作者：蔡杏山
出版社：人民邮电出版社有限公司
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变频器、伺服与步进驱动技术自学手册试读：
前言
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当三相异步电动机定子绕组通入三相交流电后，定子绕组会产生旋转磁场，旋转磁场的转速n与交流电源的频率f和电动机的磁极对0数p有如下关系：n=60f/p0
电动机转子的旋转速度n（即电动机的转速）略低于旋转磁场的旋转速度n（又称同步转速），两者的转速差称为转差s，电动机的转0速为：n=(1−s)60f/p
由于转差s很小，一般为0.01～0.05，为了计算方便，可将电动机的转速近似为：n=60f/p
从上面的近似公式可以看出，三相异步电动机的转速n与交流电源的频率f和电动机的磁极对数p有关，当交流电源的频率f发生改变时，电动机的转速会发生变化。通过改变交流电源的频率来调节电动机转速的方法称为变频调速；通过改变电动机的磁极对数p来调节电动机转速的方法称为变极调速。
变极调速只适用于笼型异步电动机（不适用于绕线型转子异步电动机），它是通过改变电动机定子绕组的连接方式来改变电动机的磁极对数，从而实现变极调速。适合变极调速的电动机称为多速电动机，常见的多速电动机有双速电动机、三速电动机和四速电动机等。
变极调速方式只适用于结构特殊的多速电动机，而且由一种速度转变为另一种速度时，速度变化较大，采用变频调速则可解决这些问题。如果对异步电动机进行变频调速，需要用到专门的电气设备——变频器。变频器先将工频（50Hz或60Hz）交流电源转换成频率可变的交流电源并提供给电动机，只要改变输出交流电源的频率就能改变电动机的转速。由于变频器输出电源的频率可连接变化，故电动机的转速也可连续变化，从而实现电动机无级变速调节。图1-1列出了几种常见的变频器。图1-1 几种常见的变频器1.2 变频器的基本结构及原理
变频器的功能是将工频（50Hz或60Hz）交流电源转换成频率可变的交流电源提供给电动机，通过改变交流电源的频率来对电动机进行调速控制。变频器种类很多，主要可分为两类：交-直-交型变频器和交-交型变频器。1.2.1 交-直-交型变频器的结构与原理
交-直-交型变频器利用电路先将工频电源转换成直流电源，再将直流电源转换成频率可变的交流电源，然后提供给电动机，通过调节输出电源的频率来改变电动机的转速。交-直交型变频器的典型结构如图1-2所示。图1-2 交-直-交型变频器的典型结构
下面对照图1-2所示结构说明交-直-交型变频器的工作原理。
三相或单相工频交流电源经整流电路转换成脉动的直流电，直流电再经中间电路进行滤波平滑，然后送到逆变电路，与此同时，控制系统会产生驱动脉冲，经驱动电路放大后送到逆变电路，在驱动脉冲的控制下，逆变电路将直流电转换成频率可变的交流电并送给电动机，驱动电动机运转。改变逆变电路输出交流电的频率，电动机转速就会发生相应的变化。
整流电路、中间电路和逆变电路构成变频器的主电路，用来完成交-直-交的转换。由于主电路工作在高电压、大电流状态，为了保护主电路，变频器通常设有主电路电压检测和输出电流检测电路，当主电路电压过高或过低时，电压检测电路则将该情况反映给控制电路；当变频器输出电流过大（如电动机负荷大）时，电流取样元件或电路会产生过流信号，经电流检测电路处理后也送到控制电路。当主电路出现电压不正常或输出电流过大时，控制电路通过检测电路获得该情况后，会根据设定的程序进行相应的控制，如让变频器主电路停止工作，并发出相应的报警指示。
控制电路是变频器的控制中心，当它接收到输入调节装置或通信接口送来的指令信号后，会发出相应的控制信号去控制主电路，使主电路按设定的要求工作，同时控制电路还会将有关的设置和机器状态信号送到显示装置，以显示有关信息，便于用户操作或了解变频器的工作情况。
变频器的显示装置一般采用显示屏和指示灯；输入调节装置主要包括按钮、开关和旋钮等；通信接口用来与其他设备（如可编程序控制器PLC）进行通信，接收它们发送过来的信号，同时还将变频器有关信息反馈给这些设备。1.2.2 交-交型变频器的结构与原理
交-交型变频器利用电路直接将工频电源转换成频率可变的交流电源并提供给电动机，通过调节输出电源的频率来改变电动机的转速。交-交型变频器的结构如图1-3所示。从图1-3中可以看出，交-交型变频器与交-直-交型变频器的主电路不同，它通过交-交变频电路直接将工频电源转换成频率可调的交流电源的方式进行变频调速。图1-3 交-交型变频器的结构
交-交变频电路一般只能将输入交流电频率降低输出，而工频电源频率本来就低，所以交交型变频器的调速范围很窄，另外这种变频器要采用大量的晶闸管等电力电子器件，导致装置体积大、成本高，故交-交型变频器的使用远没有交-直-交型变频器广泛，因此本书主要介绍交-直-交型变频器。第2章 变频器的使用
变频器是一种电动机驱动控制设备，其功能是将工频电源转换成设定频率的电源来驱动电动机运行。变频器生产厂家很多，主要有三菱、西门子、富士、施耐德、ABB、安川和台达等，且每个厂家都会生产很多型号的变频器。虽然变频器的种类繁多，但基本功能是一致的，所以使用方法大同小异。本章以三菱 FR-A500系列中的 FR-A540型变频器为例来介绍变频器的使用。2.1 外形与结构2.1.1 外形与型号含义
1.外形
三菱FR-A540型变频器的外形如图2-1所示。图2-1 三菱FR-A540型变频器的外形
2.型号含义
三菱FR-A540型变频器的型号含义如下。2.1.2 结构
三菱FR-A540型变频器FR-DU04操作面板如图2-2所示，其中图2-2（a）为带面板的前视结构图，图2-2（b）为拆下面板后的结构图。图2-2 三菱FR-A540型变频器结构说明2.1.3 面板的拆卸
面板拆卸包括前盖板的拆卸和操作面板（FR-DU04）的拆卸（以 FR-A540-0.4K～7.5K型号为例）。
1.前盖板的拆卸
前盖板的拆卸如图2-3所示，具体过程如下。
① 用手握住前盖板上部两侧并向下推。
② 握着向下的前盖板向身前拉，就可将前盖板拆下。图2-3 前盖板的拆卸
2.操作面板的拆卸
如果仅需拆卸操作面板，可按图2-4所示的方法进行操作，在拆卸时，按着操作面板上部的按钮，即可将面板拉出。图2-4 操作面板的拆卸2.2 端子功能与接线
变频器的端子主要有主回路端子和控制回路端子。在使用变频器时，应根据实际需求正确地将有关端子与外部器件（如开关、继电器等）连接好。2.2.1 总接线图及端子功能说明
1.总接线图
三菱FR-A540型变频器总接线如图2-5所示。
2.端子功能说明
变频器的端子可分为主回路端子和控制回路端子。图2-5 三菱FR-A540型变频器总接线图2-5 三菱FR-A540型变频器总接线（续）（1）主回路端子
主回路端子说明见表2-1。表2-1 主回路端子说明（2）控制回路端子
控制回路端子说明见表2-2。表2-2 控制回路端子说明续表*1：低电平表示集电极开路输出用的晶体管处于ON（导通状态），高电平为OFF（不导通状态）。*2：变频器复位中不被输出。2.2.2 主回路接线
1.主回路接线端子排
主回路接线端子排如图2-6所示。端子排上的R、S、T端子与三相工频电源连接，若与单相工频电源连接，必须接R、S端子；U、V、W端子与电动机连接；P1、P端子，RP、PX端子，R、R1端子和S、S1端子用短接片连接；接地端子用螺钉与接地线连接固定。图2-6 主回路接线端子排
2.主回路接线原理图
主回路接线原理图如图2-7所示。下面对照图2-7来说明各接线端子的功能与用途。
R、S、T端子外接工频电源，内接变频器整流电路。
U、V、W端子外接电动机，内接逆变电路。
P、P1端子外接短路片（或提高功率因素的直流电抗器），将整流电路与逆变电路连接起来。
PX、PR 端子外接短路片，将内部制动电阻和制动控制器件连接起来。如果内部制动电阻制动效果不理想，可将PX、PR端子之间的短路片取下，再在P、PR端外接制动电阻。
P、N端子分别为内部直流电压的正、负端，如果要增强减速时的制动能力，可将PX、PR端子之间的短路片取下，再在P、N端外接专用制动单元（即制动电路）。
R1、S1端子内接控制电路，外部通过短路片与R、S端子连接，R、S端的电源通过短路片由R1、S1端子提供给控制电路作为电源。如果希望R、S、T端无工频电源输入时控制电路也能工作，可以取下R、R1和S、S1之间的短路片，将两相工频电源直接接到R1、S1端。图2-7 主回路接线原理图
3.电源、电动机与变频器的连接
电源、电动机与变频器的连接如图2-8所示，在连接时要注意电源线绝对不能接U、V、W端，否则会损坏变频器内部电路。由于变频器工作时可能会漏电，为安全起见，应将接地端子与接地线连接好，以便泄放变频器漏电电流。图2-8 电源、电动机与变频器的连接
4.选件的连接
变频器的选件较多，主要有外接制动电阻、FR-BU制动单元、FR-HC提高功率因数整流器、FR-RC能量回馈单元和改善功率因数直流电抗器等。下面仅介绍常用的外接制动电阻和直流电抗器的连接，其他选件的连接可参见三菱FR-A540型变频器使用手册。（1）外部制动电阻的连接
变频器的P、PX端子内部接有制动电阻，在高频度制动内置制动电阻时易发热，由于封闭散热能力不足，这时需要安装外接制动电阻来替代内置制动电阻。外接制动电阻的连接如图2-9所示，先将PR、PX端子间的短路片取下，然后用连接线将制动电阻与PR、P端子连接。（2）直流电抗器的连接
为了提高变频器的电能利用率，可给变频器外接改善功率因数的直流电抗器（电感器）。直流功率因数电抗器的连接如图2-10所示，先将P1、P端子间的短路片取下，然后用连接线将直流电抗器与P1、P端子连接。图2-9 外部制动电阻的连接图2-10 直流功率因数电抗器的连接
5.控制回路外接电源接线
控制回路电源端子R1、S1默认与R、S端子连接。在工作时，如果变频器出现异常，可能会导致变频器电源输入端的断路器（或接触器）断开，变频器控制回路电源也随之断开，变频器无法输出异常显示信号。为了在需要时保持异常信号，可将控制回路的电源 R1、S1端子与断路器输入侧的两相电源线连接，这样断路器断开后，控制回路仍有电源为其供电。
控制回路外接电源接线如图2-11所示。图2-11 控制回路外接电源接线2.2.3 控制回路接线
1.控制回路端子排
控制回路端子排如图2-12所示。图2-12 控制回路端子排
2.改变控制逻辑（1）控制逻辑的设置
FR-A540型变频器有漏型和源型两种控制逻辑，出厂时设置为漏型控制逻辑。若要将变频器的控制逻辑改为源型控制逻辑，可按图2-13进行操作，具体操作过程如下。
① 将变频器前盖板拆下。
② 松开控制回路端子排螺钉，取下端子排，如图2-13（a）所示。
③ 在控制回路端子排的背面，将控制逻辑设置跳线上的短路片取下，再安装到旁边的另一个跳线上，如图2-13（b）所示，这样就将变频器的控制逻辑由漏型控制逻辑改为源型控制逻辑。图2-13 变频器控制逻辑的改变方法（2）漏型控制逻辑
变频器工作在漏型控制逻辑时有以下特点。
① 信号输入端子外部接通时，电流从信号输入端子流出。
② 端子SD是触点输入信号的公共端，端子SE是集电极开路输出信号的公共端，要求电流从SE端子输出。
③ PC、SD端子内接24V电源，PC接电源正极，SD接电源负极。
图2-14所示是变频器工作在漏型控制逻辑的典型接线图。正转按钮接在 STF 端子与SD端子之间，当按下正转按钮时，变频器内部电源产生电流从STF端子流出，经正转按钮从SD端子回到内部电源的负极，该电流的途径如图2-14（a）所示。另外，当变频器内部三极管集电极开路输出端需要外接电路时，需要以SE端子作为公共端，外接电路的电流从相应端子（如RUN端子）流入，在内部流经三极管，最后从SE端子流出，电流的途径如图2-14（b）中箭头所示，虚线连接的二极管表示在漏型控制逻辑下不导通。图2-14 变频器工作在漏型控制逻辑的典型接线图（3）源型控制逻辑
变频器工作在源型控制逻辑时有以下特点。
① 信号输入端子外部接通时，电流流入信号输入端子。
② 端子PC是触点输入信号的公共端，端子SE是集电极开路输出信号的公共端，要求电流从SE端子输入。
③ PC、SD端子内接24V电源，PC接电源正极，SD接电源负极。
图2-15所示是变频器工作在源型控制逻辑的典型接线图。正转按钮需接在 STF 端子与PC端子之间，当按下正转按钮时，变频器内部电源产生电流从PC端子流出，经正转按钮从STF端子流入，回到内部电源的负极，该电流的途径如图2-15（a）所示。另外，当变频器内部三极管集电极开路输出端需要外接电路时，需要以SE端子作为公共端，并要求电流从SE端子流入，在内部流经三极管，最后从相应端子（如RUN端子）流出，电流的途径如图2-15（b）中箭头所示，虚线连接的二极管表示在源型控制逻辑下不能导通。图2-15 变频器工作在源型控制逻辑的典型接线图
3.STOP、CS和PC端子的使用（1）STOP端子的使用
需要进行停止控制时使用该端子。图2-16所示是一个启动信号自保持（正转、逆转）的接线图（漏型控制逻辑）。
停止按钮是一个常闭按钮，当按下正转按钮时，STF端子会流出电流，途径是：STF端子流出→正转按钮→STOP端子→停止按钮→SD端子流入，STF端子有电流输出，表示该端子有正转指令输入，变频器输出正转电源给电动机，让电动机正转。松开正转按钮，STF端子无电流输出，电动机停转。如果按下停止按钮， STOP、STF、STR端子均无法输出电流，无法启动电动机。图2-16 启动信号自保持的接线图（2）CS端子的使用
在需要进行瞬时掉电再启动和工频电源与变频器切换时使用该端子。例如，在漏型控制逻辑下进行瞬时掉电再启动，先将端子CS-SD短接，如图2-17所示，再将参数Pr.57设定为除“9999”以外的“瞬时掉电再启动自由运行时间”（参数设置方法见后述内容）。图2-17 端子CS-SD短接（3）PC端子的使用
使用PC、SD端子可向外提供直流24V电源，PC为电源正极， SD为电源负极（公共端）。PC端可向外提供18～26V直流电压，容许电流为0.1A。2.2.4 PU接口的连接
变频器有一个 PU 接口，操作面板通过 PU 接口与变频器内部电路连接，拆下前盖板可以见到PU接口，如图2-2（b）所示。如果要用计算机来控制变频器运行，可将操作面板的接线从 PU 接口取出，再将专用带电缆的接头插入 PU 接口，将变频器与计算机连接起来，在计算机上可以通过特定的用户程序对变频器进行运行、监视及参数的读/写操作。
1.PU接口
PU接口外形与计算机网卡RJ-45接口相同，但接口的引脚功能定义与网卡不同，PU接口外形与各引脚定义如图2-18所示。
2.PU接口与带有RS-485接口的计算机连接（1）计算机与单台变频器连接
计算机与单台变频器PU接口的连接如图2-19所示。在连接时，计算机的RS-485接口和变频器的PU接口都使用RJ-45接头（俗称水晶头），中间的连接线使用10BASE-T电缆（计算机联网用的双绞线）。图2-18 PU接口外形与各引脚定义图2-19 计算机与单台变频器PU接口的连接
PU接口与RS-485接口的接线方法如图2-20所示。由于PU接口的引脚②和引脚⑧的功能是为操作面板提供电源，在与计算机进行RS-485通信时不需要用到。（2）计算机与多台变频器连接
计算机与多台变频器连接如图2-21所示。分配器的功能是将一路信号分成多路信号，另外，由于传送速度、距离的原因，可能会出现信号反射造成通信障碍的现象，为此可给最后一台变频器的分配器安装终端阻抗电阻（100Ω）。
计算机与多台变频器接线方法如图2-22所示。图2-20 PU接口与RS-485接口的接线方法图2-21 计算机与多台变频器连接图2-22 计算机与多台变频器接线方法
3.PU接口与带有RS-232C接口的计算机连接
由于大多数计算机不带RS-485接口，而带RS-232C接口（串口，又称COM口）的计算机较多，为了使带RS-232C接口的计算机也能与PU接口连接，可使用RS-232C转RS-485接口转换器。PU接口与带有RS-232C接口的计算机连接如图2-23所示。
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