變頻器應(yīng)用技術(shù)

全國高職高專院校機(jī)電類專業(yè)規(guī)劃教材

教育部高職高專自動(dòng)化技術(shù)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)規(guī)劃教材

變頻器應(yīng)用技術(shù)

張文明賈君賢周保廷主編

王一凡黃曉偉陳東升副主編

金彥平參編

呂景泉胡年華主審

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內(nèi)容簡介

本書從高技能型人才培養(yǎng)的實(shí)際要求出發(fā)，以匯川MD380系列變頻器為載體。全書共

由6個(gè)項(xiàng)目組成，項(xiàng)目1講解了變頻器的工作原理；項(xiàng)目2講解了變頻器的主回路和控制回路

連接；項(xiàng)目3講解了變頻器的基本的操作與調(diào)試；項(xiàng)目4講解了變頻器的運(yùn)行與控制；項(xiàng)目5

講解了變頻器的維護(hù)知識(shí)；項(xiàng)目6講解了變頻器的通信功能。每個(gè)項(xiàng)目有若干個(gè)任務(wù)，包括

任務(wù)相關(guān)知識(shí)，應(yīng)用舉例或?qū)嵱?xùn)舉例，每個(gè)任務(wù)還設(shè)計(jì)了相關(guān)思考與練習(xí)。

本書適合作為卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃、高職高專學(xué)校機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動(dòng)

化技術(shù)、生產(chǎn)過程自動(dòng)化、機(jī)電安裝工程、數(shù)控維修、設(shè)備維護(hù)、樓宇自動(dòng)化、光伏新

能源等專業(yè)的課程教材，并可作為相關(guān)工程人員培訓(xùn)和自修的參考書。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

變頻器應(yīng)用技術(shù)/張文明，賈君賢，周保廷主編．—

北京：中國鐵道出版社，2015.2

全國高職高專院校機(jī)電類專業(yè)規(guī)劃教材教育部高職

高專自動(dòng)化技術(shù)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)規(guī)劃教材

ISBN978-7-113-19972-2

Ⅰ.①變…Ⅱ.①張…②賈…③周…Ⅲ.①變頻器

－高等職業(yè)教育－教材Ⅳ.①TN773

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字(2015)第034606號(hào)

書名：變頻器應(yīng)用技術(shù)

作者：張文明賈君賢周保廷主編

策劃：祁?云讀者熱線：400-668-0820

責(zé)任編輯：祁?云?鮑?聞

封面設(shè)計(jì)：付?巍

封面制作：白?雪

責(zé)任校對：湯淑梅

責(zé)任印制：李佳

出版發(fā)行：中國鐵道出版社（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號(hào)）

網(wǎng)址：http://

印刷：北京尚品榮華印刷有限公司

版次：2015年2月第1版2015年2月第1次印刷

開本：787mm×1092mm1/16印張：9.25字?jǐn)?shù)：216千

印數(shù)：1～3000冊

書號(hào)：ISBN978-7-113-19972-2

定價(jià)：32.00元

版權(quán)所有侵權(quán)必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質(zhì)量問題，請與本社教材圖書營銷部聯(lián)系調(diào)換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報(bào)電話：（010）51873659

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全國高職高專院校機(jī)電類規(guī)劃教材

主任:呂景泉

編副主任:嚴(yán)曉舟史麗萍

委員：（按姓氏筆畫排序）

委王文義?劉建超?李向東?肖方晨?狄建雄

汪敏生?宋淑海?張耀?陳鐵牛?明立軍

會(huì)胡學(xué)同?鐘江生?秦緒好?錢逸秋?凌藝春

常曉玲?梁榮新?程周?譚有廣

王立?王龍義?王建明?牛云陞?朱鳳芝

劉薇娥?湯曉華?關(guān)健?牟志華?李文

李軍?張文明?張永花?陸建國?陳麗

林嵩?金衛(wèi)國?寶愛群?祝瑞花?姚吉

姚永剛?秦益霖?徐國林?韓麗?曾照香

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IMPRINT出版說明

隨著我國高等職業(yè)教育改革的不斷深入，我國高等職業(yè)教育的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階

段。教育部下發(fā)的《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》教高[2006]16號(hào)文

件，旨在闡述社會(huì)發(fā)展對高素質(zhì)技能型人才的需求，以及如何推進(jìn)高職人才培養(yǎng)模式改

革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

教材的出版工作是整個(gè)高等職業(yè)院校教育教學(xué)工作中的重要組成部分，教材是課程內(nèi)

容和課程體系的載體，對課程改革和建設(shè)具有推動(dòng)作用，所以提高課程教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)

量的關(guān)鍵在于出版高水平、高質(zhì)量的教材。

出版面向高等職業(yè)教育的“以就業(yè)為導(dǎo)向，以能力為本位”的優(yōu)質(zhì)教材一直就是中國

鐵道出版社優(yōu)先開發(fā)的領(lǐng)域。我社本著“依靠專家、研究先行、服務(wù)為本、打造精品”的

出版理念，于2007年成立了“中國鐵道出版社高職機(jī)電類課程建設(shè)研究組”，并經(jīng)過兩年

的充分調(diào)查研究，策劃編寫、出版了本系列教材。

本系列教材主要涵蓋高職高專機(jī)電類的公共課及六個(gè)專業(yè)的相關(guān)課程，它們是電氣自

動(dòng)化專業(yè)、機(jī)電一體化專業(yè)、生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè)、數(shù)控技術(shù)專業(yè)、模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)

以及數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)。它們共同成為體系，又具有相對獨(dú)立性。本系列教材在編

寫過程中邀請了高職高專自動(dòng)化教指委專家、國家級(jí)教學(xué)名師、精品課負(fù)責(zé)人、知名專家

教授、學(xué)術(shù)帶頭人及骨干教師。他們針對相關(guān)專業(yè)的課程，結(jié)合了多年教學(xué)中的實(shí)踐經(jīng)

驗(yàn)，同時(shí)吸取了高等職業(yè)教育改革的成果，因此無論教學(xué)理念的導(dǎo)向、教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)、

教學(xué)體系的確立、教材內(nèi)容的篩選、教材結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還是教材素材的選擇都極具特色。

本系列教材的特點(diǎn)歸納如下：

（1）圍繞培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能這條主線設(shè)計(jì)教材的結(jié)構(gòu)，理論聯(lián)系實(shí)際，從應(yīng)用的

角度組織編寫內(nèi)容，突出實(shí)用性，并同時(shí)注意將新技術(shù)、新成果納入教材。

（2）根據(jù)機(jī)電類課程的特點(diǎn)，對基本理論和方法的講述力求簡單、易于理解，以緩

解繁多的知識(shí)內(nèi)容與偏少的學(xué)時(shí)之間的矛盾。同時(shí)，增加了相關(guān)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)、生活中

的應(yīng)用實(shí)例，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（3）將“問題引導(dǎo)式”“案例式”“任務(wù)驅(qū)動(dòng)式”“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”等多種教學(xué)方法

引入教材體例的設(shè)計(jì)中，融入啟發(fā)式的教學(xué)方法，力求好教、好學(xué)、愛學(xué)。

（4）注重立體化教材的建設(shè)。本系列教材通過主教材、配套光盤、電子教案等教學(xué)

資源的有機(jī)結(jié)合，來提高教學(xué)服務(wù)水平。

總之，本系列教材在策劃出版過程中得到了教育部高職高專自動(dòng)化技術(shù)類專業(yè)教學(xué)指

導(dǎo)委員會(huì)委員以及廣大專家的指導(dǎo)和幫助，在此表示深深的感謝。希望本系列叢書的出版

能為我國高等職業(yè)院校教育改革起到良好的推動(dòng)作用，歡迎使用本系列教材的老師和同學(xué)

們提出寶貴的意見和建議。書中如有不妥之處，敬請批評(píng)指正。

中國鐵道出版社

2013年12月

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前??言

本書是教育部高職高專自動(dòng)化技術(shù)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)規(guī)劃的項(xiàng)目化教材，面向教師

和行業(yè)企業(yè)技術(shù)人員，服務(wù)于機(jī)電和自動(dòng)化類專業(yè)職業(yè)能力培養(yǎng)，由常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)

院、常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院、深圳市匯川技術(shù)股份有限公司等聯(lián)合編寫。

本套教材共由6個(gè)項(xiàng)目組成，每個(gè)項(xiàng)目又分為若干個(gè)任務(wù)，包括任務(wù)預(yù)備知識(shí)、應(yīng)用舉例

或訓(xùn)練舉例，每個(gè)任務(wù)還設(shè)計(jì)了相關(guān)思考與練習(xí)。項(xiàng)目1講解了變頻器的工作原理；項(xiàng)目2講解

了變頻器的主回路和控制回路連接；項(xiàng)目3講解了變頻器的基本的操作與調(diào)試；項(xiàng)目4講解了變

頻器的運(yùn)行與控制；項(xiàng)目5講解了變頻器的維護(hù)知識(shí)；項(xiàng)目6講解了變頻器的通信功能。

為保證教材能做到思路清晰，層次分明、循序漸進(jìn)、易教易學(xué)，教材對“任務(wù)”的內(nèi)容

設(shè)計(jì)如下。

任務(wù)目標(biāo)：任務(wù)目標(biāo)包括完成工作任務(wù)所需的實(shí)踐能力以及分析解決問題的能力。

工作內(nèi)容：工作內(nèi)容包括完成工作任務(wù)所進(jìn)行的實(shí)踐活動(dòng)。

相關(guān)知識(shí)：相關(guān)知識(shí)是對工作任務(wù)所涉及的基本概念、理論知識(shí)、實(shí)踐知識(shí)等進(jìn)行的綜

合性介紹與說明。

任務(wù)實(shí)施：完成工作內(nèi)容所需要進(jìn)行的操作。

練習(xí)與提高：練習(xí)與提高是在任務(wù)內(nèi)容完成的基礎(chǔ)上鞏固與提高分析和解決與此相類似

的問題的能力。

以上教學(xué)環(huán)節(jié)在不同任務(wù)中將按實(shí)際需要設(shè)置與選擇，不拘泥于教條。

本書由張文明、賈君賢、周保廷任主編，王一凡、黃曉偉、陳東升任副主編，金彥平參

編。本書撰寫分工如下：張文明教授負(fù)責(zé)撰寫教材前言、摘要，并策劃教材結(jié)構(gòu)框架、章節(jié)內(nèi)

容及編寫體例；王一凡講師撰寫項(xiàng)目1；陳東升工程師撰寫項(xiàng)目2；賈君賢講師撰寫項(xiàng)目3、項(xiàng)

目4；張文明教授撰寫項(xiàng)目5；黃曉偉工程師撰寫項(xiàng)目6；周保廷高級(jí)工程師撰寫附錄并且提供

所有資料。全書由張文明教授統(tǒng)稿，呂景泉教授和匯川技術(shù)股份有限公司胡年華高工主審。

在本教材編寫過程中，得到了匯川技術(shù)股份有限公司和常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院等單位領(lǐng)

導(dǎo)的大力支持，在此表示衷心的感謝！

限于編者的經(jīng)驗(yàn)、水平以及時(shí)間，書中難免在內(nèi)容和文字上存在不足和缺陷，敬請批評(píng)

指正。

編者

2014年12月

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CONTENTS目錄

項(xiàng)目1學(xué)習(xí)變頻器工作原理...................................................................1

任務(wù)1學(xué)習(xí)變頻器現(xiàn)狀與發(fā)展....................................................1

任務(wù)2學(xué)習(xí)變頻器原理...............................................................4

任務(wù)3了解變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)........................................................8

任務(wù)4了解變頻器產(chǎn)品與性能..................................................14

練習(xí)與提高..........................................................................................20

項(xiàng)目2變頻器的連接技術(shù)....................................................................21

任務(wù)1學(xué)習(xí)主回路連接技術(shù)......................................................21

任務(wù)2學(xué)習(xí)控制回路連接技術(shù)..................................................27

任務(wù)3識(shí)讀變頻調(diào)速系統(tǒng)工程圖...............................................33

練習(xí)與提高..........................................................................................36

項(xiàng)目3變頻器操作與調(diào)試....................................................................37

任務(wù)1變頻器的操作.................................................................37

任務(wù)2變頻器的調(diào)試.................................................................45

練習(xí)與提高..........................................................................................47

項(xiàng)目4變頻器的運(yùn)行與控制.................................................................49

任務(wù)1變頻器的面板控制..........................................................49

任務(wù)2變頻器的外部端子控制..................................................53

任務(wù)3變頻器的多段速及點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行控制....................................66

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變

頻器應(yīng)用技術(shù)

任務(wù)4變頻器的啟?？刂萍凹訙p速調(diào)整....................................71

任務(wù)5變頻器的運(yùn)行保護(hù)..........................................................84

任務(wù)6變頻器的速度及轉(zhuǎn)矩調(diào)整...............................................90

任務(wù)7變頻器的其他控制..........................................................97

任務(wù)8變頻器的PID控制.........................................................108

練習(xí)與提高........................................................................................116

項(xiàng)目5變頻器維護(hù)..............................................................................117

任務(wù)變頻器維修與故障檢測................................................117

練習(xí)與提高........................................................................................128

2項(xiàng)目6變頻器通信功能......................................................................129

任務(wù)1變頻器Modbus通信網(wǎng)絡(luò)..............................................129

任務(wù)2變頻器CAN網(wǎng)絡(luò)...........................................................134

練習(xí)與提高........................................................................................137

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變頻器應(yīng)用技術(shù)

項(xiàng)目1

學(xué)習(xí)變頻器工作原理

任務(wù)1學(xué)習(xí)變頻器現(xiàn)狀與發(fā)展

任務(wù)目標(biāo)

（1）了解變頻器發(fā)展趨勢；

（2）熟悉變頻器現(xiàn)狀；

（3）掌握變頻器節(jié)能原理。

工作內(nèi)容

學(xué)習(xí)變頻器發(fā)展趨勢、現(xiàn)狀及節(jié)能原理。變頻器是電氣傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器，

總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，在

簡化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、工業(yè)節(jié)能減排領(lǐng)域有著巨大獨(dú)特的優(yōu)勢。

變頻器是20世紀(jì)70年代初隨電力電子技術(shù)、PWM（脈寬調(diào)制）控制技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一

種用于普通感應(yīng)電機(jī)調(diào)速的通用調(diào)速裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)代變頻器的功能已日臻完善。

任務(wù)實(shí)施

1了解變頻器發(fā)展趨勢及節(jié)能原理

變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的電氣傳動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的

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變

頻器應(yīng)用技術(shù)

技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能

化。國內(nèi)外生產(chǎn)變頻器的廠家有幾百種品牌，圖1-1展示了ABB、西門子、三菱、匯川四種

變頻器的外觀。

（a）ABB變頻器（b）西門子變頻器（c）三菱變頻器（d）匯川變頻器

2圖1-1多種品牌變頻器外觀圖

變頻器作為系統(tǒng)重要的功率變換部件，為系統(tǒng)提供可控的、高性能的交流電源。隨著新型

電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性價(jià)比越來越高，體積

越來越小，而且廠家仍然在不斷地提高其可靠性，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變頻器的小型化、高性能化、

多功能化以及無公害化。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看所驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出力矩，調(diào)整范圍及精度，

其輸出交流電壓的諧波對電機(jī)的影響，二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)，本身的能量

損耗(即效率)如何，三要看用于不同行業(yè)設(shè)備應(yīng)用功能及適應(yīng)能力，以量大面廣的交—直—

交變頻器為例，它的發(fā)展趨勢如下：

（1）主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化，開關(guān)頻率不斷提高，開

關(guān)損耗進(jìn)一步降低。

（2）變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對低壓小容量的裝置常采用全

橋整流式脈沖變流器，而對中壓大容量的裝置采用多重化變流器。負(fù)載側(cè)變流器對低壓小容

量裝置常采用兩電平的橋式逆變器，而對中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。對于四象限

運(yùn)行的變頻器，可實(shí)現(xiàn)再生能量向電網(wǎng)回饋，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器，電能可雙向流動(dòng)

的雙PWM變頻器；有的變頻器，為提高功率因數(shù)，對網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電

流接近正弦波，減少對電網(wǎng)的公害。目前，低壓、中壓變頻器都有這類產(chǎn)品。

（3）脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法可以采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制、消除指定

次數(shù)諧波的PWM控制、電流跟蹤控制、電壓空間矢量控制(磁鏈跟蹤控制)等。

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨一

場新的革命，其也朝著更加“綠色”的方向發(fā)展，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，變頻調(diào)速系統(tǒng)因效率高、

性能好而成為主流。自“十二五”規(guī)劃出臺(tái)以來，節(jié)能減排就是各行各業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，各種

節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的應(yīng)用更加廣泛，前景更加明朗。受益于節(jié)能減排、綠色環(huán)保等戰(zhàn)略的拉動(dòng)，

變頻器作為變頻調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的重要設(shè)備，其未來的市場潛力非常巨大。在大規(guī)模的分布式可

再生能源發(fā)電中，變頻器在電力電子技術(shù)與信息通信技術(shù)方面都扮演著重要的角色。

變頻器最初的用途是速度控制，隨著技術(shù)發(fā)展和社會(huì)對能源運(yùn)用效率要求的日益提高，其

逐漸被用于節(jié)能領(lǐng)域；隨著變頻器驅(qū)動(dòng)性能的提升，永磁同步電機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，在一些行

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業(yè)已取代齒輪減速或皮帶增速的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式。據(jù)測算，使用變頻器的電機(jī)系統(tǒng)節(jié)電率普遍達(dá)

30%，某些場合可為40%～60%，節(jié)能效果顯著。如今，變頻器已是電機(jī)節(jié)能的發(fā)展方向。據(jù)

介紹，變頻調(diào)速技術(shù)較早用于煤炭行業(yè)的是礦井提升機(jī)，目前發(fā)達(dá)國家已將變頻器普遍用于帶

式輸送機(jī)的調(diào)速或帶式輸送機(jī)啟動(dòng)控制、風(fēng)機(jī)調(diào)速以及水泵的調(diào)速。在上述設(shè)備中采用變頻器

除了提高傳動(dòng)性能外，更主要的是可以節(jié)省能源。由于變頻器可以在許多行業(yè)內(nèi)高效地節(jié)約電

能，提高工藝水平，因此，在某種程度上，大力推廣變頻器可以減輕電力行業(yè)發(fā)電量指標(biāo)的壓

力，節(jié)約電能的同時(shí)減少排放量，降低能耗。另一方面，電力行業(yè)也是變頻器產(chǎn)品重要的應(yīng)用

領(lǐng)域之一。從我國火電廠中與變頻器相關(guān)的控制過程看，風(fēng)、煤、水、渣和尾氣系統(tǒng)的傳動(dòng)裝

置都適合中壓、低壓變頻器的應(yīng)用。

2熟悉變頻器現(xiàn)狀

自動(dòng)化控制離不開變頻器，中壓、低壓電器更是變頻器拓展的空間。使用變頻器的電機(jī)

啟動(dòng)電流從零開始，逐漸增加，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量

的要求，從而達(dá)到節(jié)能的效果，還延長了設(shè)備的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。尤其在精

細(xì)加工領(lǐng)域，通過變頻器高質(zhì)量地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以大幅度提高制造工藝水準(zhǔn)。可以說，變

頻器是目前最理想、最有前途的電機(jī)節(jié)能設(shè)備，幾乎國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)都與變頻器密不可分。

雖然變頻器有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于價(jià)格的問題，目前它的大規(guī)模推廣使用受到了限制，

我國變頻器生產(chǎn)廠現(xiàn)有300多家，但是實(shí)力和規(guī)模參差不齊，個(gè)別企業(yè)仍采用作坊式的生產(chǎn)模

式，主要品牌維持在20～30家。國內(nèi)變頻器市場是以外資品牌的進(jìn)入而發(fā)展的，外資品牌先

入為主，目前在國內(nèi)變頻器市場的占有率約7成。大部分本土企業(yè)成立的時(shí)間不長，許多產(chǎn)品

進(jìn)入市場的時(shí)間較短，在產(chǎn)品的成熟度和品牌知名度方面還很難與國際知名品牌抗衡。本土企項(xiàng)目

業(yè)主要生產(chǎn)V/F控制產(chǎn)品，對于性能優(yōu)越、技術(shù)含量高的矢量變頻器等產(chǎn)品，國內(nèi)絕大多數(shù)企

業(yè)還沒有開發(fā)出成熟的產(chǎn)品。此外，國內(nèi)企業(yè)的人員和資金不斷分離，成立了眾多企業(yè)，主要1

集中在廣東、浙江、山東、上海等沿海地區(qū)。隨著市場競爭的加劇，許多品牌將被逐步淘汰出學(xué)習(xí)變頻器工作原理

局，未來的變頻器市場將是一個(gè)品牌集中度較高、競爭更有序的市場。

目前常見的國產(chǎn)品牌有：匯川、臺(tái)達(dá)、科姆龍、高邦、華為、東達(dá)、英威騰、普傳、東菱、

東元等品牌；歐美品牌有：ABB、西門子、施耐德、艾默生等；日本品牌有富士、三菱、安川、

歐姆龍、松下等；其他品牌還有LG、現(xiàn)代、大宇、三星等。目前變頻器的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，

國產(chǎn)品牌不管在性能和質(zhì)量上都可與進(jìn)口品牌相媲美，在國內(nèi)市場的占有率在快速上升，超過

日本品牌，在售后方面，國產(chǎn)品牌更是有著進(jìn)口品牌無法替代的優(yōu)越性。

隨著用戶需求的多樣化，變頻器產(chǎn)品的功能在不斷完善，集成度和系統(tǒng)化程度也越來越高，

并且已經(jīng)出現(xiàn)某些領(lǐng)域?qū)Ｓ玫墓?jié)能變頻器產(chǎn)品。變頻器的節(jié)能原理：變頻器使得電動(dòng)機(jī)及其拖

動(dòng)負(fù)載在無須任何改動(dòng)的情況下即可按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，降低了電機(jī)功耗，在節(jié)

能減排領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢，達(dá)到了系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。相信變頻器的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，

市場前景看好。

高壓變頻調(diào)速技術(shù)近年來發(fā)展也很快，在能源緊缺、環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天，節(jié)能減

排已經(jīng)有了量化的考核指標(biāo)。中壓電機(jī)的調(diào)速方式改為變頻調(diào)速，已經(jīng)作為通用節(jié)能技術(shù)在

“十一五”將加以重點(diǎn)推廣。隨著變頻高速技術(shù)的發(fā)展與綜合利用，變頻器行業(yè)在水泥、電梯、

3

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變

頻器應(yīng)用技術(shù)

印刷、電力以及醫(yī)學(xué)、通信、交通、運(yùn)輸、電力、電子、環(huán)保等領(lǐng)域得到空前的發(fā)展和應(yīng)用。

任務(wù)2學(xué)習(xí)變頻器原理

變頻器（Variable-FrequencyDrive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變

電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、

濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元、微處理單元等組成。

任務(wù)目標(biāo)

（1）熟悉MD380變頻器分類、特點(diǎn)和組成；

（2）掌握MD380變頻器工作原理；

（3）掌握大功率晶體管的分類和特點(diǎn)。

工作內(nèi)容

4學(xué)習(xí)變頻器的分類和特點(diǎn)，以及匯川MD380變頻器的組成和工作原理。

任務(wù)實(shí)施

1學(xué)習(xí)變頻器分類和特點(diǎn)

為了適應(yīng)不同的控制要求，變頻器有通用變頻器與專用變頻器（交流主軸驅(qū)動(dòng)器）之分。

為了提高調(diào)速精度，通用變頻器也可采用閉環(huán)控制。通用變頻器按照產(chǎn)品性能與用途又被分為

普通型、緊湊型、節(jié)能型及高性能型四大類。變頻器自誕生以來一直是交流調(diào)速系統(tǒng)的研究熱

點(diǎn)，高性能化、環(huán)保化、網(wǎng)絡(luò)化已成為當(dāng)代變頻器發(fā)展的必然趨勢。

變頻器作為一種面向感應(yīng)電機(jī)的通用控制裝置，與交流主軸驅(qū)動(dòng)器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器等專

用控制器相比，其有如下明顯的特點(diǎn)。

1．多種控制方式兼容

變頻器的V/F控制、矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制有各自的特點(diǎn)與應(yīng)用范圍。當(dāng)代變頻器一般

能兼容多種變頻控制方式，使用者可以根據(jù)實(shí)際需要通過設(shè)定參數(shù)選擇控制方式。

2．開環(huán)/閉環(huán)通用

矢量控制變頻器具有閉環(huán)控制和開環(huán)控制兩種方式，閉環(huán)控制可以通過反饋消除誤差，提高

穩(wěn)速精度，但也帶來了系統(tǒng)可靠性問題。為適應(yīng)不同的控制要求，當(dāng)代變頻器一般采用開環(huán)/閉

環(huán)通用的結(jié)構(gòu)形式，只要簡單地增加閉環(huán)接口模塊，便可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，這一結(jié)構(gòu)變換可同時(shí)

用于V/F控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。目前無速度傳感器控制比有速度傳感器的應(yīng)用更多。

3．適用性強(qiáng)、調(diào)速性能提升

早期的通用變頻器是一種面向普通感應(yīng)電機(jī)的控制裝置，它雖然可用于各種負(fù)載，幾乎所

有交流電機(jī)的控制，并具有多電機(jī)控制功能，通用性強(qiáng)、適應(yīng)面廣。隨著節(jié)能及大扭矩驅(qū)動(dòng)需

求的增加，現(xiàn)在利用矢量變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)等，驅(qū)動(dòng)性能大為提升。

2學(xué)習(xí)變頻器工作原理

圖1-2所示為開環(huán)V/F變頻調(diào)整系統(tǒng)的原理框圖，由處理器、按V/F恒定原則，產(chǎn)生

PWM控制信號(hào)，令I(lǐng)GBT逆變模塊進(jìn)行功率放大后輸出，電路中還有電流檢測等單元，組成

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保護(hù)。在開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，速度（頻率）

指令可通過電位器、模擬電壓等形式輸入給

DSP；將速度指令轉(zhuǎn)換為頻率、幅值、可變的

電機(jī)定子電壓與電流，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1．頻率給定

圖1-2開環(huán)VF變頻調(diào)速系統(tǒng)

在使用一臺(tái)變頻器的時(shí)候，目的是通過/

改變變頻器的輸出頻率，即改變變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的供電頻率從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如何

調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率呢？關(guān)鍵是首先向變頻器提供改變頻率的命令信號(hào)，這個(gè)信號(hào)，就稱

為“頻率給定信號(hào)”。所謂頻率給定方式，就是調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的具體方法，也就是提

供給定信號(hào)的方式。變頻器常見的頻率給定方式主要有操作器鍵盤給定、接點(diǎn)信號(hào)給定、模

擬信號(hào)給定、脈沖信號(hào)給定和通信方式給定等。這些頻率給定方式各有特點(diǎn)，必須按照實(shí)際

的需要進(jìn)行選擇設(shè)置，同時(shí)也可以根據(jù)功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。

2．V/F控制

在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是保持電動(dòng)機(jī)中每極磁通量為額定值。

如果磁通量太小，則電動(dòng)機(jī)的出力不夠；如果過分增大磁通量，又會(huì)使鐵心飽和，過大的勵(lì)

磁電流會(huì)使繞組過熱，從而損壞電動(dòng)機(jī)。V/F控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時(shí)也改

變電壓，通常是使V/F為常數(shù)，這樣可使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)

機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率、功率因數(shù)不下降。

3．PWM調(diào)制

變頻器的調(diào)制方式為PWM(脈寬調(diào)制)。PWM(脈寬調(diào)制)是保持整流得到的直流、電壓

幅值不變的條件下，以一定的規(guī)律，在改變輸出頻率的同時(shí)，通過改變輸出脈沖的寬度，來達(dá)項(xiàng)目

到改變等效輸出電壓的一種方式。PWM是一種調(diào)制方式來控制逆變模塊的通斷，PWM的一

個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無須進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)

1

字形式可將噪聲影響降到最小。學(xué)習(xí)變頻器工作原理

4．功率放大

目前功率放大的開關(guān)器件主要采用大功率晶體管IGBT，大功率晶體管一般被稱為電力電

子器件，可通過小功率信號(hào)控制功率電子器件開關(guān)工作，通過功率電子器件為負(fù)載提供大功率

的輸出。一般來說，功率器件通常工作于高電壓、大電流的條件下，普遍具備耐壓高，工作電

流大，自身耗散功率大等特點(diǎn)，因此在使用時(shí)與一般小功率器件存在一定差別。

功率器件從整體上可以分為不可控器件、半可控器件和全可控器件。不可控器件導(dǎo)通和關(guān)

斷無法通過控制信號(hào)進(jìn)行控制，完全由其在電路中所承受的電流、電壓情況決定，屬于自然導(dǎo)

通和自然關(guān)斷，包括功率二極管；半可控器件指能用控制信號(hào)控制導(dǎo)通，但不能控制關(guān)斷，關(guān)

斷只能由其在主電路中承受的電壓、電流情況決定，屬于自然關(guān)斷，包括晶閘管（SCR）和

由其派生出來的可控雙向晶閘管（TRIAC）。全可控器件指能使用控制信號(hào)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷

的器件，包括功率三極管（GTR）、功率場效應(yīng)管（功率MOSFET）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、

絕緣柵雙極三極管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、靜電感應(yīng)

晶閘管（場控晶閘管，SITH）和集成門極換流晶閘管（IGCT）等。

全可控器件從控制形式上還可以分為電流控制型和電壓控制型兩大類。屬于電流控制型的

有GTR（功率三極管）、SCR（可控晶閘管）、TRIAC（可控雙向晶閘管）、GTO（可關(guān)斷晶體管）5

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變

頻器應(yīng)用技術(shù)

等；屬于電壓控制型的有功率MOSFET、IGBT、MCT和SIT。

現(xiàn)在的低壓變頻器中常使用功率二極管用于全橋整流，IGBT用于逆變，為減小產(chǎn)品體積，

常使用將這些元件集成在一起的PIM模塊組件。

5．電流檢測

變頻器電流信號(hào)可以用于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流控制，以及過流保護(hù)。其檢測方法主要有直

接串聯(lián)取樣電阻法、霍爾傳感器法。直接串聯(lián)取樣電阻法簡單、可靠、不失真、速度快，但

是有損耗，不隔離，只適用于小電流且不需要隔離的情況，多用于小容量變頻器中?；魻杺?/p>

感器法具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失測量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。

深圳市匯川技術(shù)股份有限公司的主要產(chǎn)品包括低壓變頻器、一體化及專機(jī)、伺服系統(tǒng)、

PLC、高壓變頻器、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器、TDS等，其中在低壓變頻器市場的占有

率在國產(chǎn)品牌廠商中名列前茅。本項(xiàng)目以匯川新產(chǎn)品MD380變頻器為例，來介紹變頻器的相

關(guān)知識(shí)。匯川MD380變頻器的工作原理如圖1-3所示，對應(yīng)器件圖如圖1-4所示。變頻器輸

入為交流電，其電壓為UI，如圖1-3所示；交流電經(jīng)D1～D6（二極管）組成的三相整流橋

6

整流以及電容C1、C2濾波成直流電壓，其電壓波形為UDC；直流電壓再經(jīng)過VT1～VT6（IGBT）

及續(xù)流二極管組成的逆變單元逆變成頻率可調(diào)、電壓幅值可調(diào)的交流電壓，其電壓波形UO為

脈寬調(diào)制波。

圖1-3通用交－直－交電壓型變頻器原理框圖

整流模塊儲(chǔ)能濾波模塊逆變單元

圖1-4電路模塊實(shí)物圖

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3學(xué)習(xí)MD380變頻器各組成部分及功能

1．整流橋

整流部分由6只二極管組成三相整流橋，將電源的三相交流電壓整流成直流電壓。若電源

的線電壓為UL，則三相全波整流后平均直流母線電壓UD的大小為：UD=1.35UL。

我國三相電源的線電壓為380V，故全波整流后的平均電壓：UD=1.35×380V=513V。

2．濾波電容器C1、C2

濾波電容器的功能是：濾平全波整流后的電壓紋波；當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平穩(wěn)。

3．緩沖電阻R1與接觸器觸點(diǎn)開關(guān)J1

在變頻器上電的瞬間，濾波電容C1、C2上的充電電流比較大。過大的沖擊電流將可能導(dǎo)

致三相整流橋損壞；同時(shí)，也使輸入電源電壓瞬間下降而畸變。為了減小沖擊電流，在變頻器

剛接通電源的一段時(shí)間里，電路內(nèi)串入緩沖電阻R1，形成RC電路，以使電容器C1、C2上

的沖擊電流得到緩沖。當(dāng)濾波電容器C1、C2充電電壓達(dá)到一定程度時(shí)（80％），令J1接通，

將R1短路掉。

4．逆變模塊

逆變模塊由6只IGBT管和六只續(xù)流二極管（內(nèi)置于IGBT內(nèi)站）組成。通過控制IGBT

管的開關(guān)順序和開關(guān)時(shí)間，變頻器將直流電壓逆變成頻率、電壓可調(diào)的交流電壓，電壓波形為

脈寬調(diào)制波。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管）：IGBT可以滿足變頻

器高開關(guān)頻率、高耐壓和大容量的要求，一般開關(guān)頻率可以達(dá)到20000次/s，器件的開通時(shí)間

和關(guān)閉時(shí)間一般為幾百納秒。當(dāng)正電壓（一般為15V）加到IGBT的柵極時(shí)，IGBT開通，電項(xiàng)目

流可以在集電極與發(fā)射極之間流動(dòng)；當(dāng)柵極的正電壓撤消后，IGBT被關(guān)閉，為了防止IGBT

開通，一般在需要關(guān)閉IGBT時(shí)，給柵極一個(gè)小的負(fù)電壓（一般為-15V）。IGBT管電氣符號(hào)

1

和實(shí)物圖如圖1-5所示。學(xué)習(xí)變頻器工作原理

圖1-5IGBT電氣符號(hào)圖和實(shí)物圖

5．逆變驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

該電路將DSP產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離，電平放大后，分別送給6只逆變

橋臂的IGBT柵極，控制其開關(guān)動(dòng)作，三相逆變橋的6個(gè)橋臂上設(shè)有過流檢測電路，過流信號(hào)

經(jīng)過隔離后送組DSP，用于及時(shí)保護(hù)響應(yīng)處理，保護(hù)器件的安全。

6．電機(jī)調(diào)速原理

變頻器是一種控制交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制器。它把固定頻率（我國為50Hz）的交流電源變

7

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變

頻器應(yīng)用技術(shù)

成頻率電壓可調(diào)的交流電源，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式如下：

60f

n=（1-s）

p

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;

f——電源頻率，Hz；

p——電機(jī)磁極對數(shù)；

s——轉(zhuǎn)差率。

變頻器綜合了電子技術(shù)、電機(jī)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等多種技術(shù)為一體，是一種廣

泛應(yīng)用于各行各業(yè)的電力電子設(shè)備，它通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率來滿足各行業(yè)的需求，因此它

的英文縮寫為MDI，即MotorDriveInverter。

7．變頻器基本結(jié)構(gòu)和外觀（見圖1-6）

8

圖1-6MD380變頻器基本結(jié)構(gòu)和外觀

任務(wù)3了解變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

各廠家生產(chǎn)的通用變頻器，其主電路結(jié)構(gòu)和控制電路并不完全相同，但基本的構(gòu)造原理和

主電路連接方式以及控制電路的基本功能都大同小異。

任務(wù)目標(biāo)

（1）熟悉MD380變頻器的擴(kuò)展插槽和外部接口；

（2）掌握MD380控制板和驅(qū)動(dòng)板的構(gòu)成；

（3）了解匯川MD380變頻器的保護(hù)措施。

工作內(nèi)容

MD380變頻器具有豐富的可擴(kuò)展能力和外部端子接口；MD380變頻器控制板包括工作電

源接口、鍵盤接口、DSP芯片、PG卡接口、擴(kuò)展卡接口、驅(qū)動(dòng)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)通信接口、外

引鍵盤接口、控制板接線端子等；MD380變頻器驅(qū)動(dòng)板包括直線母線濾波電容、電源開關(guān)管、

上電緩沖繼電器、上電緩沖電阻器、母線浪涌吸收電容器、主回路接線端子、輸出電流檢測分

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流器、PG卡插座、逆變IGBT上下橋驅(qū)動(dòng)光耦合器、制動(dòng)IGBT光耦合器、控制板驅(qū)動(dòng)板連

接插座、控制板與DSP板通信插座、風(fēng)啟插座等。

任務(wù)實(shí)施

匯川公司MD380型號(hào)變頻器具有豐富的可擴(kuò)展能力和外部端子接口，根據(jù)用戶不同的需求，

PG卡接口可以外接UVW差分PG卡、差分PG卡、旋轉(zhuǎn)變壓器卡、開路集電極PG卡等，擴(kuò)

展卡接口可接MD38IO1、MD38CAN1、MD38DP、MD38PC1等，如圖1-7所示。

項(xiàng)目

圖1-7MD380變頻器可擴(kuò)展能力和端子接線示意圖

1

1了解MD380變頻器控制板學(xué)習(xí)變頻器工作原理

變頻器工作主要依靠控制板和驅(qū)動(dòng)板，下面以MD380為例來進(jìn)行介紹。首先介紹控制板

組成，正面部分包括驅(qū)動(dòng)板提供控制板工作電源接口、鍵盤接口、DSP芯片、PG卡接口、擴(kuò)

展卡接口、驅(qū)動(dòng)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)通信接口、外引鍵盤接口、控制板接線端子等，如圖1-8所示。

下面來介紹各接口插頭引腳的含義，J11接口如圖1-9所示，各引腳定義功能如下：

1pin：向外提供+24V電源。

2pin：向外提供+24V的電源地COM。

3pin，4pin，23pin，25pin，36pin、27pin，30pin，31pin，32pin：空腳。

5pin（IU）、6pin（IV）：UV輸出電流檢測。