1.2 學習資訊

1.2.1 項目分析

20世紀變壓器的出現使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻技術的出現，使頻率變為可以充分利用的資源。變頻技術是一門能夠將電信號的頻率，按照具體電路的要求進行變換的應用型技術。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器作為變頻技術的典型應用，引領了電氣傳動技術向交流無級化方向發展。隨著電力電子技術和微電子技術的迅速發展，以及現代控制理論向交流電氣傳動領域的不斷深入，特別是近幾年來，大規模式集成電路32位數據處理器和矢量控制理論的應用，使變頻器的性能得到了很大提高。目前，從一般要求的小范圍調速傳動到高精度、快響應、大范圍的調速傳動，從單機傳動到多機協調運轉，幾乎都可采用交流調速傳動。在電氣傳動領域內，以變頻器應用技術為代表的交流調速傳動已經成為電氣傳動的主流。

1.2.2 變頻技術概述

變頻其實就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電。總之，在這些過程中電能都不發生變化，而只有頻率發生變化。在現代化生產中，對變頻的需求非常廣泛，例如用于人造衛星、大型計算機等有特殊要求的電源設備，用于金屬冶煉、感應加熱及機械零件的淬火，用三相變頻器產生頻率、電壓可調的三相變頻電源，對三相感應電動機和同步電動機進行變頻調速等。

1.我們要學些什么？

電力拖動誕生于19世紀，距今已有100多年的歷史，現已成為動力機械的主要拖動方式。很久以來，在不變速拖動系統或調速性能要求不高的場合中采用的是交流電動機；而在調速性能要求較高的系統中則主要采用的是直流電動機。從20世紀80年代末開始，隨著電力電子器件及信息控制技術的發展，電氣傳動領域進行了一場重要的技術變革——對原來只用于恒速傳動的交流電動機實現速度控制，而引發這一變革的導火索就是變頻器。

因此，通過對本書的學習，希望學生了解變頻技術及變頻器，掌握變頻器電路的工作原理、基本結構和控制技術，能夠進行變頻器安裝、調試、參數設置、運行及日常維修維護，為進一步掌握電氣自動化技術打下堅實的基礎。

2.變頻器的主要技術應用

變頻器主要用于交流電動機的轉速控制，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調速方案。除了具有卓越的調速性能之外，變頻器還有顯著的節能作用，是企業技術改造和產品更新換代的理想調速裝置。自20世紀80年代被引進中國以來，變頻器作為節能應用與工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速發展和廣泛的應用。

（1）變頻器與節能

變頻器產生的最初用途是速度控制，但目前在國內應用較多的是節能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2009年的中國電力消耗中，60%～70%為動力電，而在總容量為6.3億kW的電動機總容量中，只有不到3700萬kW的電動機是帶變頻控制的。因此國家大力提倡節能措施，并著重推薦了變頻調速技術。應用變頻技術可以大大提高電動機轉速的控制精度，使電動機在最節能的轉速下運行。以風機水泵為例，根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降，因此精確調速的節電效果非常可觀。與此類似，許多變動負載電動機一般按最大需求來選擇電動機的容量，故設計裕量偏大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非常高。如采用變頻調速，可大大提高輕載運行時的工作效率，因此變動負載的節能潛力巨大。

（2）變頻器與工藝控制

目前，中國的設備控制水平與發達國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高，因此提高設備控制水平至關重要。由于變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動態響應好等優點，在許多需要精確速度控制的應用中，變頻器正在發揮著提升工藝質量和生產效率的顯著作用。

（3）變頻家用電器

除了工業相關行業，在普通家庭中，節約電費、提高家電性能、保護環境等理念越來越受到關注，變頻家電成為變頻器的另一個廣闊市場和應用趨勢。帶有變頻控制的冰箱、洗衣機、家用空調等在節電、減小電壓沖擊、降低噪聲、提高控制精度等方面有很大的優勢。

（4）企業技術升級改造

變頻調速技術以其獨有的顯著優勢，即節能、方便、易于構成自控系統等，使其在企業技術升級改造中，成為增加效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產出設備較多的企業，采用變頻調速裝置將使企業獲得巨大的經濟利益，同時這也是國民經濟可持續發展的需要。變頻調速技術的出現，使得交流無級調速系統結構簡單、維護方便，逐漸取代直流和其他調速系統。變頻器高達20%～60%的節電效果，極大地降低了生產成本，更有助于提高企業產品的競爭力，它被廣泛應用于印刷、機械、塑料、制藥、造紙、紡織、印染、食品、橡膠、油田、礦山等領域。

3.變頻器的發展過程

（1）電力電子器件是變頻技術發展的基礎

變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。縱觀變頻技術的發展，其中主要是以電力電子器件發展為基礎的。自20世紀60年代以來，電力電子器件由最初單一的半控型器件晶閘管，發展為全控型器件GTO、GTR、MOSFET、IGBT、IGCT，以及智能功率模塊IPM，單個器件的電壓和電流越來越大，工作速度越來越快，驅動功率和管耗越來越小。時至今日，電力電子器件已經歷經了四代發展，而每一次器件的更新換代都促使變頻技術進一步向前發展。

（2）計算機技術是變頻技術發展的支柱

隨著計算機技術的發展，變頻器內部的核心控制由CPU完成，最初是8位處理器，現在發展為16位處理器甚至32位處理器，這使變頻器的功能也從單一的變頻調速功能發展為包含算術、邏輯運算及智能控制的綜合功能。

（3）自動控制理論是變頻技術發展的方向

自20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻調速研究引起了人們的高度重視。到20世紀80年代，作為變頻技術核心的PWM模式優化問題給人們帶來了濃厚的興趣，并得出諸多優化模式。20世紀80年代后半期，美、德、日、英等發達國家的VVVF變頻器已投入市場并廣泛應用。在改善壓頻比控制性能的同時，人們又推出了能實現矢量控制的模式。矢量控制是一種高性能的異步電動機控制方式，它從直流電動機的調速方法得到啟發，利用現代計算機技術解決了大量的計算問題，從而使矢量控制方式得到了成功的實施。1985年，德國魯爾大學的Depenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以其新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制的優點是它直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型、控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機轉化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

隨著自動控制理論的最新發展，針對變頻器的模糊控制和自適應控制模式也已開始應用，這必將使變頻器性能越來越好。

4.我國變頻調速技術的發展狀況

交流電動機變頻調速技術以其優異的調速啟動、制動性能，高效率、高功率和節電效果、廣泛的適用范圍及其他許多優點成為當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。

在我國中長期技術發展綱要當中，變頻調速技術領域已經被列為我國新興高科技支柱產業，得到了國家高度重視，目前已經形成了一定規模。電氣傳動與變頻調速技術的發展應用如表1-1所示。我國是一個發展中國家，許多產品的研發能力仍落后于發達國家，隨著改革開放及經濟的高速發展，變頻調速產品形成了一個巨大的市場，國內許多合資公司開始生產當今國際上最先進的變頻調速產品，基本上滿足了國內生產和生活的需要，也為國內重大工程項目提供了一流的電氣傳動控制系統。雖然在這一領域，我國取得了很大成績，但應看到由于國內自行研發的能力還較弱，對國外公司的依賴性仍較為嚴重。

5.變頻器發展方向

隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用及控制技術的發展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性，為實現變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化及無公害化做著新的努力。這里僅以量大面廣的通用變頻器為例，闡述它的發展方向：

（1）智能化和網絡化

智能化的變頻器買來就可以用，不必進行那么多的設定，而且可以進行故障自診斷、遙控診斷及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯網可以實現多臺變流器聯動，甚至是以工廠為單位形成變頻器綜合管理控制系統。

（2）專門化和一體化

變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵用變頻器，電梯專業變頻器，起重機械專用變頻器，張力控制專用變流器等。除此之外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。

（3）環保無公害

保護環境，制造“綠色”產品是人類的新理念。21世紀的電力拖動裝置應著重考慮：節能，變頻器能量轉換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網的污染等問題減少到最小程度。

總之，變頻器的發展趨勢是智能、操作簡便、功能健全、安全可靠、環保低噪、低成本和小型化。

1.2.3 變頻器的結構

變頻器的內部結構相當復雜，除了由電力電子器件組成的主電路外，還有以微處理器為核心的運算、檢測、保護、隔離等控制電路。對大多數用戶來說，變頻器是作為整體設備使用的，因此，可以不必探究其內部電路的原理，但對變頻器的基本結構有個了解還是必要的。

1.變頻器的外形結構

在交流調速系統中，變頻器的作用是將頻率固定（通常為工頻50Hz）的交流電（三相的或單相的）變換成頻率連續可調（多數為0～400Hz）的三相交流電。如圖1-1所示，變頻器的輸入端（R、S、T）接至頻率固定的三相交流電源，輸出端（U、V、W）輸出的是頻率在一定范圍內連續可調的三相交流電，接至電動機。

變頻器的應用場合眾多，其外形結構也是多種多樣，如圖1-2所示。根據其功率的大小，從外形上看有盒式結構（0.75～37kW）和柜式結構（45～1500kW）兩種。圖1-3為富士FRN—G9S/P9S系列變頻器基本接線圖。

2.變頻器主電路端子

圖1-4為FRN—G9S/P9S系列變頻器的主電路接線端子。對于不同容量的變頻器，各端子的排列順序可能有所不同，但各端子的功能是不變的。主電路輸入/輸出端子和連接端子的功能見表12。

（1）主電路輸入端子（R、S、T）

主電路輸入端子在變頻器的主端子排上的符號標記為“R、S、T”，它們是變頻器的受電端，使用此端子應注意以下方面：

① 接電時應注意交流電源的電壓等級，但連接時可以無須考慮相序。

② 不要將三相變頻器的輸入端子（R、S、T）連接至單相電源。

工程經驗

（2）主電路輸出端子（U、V、W）

主電路輸出端子在變頻器的主端子排上的符號標記為“U、V、W”，它們是變頻器負載的接入端，使用此端子應注意以下方面：

① 為確保運行安全，變頻器必須可靠接地。

② 變頻器的輸出端子不要連接至單相電源，不允許連接到電力電容器上。

工程經驗

（3）DC端子P1、P（+）

這兩個端子用于連接改善功率因數DC電抗器選件。當不用DC電抗器時，請將P1和P（+）牢固連接。

（4）外部制動電阻端子P（+）、DB

額定容量比較小的變頻器有內裝的制動單元和制動電阻，故才有DB端子。如果內裝的制動電阻的容量不夠，則需要將較大容量的外部制動電阻選件連接至P（+）、DB。

（5）制動單元和制動電阻端子P（+）、N（-）

7.5kW或更大功率的變頻器沒有內裝制動電阻。為了增加制動能力，必須外接制動單元選件。制動單元接于P（+）和N（-）端，制動電阻接于P（+）和DB端。制動單元與制動電阻間，若采用雙絞線，其間距應小于10m。

（6）接地端子E

為了安全和減小噪聲，接地端子必須單獨可靠接地，接地電阻小于1Ω，而且接地導線應盡量粗，距離應盡量短。

當變頻器和其他設備或有多臺變頻器一起接地時，每臺設備都必須分別和地線相接，如圖1-5（a）、（b）所示，不允許將一臺設備的接地端和另一臺的接地端相接后再接地，如圖1-5（c）所示。

工程經驗

夏天有很多變頻器被雷電光顧，損壞嚴重，大多主板也壞掉，會被雷電光顧的變頻器多數是沒接地或接地不良。當你看到維修報價單時才知道地線的重要性！檢查地線接地是否良好也很簡單，用一個100W/220V的燈泡接到相線與地線試一下，看其亮度就可以知道。

案例剖析

3.變頻器的控制電路端子

富士FRN—G9S/P9S系列變頻器的控制端子如圖1-6所示，表1-3為該系列變頻器控制電路端子的功能說明。變頻器的控制端子分為五部分：頻率輸入端子、控制信號輸入端子、控制信號輸出端子、輸出信號顯示端子和無源觸點端子。

（1）頻率輸入端子

① 11、12、13：這三個端子接電位計進行頻率的外部設定。13為正電源端+10V，12為中間滑動端，11為電壓設定和電流設定的公共端。

② V1：電壓輸入信號0～10V，進行頻率的外部給定。

③ C1：電流輸入信號4～20mA，進行頻率的外部給定。

（2）控制信號輸入端子

① COM：公共端，它是所有開關量輸入信號的參考點。

② FWD、REV：輸入正反轉運行命令。當FWD-COM閉合時，為正轉命令；當REV-COM閉合時，為反轉命令。如果FWD-COM和REV-COM同時閉合，則減速停止。

③THR：外部報警輸入端。當電動機過載或制動電阻過熱時，可使其報警信號輸入到該端子，讓變頻器停止工作。THR-COM為常閉觸點。

④ BX：自由停車命令。當BX-COM閉合時，電動機自由停車。

⑤ X1、X2、X3、X4、X5：這五個輸入端子的公共端均是COM，例如，當X1-COM閉合時則X1為有效，斷開時為無效。這些端子有多種形式的有效組合，可完成多擋轉速控制的功能。

（3）控制信號輸出端子

控制信號輸出端子共有五個：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。它們均為集電極開路輸出端，CME為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5的公共端。圖1-7為輸出信號時的接線圖，每個端子輸出的信號可自由設定。

（4）輸出信號顯示端子

① FMA：模擬信號輸出端子。可通過功能碼46設定輸出信號，輸出DC0～10V電壓信號、輸出頻率、輸出電流、輸出轉矩和負載率。該輸出信號可用于顯示或用于驅動其他設備。一般情況下應將FMA端子的輸出信號種類設定為頻率輸出。

② FMP：脈沖頻率觸點。脈沖頻率（≤6kHz）=變頻器輸出頻率·脈沖倍率（6～100）。FMP-COM閉合時，該輸出信號可用于顯示或用于驅動其他設備。

（5）無源觸點端子

① 30A、30B、30C：故障報警繼電器輸出端子。當變頻器保護功能動作時，輸出繼電器觸點動作，發出報警信號。變頻器正常時，觸點信號如圖1-8（a）所示；故障報警時，觸點信號如圖1-8（b）所示，觸點容量為250V/0.3A。

② AX1、AX2：電源側接觸器斷開指令觸點。在主電源的輸入部分中設有接觸器時，可利用無源觸點AX1和AX2的輸出信號，斷開該接觸器。觸點容量為250V/0.3A。22kW以下的變頻器無此端子。

操作提示

4.變頻器的面板

變頻器的面板主要包括數據顯示屏和鍵盤。面板根據變頻器品牌的不同而千差萬別，但是它們的基本功能相同。主要功能有以下幾個方面：顯示頻率、電流、電壓等；設定操作模式、操作命令、功能碼；讀取變頻器運行信息和故障報警信息；監視變頻器運行；變頻器運行參數的設置；故障報警狀態的復位。圖1-9是富士電機公司FRN—G9S/P9S系列變頻器的面板。面板上的各部分名稱及功能簡介如下：

① 功能指示 當按下運行鍵RUN或停止鍵STOP時，該指示燈被點亮。

② LED數字監視器 正常模式時，顯示當前的頻率值、電流值、電壓值、轉速值等。當變頻器保護動作停止運行時，顯示故障報警代碼。

③ 單位顯示 顯示左側LED數據的計量單位。當LED顯示故障報警代碼時，單位顯示全滅。

④ LCD監視器 LCD監視器主要用于設定運行監視畫面、選擇功能碼、改變數據設定值。

⑤ 運行指示 當變頻器運行時，該指示燈被點亮。

⑥ 編程鍵PRG 編程設定模式的選擇鍵。

⑦ 移位鍵＞＞ 該鍵在數據設定模式時，用于移動要設定數據的光標。在運行模式、數據監視模式和報警模式時，用于選擇LED/LCD的顯示數據或畫面。

⑧ 復位鍵RESET 該鍵可使數據設定復位和使故障報警狀態復位。

⑨ 增/減鍵∧/∨ 在運行模式時，用于增加/減小頻率；在數據設定時，用于選擇功能碼和增大/減小數據值。

⑩ 功能/數據鍵FUNC/DATA 用于選擇數據設定和寫入設定好的數據。

? 運行鍵RUN 此鍵用于啟動操作。當變頻器功能碼F01選擇1時，該鍵不起作用。

? 停止鍵STOP 此鍵用于停止操作。當變頻器功能碼F01選擇1時，該鍵不起作用。