非标自动化之变频器原理和应用

目 录

一、变频器基础知识

二、常用参数设置

三、选型原则及品牌

一、变频器基础知识

1.1变频器及特点

变频器

变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可

变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF ( Variable

Voltage Variable Frequency）

变频器的控制对象

三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极

变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）

序號	優點
1	平滑軟啟動，降低啟動衝擊電流，減少變壓器佔有量，確保電機安全
2	在機械允許的情況下可通過提高變頻器的輸出頻率提高工作速度
3	無級調速，調速精度大大提高
4	電機正反向無需通過接觸器切換
5	超级方便接入通訊網路控制，實現生產自動化控制

1.2输入输出参数

输入侧

额定工作电压： 给变频器供电的额定工作电压，各国家不完全一样。

中国是220V/单相/50HZ或380V/3相/50HZ

电压允许波动： 限制变频器的最高和最低工作电压，避免损坏变频器

当电压超过最高值时变频器并没有保护能力

频率波动范围： 50/60Hz±5％

输出侧

额定输出电压：变频器的最大输出电压，由额定工作电压决定

额定电流： 变频器能够长期输出的最大电流

超载能力： 变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间，由逆变

模块决定

最大输出频率：变频器能够输出的最大工作频率

频率精度： 输出频率的准确度（相对于设定频率）

频率分辩率： 指给定运行频率的最小改变量

1.3 变频器分类

1. 4变频器系统构成

类别		作用	主要构成器件
主 回 路	整流部分1	将工频交流变成直流，输入无相序要求	整流桥
	上电缓冲2	降低上电冲击电流，上电结束后接触器自动吸合，而后变频器允许运行	限流电阻和接触器
	储能部分3	保持直流母线电压恒定，降低电压脉动	电解电容和均压电阻
	制动部分4/5	消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值	单管IGBT和制动电阻,大功率制动单元外置
	逆变部分6	将直流转换为频率电压均可变的交流电，输出无相序要求	IGBT
控制回路	键盘7	对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态	MCU(单片机）
	控制电路8	交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护	DSP(或两个MCU）

类别		作用
结构件	散热器	将整流桥、逆变器产生的热量散发出去
	温度传感器	检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下
	风扇	配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种

1.5 工作原理

PWM（Pulse Width Moduration）调制：按必定规律改变脉冲列的脉冲宽度

PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频

率可变的电压脉冲列。

SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果一样

GTR（大功率晶体管）变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT（绝缘栅双极晶体管）有效的解决了这个问题

1. 6 控制算法

交流调速的控制核心是：

只有保持电机磁通恒定才能保证电机出力，才能获得理想的调速效果

V/F控制－－－－简单实用，性能一般，使用最为广泛

只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定

例: 对于380V 50Hz电机，当运行频率为40HZ时，要保持V/F恒定，则

40HZ时电机的供电电压:380×（40/50)＝304V

低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高

矢量控制－－－较V/F基础上加了相位控制

性能优良，可以与直流调速媲美，技术成熟较晚

模仿直流电机的控制方法，采用向量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电

流分量和转矩电流分量的解耦控制，保持电机磁通的恒定，进而达到良好的

转矩控制性能，实现高性能控制。

项目	通用变频器	高性能变频器
控制算法	V/F控制＋转矩提升 同步机异步机控制算法基本一样	开环向量控制（无速度传感器向量控制） 死循环向量控制（有速度传感器向量控制） 异步机和同步机需要不同的控制算法
调速范围[满力矩]	<1:40	1:100（开环向量),1:1000(死循环向量)
启动转矩	无要求	180% 0.5Hz（开环向量)， 200% 0速(死循环向量)
稳速精度	与转差有关（2-3%)	0.5%(开环向量)，0.05%(死循环向量)
转矩控制	无	有
控制算法	简单	复杂
电机参数	不依赖电机参数，支持同时驱动不同类型不同功率的电机	电机参数对控制性能的影响较大，一般只能驱动一台电机

1. 7 控制界面

•模拟量输入端子：

•模拟电压控制端子：0—10V，0—5V，

•模拟电流控制端子：0—20mA,4—20mA

•主要功能：给定变频器输出频率，PID控制目标信号给定；辅助功能：叠加到主给定信号的附加信号，PID反馈信号。

•开关量输入控制端子：接受外部输入的各种开关信号。

•基本输入端子：正转（FWD），反转（REV）,点动（JOG）,复位（RST）等

•可编程多功能端子：端子功能通过预置来决定，如多段速控制、多段速升降速时间控制、可编过程控制等。

•

•输出控制端子

•报警输出：当变频器因故障而跳闸时，报警输出端动作，发出报警信号。

•测量信号输出：向外接仪表输出运行模拟或数字信号。

•状态信号输出：输出变频器各种运行状态信号。如“频率到达”

•“频率检测”、“运行中”等。

1. 8 变频器保护方式

由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等，要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。

保护类型		缘由
缺相	输入缺相	输入电压值相差超过允许值
	输出缺相	输出电流三相不平衡
过流	加速/减速/恒速	超过变频器允许的最大电流（2倍额定）
超载		超过变频器允许的超载范围
过压	加速/减速/恒速	直流母线电压超过允许值
过热		散热器温度超过允许值
欠压		电网电压过低

二、常用参数设置

2.1 频率命令设定来源

n00由数字操作器输入

n01由外部0-10V输入

n02由外部0-20mA输入

n03由外部-10-10V输入

04由通信RS-485输入【选此项需设置通信地址及波特率】

2.2 极限频率

1.设定变频器输出电压和频率的关系。

n 最高频率fmax

变频器允许输出的最高频率，一般为电动机的额定频率。

n基本频率fb

又称基准频率或基底频率，只有在U/f模式下才设定。它是指当输出电压U=UN时，f达到的值fN，一般为额定频率。

2.限制变频器的输出频率范围，从而限制电动机的转速范围，防止由于错误操作造成事故。

n上限频率fH

允许变频器输出的最高频率

n下限频率fL

允许变频器输出的最低频率

2.3 加速时间和减速时间

ü为了保证电动机正常起动而又不过流，变频器须设定加速时间。

ü电动机减速时间与其拖动的负载有关，有些负载对减速时间有严格要求，变频器须设定减速时间。

n加、减速时间的定义

•加速时间：变频器输出频率从0上升到基本频率fb所需要的时间

•减速时间：变频器输出频率从基本频率fb下降至0所需要的时间。

n实际的加减速时间

•变频器的实际加减速时间与工作频率有关。

一般小于等于理论设定的加减速时间

n加速时间的设定

•加速时间设定原则：兼顾起动电流和起动时间，一般情况下负载重时加速时间长，负载轻时加速时间短

加速时间设置方法：用试验的方法，使加速时间由长而短，一般使起动过程中的电流不超过额定电流的1.1倍为宜

n减速时间设定

•必要性：
例1：重负载制动时，制动电流大可能损坏电路，设置合适的减速时间，可减小制动电流。
例2：水泵制动时，快速停车会造成管道“空化”现象，损坏管道。

•减速时间的设定原则：兼顾制动电流和制动时间，保证无管道“空化”现象。

n多种加减速时间

•变频器可设置多种不同的加减速时间。

•以适应不同工况下的要求。

2.4 回避频率

为避免传动系统共振，应设置回避频率。

n 回避频率的概念

•变频器跳过而不运行的频率

•一般情况下可设置三个以上。

三、选型原则及品牌

3.1选型原则

思考变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。

要准确选型，必须要把握以下几个原则：

1. 充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需思考选用向量变频器，否则选用通用变频器即可。了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G（重载）型还是P（轻载）型

2. 了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，思考成本因素，如选用的是通用变频器，则可以选择P型机

以下情况要思考容量放大一文件：

1、长期高温大负荷

2、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场

3、目标负载波动大

4、现场电网长期偏低而负载接近额定

5、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）

3.2配件选型原则

充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。

对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则：以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上电网质量恶劣或容量偏小的场合如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机以下情况要选用交流输出电抗器变频器到电机线路超过100米（一般原则）以下情况一般要选用制动单元和制动电阻提升负载频繁快速加减速大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）

3.3常见品牌

欧美品牌
　　西门子、科比、伦茨、施耐德、ABB

丹佛斯、ROCKWELL、VACON、AB、西威

日本品牌
　　富士、三菱、安川、三垦、日立、奥姆龙

松下电器、松下电工、东芝、明电舍

国产品牌
　　安邦信、佳灵、森兰、英威腾、康沃、科姆龙、惠丰

港台品牌
　　台达、普传、台安、东元、美高
韩国品牌
　　LG、现代、三星、收获