速度的基础上，借助于端子REX信号，又可

实现八种速度，其对应的参数是Pr .232一Pr .239，见表

2-2-3。

5）加、减速时间（Pr .7，Pr .8）及加、减速基准频率（Pr. 20）Pr .7设的值就是从0加速到Pr.20所设定的频率上的时间，Pr. 8所设定的值就是从Pr. 20所设定的频率减速到0的时间，如图2-2-3所示。

6)电子过流保护(pr. 9)通过设定电子过流保护的电流值，可防止电动机过热，可以得到最优的保护性能。设定过流保护注意以下事项：

①当变频器带动两台或三台电动机时，此参数应设为0，即不起保护作用，每台电动机外接热继电器来保护。

②特殊电动机不能用过流保护和外接热继电器保护。

③当控制一台电动机运行时，此参数的值应设为1--1.2倍的电动机额定电流。

7)点动运行频率（Pr .15)和点动加、减速时间(Pr. 16) Pr. 15参数设定点动状态下的运行频率。可以外部模式和PU模式下操作。

8)操作模式选择(Pr. 79) 这是一个比较重要的参数，确定变频器在什么模式下运行

9）

直流制

动相关参数（Pr. 10，Pr. 11，Pr. 12）Pr. 10是直流制动时的动作频率，Pr. 11是直流制动时的动作时间（作用时间），Pr. 12是直流制动时的电压（转矩），通过这三个参数的设定，可以提高停止的准确度，使之符合负载的运行要求。

10)启动频率（Pr. 13) Pr. 13参数设定在电动机开始启动时的频率，如果设定频率（运行频率）设定的值较此值小，电动机不运转，若Pr. 13的值低于Pr. 2的值，即使没有运行频率（即为0），启动后电动机也将运行在Pr. 2的设定值。其示意图如图2-2-6所示。

11)负载类型选择参数(Pr. 14)用此参数可以选择与负载特性最适宜的输出特性（U/f特性），

如图2-2-7所示。

12) MRS端子输人选择用于选择MRS端子的逻辑，如图2-2-8所示。

13)参数禁止写人选择(Pr. 77)和逆转防止选择(Pr. 78) Pr. 77用于参数写人禁止或允许，主要用于参数被意外改写；Pr. 78用于泵类设备，防止反转，具体设定值见表2-2-5。

2．参数设定方法及基本功能操作

（1)按参数单元的「MODE」键，可以改变五个操作画面，如图2-2-9所示。

(2)运行参数监视操作，

(3)运行频率设定操作，如图2-2-11所示。

(4)参数设定操作。变频器的所有参数都要在［参数设定］显示画面下设定，参数设定的操作有两种方法：当参数值较小时按第一种方法操作；当参数值较大时按第二种方法操作。

1)用［增／减〕键设定操作在［参数设定」显示画面下，直接按［增/ 减］键将数字调在需要的值上，然后按住［SET」键，大于1 ．5s即可将新的值写人，原来的值被冲掉。

2)通过［SET］键设定操作当参数号太大时，按［增／减〕键操作太烦琐，按[SET］键比较方便。如图2-2-12所示。

（5）工作模式切换操作如图2-2-13所示。

（6）帮助模式下的各种操作如图2-2-14所示，

当操作「MODE］键进人帮助模式下时，可以进行各种清除操作，比如报警记录清除、参数清除、全部清除等，内容比较多，详细操作如图2-2-14所示。

a.报警记录清除操作按照图2-2-15所示的操作，可以清除报警记录。

b.参数清除操作按图2-2-16所示的操作可以进行参数清除，即将所有参数初始化到出厂值上，

3．各种操作的注意事项

（1)在运行中也可以进行运行频率的设定。

(2)参数设定一定要在“PU”下进行（一部分参数除外，使用时会特别说明），否则显示“P.5”字样（操作错误报警显示），这时最简单的清除方法是重新开启变频器电源。

（3)各种清除操作也要在“PU”下进行。

(4）在Pr. 79＝1时，不能进行［外部］与“PU”间的转换。

4．各种模式下的实操练习

（1)［PU操作］模式的启、停练习

1）设定参数Pr. 79＝1，操作单元上"PU"灯亮。

2)按图2-2-17的方法，在"HELP”画面下，操作“▲”键，调出“全部清除”子画面，进行全部清除操作（全部清除并不是将参数的值清到0，而是将参数设置在出厂值）。

3)按图2-2-11的方法设定运行频率f=30 Hz.

4）在［参数设定］画面下，设定参数Pr. 1＝50 Hz ; Pr. 2＝3 Hz ; Pr. 3＝50 Hz ; Pr.7=3 s：Pr.8=4 s ；Pr.9=2 A（由电动机功率定）。

5）分别按操作面板的「FWD」和「REV〕键，电动机会正转或反转在30 Hz 的频率上。

6) 按操作面板上的[STOP」键，电动机停止。

7) 改变第4步的参数值及第3步的运行频率值，反复练习。

(2)外部运行的启、停练习

1）设定参数Pr .79＝2，操作单元上“EXT，灯亮。

3)按图2-2-19接线。

4)接通SD与STF端子，转动电位器，电动机正向加速运行。

5)断开SD与STF端子连线，电动机停止。

6)接通SD与STR端子，转动电位器，电动机反向加速运行。

7)断开SD与STF端子连线，电动机停止。