交直交100问.docx

1、交直交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

2、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 Volta

3、ge 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：UE=4.44 W1f=Kef(1-3)可见，磁通量的大小与电压和频率的比值有关：U/Kef=KeU/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 每个磁极下的磁通量 Ke、Ke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。3、交直交是什么意思？变频装置

4、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图1-1 交直交的电路结构直流，再把直流“逆变”成频率可变的交流，如图1-1所示。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：图1-2 电压型和电流型 (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。(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？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

5、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。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，K1K4是开关器件，M是负载，A、B间通以直流电压UD。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

6、、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 功力晶体管图1-8与1-9容量较大的变频调速器中则常用

7、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。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。RA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VT导通，RA将不再起限流作用。功率晶体管V1V6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V01V06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

8、动机降速过程中提供能量反馈(再生)回路。RB是电动机在再生制动过程中的耗能电阻，VB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。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

9、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0.1

10、Hz。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

11、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

12、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、010、05V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420mA。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。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

13、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0fmax。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

14、大频率的百分数，如图2-3。图中，曲线为基本频率线，其频率增益为100%；曲线是200%；曲线是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fB，它可以一定范围内进行设定，如图2-4。图中，曲线是基本频率线；曲线是正偏置的情形；曲线是负偏置。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。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

15、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(P1点和P2点)坐标的方法来设定输出频率线。如图2-6，P1点的坐标是(P1)和(F-P1)；P2点的 坐标是(P2)和(F-P2)。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？根据驱动系统的工作状况来设定

16、。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，fmax是最大频率，fHL是上限频率；fLL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。图2-8 回避频率27、怎样改变回避频率？每个回避

17、频率都必须设定两个数据，回避的中心频率f1和回避宽度fJ，调试时，fJ和fJ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。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

18、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，ta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

19、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。图33 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(TL=Kn2。TL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

20、-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。图3-4 降速方式37、降速过快会发生什么现象？降速时，频率首先下降，旋转磁场的转速将低于转子的转速，使电机处于发电机(再生)状态。电动机的动能转变成了电能，通过逆变桥的续流二极管反馈到直流部分，由制动电阻RB将其消耗掉。降速过快，制动电阻RB将来不及消耗掉电动机“再生”的电能，从而使滤波电容器上的直流电压过高，导致“过电压”。38、调试时，怎样确定降速时间？首先将降速时间设定得长一些，在电动机降速过程中观察直流电压。在直流电压的允许范围内，尽量缩短降速时间。39、

21、怎样实现自由制动？只有当电动机与变频器之间的连线断开时，电动机才能自由制动。如图3-5中当开关K断开时即可。图3-5 电机的自由制动外接制动组件40、在什么情况下需要外接制动组件？当工作机械要求快速制动，而在所要求的时间内，变频器内接的制动电阻来不及消耗掉再生电能而使直流部分“过压”时，需要加接制动组件，以加快消耗再生产电能的速度。41、外接制动组件包括哪些部件？包括两个部分：(1) 制动电阻，如图3-6中RB。(2) 放电单元 即提供放电回路的晶体管，如图3-6中之VB。图3-6 制动组件由厂家提供的制动电阻和放电单元内，通常还附有热继电器，其触点的接法如图3-6。由于VB与VB的导通时间不

22、可能一致，而RB与RB并联后的阻值较小，先导通的晶体管很容易损坏。因此，在接入外接组件时，应将PB和DB间的连线去掉，使RB不接入电路。42、如何确定外接制动电阻的阻值？一般可参照说明书提供的数据进行选择。如需加强制动效果、缩短制动时间，也可以自行试验确定。试验时，大体应掌握以下原则：(1) 制动电流IB不得超过变频器的额定电流IN。初选时，应按IB(1/31/2)IN来确定制动电阻值；RBUDmax/(1/31/2)IN(3-1)式中，UDmax是在电源电压允许波动的范围内，当再生制动开始时，直流电压可能出现的峰值。在电源电压为380V时，UDmax可按695V计算。(2) 在制动效果得到满

23、足的前提下，RB的值应尽量选大一些。43、多个外接制动组件并用时需注意些什么？当只用一个外接制动外件不足于满足所需要的制动效果时，可以使用多个外接组件来加强制动效果。在这种情况下，必须注意：(1) 各外接制动外件之间是并联的，并联后的总制动电阻值RBE必须满足：RBEUDmax/IN(3-2)(2) 各制动组件上热继电器的触点之间应该串联。直流制动的设定44、什么是直流制动？当异步电动机的定子绕组中通入直流电流时，所产生的磁场将是空间位置不变的恒定磁场。如转子因惯性而继续以转速n旋转时，转子绕组里的感应电流以及转子绕组所受电磁力的方向将形成与n方向相反的制动力矩 。同时，恒定磁场也力图将转子铁

24、心牢牢吸住，进一步促使转子迅速停下来。这种在定子绕组中通入直流电流而使电机迅速制动的方法称为直流制动，也叫能耗制动。在变频调速系统中，直流制动主要用于消除驱动系统在转速接近于0时的“爬行”现象。45、如何设定直流制动？直流制动主要设定以下三个内容(图3-7)： 直流制动设定内容(1) 开始转为直流制动时的起始频率fDB；(2) 施加于定子绕组的直流制动电压UDB。由于定子绕组的直流电阻很小，故直流制动电压的调节范围通常为主电路直流电压的010%。(3) 制动时间tDB，tDB不可能和实际制动时间正好一致，为保证制动效果，通常设定得略大一些。46、设定fDB和UDB时需遵循哪些原则？主要有以下方

25、面：(1) 确保能够消除驱动系统的“爬行”现象(2) 直流制动电流不应超过变频器的额定电流(3) 制动过程中系统无强烈振动四、变频器的运行功能U/f设定功能47、为什么要设定U/f比？电机学的分析表明：异步电动机进行变频调速时，如果其输入电压随频率同步下降的话，电机输出轴上的临界转矩TK也将有所下降。所得到的机械特性曲线族如图41所示。这是因为，当电压随频率作同步下降时，定子绕组中的功率损失I12R1并无变化，从而，转换到转子轴上的机械功率所占的份额必然减少的缘故。图图41 变频后的机械特性临界转矩的减小导致电动机带负载能力(输出转矩)的下降，这当然是不受欢迎的。解决的办法是在电压与频率同步调

26、节(U/f定值，称为基本U/f比)的基础上，适当提高电压，即调整了U/f比。这种方法也叫转矩补偿。48、变频器对U/f比的设置情况如何？转矩补偿必将引起电机磁路的饱和，因此，在满足负载要求的前提下，应尽量少补偿。为此，各种变频器都设置了许多挡U/f比，供用户根据负载的具体情况进行设定。例如日本富士电机公司生产的G7S系列变频器设置了32种U/f比供用户选择，其U/f曲线簇如图42所示。图中，曲线 和是针对鼓风机和泵类负载而设置的。这类负载在低转速时的阻转矩很小，故非但不必加大U/f比，反可以适当减少U/f比，以进一步节省电能。42 U/f 曲线族49、调试时如何设定U/f比？首先，根据负载在最

27、低速时阻转矩的情况对U/f比进行初选，初选值适当偏小。通电后作带负载试验，观察能否带得动？然后，根据初试情况适当调整U/f比，继续试验，直到满意为止。50、什么是基本U/f设定？电压随频率同步变化时的U/f比，称为基本U/f比。电动机的额定频率不同，基本的U/f的比值也各异。图43中的曲线、和分别是额定频率为50、60和100Hz时的U/f比。图43 f N不同时的基本U/f比调整转矩补偿的U/f比，是以基本U/f比为基准而进行的。在根据电动机的额定频率设定基本U/f比的同时，也设定了变频器的最大输出频率。如设定图44a ，则最大输出频率为50Hz，如设定图4-4b，则最大输出频率为100Hz

28、。图44 基本U/f比与最大输出频率同时设定理论上说，基本U/f比也应与电动机的额定电压有关，但变频器的实际输出电压是不能调节(也无此必要)的，所以在设定基本U/f比时，并不涉及额定电压的问题。点动设定51、变频器怎样实现点动？在机械调整过程中，以及金属切削机床装上工件后的校整过程中，常常需要“点动、动动”，谓之点动，英语是JOG，也有译成微动或寸动的。实现点动的方式主要有两种：(1) 外接控制 如图45，在点动接线端JOG与公共端CM之接入按钮开关即可，大多数变频器都备有点动接线端。图45 外接点动控制(2) 键盘控制 部分变频器在面板上专门配置了点动键，进行点动控制。52、怎样设定点动的频

29、率？各类变频器都具有设定点动频率的功能。调试时，点动频率需视机械的具体需要来进行设定。可以先设定得低一些，再酌情增高。多挡频率设定53、为什么要进行多挡频率设定？在机械的程序控制中，不同的程序段常常需要不同的转速。为此，变频器可以预先设定多种运行频率，以满足用户的需要。用户在进行变频器的预置设定时，可根据机械的要求，预先设定好若干挡运行频率，供程序控制时选用。54、怎样实现多挡转速运行？图46 多挡速度的接线表41 接点状态与速度挡的对应关系速度挡01234567X101010101X200110011X300001111如图46，在变频器的接线端中，有几种专用于多挡转速控制的端子(图中X1、

30、X2和X3)，由有关的接点X1、X2、X3来进行控制。各接点的状态与速度挡之间的对应关系如表41。例如，在某程序段需要用第三挡速度，则在该程序段令触点X1、X2接通而X3断开，变频器将输出第三挡频率。55、实现多挡转速运行时，有哪些相关设定？主要的相关设定有：(1) 各挡转速的升速和降速时间，大多数变频器都可以设定多挡加速时间和减速时间。每个程序段选用哪一挡加、减速时间由接点RT1和RT2的状态来决定。其对应关系如表42所示。表42 接点状态与加减速挡的对应关系挡次加速1加速2加速3加速4减速1减速2减速3减速4RT10101RT20011(2) 正、反转设定 正、反转由接点FWD(正转)和REV(反转)的状态来决定。接点的接线如图47所示。图47 升 、降速与正、反转接点图48 多挡转速与相关设定的配合多挡转速，各挡的加、减速时间以及正、反转的综合设定的例子如图48所示。图中，高电平表示接点接通，低电平表示接点断开。其他运行功能56、什么情