变频器基础控制与应用大全.docx
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变频器基础控制与应用大全
变频器基础控制与应用大全
目录
基础篇
变频器的基础知识
变频器的工作原理
变频器控制方式
变频器的使用中遇到的问题和故障防范
变频器对周边设备的影响及故障防范
变频器技术发展方向预测
控制篇
通用变频器中基于DSP的数字控制器实现
基于DSP控制的三相AC/AC变频器控制方案的研究
应用篇
变频器在工程应用中需要注意的几个问题
变频器在中央空调中的应用
丹佛斯VLT变频器在纺织机械中的应用
西门子MicroMaster440变频器在电梯控制系统中的应用
基础篇
变频器的基础知识
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以
实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，
整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出
进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。
对于如矢量控制
变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩
计算的CPU以及一些相应的电路。
变频调速是通过改变电机定子绕
组供电的频率来达到调速的目的。
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。
20世纪60年代
以后，电力电子器件经历了SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、
BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电
感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、
MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高
压绝缘栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变
换技术的不断发展。
20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM－VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。
20世纪80年代，作为变
频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸
多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。
20世纪80年代后
半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并
获得了广泛应用。
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电
压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控
制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原
理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控
制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变
频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
VVVF：
改变电压、改变频率CVCF：
恒电压、恒频率。
各国使用的交
流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为
400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。
通常，把电压和频率固定不
变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。
为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为
直流电（DC）。
用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。
变频器的工作原理
我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60f（1－s）/p
（1）
式中
n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由式
（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电
动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调
节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节
的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
变频器原理框图
变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工
作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。
其控制方
式经历了以下四代。
1.U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能
够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应
用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定
子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
另外，其机械
特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不
尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转
矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区
效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控
制变频调速。
2.电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形
旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近
圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，
能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子
电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有
得到根本改善。
3.矢量控制（VC）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电
流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的
交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋
转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电
流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的
控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实
现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，
分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，然
后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正
交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实
际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的
影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复
杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
4.直接转矩控制（DTC）方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控
制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并
以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到
了迅速发展。
目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率
交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的
数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效
为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不
需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的
数学模型。
5.矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频
中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路
需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象
限运行。
为此，矩阵式交—交变频应运而生。
由于矩阵式交—交变
频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的
功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入
研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作
为被控制量来实现的。
具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实
际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM
信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩
及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
变频器的使用中遇到的问题和故障防范
由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作
及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。
为防患于未然，事先
对故障原因进行认真分析显得尤为重要。
外部的电磁感应干扰
如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器
的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚
至损坏变频器。
提高变频器自身的抗干扰能力固然重要，但由于受
装置成本限制，在外部采取噪声抑制措施，消除干扰源显得更合理、
更必要。
以下几项措施是对噪声干扰实行“三不”原则的具体方法：
变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压
的吸收装置，如RC吸收器；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其
与主线路分离；指定采用屏蔽线回路，须按规定进行，若线路较长，
应采用合理的中继方式；变频器接地端子应按规定进行，不能同电
焊、动力接地混用；变频器输入端安装噪声滤波器，避免由电源进
线引入干扰。
安装环境
变频器属于电子器件装置，在其规格书中有详细安装使用环境的要
求。
在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应
抑制措施：
振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动
冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘
埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路，作为
防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温
度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，
应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。
除上述3点外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常
必要的。
对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正
常工作，应采取设置空间加热器等必要措施。
电源异常
电源异常表现为各种形式，但大致分以下3种，即缺相、低电压、
停电，有时也出现它们的混和形式。
这些异常现象的主要原因多半
是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出
现对地短路及相间短路。
而雷击因地域和季节有很大差异。
除电压
波动外，有些电网或自行发电单位，也会出现频率波动，并且这些
现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器
供电电源也提出相应要求。
如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入
时造成的电压降低，应和变频器供电系统分离，减小相互影响；对
于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合，除选择合适价格的变频器
外，还因预先考虑负载电机的降速比例。
变频器和外部控制回路采
用瞬停补偿方式，当电压回复后，通过速度追踪和测速电机的检测
来防止在加速中的过电流；对于要求必须量需运行的设备，要对变
频器加装自动切换的不停电电源装置。
二极管输入及使用单相控制电源的变频器，虽然在缺相状态也能继
续工作，但整流器中个别器件电流过大及电容器的脉冲电流过大，
若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响，应及早检查
处理。
雷击、感应雷电
雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。
此外，
当电源系统一次侧带有真空断路器时，短路器开闭也能产生较高的
冲击电压。
变压器一次侧真空断路器断开时，通过耦合在二次侧形
成很高的电压冲击尖峰。
为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加
压敏电阻等吸收器件，保证输入电压不高于变频器主回路期间所允
许的最大电压。
当使用真空断路器时，应尽量采用冲击形成追加RC
浪涌吸收器。
若变压器一次侧有真空断路器，因在控制时序上保证
真空断路器动作前先将变频器断开。
过去的晶体管变频器主要有以下缺点：
容易跳闸、不容易再起动、
过负载能力低。
由于IGBT及CPU的迅速发展，变频器内部增加了完
善的自诊断及故障防范功能，大幅度提高了变频器的可靠性。
如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”，其中
“起动转矩不足”、“环境条件变化造成出力下降”等故障原因，
将得到很好的克服。
该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速
运算，计算出当前时刻所需要的转矩，迅速对输出电压进行修正和
补偿，以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。
此外，由于变频器的软件开发更加完善，可以预先在变频器的内部
设置各种故障防止措施，并使故障化解后仍能保持继续运行，例如：
对自由停车过程中的电机进行再起动；对内部故障自动复位并保持
连续运行；负载转矩过大时能自动调整运行曲线，避免Trip；能够
对机械系统的异常转矩进行检测。
变频器对周边设备的影响及故障防范
变频器的安装使用也将对其他设备产生影响，有时甚至导致其他设
备故障。
因此，对这些影响因素进行分析探讨，并研究应该采取哪
些措施时非常必要的。
电源高次谐波
由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式，这样的脉冲调制形式
使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，并造成电压波形畸
变，对电源系统产生严重影响，通常采用以下处理措施：
采用专用
变压器对变频器供电，与其它供电系统分离；在变频器输入侧加装
滤波电抗器或多种整流桥回路，降低高次谐波分量，对于有进相电
容器的场合因高次谐波电流将电容电流增加造成发热严重，必须在
电容前串接电抗器，以减小谐波分量，对电抗器的电感应合理分析
计算，避免形成LC振荡。
电动机温度过高及运行范围
对于现有电机进行变频调速改造时，由于自冷电机在低速运行时冷
却能力下降造成电机过热。
此外，因为变频器输出波形中所含有的
高次谐波势必增加电机的铁损和铜损，因此在确认电机的负载状态
和运行范围之后，采取以下的相应措施：
对电机进行强冷通风或提
高电机规格等级；更换变频专用电机；限定运行范围，避开低速区。
振动、噪声
振动通常是由于电机的脉动转矩及机械系统的共振引起的，特别是
当脉动转矩与机械共振电恰好一致时更为严重。
噪声通常分为变频
装置噪声和电动机噪声，对于不同的安装场所应采取不同的处理措
施：
变频器在调试过程中，在保证控制精度的前提下，应尽量减小
脉冲转矩成分；调试确认机械共振点，利用变频器的频率屏蔽功能，
使这些共振点排除在运行范围之外；由于变频器噪声主要有冷却风
扇机电抗器产生，因选用低噪声器件；在电动机与变频器之间合理
设置交流电抗器，减小因PWM调制方式造成的高次谐波。
高频开关形成尖峰电压对电机绝缘不利
在变频器的输出电压中，含有高频尖峰浪用电压。
这些高次谐波冲击
电压将会降低电动机绕组的绝缘强度，尤其以PWM控制型变频器更为
明显，应采取以下措施：
尽量缩短变频器到电机的配线距离；采用阻
断二极管的浪涌电压吸收装置，对变频器输出电压进行处理；对PWM
型变频器应尽量在电机输入侧加滤波器。
变频器技术发展方向预测
变频器是运动控制系统中的功率变换器。
当今的运动控制系统包含
多种学科的技术领域，总的发展趋势是：
驱动的交流化，功率变换
器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。
因此，变频器作为
系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源
而得到迅猛发展。
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发
展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在
不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多
功能化以及无公害化而做着新的努力。
变频器性能的优劣，一要看
其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和
输入功率因数；三要看本身的能量损耗如何。
这里仅以量大面广的
交—直—交变频器为例，阐述它的发展趋势：
主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化；开关
频率不断提高，开关损耗进一步降低。
变频器主电路的拓扑结构方面。
变频器的网侧变流器对低压小容量
的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12
脉冲以上的变流器。
负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平
的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。
对于四
象限运行的转动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，
网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM
变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减
少对电网的公害。
脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制控制、消
除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁
链跟踪控制）。
交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动
态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量
控制和直接转矩控制系统方面。
微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。
运动控制系
统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和
快速实时处理大量信息。
近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数
字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，
集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积
缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。
DSP和普通的单片机相比，
处理数字运算能力增强10～15倍，可确保系统有更优越的控制性能。
数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可
实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现
实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断、加强保护和
监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。
控制篇
通用变频器中基于DSP的数字控制器实现
引言
变频调速系统的关键，就是要没计一个合理的变频器，而它的核心就
是变频调速系统的数字控制器。
变频器的数字控制器包括信号的检
测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的
监控、保护等功能。
变频器数字控制系统的硬件部分，包括微处理器、接口电路及外围设
备，其中微处理器是系统的控制核心，它通过内部控制程序，对从输
入接口输入的数据进行处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电
路向外围发出各种控制信号，外围设备除了检测元件和执行机构，还
包括各种操作、显示以及通信设备。
本文采用TI公司的TMS320F240自行设计了一款用于高速电机调速系
统的数字控制器，频率可以通过键盘数字给定或者模拟给定，同时对
它的功能和技术做了简要的分析，并给出了电机在18000r／min稳态
运行时控制器的输出波形。
1数字控制器的硬件结构框图和工作原理
数字控制器的硬件以TMS320F240定点DSP为CPU，CY7C199为外部数
据和程序存储器，数据和程序存储器各32K；16路的模拟／数字输入
通道，其中一路可以用来进行模拟频率给定；使用了8位数字I／O
口，可以用键盘通过I／O口来进行数字频率给定；4路12位的数字
／模拟转换通道，用于电机输出信号控制；RS232和SPI系列兼容接
口，其中将SPI用作变频调速时电机频率的LED显示，将SCI口扩充
成RS232接口，其功能布置框图如图1所示。
电机或者逆变器的工作频率通过键盘给定，同时，其频率显示通过
DSP内部的显示程序回显在LED上，当按下运行键以后，键盘设计频
率被送到产生空间电压矢量的SVPWM处理子程序，生成的SVPWM波形
通过GAL器件保护后输出，与此同时，电动机或者变频器的实时运行
动态频率通过LED显示。
正交编码脉冲可以接入电机的光电编码器，
对系统构成速度环反馈，A／D模块可以接入电机的电流环，至于变
频调速系统的保护中断源由DSP的引脚PDPINT提供，主要是过压、
过流、控制电压欠压、过热等中断源。
电机的速度或者逆变器的输出
频率可以通过键盘改变。
2硬件设计
数字信号处理器是数字控制器的核心部分，也是数字控制器对信号的
检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统
的监控、保护等功能的核心部分。
数字控制器的功能模块设计如下。
2.l数据和程序存储器的设计
DSP是一种高速存取器件，对于外围接口芯片有较高的要求，虽然DSP
本身可以软件提供0~7个等待状态来满足与片外存取器件速度的匹
配，但是为了不至于影响整个系统的控制和仿真功能，一般采用存取
速度比较高的存储器来做为DSP的片外数据和程序存储器。
本文采用
CY7C199存储器，存取时间15ns，完全不用提供软件等待状态也不用
加硬件等待电路，因为，CY7C199是32K的8位存储器，所以，使用
了4片该存储器组成了32K的16位存储器RAM，数据和程序各32K。
2.2DSP复位及时钟电路的设计
为了使系统被复位信号正确地初始化，对复位信号的脉冲宽度必须有
一定的要求。
对于TMS320F240而言，复位信号至少要lms。
不过上
电之后，系统的振荡器达到稳定工作状态需要20ms甚至更长的时间，
一般来说上电复位时，在复位引脚上置100~200ms的一个低电平脉冲
是比较合适的。
根据这一原则，采用MAXIM公司的集成微处理器监控
复位电路来完成，本文使用了MAX705。
MAX705监控芯片，与传统的
分立元器件组成的微机监控电路比较，它的可靠性高、动态响应好，
功耗小、设计简单、体积小，在电子产品设计中已得到广泛的应用。
在设计中，时钟往往不被人充分地重视，其实，时钟是电路设计中非
常重要的一个环节。
DSP时钟既可由外部提供，亦可由板上的振荡器
来提供。
由于DSP及其它芯片工作都是以时钟为基准的，如果时钟质
量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。
本文采用外部时钟
输入，由有源晶振产生10MHz脉冲，通过覆铜和串接LC滤波电路来
抑制外界干扰，保证了系统的稳定工作。
2．3RS232的串行口电路设计
RS232是美国电子工业协会于1960年发布的串行通信接口标准，目
前应用广泛的是RS232C和RS232D。
RS232C的标准连接为
DB25．但在实际应用中采用非标准的DB9连接，实际应用中根据需要
对定义的引脚进行取舍。
RS232C电气特性最大的特点是采用了负逻
辑，逻辑l的电平是一3V一一15V，逻辑0的电平是+3V~+15V，因
此，在使用中有一个电平转换接口的问题。
本文中采用自升压的集成
芯片MAX232C来构成，只由+5V电源来供电，电平转换所需的±10V
电源由片内电荷泵产生。
在控制器做好以后，进行了计算机的串行通
信接口（SCI）检验，数据通信收发正常，能够稳定工作。
2.4D／A输出功能块的设计
在数字控制系统中，D／A和A／D电路是必不可少的，根据各种运用
场合不同，系统对D／A、A／D的速度要求也不一样。
本文中使用的
是并行输入的D／A芯片DAC7625，它是12位数据并行输入，4路模
拟输出的D/A转换器。
其建立时间是10μs，功耗20mW，电源可以采
用单电源+5V和双电源±5V供电，广泛应用于电机控制和数据采集
等。
数模转换器DAC的数据输入来自DSP的高12位，通过74LS245
送到DAC7625的数据端，采用单电源+5V供电，参考电压VHEFH使用
精密稳压器件提供的+2.5V，VHEFL模拟地，其输出通
过运算放大器TLCH2272进行放大，输出范围为0~+5V。
2.5键盘输入接口电路和LED显示电路设计
键盘和七段LED显示器是微型计算机系统最常用的输入、输出没备。
它是实现人机之间进行信息交换的主要通路。
键盘的功能就是把人
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