1.2 学习资讯

1.2.1 项目分析

20世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频技术的出现，使频率变为可以充分利用的资源。变频技术是一门能够将电信号的频率，按照具体电路的要求进行变换的应用型技术。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器作为变频技术的典型应用，引领了电气传动技术向交流无级化方向发展。随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的不断深入，特别是近几年来，大规模式集成电路32位数据处理器和矢量控制理论的应用，使变频器的性能得到了很大提高。目前，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，几乎都可采用交流调速传动。在电气传动领域内，以变频器应用技术为代表的交流调速传动已经成为电气传动的主流。

1.2.2 变频技术概述

变频其实就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电。总之，在这些过程中电能都不发生变化，而只有频率发生变化。在现代化生产中，对变频的需求非常广泛，例如用于人造卫星、大型计算机等有特殊要求的电源设备，用于金属冶炼、感应加热及机械零件的淬火，用三相变频器产生频率、电压可调的三相变频电源，对三相感应电动机和同步电动机进行变频调速等。

1.我们要学些什么？

电力拖动诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，现已成为动力机械的主要拖动方式。很久以来，在不变速拖动系统或调速性能要求不高的场合中采用的是交流电动机；而在调速性能要求较高的系统中则主要采用的是直流电动机。从20世纪80年代末开始，随着电力电子器件及信息控制技术的发展，电气传动领域进行了一场重要的技术变革——对原来只用于恒速传动的交流电动机实现速度控制，而引发这一变革的导火索就是变频器。

因此，通过对本书的学习，希望学生了解变频技术及变频器，掌握变频器电路的工作原理、基本结构和控制技术，能够进行变频器安装、调试、参数设置、运行及日常维修维护，为进一步掌握电气自动化技术打下坚实的基础。

2.变频器的主要技术应用

变频器主要用于交流电动机的转速控制，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案。除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自20世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。

（1）变频器与节能

变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在2009年的中国电力消耗中，60%～70%为动力电，而在总容量为6.3亿kW的电动机总容量中，只有不到3700万kW的电动机是带变频控制的。因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。应用变频技术可以大大提高电动机转速的控制精度，使电动机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降，因此精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电动机一般按最大需求来选择电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率，因此变动负载的节能潜力巨大。

（2）变频器与工艺控制

目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

（3）变频家用电器

除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等理念越来越受到关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等在节电、减小电压冲击、降低噪声、提高控制精度等方面有很大的优势。

（4）企业技术升级改造

变频调速技术以其独有的显著优势，即节能、方便、易于构成自控系统等，使其在企业技术升级改造中，成为增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。变频调速技术的出现，使得交流无级调速系统结构简单、维护方便，逐渐取代直流和其他调速系统。变频器高达20%～60%的节电效果，极大地降低了生产成本，更有助于提高企业产品的竞争力，它被广泛应用于印刷、机械、塑料、制药、造纸、纺织、印染、食品、橡胶、油田、矿山等领域。

3.变频器的发展过程

（1）电力电子器件是变频技术发展的基础

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。纵观变频技术的发展，其中主要是以电力电子器件发展为基础的。自20世纪60年代以来，电力电子器件由最初单一的半控型器件晶闸管，发展为全控型器件GTO、GTR、MOSFET、IGBT、IGCT，以及智能功率模块IPM，单个器件的电压和电流越来越大，工作速度越来越快，驱动功率和管耗越来越小。时至今日，电力电子器件已经历经了四代发展，而每一次器件的更新换代都促使变频技术进一步向前发展。

（2）计算机技术是变频技术发展的支柱

随着计算机技术的发展，变频器内部的核心控制由CPU完成，最初是8位处理器，现在发展为16位处理器甚至32位处理器，这使变频器的功能也从单一的变频调速功能发展为包含算术、逻辑运算及智能控制的综合功能。

（3）自动控制理论是变频技术发展的方向

自20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频调速研究引起了人们的高度重视。到20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题给人们带来了浓厚的兴趣，并得出诸多优化模式。20世纪80年代后半期，美、德、日、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。在改善压频比控制性能的同时，人们又推出了能实现矢量控制的模式。矢量控制是一种高性能的异步电动机控制方式，它从直流电动机的调速方法得到启发，利用现代计算机技术解决了大量的计算问题，从而使矢量控制方式得到了成功的实施。1985年，德国鲁尔大学的Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以其新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制的优点是它直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机转化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

随着自动控制理论的最新发展，针对变频器的模糊控制和自适应控制模式也已开始应用，这必将使变频器性能越来越好。

4.我国变频调速技术的发展状况

交流电动机变频调速技术以其优异的调速启动、制动性能，高效率、高功率和节电效果、广泛的适用范围及其他许多优点成为当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

在我国中长期技术发展纲要当中，变频调速技术领域已经被列为我国新兴高科技支柱产业，得到了国家高度重视，目前已经形成了一定规模。电气传动与变频调速技术的发展应用如表1-1所示。我国是一个发展中国家，许多产品的研发能力仍落后于发达国家，随着改革开放及经济的高速发展，变频调速产品形成了一个巨大的市场，国内许多合资公司开始生产当今国际上最先进的变频调速产品，基本上满足了国内生产和生活的需要，也为国内重大工程项目提供了一流的电气传动控制系统。虽然在这一领域，我国取得了很大成绩，但应看到由于国内自行研发的能力还较弱，对国外公司的依赖性仍较为严重。

5.变频器发展方向

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的发展，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，为实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化及无公害化做着新的努力。这里仅以量大面广的通用变频器为例，阐述它的发展方向：

（1）智能化和网络化

智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变流器联动，甚至是以工厂为单位形成变频器综合管理控制系统。

（2）专门化和一体化

变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器，电梯专业变频器，起重机械专用变频器，张力控制专用变流器等。除此之外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。

（3）环保无公害

保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。

总之，变频器的发展趋势是智能、操作简便、功能健全、安全可靠、环保低噪、低成本和小型化。

1.2.3 变频器的结构

变频器的内部结构相当复杂，除了由电力电子器件组成的主电路外，还有以微处理器为核心的运算、检测、保护、隔离等控制电路。对大多数用户来说，变频器是作为整体设备使用的，因此，可以不必探究其内部电路的原理，但对变频器的基本结构有个了解还是必要的。

1.变频器的外形结构

在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0～400Hz）的三相交流电。如图1-1所示，变频器的输入端（R、S、T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U、V、W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。

变频器的应用场合众多，其外形结构也是多种多样，如图1-2所示。根据其功率的大小，从外形上看有盒式结构（0.75～37kW）和柜式结构（45～1500kW）两种。图1-3为富士FRN—G9S/P9S系列变频器基本接线图。

2.变频器主电路端子

图1-4为FRN—G9S/P9S系列变频器的主电路接线端子。对于不同容量的变频器，各端子的排列顺序可能有所不同，但各端子的功能是不变的。主电路输入/输出端子和连接端子的功能见表12。

（1）主电路输入端子（R、S、T）

主电路输入端子在变频器的主端子排上的符号标记为“R、S、T”，它们是变频器的受电端，使用此端子应注意以下方面：

① 接电时应注意交流电源的电压等级，但连接时可以无须考虑相序。

② 不要将三相变频器的输入端子（R、S、T）连接至单相电源。

工程经验

（2）主电路输出端子（U、V、W）

主电路输出端子在变频器的主端子排上的符号标记为“U、V、W”，它们是变频器负载的接入端，使用此端子应注意以下方面：

① 为确保运行安全，变频器必须可靠接地。

② 变频器的输出端子不要连接至单相电源，不允许连接到电力电容器上。

工程经验

（3）DC端子P1、P（+）

这两个端子用于连接改善功率因数DC电抗器选件。当不用DC电抗器时，请将P1和P（+）牢固连接。

（4）外部制动电阻端子P（+）、DB

额定容量比较小的变频器有内装的制动单元和制动电阻，故才有DB端子。如果内装的制动电阻的容量不够，则需要将较大容量的外部制动电阻选件连接至P（+）、DB。

（5）制动单元和制动电阻端子P（+）、N（-）

7.5kW或更大功率的变频器没有内装制动电阻。为了增加制动能力，必须外接制动单元选件。制动单元接于P（+）和N（-）端，制动电阻接于P（+）和DB端。制动单元与制动电阻间，若采用双绞线，其间距应小于10m。

（6）接地端子E

为了安全和减小噪声，接地端子必须单独可靠接地，接地电阻小于1Ω，而且接地导线应尽量粗，距离应尽量短。

当变频器和其他设备或有多台变频器一起接地时，每台设备都必须分别和地线相接，如图1-5（a）、（b）所示，不允许将一台设备的接地端和另一台的接地端相接后再接地，如图1-5（c）所示。

工程经验

夏天有很多变频器被雷电光顾，损坏严重，大多主板也坏掉，会被雷电光顾的变频器多数是没接地或接地不良。当你看到维修报价单时才知道地线的重要性！检查地线接地是否良好也很简单，用一个100W/220V的灯泡接到相线与地线试一下，看其亮度就可以知道。

案例剖析

3.变频器的控制电路端子

富士FRN—G9S/P9S系列变频器的控制端子如图1-6所示，表1-3为该系列变频器控制电路端子的功能说明。变频器的控制端子分为五部分：频率输入端子、控制信号输入端子、控制信号输出端子、输出信号显示端子和无源触点端子。

（1）频率输入端子

① 11、12、13：这三个端子接电位计进行频率的外部设定。13为正电源端+10V，12为中间滑动端，11为电压设定和电流设定的公共端。

② V1：电压输入信号0～10V，进行频率的外部给定。

③ C1：电流输入信号4～20mA，进行频率的外部给定。

（2）控制信号输入端子

① COM：公共端，它是所有开关量输入信号的参考点。

② FWD、REV：输入正反转运行命令。当FWD-COM闭合时，为正转命令；当REV-COM闭合时，为反转命令。如果FWD-COM和REV-COM同时闭合，则减速停止。

③THR：外部报警输入端。当电动机过载或制动电阻过热时，可使其报警信号输入到该端子，让变频器停止工作。THR-COM为常闭触点。

④ BX：自由停车命令。当BX-COM闭合时，电动机自由停车。

⑤ X1、X2、X3、X4、X5：这五个输入端子的公共端均是COM，例如，当X1-COM闭合时则X1为有效，断开时为无效。这些端子有多种形式的有效组合，可完成多挡转速控制的功能。

（3）控制信号输出端子

控制信号输出端子共有五个：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。它们均为集电极开路输出端，CME为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5的公共端。图1-7为输出信号时的接线图，每个端子输出的信号可自由设定。

（4）输出信号显示端子

① FMA：模拟信号输出端子。可通过功能码46设定输出信号，输出DC0～10V电压信号、输出频率、输出电流、输出转矩和负载率。该输出信号可用于显示或用于驱动其他设备。一般情况下应将FMA端子的输出信号种类设定为频率输出。

② FMP：脉冲频率触点。脉冲频率（≤6kHz）=变频器输出频率·脉冲倍率（6～100）。FMP-COM闭合时，该输出信号可用于显示或用于驱动其他设备。

（5）无源触点端子

① 30A、30B、30C：故障报警继电器输出端子。当变频器保护功能动作时，输出继电器触点动作，发出报警信号。变频器正常时，触点信号如图1-8（a）所示；故障报警时，触点信号如图1-8（b）所示，触点容量为250V/0.3A。

② AX1、AX2：电源侧接触器断开指令触点。在主电源的输入部分中设有接触器时，可利用无源触点AX1和AX2的输出信号，断开该接触器。触点容量为250V/0.3A。22kW以下的变频器无此端子。

操作提示

4.变频器的面板

变频器的面板主要包括数据显示屏和键盘。面板根据变频器品牌的不同而千差万别，但是它们的基本功能相同。主要功能有以下几个方面：显示频率、电流、电压等；设定操作模式、操作命令、功能码；读取变频器运行信息和故障报警信息；监视变频器运行；变频器运行参数的设置；故障报警状态的复位。图1-9是富士电机公司FRN—G9S/P9S系列变频器的面板。面板上的各部分名称及功能简介如下：

① 功能指示 当按下运行键RUN或停止键STOP时，该指示灯被点亮。

② LED数字监视器 正常模式时，显示当前的频率值、电流值、电压值、转速值等。当变频器保护动作停止运行时，显示故障报警代码。

③ 单位显示 显示左侧LED数据的计量单位。当LED显示故障报警代码时，单位显示全灭。

④ LCD监视器 LCD监视器主要用于设定运行监视画面、选择功能码、改变数据设定值。

⑤ 运行指示 当变频器运行时，该指示灯被点亮。

⑥ 编程键PRG 编程设定模式的选择键。

⑦ 移位键＞＞ 该键在数据设定模式时，用于移动要设定数据的光标。在运行模式、数据监视模式和报警模式时，用于选择LED/LCD的显示数据或画面。

⑧ 复位键RESET 该键可使数据设定复位和使故障报警状态复位。

⑨ 增/减键∧/∨ 在运行模式时，用于增加/减小频率；在数据设定时，用于选择功能码和增大/减小数据值。

⑩ 功能/数据键FUNC/DATA 用于选择数据设定和写入设定好的数据。

⑪ 运行键RUN 此键用于启动操作。当变频器功能码F01选择1时，该键不起作用。

⑫ 停止键STOP 此键用于停止操作。当变频器功能码F01选择1时，该键不起作用。