变频器讲义

第一讲通用变频器原理一、交流异步电动机的变频调速的原理，交流异步电动机定子通以三相正弦电流，产生旋转磁场，其转速为同步转速。

转子回路中感应出转子电流，在旋转磁场作用下，转子以略低于同步转速的速度同向旋转。

异步电动机调速的基本原理基于以下同步转速方程公式:式(1)中: n1—同步转速(r/min);f1—定子供电电源频率(Hz);P—磁极对数。

对于四极电动机，50Hz时，同步转速n1=1,500 [r/min]。

一般异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系：式(2)中: n—异步电机转速(r/min);S—异步电机转差率。

四极异步电动机，50Hz时，同步转速n1=1,500 [r/min]，实际转速可能是1470[r/min]。

由(2)式可知，调速的方法可改变f1、P、S其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频率f1，实现调速控制。

由电机理论，三相异步电机每相电势的有效值由下式决定：式(3)中: E1—定子每相感应电动势有效值(V);f1—定子供电电源频率(Hz);N1—定子绕组有效匝数;Фm—定子磁通(Wb)。

改变频率f1调速时，如相电势E1不变，则气隙磁通Фm 要改变，电机输出转矩改变。

定子电压和感应电动势关系式：rE=+U+jx)11I11(1由上式可分成两种情况分析:(1) 在频率低于供电的额定电源频率时调速属于恒转矩调速。

变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通Фm不变，从(3)式可知，也就是要使E1/f1=常数。

然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，认为供给电机的电压U1≈E1，取电压U1与频率f1按相同比例变化，即U1/f1=常数。

三相异步电动机在设计时，都给定了额定电压U1 ，额定电流I1 及相应的额定频率f1 ，磁通Фm的数值都定为接近磁路饱和的数值。

从（1）中可见，降低f1，可使电动机减速，但在降低f1时，从（3）式可见，若保持E1不变，Фm必须增大。

因为电动机设计时铁芯已接近饱和，Фm增大必然引起电流大大增加。

要保持Фm不变，降低f1时只有降低E1，即U1，保持U1/ f1=常数。

这是变频器的基本控制方式。

但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，E1和U1相差较大。

因此要人为地提高定子电压U1，作漏抗压降的补偿，维持E1/f1≈常数，此时变频器输出U1/f1关系如图1中的曲线2，而不再是曲线1。

图1 U/f关系多数变频器在频率低于电机额定频率时, 输出的电压U1和频率f1类似图1中曲线2, 并且随着设置不同, 可改变补偿曲线的形状，使用者要根据实际工作情况运行选择。

(2) 在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速。

此时变频器的输出频率f1提高，但变频器的电源电压由电网电压决定，不能继续提高。

根据公式(3)，E1不能变，f1提高必然使Фm下降，由于Фm与电流或转矩成正比，因此也就使转矩下降。

转矩虽然下降了，但因转速升高了，所以它们两的乘积并未变，转矩与转速的乘积表征着功率。

因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行。

异步电动机的机械设计只满足额定转速下运行，故变频调速一般只从额定转速向下调速。

如果需要电动机超过额定转速运行，可选用变频电动机。

二、变频器的工作原理1.变频器类型交---交型：输入是交流，输出也是交流将工频交流电直接转换成频率、电压均可控制的交流，又称为直接式变频器交—直---交型：输入是交流，变成直流再变成交流输出将工频交流电通过整流变成直流电，然后再把直流电变成频率、电压均可控的交流电，又称为间接变频器。

目前多是交-直-交型的变频器。

而交-直-交型的变频器又分为电流型和电压型两种。

通用变频器是电压型交-直-交的变频器。

2 变频器的组成由主电路和控制电路组成主电路：由整流器，中间直流环节，逆变器组成先看主电路原理图三相工频交流电经过VD1 ~ VD6 整流后，正极送入到缓冲电阻RL，RL的作用是防止电流忽然变大。

经过一段时间电流趋于稳定后，晶闸管或继电器的触点会导通，短路缓冲电阻RL ，这时的直流电压加在了滤波电容CF1、CF2 上，这两个电容可以把脉动的直流电波形变得平滑一些。

由于一个电容的耐压有限，所以把两个电容串起来用，耐压就提高了一倍。

两个电容分别并联了一个均压电阻R1、R2 。

HL 是主电路的电源指示灯，串联了一个限流电阻接在了正负电压之间，这样三相电源一加进来，HL就会发光，指示电源送入。

直流电压加在了大功率晶体管VB的集电极与发射极之间，VB的导通由控制电路控制，VB上还串联了变频器的制动电阻RB，组成了变频器制动回路。

我们知道，由于电极的绕组是感性负载，在启动和停止的瞬间都会产生一个较大的反向电动势，这个反向电压的能量会通过续流二极管VD7~VD12使直流母线上的电压升高，这个电压高到一定程度会击穿逆变管V1~V6 和整流管VD1~VD6。

当有反向电压产生时，控制回路控制VB导通，电压就会通过VB在电阻RB释放掉。

当电机较大时，还可并联外接电阻。

一般情况下“+”端和P1端是由一个短路片短接上的，如果断开，这里可以接外加的支流电抗器，直流电抗器的作用是改善电路的功率因数。

直流母线电压加到V1~V6 六个逆变管上，这六个大功率晶体管是IGBT 型，基极由控制电路控制。

控制电路控制某三个管子的导通给电机绕组内提供电流，产生磁场使电机运转。

例如：某一时刻，V1、 V2 、V6 受基极控制导通，电流经U相流入电机绕组，经V 、W 相流入负极。

下一时刻同理，只要不断的切换，就把直流电变成了交流电，供电机运转。

为了保护IGBT，在每一个IGBT上都并联了一个续流二极管，还有一些阻容吸收回路。

主要的功能是保护IGBT，有了续流二极管的回路，反向电压会从该回路加到直流母线上，通过放电电阻释放掉。

控制电路原理示意图上图就是变频器控制电路的原理示意图。

上半部为主电路，下半部为控制电路。

主要由控制核心CPU 、输入信号、输出信号和面板操作指示信号、存储器、LSI电路组成。

外接电位器的模拟信号经模数转换将信号送入CPU，达到调速的目的。

外接的开关量信号也经由与非门送入控制CPU。

三、变频器输出波形特别要指出的，通用变频器对负载的输出波形都是双极性SPWM波（正弦脉宽调制），这种波形可以大幅度提高变频器的效率，但同时这种波形使变频器的输出区别于正常正弦波, 产生了变频器很多特殊之处，需要予以重视。

双极性SPWM波如图4所示, 其中图4(a)是三角形的载波与正弦形信号进行比较的情形，图4(b)是比较后获的输出电压SPWM波形。

脉冲幅度等于变频器整流后中间直流环节的平均直流电压。

变频器输出电压波形是矩形SPWM脉冲波，用普通电压表测变频器输出电压无多大意义。

图4 双极性SPWM调制器第二讲变频器的接线一、变频器一次端子变频器主电路引出端子R、S、T主电路电源端子，连接三相工频电源。

U、V、W变频器输出端子，连接三相电动机。

P(+)、N（-）直流连接端子，可连接外部制动单元。

PE变频器外壳接地连接端子。

变频器主电路接线注意点：1.主电路U、V、W是输出端子，绝对不允许接工频电源，否则将烧毁变频器逆变桥。

2.PE应该连接柜壳，以便通过柜壳接地。

接地导线的截面不小于4mm。

3. N（-）为中间直流回路低电平端子，绝对不允许接电源中性线或接地。

否则将烧毁变频器整流桥。

4.变频器和电动机之间距离过长时，例如大于100m，变频器应该加装输出电抗器，以限制分布电容造成的电流尖峰。

5.电动机冷却风扇送风量和转速平方成正比，变频器长期处于20赫兹以下运行时，转速太低，容易烧毁电动机，应该加装电动机外部冷却。

二、变频器二次端子变频器的二次端子，不同产品都不一样。

但是，各种功能都有端子对应。

现以ABB变频器为例进行讲解。

对于其它型号变频器，按输入、输出功能从说明书中找出对应端子，即可接线应用。

1.启动/停止变频器都有手动启动输入端子，只要把变频器24V端子经过外部接点从启动端子输入，变频器就启动。

接点断开，变频器停止输出。

ABB变频器手动启动从数字输入（DI）端子DI1接入；集控启动从DI6接入。

2.速度给定速度给定也叫做模拟输入（AI）信号。

手动启动后，速度给定从AI1输入。

把电位器接在变频器10V端子和0V端子之间，从电位器中间抽头取得0~10V电压速度给定信号，AI1输入。

10V对应最高频率。

自动启动后，从AI2输入4~20mA速度给定电流信号。

为此，必须在DI3端子输入一个转换信号。

可用外部手动/自动转换开关的接点把变频器24V电压接入DI3。

这样，变频器内部速度给定信号接收点就从AI1转换到AI2。

4mA对应零转速，20mA对应额定转速。

3.模拟输出为了显示或反馈变频器的频率（转速）、电流、电压等量值，一般变频器都有模拟输出（AO）信号。

模拟输出信号一般为4~20mA电流信号，也可改变设置输出电压信号。

ABB变频器出厂设定AO1输出频率值，AO2输出电流值。

用户可以改变设置，输出其它参数。

4.继电器输出继电器输出也叫做数字输出。

变频器运行时，从数字输出(RO)端子输出干接点开关信号，反映变频器准备、运行、故障等状态。

ABB变频器出厂已设定三个继电器接点对应的状态信号，但是用户可以改变设置。

对于其它型号的变频器，通过说明书查出如下端子：（1）.启动/停止输入端子，24 V端子（2）.手动/自动转换输入端子（3）.电位器手动速度给定AI1，集控速度给定AI2（4）.模拟输出速度信号AO1、电流信号AO2（5）.继电器输出及对应的状态信号三、变频器二次控制电路二次控制电路注意点：1.具有工频/变频切换时，因为变频器输出端不能加工频电压，工频接触器和变频输出接触器之间要有互锁。

2. 与变频器有关的模拟信号线选用屏蔽双绞线。

3. 变频器的电源线，应连接到进线接触器之前。

4. 继电器输出接点有容量限制，也不要接大感性负载。

5. 启动命令信号一般为脉冲信号，要保证变频器通电自检后，再输入启动命令信号。

6. 输出信号是由变频器供应的有源信号，可以直接接显示仪表。

7. 对于输入模拟信号，要查清楚电源是由变频器供应，还是外部电源供应。

ABB变频器接线参考图西门子变频器接线参考图说明：上图接触器接在变频器输出端，原因是这种变频器没有外接电源端子，必须先通电自检才能启动。

这种接法适用于不频繁启停，且停止前应先减速到零。

第三讲变频器的参数设置和调试一、变频器通电对变频器进行调试前，必须通读说明书，仔细检查变频器的二次端子引出线接到何处。

速度给定AI1是从变频器10V电源取得电压信号，AI2是外部送入4~20mA电流信号，AO1、AO2是变频器送出的4~20mA信号，这些端子绝对不能接220V电压。