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第一篇 变频调速的基础理论第一章 通用变频器的基础知识－91 一 1 变频器的分类变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调 的交 流电，以供给电动机运转的电源装置目前国内外变频器的种类很多，可按以下几种方式分 类一、按变换环节分类1．交一直一交变频器交一直一交变频器首先将频率固定的交流电整流成直流电，经过滤波，再将平滑的 直流 电逆变成频率连续可调的交流电由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率 的调节范围内，以及改善频率后电动机的特性等方面都有明显的优势，目前，此种变频器已 得到普及2．交一交变频器 交一交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电其主要优点 是没 有中间环节，故变换效率高但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的 IQ 以下，故 它主要用于低速大容量的拖动系统中二、按电压的调制方式分类1. PAM （脉幅调制）所谓 PAM,是 Pulse AmPlitude Modulation的简称，它是通过调节输出脉冲 的幅值来调 节输出电压的一种方式，调节过程中，逆变器负责调频，相控整流器或直流斩波器负责调 压目前，在中小容量变频器中很少采用，这种方式基本不用。

2. PWM （脉宽调制）所谓PWM,是Pulse Width Modulation的简称，它是通过改变输出脉冲的 宽度和占空比 来调节输出电压的一种方式，调节过程中，逆变器负责调频调压目前普遍应用的是脉宽按 ”弦规律变化的正弦脉宽调制方式，即SPWM方式中小容量的通用变频器几乎全部采用 .－类型的变频器三、按滤波方式分类1. 电压型变频器在交一直一交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波 时，直流电压波形比较 平直，在理想情况下可以等效成一个内阻抗为零的恒压源，输出的交流电压是矩形波或阶梯 波，这类变频装置叫作电压型变频器（见图1—1—la）一般的交一交变压变频装置虽然没 有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压型变频器2．电流型变频器 在交一直一交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形 比较 平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶 梯波，这类变频装置叫作电流型变频器（见图二一 1—fo）有的交一交变压变频装置用电 抗 器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流型变频器四、 按输入电源的相数分类1．三进三出变频器 变频器的输人侧和输出侧都是三相交流电，绝大多数变频器都属于此类。

2．单进三出变频器 变频器的输人侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，家用电器里的变频器都属于 此类，通常容量较小五、 按控制方式分类1．U／f 控制变频器U／f 控制是在改变变频器输出频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的主磁 通保 持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率和功率因数保持不变因为是控制电压和频率 的比，所以称为 U／f 控制它是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，是 目前 通用变频器中使用较多的一种控制方式2．转差频率控制变频器 转差频率控制需捡测出电动机的转速，构成速度闭环速度调节器的输出为转差频 率， 然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定输出频率转差频率控制是指能够在控 制过程中保持磁通轧的恒定，能够限制转差频率的变化范围，且能通过转差频率调节异步 电动机的电磁转矩的控制方式与U/f控制方式相比，加减速特性和限制过电流的能力得 到提高另外，还有速度调节器，它是利用速度反馈进行速度闭环控制速度的静态误差 小，适用于自动控制系统3．矢量控制方式变频器上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都建立在异步电动机的静态 数学 模型上，因此动态性能指标不高。

采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能矢量控制方式基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电 流，基本上可以达到和直流电动机一样的控制特性・91—2变频器的额定参数介绍一、变频器的额定值 1、输人侧的额定值 输人侧的额定值主要是电压和相数在我国的中小容量变频器中输人电压的额定 值有似下几种情况(均为线电压)：《1) 380V/50 Hi,三相，用于绝大多数电器中2 ) 200〜230 V / 50th或6 () ff,—三相、主要用于某些进口设备中3) 200〜230 V/50 u,单相,，主要用于精细加工和家用电器 2．输出侧的额定值(1) 输出电压额定值U由于变频器在变频的同时也要变压所以输出电压的额 定值 是指输出电压中的最大值在大多数情况下,它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出 电压值通常,输出电压的额定值总是和输人电压相等的〜、一2) 输出电流额定值IN 输出电流的额定值是指允许长时间输出的最大电流，一 是用户在选择变频器时的主要依据一—'—”(3) 输出容量印).S与UN和I的关系为S4) 配用电动机容量Pkw)变频器说明书中规定的配用电动机容量，是根据下 式估算出来的。

．Pw 二 Sw 7ucosgu 式中V——电动机的效率； cos 咖——电动机的功率因数由于电动机容量的标称值是比较统一的，而伽和os甲值却很不一致，所以容量 相同 的电动机配用的变频器容量往往是不相同的—变频器铭牌上的“适用电动机容量”是针对四极的电动机而言，若拖动的电动机是 六极或其他，那么相应的变频器容量加大——(5) 过载能力 变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时 间大多数变频器都规定为150%I608或180%I0・5 S二、变频器的频率指标1 、频率的名词术语_(1)基底频率f—当变频器的输出电压等于额定电压时对应的最小输出频率，称为 基 底频率，用来作为调节频率的基准在大多数情况下，，基底频率等于额定频率，即人一八2) 最高频率 fr 当变频器的频率给定信号为最大值时，变频器的给定频率这 是变频器的最高工作频率的设定值图1—1一2变频器的上下限频率(3) 上限频率fH和下限频率人 根据拖动系统的工作 需要；变频器可设定上限频率和下限频率，如图1—1—2所 示与fH和人对应的给定信号分别是X则上限 频率的定义是：当X>x时，fx一,；下限频率的定义 是：当XVX。

时，人一人4) 跳变频率人 生产机械在运转时总是有振动的，其 振动频率和转速有关有可能在某一转速下，机械的振动频 率与它的固有振荡频率相一致而发生谐振的情形，这时，振 动将变得十分强烈，使机械不能正常工作，甚至损坏为了避兔机械谐振的发生，机械系统必须回避可能引起谐振的转速与回避转速对应的 工作频率就是跳变频率，用人表刁 RQ6)点动频率人生产机械在调试过程中，以及每次新的加工过程开始前，常常需 要“点一点、动一动”，以便观察各部位的运转情况如果每次在点动前后，都要进行频率调整的话，既麻烦．又浪费时间因此，变频器可 以根据生产机械的特点和要求，预先一次性地设定一个“点动频率人每次点动时都在 该频率下运行，而不必变动已经设定好了的给定频率—2变频器的频率指标门)频率范围频率范围即变频器能够输出的最高频率fp和最低频率fi各种变频器 规定的频率范围不尽一致通常，最低工作频率为0 1〜1 th,最高工作频率为120〜650 h2) 频率精度 指变频器输出频率的准确程度用变频器的实际输出频率与设定频率之 间的最大误差与最高工作频率之比的百分数表示例如、用户给定的最高工作频率为fmax-120 h，频率精度为0. 01%,则最大误差为： 凸人皿一 0. 000 120—0. 012HZ(3) 频率分辨率 指输出频率的最小改变量，即每相邻两挡频率之间的最小差值。

一般 分模拟设定分辨率和数字设定分辨率两种例如，当工作频率为人一 25 h时，如变频器的频率分辨率为0. of h,则上一挡的最 小频率(人)和下一挡的最大频率(厂)分别为：fi—25＋0. 01—25. DI Hrrf；=25—0. 01—24. 99 hsiTS 变频器的主要功能 随着变频技术的发展，变频器，尤其是高性能通用变频器的功能越来越丰富在本节中 将以通用变频器为例加以简单说明一、变频器的保护功能1．过电流保护功能O）升降速过电流的自处理 在升降速过程中，过电流时，变频器将自动延长升降速时 间或自动暂停升降速，使电流回到限值以内，然后再恢复到原设定的升降速时间2） 运行过电流的自处理 在运行过程中发生过电流时，变频器将自动地适当降低工作 频率，使电流回到限值以内后，再恢复到原设定频率3） 必须立即跳闸的过电流 当输出电路短路、接地和逆变电路发生桥臂直通等情况－ 时，会出现危险的短路电流，必须立即跳闸2．过载保护功能 过载保护功能主要用于电动机的过载保护3．电压保护功能 l（1） 降速过电压的自处理 由于降速过快而发生过电压时，变频器将自动延长降速时间 或自动暂停降速，减缓降速过程，直到电压回到正常范围后再恢复到原设定的降速时间。

2） 欠电压保护 欠电压包含的内容有电源电压过低，电源缺相，电源瞬时停电等许 多新系列的变频器，当停电时间极短时，允许电源自动重合闸，变频器可不必因欠电压而跳 闸二、变频器的控制功能1．程序控制功能（1） 由外控信号的状态进行控制 整个工作过程全部由连接至变频器输入控制端的外控 信号来决定变频器只需预置好各挡的转速及升降速时间即可2） 由变频器自动切换 即由变频器内的程序控制功能自动完成工作过程，变频器须预 置的项目有：1）各程序步的运行方式包括正转、反转、升速、降速停止等 二）程序步之间的切换 规定本程序步完成后应转人的程序步号；决定切换程序步的依 据，可以由变频器内部的计时器决定，也可以由外接控制信号决定变频器内部的程序控制过程如图1—1 23所示2．PID 调节功能根据“目标值”给定方式的不同，大致有两种情形：（1 ）键盘给定方式1） 接线特点 将反馈信号接至变频器的外接给定端 或反馈信号输人端即可2） 给定方法 由键盘输人目标值的百分数目标值 的百分数是指所要求的目标值与传感器最大信号之比的－ 百分数2）外接给定方式1 ）接线特点 将目标给定信号接至外接给定端，而把反馈信号接至辅助给定端或反馈 信号输人端。

2）给定方法 由外接电位器进行目标值的给定升速和降速功能1．升速功能（1）升速过程 在变频调速系统中，启动和升速过程是通过逐渐升高频率来实现的在升速过程中，如能使同步转速与转子转速之间的转差限制在一定范围内，升速过程将能保持平稳，升速电流也不会过大如果频率上升过快，电动机转子的转速因拖动系统的惯性较大而跟不上同步转速的上升，结果是转差增大，导致升速电流超过允许值2）可供选择的升速功能1） 升速时间给定频率从OHz上升至基底频率fb所需的时间瞅，升速时间越短， 频率上升越快，越容易“过流”2） 升速方式 主要有三种：① 线性方式在升速过程中，频率与时间呈线性关系，如图1二1――24的曲线1所示② S形方式‘在开始阶段和结束阶段，升速的过程比较缓慢，而在中间阶段，则按线 性方式升速，如图1—1 x4的曲线2所示③ 半S形方式升速过程呈半S形，如图1—1 一 24的曲线3所示3）与启动有关的功能1） 启动频率 对于静摩擦系数较大的负载，为了易。