《運動控制系統(tǒng)》課件第7章

第7章變頻器應(yīng)用技術(shù)7.1概述7.2變頻器裝置主要類型7.3變頻器的選擇7.4變頻器與PLC及上位機的連接7.5變頻器的安裝、調(diào)試和使用7.6正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器的MATLAB仿真本章小結(jié)習(xí)題與思考題

7.1概述

20世紀70年代后，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。7.1.1變頻調(diào)速概況

交流電動機的大多數(shù)調(diào)速方案其基本原理很早以前就已經(jīng)確立了，但由于受電力變換技術(shù)和控制手段的制約，有的被限制在實驗室中，有的雖付諸實用也因穩(wěn)定性、可靠性及維護等方面的某些不足，在當時歷史條件下使用范圍受到一定的限制。

20世紀60年代中期，普通晶閘管、小功率晶體管的實用

化，使交流電動機變頻技術(shù)得到了發(fā)展，采用晶閘管的同步電動機自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)和采用電壓型(或電流型)晶閘管變頻器的籠型異步電動機調(diào)速系統(tǒng)先后在工業(yè)中被推廣使用，使變頻調(diào)速開始成為交流調(diào)速的主流。此后的20多年中，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進步。這種進步突出表現(xiàn)在變頻裝置的大容量化、開關(guān)器件的自關(guān)斷化、開關(guān)模式的PPM化及控制方式的全數(shù)字化等方面。

1.交流調(diào)速裝置的大容量化

對一些大型生產(chǎn)機械的主傳動，直流電動機在容量等級方面已接近極限值，采用直流調(diào)速方案無論在設(shè)計和制造上都已十分困難。某些大容量高速傳動，過去只能采用增速齒輪或是直接以汽輪機傳動，噪聲大，效率低，占地面積大，特大容量交流傳動裝置的發(fā)展填補了這方面的空白。為了適應(yīng)大容量交流電動機的高電壓，需使用大容量交-直-交電壓型PWM變頻器。

另外，采用常規(guī)的二電平變頻器作為基本單元，多級串聯(lián)起來構(gòu)成多級多電平高壓變頻器(稱為“單元串聯(lián)式變頻器”)，這是一種更新的方案。其中每個單元變頻器都是低壓的，主開關(guān)器件可以采用GTO，亦可以采用IGBT。串聯(lián)單元數(shù)越多，諧波成分越小，可以達到所謂“完美無諧波”。所用開關(guān)管多、不能實現(xiàn)四象限運行是單元串聯(lián)式變頻器的缺點。

嚴格地講，高壓大容量變頻器已不屬于我們所說的“通用變頻器”了。

2.開關(guān)器件的自關(guān)斷化

近十幾年，大功率自關(guān)斷電力電子器件的發(fā)展十分迅速，其中門極關(guān)斷(GTD)晶閘管、大功率晶體管(BJT)和絕緣雙極型晶體管(IGB)的發(fā)展最快，實用化的程度也最高。采用自關(guān)斷器件省去了線路復(fù)雜、體積較大的強迫換相電路，既可以減小裝置體積，又降低了開關(guān)損耗，提高了效率。

同時，由于開關(guān)頻率的提高，變壓器可采用PWM控制，既降低了諧波損耗、減小了轉(zhuǎn)矩脈動，又提高了快速性，改善了功率因數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，目前變頻器中的開關(guān)器件在容量為1500kW以下時采用IGBT，容量為1000～7500kW時采用GTO。1975年前后還是普通晶閘管一統(tǒng)天下，如今已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。隨著自關(guān)斷器件性能的改善和新型器件的開發(fā)，變頻器主開關(guān)器件自關(guān)斷化的進程必將進一步向前推進。

3.變頻裝置的高性能化

早期的變頻調(diào)速系統(tǒng)，基本上都采用壓頻比(U/f)控制方式，無法得到快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，低速特性也不好(負載能力差)。1971年德國西門子公司發(fā)明了所謂“矢量控制”技術(shù)，一改過去傳統(tǒng)方式中僅對交流電量的量值(電壓、電流、頻率)進行控制的方法，實現(xiàn)了在控制量值的同時也控制其相位的新控制思想。該技術(shù)采用坐標變換的辦法，實現(xiàn)定子電流的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制，可以使交流電動機像直流電動機一樣具有良好的調(diào)速性能。目前，矢量控制的交流電動機調(diào)速原理得到了廣泛的實際應(yīng)用，并相應(yīng)形成了許多系列化的實際裝置。其性能指標與直流調(diào)速系統(tǒng)完全一樣，甚至有所超越，完全可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)。

4.PWM技術(shù)的應(yīng)用

目前幾乎所有的變頻調(diào)速裝置都采用PWM技術(shù)。

PWM技術(shù)用于變頻器的控制，可以改善變頻器的輸出波形，降低電動機的諧波損耗，減小轉(zhuǎn)矩脈動，同時還簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。

PWM技術(shù)除了用于逆變器的控制，還用于整流器的控制。PWM整流器現(xiàn)已開發(fā)成功，利用它可以實現(xiàn)輸入電流正弦和電網(wǎng)功率因數(shù)為1的目的。人們稱PWM整流器是對電網(wǎng)無污染的“綠色”變流器。

PWM波形的生成方法多種多樣，有載波調(diào)制法、微機查表法(包括著名的諧波消去法及由此進化而來的優(yōu)化法等)、實時計算法和自激振蕩法等。這些方法已趨成熟，在實際中均有應(yīng)用。PWM控制方式在電氣傳動的許多方面都有成功的應(yīng)用，目前常用的通用變頻器就是一種PWM變頻器。

5.全數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用

全數(shù)字控制方式使信息處理能力大幅度增強，采用模擬控制方式無法實現(xiàn)的復(fù)雜控制在今天都已成為現(xiàn)實，系統(tǒng)的可靠性、可操作性、可維修性(即所謂的RAS(Reliability，AvailabilityServiceability))功能得以充實。微處理機和大規(guī)模集成電路的引入，對變頻器的通用化也起到了決定性的作用。全數(shù)字控制具有如下特點：

(1)精度高。數(shù)字計算機的精度與字長有關(guān)，變頻器中使用16位乃至32位微型機作為控制機，精度在不斷提高。

(2)穩(wěn)定性好。由于控制信息為數(shù)字量，因而不會隨時間發(fā)生漂移。與模擬控制不同，數(shù)字信息一般不會隨溫度和環(huán)境條件發(fā)生變化。

(3)可靠性高。微型計算機采用大規(guī)模集成電路，系統(tǒng)中的硬件電路數(shù)量大為減少，相應(yīng)的故障率大大降低。

(4)靈活性好。系統(tǒng)中硬件向標準化、集成化方向發(fā)展，可以在盡可能少的硬件支持下，由軟件去完成復(fù)雜的控制功能。適當?shù)匦薷能浖?，就可以改變系統(tǒng)的功能或提高其性能。

(5)存儲能力強。存儲容量大，存放時間幾乎不受限制，這是模擬系統(tǒng)不能比擬的。利用這一特點可在存儲器中存放大量的數(shù)據(jù)或表格，利用查表法簡化計算，提高運算速度。

(6)邏輯運算能力強，容易實現(xiàn)自診斷、故障記錄、故障查找等功能，使變頻裝置的可靠性、可使用性、可維修性都大大提高。7.1.2通用變頻器概況

1.通用變頻器的發(fā)展

20世紀80年代初，通用變頻器實現(xiàn)了商品化。近20年來，通用變頻器經(jīng)歷了由模擬控制到全數(shù)字控制、由采用BJT到采用IGBT兩大進展過程，其發(fā)展情況簡略說明如下：

(1)容量不斷擴大。20世紀80年代初，采用BJT的PWM變頻器實現(xiàn)了通用化，到了90年代初，BJT通用變頻器的容量在600kVA、400kVA以下的已經(jīng)系列化。前幾年主開關(guān)器件開始采用IGBT，僅三四年的時間，IGBT變頻器的單機容量已達1800kVA(適配1500kW電動機)。隨著IGBT容量的擴大，通用變頻器的容量還將隨之擴大。

(2)結(jié)構(gòu)小型化。變頻器主電路中功率電路模塊化，控制電路采用大規(guī)模集成電路(LSI)和全數(shù)字控制技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用“平面安裝技術(shù)”等，這一系列措施促進了變頻電源裝置的小型化。

(3)多功能化和高性能化。電力電子器件和控制技術(shù)的不斷進步，使變頻器向多功能化和高性能化方向發(fā)展。特別是微機的應(yīng)用，以其精練的硬件結(jié)構(gòu)和豐富的軟件功能，為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。

人們總結(jié)了交流調(diào)速電氣傳動控制的大量實踐經(jīng)驗，并不斷融入軟件功能，使通用變頻器的適應(yīng)性不斷增強?？梢赃@樣說，通用變頻器的多功能化和高性能化為用戶提供了一種可能，即可以把原有生產(chǎn)機械的工藝水平“升級”，達到以往無法達到的境界，使其變成一種具有高度軟件控制功能的新機種。

8位和16位CPU奠定了通用變頻器全數(shù)字控制的基礎(chǔ)。32位數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor，DSP)的應(yīng)用將通用變頻器的性能提高了一大步，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制，推出了“無跳閘”功能。目前，最新型變頻器開始采用新的“精簡指令集計算機”(ReducedInstructionSetComputer，RISC)，將指令執(zhí)行時間縮短到納秒級。有的變頻器廠家聲稱，以RISC為核心的數(shù)字控制，可以支持無速度傳感器矢量控制變頻器的矢量控制算法、轉(zhuǎn)速估計運算、PID調(diào)節(jié)器的在線實時運算。

(4)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。通用變頻器經(jīng)歷了模擬控制、數(shù)模混合控制直到全數(shù)字控制的演變，逐步實現(xiàn)了多功能化和高性能化，進而對各類生產(chǎn)機械、各類生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性不斷增強。最初通用變頻器僅用于風(fēng)機、泵類負載的節(jié)能調(diào)速和化纖工業(yè)中高速纏繞的多機協(xié)調(diào)運行等，到目前為止，其應(yīng)用領(lǐng)域得到了很大的擴展。例如搬送機械，從反抗性負載的搬運車輛、帶式運輸機到位能負載的起重機、提升機、立體倉庫、立體停車場等都已采用了通用變頻器；又如金屬加工機械，從各類切削機床直到高速磨床乃至數(shù)控機床、加工中心超高速伺服機的精確位置控制也都已應(yīng)用了通用變頻器。

2.通用變頻器的技術(shù)動向

采用變頻器的調(diào)速傳動技術(shù)近年來取得驚人的進步。從技術(shù)發(fā)展動向看，大致有如下幾個方面。

1)IGBT的應(yīng)用

最近幾年，IGBT的應(yīng)用正在迅速推進，其顯著的特點是開關(guān)頻率高，驅(qū)動電路簡單。IGBT用于通用變頻器時，有如下明顯的效果：

(1)由于載波頻率的提高(16kHz或更高)，負載電動機的噪聲明顯減小，實現(xiàn)了低噪聲傳動。電動機的金屬鳴響聲因振動頻率超過了人耳可感知的程度而“消失”。

(2)同樣由于載波頻率的提高，使電動機的電流(特別是低速時的電流)波形更加趨于正弦波，因而減小了電動機轉(zhuǎn)矩的脈動和電動機的損耗。

(3)由于IGBT為電壓驅(qū)動型，因而簡化了驅(qū)動回路，使整個裝置更加緊湊，可靠性提高，成本降低。

如果主開關(guān)器件采用智能電力模塊(IPM)，上述效果將更加明顯。采用IPM已成為一種新趨勢。

2)網(wǎng)側(cè)變流器的PWM控制

目前上市的絕大多數(shù)通用變頻器，其網(wǎng)側(cè)變流器采用不可控的二極管整流器。雖然控制簡單，成本較低，但也有它的缺點，比如網(wǎng)側(cè)電壓波形嚴重畸變，影響電網(wǎng)的功率因數(shù)，諧波損耗大，電動機制動時的再生能量無法回饋給電網(wǎng)等。現(xiàn)已開發(fā)出一種新型的采用PWM控制方式的自換相變流器(稱為“新控式整流器”或“PWM整流器”)，并已成功地用作變頻器中的網(wǎng)側(cè)變流器。其電路結(jié)構(gòu)形式與逆變器完全相同，每個橋臂均由一個自關(guān)斷器件和一個二極管反并聯(lián)組成。其特點是：直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流(網(wǎng)側(cè)電流)波形基本為正弦波，功率因數(shù)可保持為1，并且能量可以雙向流動。網(wǎng)側(cè)變流器采用PWM控制的變頻器，又稱為“雙PWM控制變頻器”，這種再生能量回饋式高性能通用變頻器代表著另一個新的技術(shù)發(fā)展動向，它的大容量化對于制動頻繁的或可逆運行的生產(chǎn)設(shè)備十分有意義，但其價位高、初投資大也是一個現(xiàn)實問題，某種程度上限制了它的發(fā)展速度。

3)矢量控制變頻器的通用化

在造紙、軋鋼等應(yīng)用領(lǐng)域，要求高精度、快響應(yīng)，一般的通用變頻器已經(jīng)不能勝任，往往要采用矢量控制方案。但是矢量控制往往需要速度傳感器，運算復(fù)雜，調(diào)整麻煩，對電動機的參數(shù)依賴性較大。目前，國外正在努力使矢量控制變頻器實現(xiàn)通用化。因此，對無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的理論研究和實用化的開發(fā)代表著另一個新的技術(shù)發(fā)展動向。

7.2變頻器裝置主要類型

根據(jù)整體結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換方式的不同，變頻器分為交-直-交和交-交變頻器兩大類，下面分別介紹。7.2.1交-直-交變頻器

1.交-直-交變頻器的基本結(jié)構(gòu)

交-直-交變頻器先把工頻交流電通過整流器變換成直流電，然后再把直流電通過逆變器變換成頻率、電壓均可控制的交流電，如圖7-1所示。由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱為間接變頻器。通用變頻器通常采用交-直-交變頻器。圖7-1交-直-交(間接)變壓變頻器

2.常用的三種交-直-交變頻器的結(jié)構(gòu)形式

交-直-交變頻器具體的整流和逆變電路種類很多，按照控制方式的不同，它又可以分成三種類型，如圖7-2所示。

(1)用可控整流器變壓、逆變器變頻的交-直-交變頻裝置。這種類型的變頻器如圖7-2(a)所示。調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，當電壓和頻率調(diào)得較低時，電網(wǎng)端的數(shù)值較??；輸出環(huán)節(jié)多用晶閘管組成的三相六拍逆變器(每周期換流六次)，輸出的諧波較大。這是這類變頻裝置的主要缺點。

(2)用不可控整流器整流、斬波器變壓、逆變器變頻的交-直-交變頻裝置。整流環(huán)采用二極管不可控整流器，再增設(shè)斬波器，用脈寬調(diào)壓。這樣雖然多了一個環(huán)節(jié)，但輸入功率因數(shù)高，克服了圖7-2(a)裝置的第一個缺點。這類變頻器的輸出逆變環(huán)節(jié)與第一類相同，因而仍存在諧波較大的問題。圖7-2交-直-交(間接)變壓變頻器三種結(jié)構(gòu)形式

(3)用不可控整流器整流、PWM逆變器變壓變頻的交-直-交變頻裝置。用不可控整流器整流，則功率因數(shù)高；用PWM逆變器逆變，則諧波可以減少。這樣圖7-2(a)裝置的兩

個缺點都克服了。諧波能夠減少的程度取決于開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時間的限制。如果仍采用普通晶閘管，開關(guān)頻率比六拍逆變器也高不了多少。只有采用可控關(guān)斷的全控式器件以后，開關(guān)頻率才得以大大提高，輸出波形幾乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又稱其為正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器，它是當前最有應(yīng)用前景的逆變器。

PWM變壓變頻器的應(yīng)用之所以如此廣泛，是由于它具有如下一系列優(yōu)點：

(1)在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，通過它同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡單；采用全控型的功率開關(guān)器件，只通過驅(qū)動電壓脈沖進行控制，電路簡單，效率高。

(2)輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由于采用了恰當?shù)腜WM控制技術(shù)，正弦基波的比重較大，影響電機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。

(3)逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動態(tài)性能得以提高。

(4)采用不可控二極管整流器，電源側(cè)功率因數(shù)較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。7.2.2交-交變頻器

1.交-交變頻器的基本結(jié)構(gòu)

交-交變頻器將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，其結(jié)構(gòu)如圖7-3所示。它只有一個變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻(CVCF)的交流電源直接變換成變壓變頻(VVVF)的交流電輸出，因此又稱為直接式變壓變頻器。有時為了突出其變頻功能，也稱交-交變頻器為周波變換器(Cycloconverter)。一般而論，交-交變頻器主要應(yīng)用于大容量、低調(diào)速范圍的場合。圖7-3交-交(直接)變壓變頻器

2.交-交變頻器的基本電路結(jié)構(gòu)

常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路構(gòu)成的，也就是說，每一相都相當于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆整流器，如圖7-4所示。圖7-4交-交變壓變頻器每一相的可逆線路電路結(jié)構(gòu)

3.交-交變頻器的控制方式

1)整半周控制方式

交-交變頻器的正、反兩組晶閘管按照一定周期相互切換，在負載上獲得交變的輸出電壓uo，uo的幅值取決于各組可控整流裝置的控制角α，uo的頻率取決于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果α一直不變，則輸出平均電壓是方波，如圖7-5所示。圖7-5方波型平均輸出電壓波形

2)α調(diào)制控制方式

如果在每一組整流器導(dǎo)通期間不斷改變其控制角，則整流的平均輸出電壓uo就由零變到最大值，再變到零，呈正弦規(guī)律變化。例如，在正組導(dǎo)通的半個周期中，使控制角α由π/2(對應(yīng)于平均電壓uo=0)逐漸減小到0(對應(yīng)于平均電壓uo最大)，然后再逐漸增加到π/2(uo再變?yōu)?)，也就是使控制角α在-π/2~0~π/2之間變化，則整流的平均輸出電壓uo就由零變到最大值再變到零，呈正弦規(guī)律變化，如圖7-6所示。圖中，在A

點α=0，平均電壓為最大。半周中，平均輸出電壓為正弦波。對反組負半周的控制也是同樣。圖7-6交-交變壓變頻器的單相正弦波輸出電壓波形上述只說明了交-交變頻的單相輸出，對于三相負載，其他兩相也各有一套反并聯(lián)可逆線路，輸出平均電壓相位依次相差120°。反并聯(lián)可逆整流器應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)中技術(shù)成熟，對元件無特殊要求。在這里，如果每組可控整流裝置都用橋式電路，每組含有6個晶閘管(當每一橋臂都是單管時)，三相變頻裝置共用三組反并聯(lián)線路，則共需36個晶閘管。若采用零式電路，也得要18個晶閘管。因此，這樣的交-交變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡單，但是所用的器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當龐大。不過這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，在技術(shù)上和制造工藝上都很成熟，因此目前國內(nèi)有些企業(yè)已有可靠的此類產(chǎn)品。

4.交-交變頻器的缺點

交-交變壓變頻器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但所用的器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當龐大。另外，交-交變壓變頻器的輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復(fù)雜，因此須配置諧波濾波和無功補償設(shè)備。其最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，一般主要用于軋機主傳動、球磨機、水泥回轉(zhuǎn)窯

等大容量、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，供電給低速電機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。近年來又出現(xiàn)了一種采用全控型開關(guān)器件的矩陣式交-交變壓變頻器，其類似于PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數(shù)可調(diào)，能量可雙向流動，以獲得四象限運行，但當輸出電壓必須為正弦波時，最大輸出輸入電壓比只有0.866。目前這類變壓變頻器尚處于開發(fā)階段，其發(fā)展前景會很好。

綜上所述，交-交變頻器與交-直-交變頻器的比較如表7-1所示。

注：交-交變頻器如采用強迫換流，則調(diào)速范圍可以擴大，最高輸出頻率可以超過電網(wǎng)頻率，同時還可提高功率因數(shù)，但線路復(fù)雜。*7.2.3通用變頻器中的逆變器

在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類，兩種類型的實際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。圖7-7所示為電壓源型和電流源型逆變器的示意圖。圖7-7電壓源型和電流源型逆變器示意圖

1.電壓源變頻器(VoltageSourceInverter，VSI)

對于間接變頻器，當中間直流環(huán)節(jié)主要采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，理想情況是一種內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這叫做電壓源變頻器(VoltageSourceInverter，VSI)或稱電壓型變頻器。一般的直接變頻器雖然沒有濾波電容，但供電電源的低阻抗使它具有電壓源的性質(zhì)，因此也屬于電壓源變頻器。

2.電流源變頻器(CurrentSourceInverter，CSI)

當間接變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流回路中的電流波形比較平直，對負載來說基本上是恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這叫做電流源變頻器(CurrentSourceInverter，CSI)，或稱電流型變頻器。

3.電壓源和電流源變頻器的性能比較

電壓源和電流源兩類變頻器在主電路上雖然只是濾波環(huán)節(jié)不同，但其性能卻有明顯的差異，主要表現(xiàn)如下：

(1)無功能量的緩沖。在調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器的負載是異步電機，屬感性負載。在中間直流環(huán)節(jié)與負載電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。因此，兩類變頻器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲能元件

(電容器或電感器)來緩沖無功能量。

(2)能量的回饋。用電流源型逆變器給異步電機供電的電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)有一個顯著特征，就是容易實現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋制動和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。下面以由晶閘管可控整流器UCR和電流源型串聯(lián)二極管式晶閘管逆變器CSI構(gòu)成的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(如圖7-8所示)為例，說明電動運行和回饋制動兩種狀態(tài)。當電動運行時，UCR的控制角α<90°，工作在整流狀態(tài)，直流回路電壓Ud的極性上正下負，電流Id由正端流入逆變器CSI，CSI工作在逆變狀態(tài)，輸出電壓的頻率ω1>ω，電動機以頻率ω運行，電功率P的傳送方向如圖7-8(a)所示。如果降低變壓變頻器的輸出頻率ω1，或從機械上抬高電機頻率ω，使ω1<ω，同時使UCR的控制角α>90°，則異步電動機轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，逆變器轉(zhuǎn)為整流狀態(tài)，而可控整流器轉(zhuǎn)為有源逆變狀態(tài)。此時，直流電壓Ud立即反向，而電流Id方向不變，電能由電機回饋給交流電網(wǎng)，如圖7-8(b)所示。圖7-8電流源型交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運行狀態(tài)與上述情況相反，如果采用電壓源型的交-直-交變壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)，要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行就很困難。因為其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實現(xiàn)回饋制動。必須制動時，只得在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻實現(xiàn)能耗制動，或者與UCR反并聯(lián)一組反向的可控整流器，用以通過反向的制動電流，而保持電壓極性不變，實現(xiàn)回饋制動。這樣做，設(shè)備要復(fù)雜得多。

(3)輸出波形。電壓源型變頻器輸出的電壓波形為方波，電流源型變頻器輸出的電流波形為方波。

(4)動態(tài)響應(yīng)。正由于交-直-交電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓可以迅速改變，所以動態(tài)響應(yīng)比較快，而電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)就慢得多。

(5)應(yīng)用場合。電壓源型變頻器屬恒壓源，電壓控制響應(yīng)慢，不易波動，所以適于做多臺電機同步運行時的供電電源，或單臺電機調(diào)速但不要求快速起、制動和快速減速的場合。采用電流源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快速起、制動和可逆運行的要求。

下面給出電壓源和電流源交-直-交變頻器主要特點的比較，如表7-2所示。7.2.4通用變頻器中的脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)

早期的交-直-交變壓變頻器所輸出的交流波形都是六拍階梯波(對應(yīng)電壓源型逆變器)或矩形波(對應(yīng)電流源型逆變器)，這是因為當時逆變器只能采用半控式的晶閘管，其關(guān)斷的不可控性和較低的開關(guān)頻率導(dǎo)致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦波變化，從而會有較大的低次諧波，使電機輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能，在低速運行時這種影響更為明顯。應(yīng)用PWM技術(shù)控制的逆變器在主電路結(jié)構(gòu)上比較簡單，而輸出電壓波形更接近正弦波。傳統(tǒng)的交流變壓變頻脈寬調(diào)制技術(shù)用正弦波來調(diào)制等腰三角波，從而獲得一系列等幅不等寬的PWM矩形波，按照波形面積相等的原則，這樣的PWM波形與期望的正弦波等效。經(jīng)過一段時間的應(yīng)用實踐后，這種脈寬調(diào)制方法取得了很大的效能，也發(fā)現(xiàn)了一些缺點，因此，研究新的PWM控制技術(shù)一直是科研人員的熱門課題。

1.PWM調(diào)制原理

以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波(CarrierWave)，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波(ModulationWave)，當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間

寬的一系列等幅不等寬的矩形波，如圖7-9所示。按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱為正弦波脈寬調(diào)制(SinusoidalPulseWidthModulation，SPWM)，這種序列的矩形波稱為SPWM波。圖7-9

PWM調(diào)制原理

2.SPWM控制方式

SPWM控制技術(shù)分為單極性控制和雙極性控制兩種。

如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，則叫做單極性控制方式，其輸出電壓波形如圖7-10所示。其中,uc為三角載波；ur為正弦調(diào)試波；uo為調(diào)制后的矩形波。

如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負極性

之間連續(xù)變化，SPWM波也在正負之間變化，則叫做雙極性控制方式，其輸出電壓波形如圖7-11所示。三相橋式PWM逆變器一般都采用雙極性控制方式。圖7-10單極性PWM控制方式圖7-11雙極性PWM控制方式

3.PWM逆變器主電路及輸出波形

圖7-12所示為三相橋式PWM逆變器主電路的原理圖，圖中N為電機三相繞組的中性點，N′為直流電源正、負極之間的中性點。在主電路器件的不同開關(guān)狀態(tài)下，N與N′之間的電位經(jīng)常是不同的。圖7-12三相橋式PWM逆變器主電路原理圖圖7-13為三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形。

(1)圖7-12和圖7-13中，urU、urV、urW為U、V、W三相的正弦調(diào)制波，uc為雙極性三角載波。

(2)uUN′、uVN′、uWN′為U、V、W三相輸出與電源中性點N′之間的相電壓矩形波形。

(3)uUV為輸出線電壓矩形波，其脈沖幅值為+Ud和-Ud。

(4)uUN為三相輸出與電機中點N之間的相電壓。圖7-13三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形

4.PWM控制電路

在模擬電子電路中，采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實現(xiàn)上述的SPWM控制，如圖7-14所示。圖7-14

PWM的模擬控制電路在數(shù)字控制電路中，常采用“自然采樣法”，其采樣原理如圖7-15所示。自然采樣法的運算比較復(fù)雜，在工程上更實用的是簡化后的“規(guī)則采樣法”。由于簡化方法不同，衍生出各種規(guī)則采樣法，圖7-16給出規(guī)則采樣法的原理。在規(guī)則采樣法中，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc。自然采樣法中，脈沖中點不和三角波周期的中點(即負峰點)重合；規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點為對稱，使計算大為簡化。三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣的D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點。在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關(guān)器件的通斷脈沖寬度d,這與用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。圖7-15自然采樣法原理圖7-16規(guī)則采樣法原理圖7-16中的正弦調(diào)制信號波為

ur=Msinωrt

(7-1)

式中，M

稱為調(diào)制度；ωr為信號波角頻率。從圖中可得

(7-2)因此可得

(7-3)

三角波一個周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度

(7-4)根據(jù)上述采樣原理和計算公式，可以用計算機實時控制產(chǎn)生SPWM波形，具體實現(xiàn)方法有：

(1)查表法?？梢韵入x線計算出相應(yīng)的脈寬d等數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，然后在調(diào)速系統(tǒng)實時控制過程中通過查表和加、減運算求出各相脈寬時間和間隙時間。

(2)實時計算法。事先在內(nèi)存中存放正弦函數(shù)和Tc/2值，控制時先查出正弦值，與調(diào)速系統(tǒng)所需的調(diào)制度M作乘法運算，再根據(jù)給定的載波頻率查出相應(yīng)的Tc/2值，由計算公式計算脈寬時間和間隙時間。

5.SPWM的調(diào)制方式

SPWM逆變器的性能與兩個重要參數(shù)有關(guān)，它們是調(diào)制比m和載頻比K,其定義分別為

(7-5)

(7-6)

式中：Urm、f(ω，T)為參考信號ur的幅值和頻率(角頻率、周期)；Ucm、fc(ωc,Tc)為載頻信號uc的幅值和頻率(角頻率、周期)。在SPWM方式中，Ucm的值常保持不變，m值的改變由改變Urm來實現(xiàn)。在調(diào)制過程中，根據(jù)載頻比K是否改變，可以分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種方式。

(1)同步調(diào)制。在改變f的同時成正比地改變fc，使載頻比K保持不變，稱為同步調(diào)制。采用同步調(diào)制的優(yōu)點是可以保證輸出波形的對稱性。對于三相系統(tǒng)，為保持三相之間對稱、互差120°相位角，載頻比K應(yīng)取3的整數(shù)。為保證雙極性調(diào)制時每相波形的正、負半波對稱，則該倍數(shù)應(yīng)取奇數(shù)。波形對稱，則不會出現(xiàn)偶次諧波問題。但是，受開關(guān)器件允許的開關(guān)頻率的限制，保持載頻比K值不變，在逆變器低頻運行時，載頻比K值會過小，導(dǎo)致諧波含量變大，使電動機的諧波損耗增加，轉(zhuǎn)矩脈動相對加劇。

(2)異步調(diào)制。在改變f的同時，fc的值保持不變，使載頻比K值不斷變化，稱為異步調(diào)制。采用異步調(diào)制的優(yōu)點是可以使逆變器低頻運行時的載頻比K值加大，相應(yīng)地減小諧波含量，以減輕電動機的諧波損耗和轉(zhuǎn)矩脈動。但是，異步調(diào)制可能使K值出現(xiàn)非整數(shù)，相位可能連續(xù)漂移，且正、負半波不對稱，相應(yīng)的偶次諧波問題變得突出了。但是如果器件開關(guān)頻率能滿足要求，使得K值足夠大，這個問題就可以弱化。采用IGBT作為主開關(guān)器件的變頻器已有采用全速度范圍內(nèi)異步調(diào)制方案的機種，這克服了分段同步調(diào)制的關(guān)鍵弱點。

(3)分段同步調(diào)制。實用的BJT逆變器常采用分段同步調(diào)制方案。圖7-17給出了BJT逆變器基波頻率與載波頻率的關(guān)系。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，低速段采用異步調(diào)制，高速段分段同步化，載頻比K值逐級改變。到了恒功率區(qū)，取K=1，可以獲得最高輸出電壓。這樣做，開關(guān)頻率限制在一定的范圍內(nèi)，并且fc相對變小后，在K為各個確定值的范圍內(nèi)，可以克服異步調(diào)制的缺點，保證輸出波形對稱。K值的切換控制應(yīng)注意兩個問題：①載頻比K值的切換不出現(xiàn)電壓的突變；

②應(yīng)在臨界點處造成一個滯后區(qū)，以避免不同K值之間出現(xiàn)振蕩。

分段同步調(diào)制比較關(guān)鍵的弱點是在K值切換時可能出現(xiàn)電壓突變乃至振蕩。圖7-17

BJT逆變器基波頻率與載波頻率的關(guān)系7.2.5變頻器主要功能

1.基本功能

(1)基本頻率?；绢l率通常指輸入工頻交流電的頻率。

(2)自動加／減速控制。按照機械慣量GD2、負載特性自動確定加／減速時間。這一功能通常用于大慣性負載。

(3)加／減速時間。加／減速時間的選擇決定調(diào)速系統(tǒng)的快速性。如果選擇較短的加／減速時間，會提高生產(chǎn)效率。但是，加速時間選擇太短，會引起過流；減速時間選擇太短，頻率下降太快，電動機進入制動狀態(tài)(電動機轉(zhuǎn)速大于定子頻率對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率變負)，可能引起過電壓。

(4)加／減速方式?？蛇x擇線性加／減速方式和S形加／減速方式。

2.特殊功能

(1)低頻定子電壓補償,通常稱為電動機轉(zhuǎn)矩提升。

(2)跳頻。用變頻器為交流電動機供電時，系統(tǒng)可能發(fā)生振蕩。發(fā)生振蕩的原因：一是電氣頻率與機械頻率發(fā)生共振；二是由純電氣引起的。通常發(fā)生振蕩是在某些頻率范圍內(nèi)，為了避免發(fā)生振蕩，可設(shè)置跳頻。

(3)瞬時停電再起動。由于電動機的慣性，停電數(shù)秒時間，電動機的轉(zhuǎn)速可能還在期望的范圍內(nèi)，這樣，變頻器可以在恢復(fù)供電后繼續(xù)給電動機按正常運行供電，而不必將電動機停止后重新起動。

7.3變頻器的選擇

要正確選擇變頻器，首先要充分了解調(diào)速設(shè)備的負載性質(zhì)、調(diào)速性能及其他工藝上的要求等，然后對照各種變頻器的性能、容量合理選用。

7.3.1變頻器類型的選擇

變頻器根據(jù)其性能及控制方式的不同可以分為簡易型、多功能型、高性能型；根據(jù)用途可分為通用型、系統(tǒng)型和專用型變頻器。

1.簡易型變頻器

簡易型變頻器一般采用U/f控制方式，其中通用型的主要適用于風(fēng)機、泵類等低速且負載轉(zhuǎn)矩較小的場合，節(jié)能效果顯著，成本較低；專用型的簡易變頻器主要適用于空調(diào)、洗衣機、印制電路加工機械等，節(jié)能效果顯著，成本較低。

2.多功能型變頻器

多功能型變頻器一般采用電壓PWM控制方式，主要適用于自動倉庫、升降機、搬運系統(tǒng)、小型CNC機床、擠壓成型機、紡織及膠片機械等恒轉(zhuǎn)矩類負載。為了實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常常采用加大電動機和變頻器容量的辦法，以提高低速轉(zhuǎn)矩。

選擇多功能型變頻器必須滿足以下兩個條件：

(1)變頻器與機械種類無關(guān)，可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩負載驅(qū)動，即使負載有很大的波動也能夠保證連續(xù)運行，否則變頻器會發(fā)生停機、再起動困難、耐過載能力降低等故障。因此，要求變頻器本身必須具有電流控制功能。

(2)變頻器本身應(yīng)易與機械相適應(yīng)、相配合，即具有容易適合機械特性的可選功能。此外，變頻器還應(yīng)具備與系統(tǒng)進行信息傳遞的輸入輸出功能等。

3.高性能型變頻器

高性能型變頻器一般采用電流型矢量控制方式，具有轉(zhuǎn)矩控制功能，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，這種變頻器低速轉(zhuǎn)矩大，靜態(tài)機械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性，主要適用于軋鋼、造紙、塑料薄膜加工線等對動態(tài)性能要求較高的生產(chǎn)機械。目前，矢量控制型變頻器已經(jīng)通用化，加上鼠

籠型異步電動機具有堅固耐用、不用維護、價格便宜等優(yōu)點，因此，對于要求高精度、快響應(yīng)的生產(chǎn)機械，采用矢量控制高性能型變頻器是一種很好的方案。7.3.2變頻器容量的選擇

通用變頻器容量以適配電動機功率(kW)、輸出功率(kVA)或額定輸出電流(A)表示。適配電動機功率是指對于2、4極的標準電動機，在輸出額定電流時變頻器可以驅(qū)動的這類電動機的功率。6極以上的電動機和變極電動機的額定電流比標準電動機大，應(yīng)選用更大些的變頻器，這時須按額定輸出電流選擇變頻器。額定輸出容量取決于額定輸出電流與額定輸出電壓的三相視在功率。當電源電壓降低時，多數(shù)變頻器不能保證額定輸出電壓，因此輸出容量不作為選用變頻器的惟一依據(jù)。額定電流為逆變器可以連續(xù)輸出的最大交流電流的有效值，不論電動機是幾對極的，都應(yīng)使所選變頻器的額定電流大于電動機的額定電流。考慮到現(xiàn)代通用變頻器保護日趨完善以及技術(shù)改造投入費用的減少，宜盡量選用合適的變頻器。另外，根據(jù)負載性質(zhì)，當需要適應(yīng)沖擊性負載時，應(yīng)增大逆變器容量。通用逆變器過流容量常為120%、60s，150%、6s。例如：對于150%、60s的變頻器，要求200％過流容量時，必須使容量加大200/150=1.33倍。不同產(chǎn)品有不同的過流容量，一般廠家或代銷公司都將變頻器的輸出功率(kVA)、額定電流(A)、適配電動機功率(kW)列表，供用戶選用。7.3.3變頻器外圍設(shè)備的選擇

異步電動機利用通用變頻器進行調(diào)速傳動時，應(yīng)合理地選擇變頻器的容量和外圍設(shè)備。

1.選擇外圍設(shè)備的目的

選擇外圍設(shè)備的目的是：

(1)提高變頻器驅(qū)動系統(tǒng)正常工作的可靠性。

(2)提供對變頻器和電動機的保護。

(3)減小變頻器對其他設(shè)備的影響。

變頻器外圍設(shè)備如圖7-18所示。圖中T為電源變壓器，QF為電源側(cè)斷路器，1KM為電源側(cè)接觸器，F(xiàn)IL為高頻濾波器，1ACL為輸入電抗器，2ACL為輸出電抗器，R為制動電阻，2KM為電動機側(cè)接觸器，3KM為工頻電網(wǎng)切換用接觸器。圖7-18變頻器外圍設(shè)備

2.外圍設(shè)備的選擇

1)電源變壓器T

(1)選用目的：將電網(wǎng)電壓變換為通用變頻器所需要的電壓。

(2)變壓器容量的確定：一般情況下，變壓器容量可以按照變頻器容量的1.5倍進行估算。在進行變壓器容量的具體計算時可參照式(7-7)：

(7-7)

其中，變頻器的功率因數(shù)在有輸入電抗器1ACL時取0.8～0.85；沒有輸入電抗器時取0.6～0.8；變頻器的效率一般取0.9～0.95。變頻器接通時變壓器的次級電壓降應(yīng)按照式(7-8)計算：

(7-8)

式中：Pt為變頻器總計容量，kVA；Pi為變壓器容量，kVA；Xt為變壓器阻抗百分數(shù)；n為接通電源時的電流倍數(shù)(通常為額定電流的2～3倍)。

當求得變壓器次級電壓降超過要求時，應(yīng)重新按照(7-7)式計算變壓器容量。

2)電源側(cè)斷路器QF

(1)選用目的：用于變頻器、電動機與電源的通斷以及在出現(xiàn)過載和短路等事故時自動切斷變頻器與電源的聯(lián)系，以防事故進一步擴大。

(2)選擇方法：如果沒有工頻電網(wǎng)切換電路(接觸器3KM)，由于在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的起動電流可控制在較小范圍內(nèi)，因而電源側(cè)斷路器QF的額定電流可按變頻器的額定電流來選擇。如果有工頻電網(wǎng)切換電路，當變頻器停止工作時，電源通過工頻電網(wǎng)切換電路直接接電動機，所以電源側(cè)斷路器QF應(yīng)按電動機的起動電流進行選擇，最好選用無熔斷絲斷路器。

3)電磁接觸器1KM

(1)選用目的：電源一旦斷電，電磁接觸器自動將變頻器與電源脫開，以免在電網(wǎng)重新供電時變頻器自行工作，以保護設(shè)備和人身安全；在變頻器內(nèi)部保護功能起作用時，通過電磁接觸器1KM將變頻器與電源脫開。當然變頻器即使無電磁接觸器1KM也可使用。

(2)選擇方法：與低壓斷路器相同，但接觸器一般不會有同時控制多臺變頻器的情形。

4)高頻濾波器FIL

選用目的：用于抑制由變頻器產(chǎn)生的高次諧波對外界的干擾，用戶可酌情選用。

5)電抗器1ACL和2ACL

(1)選用目的：實現(xiàn)變頻器和電源的匹配，改善功率因數(shù)，減少高次諧波的不良影響。

(2)選擇的原則：1ACL的選用與否視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)電壓允許的畸變程度而定。一般在下列情況下應(yīng)考慮選擇1ACL：①電源容量在500kVA以上，并且為變頻器容量的10倍以上時；

②在同一變壓器上接有晶閘管換流設(shè)備；

③在同一電源系統(tǒng)上接有弧焊設(shè)備等畸變波發(fā)生源；

④存在大的電壓畸變時；

⑤電源電壓不平衡。

2ACL用于改善變頻器輸出電流的波形，降低電動機的噪聲，降低輸出高次諧波的不良影響。

6)制動電阻R

(1)選用目的：用于吸收電動機再生制動的再生電能。它可以縮短大慣性負載的自由停車時間，還可以在位能負載下放時實現(xiàn)再生運行。

(2)選擇的原則：各種變頻器的說明書上都提供了該公司外接制動電阻的規(guī)格和型號，可以據(jù)此選用。當無法知道外接制動電阻的規(guī)格和型號時，可按照下述原則進行選配

(7-9)

(7-10)

式中：Us為整流器的輸出電壓；IN為變頻器額定電流。

對于選擇系數(shù)0.3~0.5，電動機容量較小時取小值，反之取大值。

7)電磁接觸器2KM和3KM

電磁接觸器2KM和3KM用于變頻和工頻電網(wǎng)之間的切換運行。在這種方式下2KM是必不可少的，它和3KM之間的連鎖可以防止變頻器的輸出端接到工頻電網(wǎng)上。一旦出現(xiàn)變頻器的輸出端誤接到工頻電網(wǎng)的情況，將損壞變頻器。如果不需要變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換功能，可以不要2KM和3KM。注意，有些變頻器要求2KM只能在電動機和變頻器停機狀態(tài)下進行開閉。選擇電磁接觸器時，其容量應(yīng)滿足額定電流大于變頻器輸入電流值的條件。

外部設(shè)備的選擇涉及的問題較多，實際應(yīng)用中可根據(jù)變頻器廠家推薦的外部設(shè)備加以選擇。

7.4變頻器與PLC及上位機的連接

7.4.1變頻器的輸入輸出電路

1.運行信號的輸入

變頻器的輸入信號包括：正轉(zhuǎn)／停止、反轉(zhuǎn)／停止、微動等數(shù)字量輸入信號。變頻器通常利用繼電器接點或晶體管集電極開路形成與上位機的連接，并得到這些運行信號，如圖7-19所示。圖7-19運行信號的連接方式在使用繼電器接點的場合，為了防止出現(xiàn)因接觸不良而帶來的誤動作，需要使用高可靠性的控制用繼電器。當使用晶體管集電極開路形式進行連接時，也同樣需要考慮晶體管本身的耐壓容量和額定電流等因素，使所構(gòu)成的接口電路具有一定的裕量，以達到提高系統(tǒng)可靠性的目的，如圖7-20

所示。圖7-20輸入信號電路的正確接法在設(shè)計變頻器的輸入信號電路時還應(yīng)該注意到，當輸入信號電路連接不當時也會造成變頻器的誤動作。例如，當輸入信號電路采用如圖7-21所示的連接方式時，由于存在和運行電壓信號并聯(lián)的繼電器等感性負載，繼電器合分時產(chǎn)生的浪涌電流所帶來的噪聲干擾有可能引起變頻器的誤動作，

應(yīng)該盡量避免這種接法。此外，當變頻器一側(cè)和繼電器一側(cè)存在電位差時，電源電路本身可能遭到破壞，所以也應(yīng)采取相應(yīng)的措施。圖7-21輸入信號電路的錯誤接法

2.頻率指令信號

如圖7-22所示，頻率指令信號可以通過電壓信號(0～10V)和電流信號(4～20mA)輸入,使用時必須依據(jù)輸入信號的類型正確選擇PLC的輸出模塊。當變頻器和PLC的電壓信號范圍不同時，可以通過變頻器的內(nèi)部參數(shù)進行調(diào)節(jié)(如圖7-23所示)。當需要使用變頻器高速區(qū)域時，可以通過調(diào)節(jié)PLC的參數(shù)或電阻的方式將輸出電壓降低。圖7-22頻率指令信號與PLC的連接圖7-23輸入信號電平轉(zhuǎn)換通用變頻器通常都還備有作為選件的數(shù)字信號輸入接口卡，可以直接利用BCD信號或二進制信號設(shè)定頻率指令，其特點是避免模擬信號電壓降和溫度變化帶來的誤差，保證頻率設(shè)定的精度。

變頻器也可以以脈沖序列作為頻率指令。當利用這種方式進行精密的轉(zhuǎn)速控制時，必須考慮U/f轉(zhuǎn)換器電路和變頻器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路的零漂、溫度變化帶來的漂移以及分辨率等問題。不需要進行無級調(diào)速時，可以通過接點的組合使變頻器按照事先設(shè)定的頻率進行調(diào)速運行，而這些運行頻率則可以通過變頻器內(nèi)部參數(shù)進行設(shè)定。同利用模擬信號進行速度給定的方式相比，這種方式的設(shè)定精度高，也不存在由漂移和噪聲帶來的各種問題。圖7-24給出了一個多級調(diào)速的例子。圖7-24利用變頻器內(nèi)部功能進行多級調(diào)速

3.接點輸出信號

在變頻器的工作過程中，經(jīng)常需要通過繼電器接點或晶體管集電極開路的形式將變頻器的內(nèi)部狀態(tài)(運行狀態(tài))通知外部。而在連接這些送給外部的信號時，也必須考慮繼電器和晶體管的容許電壓、容許電流等因素。此外，在連線時還應(yīng)該考慮噪聲的影響。例如：當主電路(AC200V)的開閉以繼電器執(zhí)行，而控制信號(DC12～24V)的開閉以晶體管執(zhí)行時，應(yīng)注意分開布線，以保證主電路一側(cè)的噪聲不傳至控制電路。此外，在對帶有線圈的繼電器等感性負載進行開閉時，必須以和感性負載并聯(lián)的方式接上浪涌吸收器或續(xù)流二極管，如圖7-25所示。而在對容性負載進行開閉時，則應(yīng)以串聯(lián)的方式接入限流電阻，以保證進行開閉時的浪涌值不超過繼電器和晶體管的容許電流值。圖7-25感性負載的連接

4.模擬量監(jiān)測信號

變頻器輸出的監(jiān)測信號如圖7-26所示，主要分為以下幾種類型：

(1)變頻器輸出頻率監(jiān)測信號：0～10V，0～5V/0～100％。

(2)變頻器輸出電流監(jiān)測信號：0～10V，0～5V/0～100％，0～200％。

(3)變頻器輸出頻率脈沖信號：輸出頻率的1～36倍。使用時必須注意PLC一側(cè)阻抗的大小，

以保證電路中的電流不超過電路的額定電流。此外，由于這些監(jiān)測信號和變頻器內(nèi)部并不絕緣，在電線較長或噪聲較大的場合，最好在途中設(shè)置絕緣放大器。圖7-26監(jiān)測信號的連接7.4.2使用時注意的問題

1.瞬時停電后的恢復(fù)運行

在系統(tǒng)連接正確的條件下，利用變頻器瞬時停電后恢復(fù)運行的功能，使變頻器在系統(tǒng)恢復(fù)供電后進入自尋速過程，并將根據(jù)電動機的實際轉(zhuǎn)速自動設(shè)置相應(yīng)的輸出頻率重新起動。如果變頻器出現(xiàn)運行指令丟失的情況，則重新恢復(fù)供電后也可能不能進入自尋速模式，仍然處于停止輸出狀態(tài)，甚至?xí)霈F(xiàn)過電流的情況。因此，可以通過保持繼電器在保持運行信號的同時將頻率指令信號自動保持在變頻器內(nèi)部，或者為PLC本身準備不間斷電源將變頻器的運行信號保存下來，以保證恢復(fù)供電后系統(tǒng)能進入正常的工作狀態(tài)。

2.PLC掃描時間的影響

在使用PLC進行順序控制時，由于CPU進行處理時需要時間，總是存在一定時間(掃描時間)的延遲。在設(shè)計控制系統(tǒng)時必須考慮上述掃描時間的影響。尤其在某些場合下，當變頻器運行信號投入的時刻不確定時，變頻器將不能正常運行，在構(gòu)成系統(tǒng)時必須加以注意。7.4.3接地和電源系統(tǒng)

為了保證PLC不因變頻器主電路斷路器產(chǎn)生的噪聲而出現(xiàn)誤動作，在將變頻器和PLC等與上位機配合使用時必須注意以下問題：

(1)對PLC本體按照規(guī)定的標準和接地條件進行接地；應(yīng)避免和變頻器使用共同的接地線，并在接地時盡可能使二者分開。

(2)當電源條件不太好時，應(yīng)在PLC的電源模塊以及輸入輸出模塊的電源線上接入噪聲濾波器和降低噪音用的變壓器等。此外，如有必要，在變頻器一側(cè)也應(yīng)采取相應(yīng)措施，如圖7-27所示。圖7-27噪聲濾波器的連接

(3)當把變頻器和PLC安裝在同一操作柜中時，應(yīng)盡可能使與變頻器有關(guān)的電纜和與PLC有關(guān)的電纜分開。

(4)通過使用屏蔽線和雙絞線達到提高抗噪聲水平的目的。此外，當配線距離較長時，對于模擬信號來說，應(yīng)采用4～20mA的電流信號或采取在途中加入放大電路等措施提高抗噪聲水平。

7.5變頻器的安裝、調(diào)試和使用

7.5.1通用變頻器的安裝

1.變頻器對安裝環(huán)境的要求

變頻器的使用環(huán)境包括周圍溫度和濕度、周圍氣體、振動等。周圍溫度的允許值為0~40℃或-10~40℃。對全封閉結(jié)構(gòu)，上限溫度為40℃。由于變頻器運行中發(fā)熱，使控制柜內(nèi)溫度升高，因此應(yīng)加大控制柜尺寸或增設(shè)換氣裝置。周圍相對濕度推薦為40％～90％。濕度過高，存在電氣絕緣降低和金屬部分的腐蝕問題；周圍濕度過低，容易產(chǎn)生空間絕緣破壞。另外，周圍不應(yīng)有腐蝕性、爆炸性或易燃性氣體、粉塵和油霧等，這些場合下須選用密封防爆型產(chǎn)品。振動加速度被限制在0.3～0.5g以下，超過允許值，結(jié)構(gòu)的堅固件將會松動，接線材料由于機械疲勞而折損，以及繼電器、接觸器等有可動部分的器件可能會誤動作而導(dǎo)致不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。對機車、船舶等明顯具有振動的場合，必須選擇有防振措施的機種。變頻器安裝時，其四周或變頻器之間必須留有足夠的空間。

2.變頻器的發(fā)熱與散熱

(1)變頻器的發(fā)熱。變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部損耗引起的。通常情況下，逆變器的損耗約占發(fā)熱量的50%，整流及直流電路約占40%，控制及保護電路約占10％。變頻器的損耗一般為輸入功率的10％左右。

(2)變頻器的散熱。由于變頻器內(nèi)部損耗引起發(fā)熱，因此在變頻器安裝時，必須保證散熱途徑暢通，常用的方法是通過風(fēng)扇將熱量帶走。7.5.2變頻器的接線

1.主電路的接線

(1)主電路的基本接線如圖7-28所示。圖7-28中，Q是空氣開關(guān)，KM是接觸器觸頭，R、S、T是變頻器的輸入端，U、V、W是變頻器的輸出端且與電動機相連。

(2)變頻器的輸入端和輸出端是絕對不允許接錯的。如果將輸入電源接到了U、V、W端，則不管逆變器哪只管導(dǎo)通，都將引起兩相短路。

(3)在不允許停機的情況下，需設(shè)置逆變器與市電切換電路。當逆變器發(fā)生故障時，可將電動機迅速切換到市電運行。圖7-28變頻器主電路的接線

2.控制電路的接線

(1)模擬量控制線：主要包括輸入側(cè)的給定信號線、輸出側(cè)的頻率信號線和電流信號線。模擬量信號的抗干擾能力較低，因此必須使用屏蔽線。屏蔽線靠近變頻器的一端接電路的公共端(COM)，而不要接到變頻器的地端(E)或大地。屏蔽線的另一端應(yīng)該懸空。

(2)開關(guān)量控制線：如起動、點動、多擋轉(zhuǎn)速控制等的控制線，都是開關(guān)量控制線。開關(guān)量的抗干擾能力較強，可以不使用屏蔽線，但需使用雙絞線。

(3)變頻器的接地：通用變頻器都有一個接地端子“E”，此端子應(yīng)與大地相接。當變頻器與其他設(shè)備一起接地或有多臺變頻器一起接地時，每臺設(shè)備都必須分別和地線相接。不允許將一臺設(shè)備的接地端與另一臺設(shè)備的接地端相接后再接地。7.5.3通用變頻器的調(diào)試

對變頻器調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試并沒有嚴格規(guī)定的步驟，只是在單體上應(yīng)遵循“先空載，繼輕載，后重載”的一般規(guī)律。

1.變頻器的通電和預(yù)置

1)通電前的檢查

根據(jù)用戶使用說明書接線后，先進行通電前的檢查：從外觀上檢查變頻器的型號是否有誤；安裝環(huán)境是否滿足要求；裝置有無破損；螺釘、螺母是否松動，插接件是否插牢；電纜直徑、種類是否合適；主回路、控制回路和其他的電氣設(shè)備連接有無松動；接地是否可靠；更要檢查有無接線錯誤，注意切記輸出端子U、V、W接電動機，R、S、T接電源。通電前檢查后，先不接電動機，在熟悉的基礎(chǔ)上進行各種功能的預(yù)置，使變頻器通電運行。按生產(chǎn)設(shè)備要求，設(shè)定加/減速時間，再投入主回路電源，相應(yīng)信號燈亮，如無異常，用速度給定器調(diào)至最高頻率。在確認電動機及機械部分無異常后，進行變頻器的帶負載運行。用速度給定器使電動機在低頻、高頻、加/減速及停車等不同狀態(tài)下運行，觀察有無異常。如在加/減速過程中有過載現(xiàn)象，這是由相對于負載的大小，加/減速時間給定過短所致，可在電動機停轉(zhuǎn)后把加/減速時間延長些。

2)變頻器的預(yù)置

按說明書要求進行“起動”和“停止”等基本操作，觀察變頻器的工作是否正常，同時熟悉鍵盤的操作。按說明書進行功能預(yù)置，預(yù)置完畢，先就幾個較易觀察的項目，如升速和降速時間、點動頻率、多擋變速時的各擋頻率等，檢查變頻器的執(zhí)行情況是否與預(yù)置的內(nèi)容相符合。將外接輸入控制線接好，逐項檢查各外接控制功能的執(zhí)行情況。檢查三相輸出電壓是否平衡。

2.電動機空載試驗

變頻器輸出端接上電動機，電動機盡可能與負載脫開，進行通電試驗。其目的是觀察變頻器配上電動機后的工作情況，順便校準電動機的旋轉(zhuǎn)方向。試驗步驟如下：

(1)先將頻率設(shè)置為0位，合上電源后，微微提升工作頻率，觀察電動機的起轉(zhuǎn)情況以及旋轉(zhuǎn)方向是否正確。

(2)將頻率上升至額定頻率，讓電動機運行一段時間。如一切正常，再選若干個常用的工作頻率，也使電動機運行一段時間。

(3)將給定頻率信號突降至0(或按停止按鈕)，觀察電動機的停車情況。

3.傳動系統(tǒng)的起動和停機

將電動機的輸出軸與機械傳動裝置連接起來，進行試驗。

(1)起轉(zhuǎn)試驗：使工作頻率從0Hz開始微微增加，觀察傳動系統(tǒng)能否起轉(zhuǎn)，在多大頻率下起轉(zhuǎn)。如起轉(zhuǎn)比較困難，應(yīng)設(shè)法加大起動轉(zhuǎn)矩。具體方法有：加大起動頻率、加大U/f比以及采用矢量控制等。

(2)起動試驗：將給定信號調(diào)至最大，按起動鍵，觀察起動電流的變化及整個傳動系統(tǒng)在升速過程中是否平穩(wěn)。如因起動電流過大而跳閘，則應(yīng)適當延長升速時間；如在某一速度段起動電流偏大，則設(shè)法通過改變起動方式(S形、半S形等)來解決。

(3)停機試驗：將運行頻率調(diào)至最高工作頻率，按停止鍵，觀察傳動系統(tǒng)在停機過程中是否出現(xiàn)因過電壓或過電流而跳閘，有則應(yīng)適當延長降速時間。當輸出頻率為0Hz時，觀察傳動系統(tǒng)是否有爬行現(xiàn)象，有則應(yīng)適當加強直流制動。

4.傳動系統(tǒng)的負載試驗

負載試驗的主要內(nèi)容有：

(1)如最高頻率大于額定頻率，即fmax>fN，則應(yīng)進行最高頻率時的帶負載能力試驗，也就是測試電動機能不能帶得動正常負載。

(2)在負載的最低工作頻率下，應(yīng)考察電動機的發(fā)熱情況，使傳動系統(tǒng)工作在負載所要求的最低轉(zhuǎn)速下，施加該轉(zhuǎn)速下的最大負載，按負載所要求的連續(xù)運行時間進行低速連續(xù)運行，觀察電動機的發(fā)熱情況。

(3)進行過載試驗，按負載可能出現(xiàn)的過載情況及持續(xù)時間進行試驗，觀察傳動系統(tǒng)能否繼續(xù)工作。7.5.4通用變頻器的使用方法

1.通用變頻器的維護

(1)檢查變頻器時的注意事項：

必須熟悉變頻器的基本原理、功能特點、指標等；維護前必須切斷電源；注意要在確認主電路濾波電容器放電結(jié)束后再進行作業(yè)；應(yīng)正確使用測量儀表。

(2)日常檢查項目：

①變頻器安裝地點的環(huán)境是否正常；

②冷卻系統(tǒng)是否正常；

③變頻器、電動機、變壓器、電抗器等是否過熱、變色或有異味；

④變頻器和電動機是否有異常振動、異常聲音；

⑤主電路電壓和控制電路電壓是否正常；

⑥主電路濾波電容是否有異味，小凸肩(安全閥)是否脹出，各種顯示是否正常。

(3)定期項目：

①清掃空氣過濾器，同時檢查冷卻系統(tǒng)是否正常；

②檢查螺釘、螺栓等緊固件是否松動,進行必要的緊固；

③導(dǎo)體、絕緣物是否有腐蝕、過熱的痕跡，是否變色或破損；

④檢查絕緣電阻是否在正常范圍內(nèi)，檢查及更換冷卻風(fēng)扇、濾波電容器、接觸器等；

⑤檢查端子排是否有損傷，觸點是否粗糙；

⑥確認控制電壓的正確性，進行順序保護動作試驗，確認保護、顯示電路無異常；

⑦確認變頻器在單體運行時輸出電壓的平衡度。

一般的定期檢查應(yīng)一年進行一次，絕緣電阻檢查可三年進行一次。

(4)零部件更換：

變頻器某些零部件經(jīng)過長期使用后性能降低，這是發(fā)生故障的主要原因。為了長期安全生產(chǎn)，某些零部件如冷卻風(fēng)扇、濾波電容器、接觸器等必須定時更換。

2.通用變頻器故障原因的分析

(1)過電流跳閘原因的分析。重新起動時，一升速就跳閘，這是過電流的表現(xiàn)，產(chǎn)生此故障的主要原因有：負載側(cè)短路，工作機械卡住，逆變管損壞，電動機起動轉(zhuǎn)矩過小。重新起動時并不跳閘，而是在運行過程(包括升速和降速運行)中跳閘，產(chǎn)生此故障的主要原因有：升／降速時間設(shè)定太短，U/f比設(shè)定較大引起低頻時空載電流過大，熱繼電

器整定不當，動作電流設(shè)定得太小而引起誤動作，等等。

(2)過電壓和欠電壓跳閘原因的分析。過電壓跳閘的主要原因有：電源電壓過高，降速時間設(shè)定太短，降速過程中再生制動的放電單元工作不理想(應(yīng)增加外接制動電阻)；欠電壓跳閘的主要原因有：電源電壓過低，電源缺相，整流

橋故障等。

(3)電動機不轉(zhuǎn)原因的分析。電動機不轉(zhuǎn)的原因主要有：

功能預(yù)置不當，如上限頻率與最高頻率或基本頻率與最高頻率設(shè)定矛盾，最高頻率的預(yù)置值必須大于上限頻率和基本頻率預(yù)置值；使用外接給定時，未對“鍵盤給定／外接給定”的選擇進行預(yù)置；其他的不合理預(yù)置；在使用外接給定方式時，無“起動”信號，在使用外接給定信號時，必須由起動按鈕起動或其他觸點來控制其起動，如不需要由起動按鈕或其他觸點來控制，就將RUN端(或FWI端)與CM端之間短接起來；其他原因，如機械有卡住現(xiàn)象、電動機起動轉(zhuǎn)矩不夠、變頻器故障等。

3.變頻器的壽命

變頻器屬于可修復(fù)的產(chǎn)品，用平均無故障時間表示其可靠性，一般平均壽命可達10000h，容量在75kW以上的變頻器平均壽命短些，只要達到5000h就可稱為長壽命。因為電力電子產(chǎn)品若在這段時間無故障，就不易產(chǎn)生什么故障了。變頻器的可靠性指標為10000h。變頻器失效由三種原因造成，即早期失效、應(yīng)力失效和耗損失效。早期失效是由設(shè)計和生產(chǎn)加工的缺陷造成的，如變