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1、9.1 变频器工作原理交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国50赫兹。而交流电动机的同步转速：式中N1同步转速，r/min；f1定子频率，Hz；P电机的磁极对数。而异步电动机转速式中s为转差率，一般小于3%，N与送入电机的电流频率f1成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。9.1.1 变频器的基本结构图9-1 交-直-交变频器的基本结构从频率变换的形式来说，变频器分为交-交和交-直-交两种
2、形式。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器，价格较高。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称间接式变频器。市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构如图9-1所示，由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：(1)整流器。电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是单相)交流整流成直流。(2)直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为异步电动机，属
3、于感性负载。无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。因此在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。(3)逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出。图9-2变频器主电路基本结构。（a）电压型变频器主电路（b）电流型变频器主电路(4)控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分，其主要任务
4、是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。控制电路是变频器的核心部分，性能的优劣决定了变频器的性能。一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，直流中间电路的储能元件在整流电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路。逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障。图9-2为电压型变频器和电流型变频器主
5、电路基本结构。9.1.2 变频器的分类及工作原理变频器的工作原理还与变频器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下：1.U/f控制。U/f控制即电压与频率成比例变化控制，又称恒压频比控制。由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。U/f控制忽略了电机漏阻抗的作用，在低频段的工作特性不理想。因而实际变频器中常采用E/f（恒电动势频比）控制。采用U/f控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。2.转差频率控制。转差频率控制是在E/f控制基础上增加转差控制的一种控制方式。从电机的转速角度看，这是一种以电机的实际运行速度加上该速度下电机的转差频率确
6、定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是在E/f常数条件下，通过对转差频率的控制，可以实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。3.矢量控制。矢量控制是受调速性能优良的直流电机磁场电流及转矩电流可分别控制的启发而设计的一种控制方式。矢量控制将交流电机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量并分别控制，从而大大提高了变频器对电机转速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器适用于位能性负
7、载。9.1.3 MM440/420变频器简介1.MM440/420变频器基本结构和PLC一样，变频器是一种可编程的电气设备。在变频器接入电路工作前，要根据通用变频器的实际应用修定变频器的功能码（参数）。功能码一般有数十甚至上百条，涉及调速操作端口指定、频率变化范围，力矩控制、系统保护等各个方面。功能码在出厂时已按默认值存储。修订是为了使变频器的性能与实际工作任务更加匹配。变频器与外界交换信息的接口很多，除了主电路的输入与输出接线端外，控制电路还设有许多输入输出端子，另有通信接口及一个操作面板，功能码的修订一般就通过操作面板完成。西门子的MicroMaster440/420（以下简称为MM440
8、/420）变频器是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为功率输出部件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，由多种完善的变频器和电动机保护功能，由内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需求对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制（FCL）改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。MM420的输出功率为0.1211kW，适合于各种变速传动，尤其适合于作水泵、风机和传送带系统的驱动控制。图9-3 MM420基本操作面板MM440的输出功率为0.7590kW，适合于要求高，功率
9、大的场合。它采用无传感器矢量控制和ECO节能控制，有提升类专用功能和机械制动的延时释放、超前吸合控制功能，可以保证升降机的安全平稳运行。传送带故障监视功能可以保证生产线安全运行。MM440有参数自整定的PID控制器，闭环转矩控制方式可以实现主/从方式的控制，适合多机同轴驱动。用户在设置变频器参数时，可以选用价格便宜的基本操作面板（BOP），或具有多种文本显示功能的高级操作面板（AOP），AOP最多可以存储10组参数设定值。MM420基本操作面板如图9-3，1改变电动机的图9-4 MM420端子结构图转动方向，2起动变频器，3停止变频器，4电动机点动，5访问参数，6减少数值，7增加数值，8功能。
10、2.MM420变频器外部结构与控制方式变频器的输出频率控制有以下四种方式：(1)操作面板控制方式。这是通过操作面板上的按钮手动设置输出频率的一种操作方式。具体操作又有两种方法：一是按面板上频率上升或频率下降的按钮，调节输出频率；另一种方法是通过直接设定频率数值调节输出频率。(2)外输入端子数字量频率选择操作方式。变频器常设有多段频率选择功能。各段频率值通过功能码设定，频率段的选择通过外部端子选择。变频器通常在控制端子中设置一些控制端，如图9-4中的端子DINl、DIN2、DIN3，它们的7种组合可选定7种工作频率值。这些端子的接通组合可通过机外设备，如PLC控制实现。(3)外输入端子模拟量频率
11、选择操作方式。为了方便与输出量为模拟电流或电压的调节器、控制器的连接，变频器还设有模拟量输入端，如图中的AIN+端为电压模拟量的正极，AIN-为电压模拟量的负极。L1、L2、L3端为三相电压输入端，当接在这些端口上的电流或电压量在一定范围内平滑变化时，变频器的输出频率在一定范围内平滑变化。(4)通信数字量操作方式。为了方便与网络接口，变频器一般都设有网络接口，都可以通过通信方式，接收频率变化指令，不少变频器生产厂家还为自己的变频器与PLC通信设计了专用的协议，如西门子公司的uss协议即是MM420系列变频器的专用通信协议，P+和N-与485线相接。9.2 变频器开关量控制9.2.1 控制要求1
12、、电动机正向运行。闭合开关SB1时，电动机正向启动，经5s后稳定运行在560r/min的转速上。断开SB1，电动机按5s斜坡下降时间停车，经5s后电动机停止运行。2、电动机反向运行。闭合开关SB2时，电动机5反向启动，经5s后反向运行在560r/min的转速上。断开SB2，电动机按5s斜坡下降时间停车，经5s后电动机停止运行。3、电动机正向点动运行。按下正向点动按钮SB3时，电动机按5s点动斜坡上升时间正向点动运行，经5s后稳定运行在280r/min的转速上。放开SB3，电动机按P1061所设定的5s点动斜坡下降时间停车。图9-5 变频器开关量控制接线原理图9.2.2 硬件接线MM420变频器
13、有4个数字输入端口（端口接线图见MM420使用大全，开关量控制接线图如图9-5所示，需说明的是24V电源来自外部。9.2.3 参数设置西门子变频器端口功能很多，用户可根据需要设置。从P0701P704为数字量输入14功能。每一个数字输入功能设置参数值从099（参数功能见MM420使用大全），下面是几个常用的参数值及其含义。0：禁止数字输入1：ON/OFF1（接通正转/停车命令1）2：ONreverse/OFF1（接通反转/停车命令1）3：OFF2（停车命令2）-按惯性自由停车4：OFF3（停车命令3）-按斜坡函数曲线快速降速停车9：故障确认10：正向点动11：反向点动12：反转17：固定频率设
14、定值25：直流注入制动MM420变频器数字输入端口5、6、7接三个按钮SB1、SB2、SB3，“5”端口（DIN1）设为正转控制，其功能由P701的参数值设置。“6”端口（DIN2）设为反转控制，其功能由P702的参数值设置。“7”端口（DIN3）设为正向点动控制，其功能由P703的参数值设置。参数设置步骤如下：1、接好线路，检查无误后接通变频器电源。2、恢复变频器工厂缺省值，如表9-1。表9-1 恢复工厂设置参数号设置值说明P001030工厂的设定值P09701参数复位3、设置电动机参数，如表9-2所示。表9-2 电动机参数设置参数号设置值说明P00031设用户访问级为标准级P00101快速
15、调试P01000选择工作地区P0304380电动机额定电压(V)P03050.2电动机额定电流(A)P030730电动机额定功率（W）P031050电动机额定频率（Hz）P03111430电动机额定转速（r/min）设置完成后，使P0010=0，变频器处于准备状态，可正常运行。4、设置数字输入控制端口开关操作运行参数，如表9-3所示。表9-3 数字输入控制端口开关操作运行参数设置参数号设置值说明P00031设用户访问级为标准级P00047命令和数字I/OP07002命令源选择“由端子排输入”P00032设置访问级为扩展级P00047命令和数字I/OP07011数字输入1，ON接通正转，OFF停止P07022数字输入2，ON接通反转，OFF停止P070310正向点动P00031设用户访问级为标准级P000410设定值通道和斜坡函数发生器P10001由键盘（电动电位计）输入设定值P108010电动机运行的最低频率（Hz）P108250电动机运行的最高频率（Hz）P11205斜坡上升时间（s）
