变频器100问

交—直—交电压型SPWM变频调速

应用技术100问

(一) 变频调速的基本概念

概述

1、变频调速技术是怎样发展起来的？

变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)的n=n1(1-S)………………(1-1)

式中：n——电动机的转速，m/min

n1——电动机的同步转速，r/min

S——电动机的转差率

而同步转速则主要取决于频率

n1=60f/p………………(1-2)

式中：f——频率，Hz

p——磁极对数

所以说，交流电动机从诞生之日起，就已经知道改变频率可以调节转速了。但当时，还不具备改变频率的手段。

闸流管的问世，使变频调速的梦想出现了能够实现的希望。但那设备的庞大与昂贵，使它无法进入实用的阶段。

直到20世纪的60年代，随着晶闸管的出现及其应用技术的迅速发展，变频调速开始进入实用的阶段。但由于许多技术问题解决得还不够完善，调速系统的性能指标难以和直流电机相匹敌，因而未能达到推广应用的阶段。

70年代末期以来，一方面，矢量控制理论的提出和实施，使变频调速系统的性能指标达到了与直流电机调速系统十分接近的地步；另一方面，电力电子器件的飞速发展，也使SPWM调制技术日臻完善，变频调速器的体积越做越小，价格也达到了用户能够接受的程度。变频调速这才进入了普及应用的阶段。

2、变频调速为什么常缩写成VVVF？

VVVF的全称是Variable Voltage Variable Frequency，意思是“变压变频”。

原来，在交流异步电动机内，外加的电源电压主要和绕组的反电势相平衡，而绕组的反电势则与电流的频率和每极下的磁通量有关：

U≈E=4.44 W1fφ=K e fφ………………(1-3)

可见，磁通量的大小与电压和频率的比值有关：

φ≈U/K e f=K e'·U/f………………(1-4)

式中：U——电源相电压

E1——每相定子绕组的反电势

W1——每相定子绕组的匝数

φ——每个磁极下的磁通量

K e、K e'——常数

式(1-4)表明：当频率下降时，如果电压不变，则磁通量将增加，引起电机铁心的饱和。这当然是不允许的。因此，为了保持电机内的磁通量基本不变，在改变频率的同时，也必须改变电压。

题解

交直交

3、交—直—交是什么意思？

变频装置有两大类：一类是由工业频率直接转接成可变频率的，称为“交—交变频”。另一类就是“交—直—交变频”，意思是：先把工业频率的交流整流成直流，再把直流“逆变”成频率可变的交流，如图1-1所示。

图1-1 交—直—交的电路结构

4、电压型的主要特点是什么？

交—直—交变频装置按直流部分贮能方式的不同分为： (1) 电压型

贮能元件为滤波电容C ，如图1-2a 所示。其工作特点是电压基本不变。

图1-2 电压型和电流型

(2) 电流型

贮能元件为电抗器l ，如图1-2b 所示。其工作特点是电流基本不变。

5、SPWM 代表什么？

(a)

(b)

SPWM的全称是Sine Pulse Width Modulation，意思是正弦脉冲宽度调制。这是实现改变频率的同时也改变电压的一种调制方式。

变压变频的基本方式有两种：

(1) 在改变频率的同时也改变幅值，称为脉幅调制，简写为PAM，如图1-3a 所示。

t

t (a)

(b)

图1-3 脉幅调制和脉宽调制

(2) 在改变频率时，脉冲的幅值不变，而通过改变脉冲的占空比来改变其平均电压，称为脉宽调制，简写为PWM ，如图1-3所示。

SPWM 的特点是：脉冲序列中的脉冲宽度和脉冲间的间隔宽度是按正弦规律安排的，如图1-4。

图1-4 SPWM 的波形

变频器的主电器

6、直流是怎样“逆变”成交流的？

如图1-5，K 1~K 4是开关器件，M 是负载，A 、B 间通以直流电压U D 。

图1-5 逆变原理

先令K1|K4闭合，K2、K3断开。则电流的路径如

实线空心箭头所示，C 、D 间的电压为C “+”、D “-”。再令K1、K4断开，K2、K3闭合，则电流的路径如虚线实心箭头所示，C 、D 间的电压为C “-”、D “+”。

如使上述两种状态不停地交替工作，则负载M 上所得到的便是交流电压了。 用六个开关器件，使它们按三相间互差三分之一周期的规律交替工作，就可将直流电“逆变”成三相交流电了，如图1-6。

图1-6 三相逆变电器

7、常用的开关器件有哪些？

目前，在中、小型变频调速器中用得最多的是功率晶体管，为了提高放大倍数，常做成达林顿管，如图1-7a 所示，一般电路图中仍画成单管，如图1-7b 所示，代表符号是CTR 或BTR 。

图1-7 功力晶体管

容量较大的变频调速器中则常用可关断晶闸管，其代表符号是GTO ，图形符号如图1-8所示。

已经进入实用阶段的最新器件有：绝缘栅双极晶体管，代号IGBT ，图形符号如图1-9所示。正在开发并已经取得成果的新品种还有不少，不再一一赘述。

(a)(b)

(b)

(a)

图1-8与1-9

8、变频调速器的主电路是怎样构成的？

交—直—交电压型变频调速器主电路的基本结构如图1-10。图中，DR是三相整流。R A是限流电阻，限制变频器刚合上电源时，对滤波电容C的充电电流。当C充电到一定程序后，晶闸管V T导通，R A将不再起限流作用。功率晶体管V1~V6组成三相逆变桥，将直流电逆变成三相交流电后供电给电动机M。二极管V01~V06的作用是：在逆变过程中，当晶体管的e极电位高于c集电位时提供续流回路；在电动机降速过程中提供能量反馈(再生)回路。R B是电动机在再生制动过程中的耗能电阻，V B在电动机降速过程中导通，提供耗能回路。如RB阻值太大，可在接线端P和DB之间接入外接制动电阻。

v06

图1-10 主电路的结构

变频器的额定数据

9、变频调速器有哪些额定数据？

变频调速器主要的额定数据如下：

(1) 最高输入电压Umax为了适应电网电压的波动，Umax通常规定为额定工作电压的1.15倍。

(2) 最大输出电流Imax这是最重要的一个数据，也是选择变频器容量时的最主要依据。

(3) 最大输出容量Smax必须注意的是：说明书中给出的容量是按最大工作电压算出的，实际应用时，应根据工作电压进行修正。

10、说明书中的“配用电动机容量”能不能作为选择变频器容量的依据？

如电动机驱动的是连续恒定负载(如风机)，则可以。但对于连续变动负载、继续负载和短时负载来说，则只能作参考，而不能作依据。这是因为，在这些负载中，决定电动机容量的主要因素是发热问题。只要温升不超过允许范围，短时间的过载(在过载能力范围内)对电动机来说是正常。例如，一台3.7kW的电动机，在实际工作中，其输出功率有时可达4.0kW或4.5kW。而变频调速器的过载能力则十分有限。在大多数情况下，变频器的容量应放大一档。

二、频率的指标、调节和设定

频率指标

11、变频器的频率调节范围如何？

通用型变频调速器的最高输出频率一般不高于400Hz；最低输出频率不低于0.1Hz。各种变频器的调频范围各不相同。

我国工业用的普通电动机，最高工作频率不宜超过100Hz(详见后述)。

12、什么是频率精度？

频率精度是指变频器的实际输出频率与设定频率之间的误差大小，也叫频率准确度或频率稳定度。

通常，当频率为数字量设定时，精度高些(误差小些)，而在模拟设定时，精度高些(误差小些)，而在模拟量设定时，精度低些(误差大些)。

13、“频率分辨率”的含义是什么？

频率分辨率指的是：变频器输出的相邻两“挡”频率之间的最小差值。

例如，日本富士FVR-G7S型变频器的数字量设定时的频率分辨率为

0.002Hz。则，对于40Hz来说，比它高一“挡”的最小频率为40.002Hz；而比它低一“挡”的最大频率为39.998Hz。

工作频率的调整和设定

14、怎样调节和设定变频器的输出频率？

主要有以下三种方式：

(1) 旋钮设定通过旋动面板上的旋钮(调节面板内侧的电位器)来进行调节和设定。属于模拟量设定方式。

(2) 按键设定利用键盘上的A键(或△键)和V键(或▽键)进行调节和设定。属于数字设定方式。

(3) 程序设定在编制驱动系统的工作程序中进行设定。也属数字量设定方式。

15、什么是外接设定？

在实际工作中，变频器常被安置在控制柜内或挂在墙壁上，而工作人员则通常在机械旁边进行操作。这时，就需要在机械旁边另设一个设定频率的装置，称为外接设定装置。

所有的变频器都为用户提供专用于外接设定的接线端。

16、变频器对外接设定信号有些有什么规定？

外接设定信号通常有三种。图2-1是日本富士FRN-G7型变频器的接线图，今说明如下：

图2-1 变频器的外接设定

(1) 外接电位器设定 电位器的阻值和瓦数各变频器的说明书中均有明确规定。

(2) 外接电压信号设定 各种变频器对外接电压信号的范围也各不相同，通常有：0~+10、0~+5、0~±10、0~±5V 等。

(3) 外接电流信号 所有变频器对外接电流信号的规定是统一的，都是4~20mA 。

为了加强抗干扰能力，所有的外接设定信号线都应采用屏蔽线。

13 12 1C 1V 1

4~20m A

0～10V

输出频率线的调整

17、什么是“输出频率线”？

“输出频率线”是指变频器的输出频率与给定信号间的关系线。如图2-2，横坐标是给定信号Fs ，通常用百分数表示；纵坐标是输出频率fx 。图中曲线为基本频率线，其特点是：当Fs=0时，fx=0；当Fs=100%时，fx=fmax 。

图2-2 输出频率线

大体上说，有以下几种

原因：

(1) 若干台电动机进

行联动控制时，由于各电机的特性的工况均有差异，须通过调整输出频率线使各传动单元的步调趋于一致。故也称为联动比率调整。

(2) 外接担忧压或电流设定信号不规范。如变频器要求的电压设定信号是0~+10V ，而外接的电压设定信号只有0~+9.5V 。通过调整，可使输出频率的调节范围仍为0~fmax 。

f x F s

100%

f max

19、频率增益设定的内容是什么？

频率增益设定的内容是：当设定信号Fs “调满”(100%)时，设定其对应的输出频率相对于最大频率的百分数，如图2-3。图中，曲线①为基本频率线，其频率

增益为100%；曲

线②是200%；曲线③是50%。

图2-3 频率增益

20、什么是偏置频

率？

对应于设定信号为0

时的输出频率称为偏置频

率f B ，它可以一定范围内

进行设定，如图2-4。图中，曲线①是基本频率线；曲线②是正偏置的情形；曲

线③是负偏置。

通过设定频率增益和偏置频率，变频器的输出频率线就可以任意地进行调整了。

f x F s

100%f max

50%

f x

f B

f'

图2-4 偏置频率

21、怎样进行输出频率线的函数设

定？

如图2-5，输出频率线的函数式是：Y=AX+B 。式中X 即设定信号Fs ；Y 即输出频率fx 。

有的变频器(如日本明电VT200S 系列)无偏置频率的设定，面只须设定函数中的A 值和B 值，即设定了输出频率线。

图2-5 输出频率线和函数式

22、什么是输出频率线的两点设定法？

有的变频器(如日本三木VCD 系列)通过设定两点(P 1点和P 2点)坐标的方法来设定输出频率线。如图2-6，P1点的坐标是(P 1)和(F-P1)；P 2点的 坐标是(P 2)和(F-P2)。

f x

F s

100%

B

图2-6 两点设定法

频率范围的设定

23、怎样设定基本频率？

使电动机运

行在基本工作状态下的频率叫基本频率，一般按电

动机的额定频率设定。例如，对于

国产的通用型电动机，基本频率设

定为50Hz 。

24、如何设定最大频率？

最大频率即最大允许的极限频率。它根据驱动系统的允许最高转速来设定。

25、上限频率和下限频率是根据什么设定的？

F s

(P 1)(P 2)

根据驱动系统的工作状况来设定。它可以是保护性设定，即：变频器的输出频率不得超过所设定的范围；也可以用作程序性设定，即：根据程序的需要，或上升至上限频率，或下降至下限频率。

图2-4中，f max 是最大频率，f HL 是上限频率；f LL 是下限频率。

图2-7 最大频率和上、下限频率

回避频率及其设定

26、如何使工作机械不发生共振？

任何工作机械都有自己的固有振荡频率，变频调速系统在无线变速的过程中，有可能出现在某一转速(频率)下、整个驱动系统发生共振，工作机械激烈振动的现象。为避免上述现象的发生，变频器提供了设定“回避频率”的功能，使驱

动系避开共振

点。回避频率最多可设定三个，如图2-8。

f x F s

100%

f max f

HL

f LL

f x F s

f J1f J2f

J3

图2-8 回避频率

27、怎样改变回避频率？

每个回避频率都必须设定两个数据，回避的中心频率f 1和回避宽度△f J ，调试时，f J 和△f J 的确定，都是通过实际试验得到的。

三、电动机的起动和制动

电动机的起动

28、电动机是否都是从0Hz 开始起动？

对于轻载起动的负载，电动机一般是从0Hz 开始起动的。但

对于惯性较大的负载，起动时须加一点冲击力，才易于起转。这时，可适当设定起动频率，如图3-1。使起动转矩增加，同时也缩短起动时间。

f x

F s

f

s

图3-1 起动频率

29、“升速时间”是怎样定义的？

“升速时间”定义为：变频器的输出频率从0Hz上升至最高频率fmax所需的时间。

30、升速时间以多长为宜？

一般说来，以起动电流不超过电动机额定电流的最短起动时间为宜。

如果负载要求快速起动，则以起动电流不超过变频器额定电流的最短起动时间为宜。

31、调试时怎样设定升速时间？

先把升降时间设定得长一些，观察起动电流的大小。再逐渐缩短升速时间，直至符合上述要求为止。

起动方式的设定

32、起动方式有几种？

大部分变频调速器都可以设定三种起动方式：

(1) 直线方式，即普通的动起方式，如图3-3a。图中，t a为加速时间。

(2) S形方式，如图3-2b。

(3) 半S形方式，如图3-3c。

图3-2 起动方式

33、S 形起动方式适用于何种负载？

主要适用于传输带一类的负载(如图3-3)。因被输送物体M 的惯性力与加速度成正比(F=ma ，F 是惯性力，m 是物体M 的质量，a 是加速度)。加速度变化过大，会使被输送物体滑动或跌倒。因此，在起动的初始阶段(OP)段，加速过程应比较缓慢；中间的PQ 段，为线性加速，加速度为常数；Q 点以后，加速度又逐渐下降为0，传输带转入等速运行，起动完毕。

f x 0

(a)

f x

(b)

f x

(C)

图3－3 传输带

34、什么负载以选用半S形起动方式较好？

风机和泵类负载。此类负载的阻转矩是和速度的平方成正比的(T L=Kn2。T L 是阻转矩，K是常数，n是转速)。低速时，其阻转矩很小，起动过程可以适当加快。但当起动到一定转速(Q点)后，其阻转矩迅速增加，加速过程应适当减缓。

降速时间和方式

35、怎样定义降速时间？

变频器设定的降速时间，是指其输出频率从最大频率下降为0所需的时间。

36、降速方式有几种？

降速有三种方式，如图3-4所示。图3-4a为线性方式；图3-4b为S形方式；图3-4c为半S形方式。图中，td为设定的降速时间。各种降速方式的适用情况也和加速时相同。