作者：马宏骞
出版社：电子工业出版社
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变频调速技术与应用项目教程试读：
前言
秉承新加坡南洋理工学院创建的教学工厂理念，以“工作过程导向”为主线，采取项目式的教学方法来编写《变频调速技术与应用项目教程》教材，在教学过程中努力构建技能培训体系，训练内容按照国家职业技能鉴定规范执行，是高职教育在专业教材建设方面的尝试，符合现代化的高职教育理念，是提高高职教育水平的积极创新。
变频调速技术与应用是高职电气自动化技术专业的一门专业课程，作为一门专业课的教科书，必须及时反映出变频调速技术的最新进展，与时俱进，才能胜任现代变频调速技术对高职教育的要求。变频调速技术课程的教学内容必须要按照社会生产的实际情况来制定，再也不能只教一些学而无用的知识和已经落后的技术了。
本教材依据变频调速技术行业职业技能鉴定规范，力图反映变频调速技术的新技术和新产品，并采用项目式教学方法，以求更好地为高职教育服务。（1）变频调速技术与应用是一门专业技能性质的课程，既要有知识技术的基础性，又要有产品型号的先进性，所以在内容的安排上，除了包含变频调速技术的基础知识，还必须包含先进的变频调速技术与新产品，使变频调速技术与应用教材的内容跟上时代的发展步伐。（2）在教学内容上，以“必需”和“够用”为原则。对基本知识不做过于繁杂的理论讲解，重点放在现代变频调速技术的介绍和训练上；对先进的变频调速产品，重点放在进行设备的认识和操作上。（3）在实训内容的安排上，以项目为中心，以实际变频调速产品为载体，以单项技能训练为主，以便更好地配合教学的进度，并通过配套的技能训练项目来加强对学生技能的培养。
通过学习本课程，将使学生具备变频调速技术与应用的知识，掌握从事变频调速技术的基本技能，帮助学生掌握变频调速技术的现代化设备。
本教材既强调基础知识，又力求体现新知识、新技术、新产品，教学内容与国家职业技能鉴定规范相结合。在编写体例上采用新的形式，简洁的文字表述，加上大量的实物图片，直观明了。书中注重理论和实践的结合，为学生提供了有实用价值的技能技巧训练，相信会对提高学生的变频调速技术水平和开拓学生的视野有所帮助。本课程的教学时数为50学时，各项目的参考教学课时见下面的课时分配表
本书由辽宁机电职业技术学院马宏骞副教授任主编，李洪涛副教授、任晓彦实验师任副主编。其中项目1～6由马宏骞编写，项目7由李洪涛编写，项目8由任晓彦编写。对书后所列的参考书籍的各位作者，在此表示深深的感谢。由于编者水平有限，书中不妥之处在所难免，敬请兄弟院校的师生给予批评和指正。请您把对本书的建议告诉我们，以便修订时改进。所有意见和建议请寄往：E-mail：zkx2533420＠163.com。
编 者
2011年1月项目1 变频器基本认识1.1 学习要求
1.知识要求（1）了解变频技术，了解变频器在电动机调速及节能等方面的应用；（2）了解变频技术的发展过程及方向，掌握我国变频调速技术的发展状况；（3）了解变频器的外形结构、接线端子及操作面板。
2.技能要求（1）掌握变频器的外形结构，能熟练对其进行拆装操作；（2）熟悉变频器操作面板各按键，能详细说明按键功能；（3）熟悉变频器的接线端子，能熟练对其进行接线操作。1.2 学习资讯1.2.1 项目分析
20世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频技术的出现，使频率变为可以充分利用的资源。变频技术是一门能够将电信号的频率，按照具体电路的要求进行变换的应用型技术。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器作为变频技术的典型应用，引领了电气传动技术向交流无级化方向发展。随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的不断深入，特别是近几年来，大规模式集成电路32位数据处理器和矢量控制理论的应用，使变频器的性能得到了很大提高。目前，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，几乎都可采用交流调速传动。在电气传动领域内，以变频器应用技术为代表的交流调速传动已经成为电气传动的主流。1.2.2 变频技术概述
变频其实就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电。总之，在这些过程中电能都不发生变化，而只有频率发生变化。在现代化生产中，对变频的需求非常广泛，例如用于人造卫星、大型计算机等有特殊要求的电源设备，用于金属冶炼、感应加热及机械零件的淬火，用三相变频器产生频率、电压可调的三相变频电源，对三相感应电动机和同步电动机进行变频调速等。
1.我们要学些什么?
电力拖动诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，现已成为动力机械的主要拖动方式。很久以来，在不变速拖动系统或调速性能要求不高的场合中采用的是交流电动机；而在调速性能要求较高的系统中则主要采用的是直流电动机。从20世纪80年代末开始，随着电力电子器件及信息控制技术的发展，电气传动领域进行了一场重要的技术变革——对原来只用于恒速传动的交流电动机实现速度控制，而引发这一变革的导火索就是变频器。
因此，通过对本书的学习，希望学生了解变频技术及变频器，掌握变频器电路的工作原理、基本结构和控制技术，能够进行变频器安装、调试、参数设置、运行及日常维修维护，为进一步掌握电气自动化技术打下坚实的基础。
2.变频器的主要技术应用
变频器主要用于交流电动机的转速控制，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案。除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自20世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。（1）变频器与节能
变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在2009年的中国电力消耗中，60%～70%为动力电，而在总容量为6.3亿kW的电动机总容量中，只有不到3 700万kW的电动机是带变频控制的。因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。应用变频技术可以大大提高电动机转速的控制精度，使电动机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降，因此精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电动机一般按最大需求来选择电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率，因此变动负载的节能潜力巨大。（2）变频器与工艺控制
目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。（3）变频家用电器
除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等理念越来越受到关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等在节电、减小电压冲击、降低噪声、提高控制精度等方面有很大的优势。（4）企业技术升级改造
变频调速技术以其独有的显著优势，即节能、方便、易于构成自控系统等，使其在企业技术升级改造中，成为增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。变频调速技术的出现，使得交流无级调速系统结构简单、维护方便，逐渐取代直流和其他调速系统。变频器高达20%～60%的节电效果，极大地降低了生产成本，更有助于提高企业产品的竞争力，它被广泛应用于印刷、机械、塑料、制药、造纸、纺织、印染、食品、橡胶、油田、矿山等领域。
3.变频器的发展过程（1）电力电子器件是变频技术发展的基础
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。纵观变频技术的发展，其中主要是以电力电子器件发展为基础的。自20世纪60年代以来，电力电子器件由最初单一的半控型器件晶闸管，发展为全控型器件GTO、GTR、MOSFET、IGBT、IGCT，以及智能功率模块IPM，单个器件的电压和电流越来越大，工作速度越来越快，驱动功率和管耗越来越小。时至今日，电力电子器件已经历经了四代发展，而每一次器件的更新换代都促使变频技术进一步向前发展。（2）计算机技术是变频技术发展的支柱
随着计算机技术的发展，变频器内部的核心控制由CPU完成，最初是8位处理器，现在发展为16位处理器甚至32位处理器，这使变频器的功能也从单一的变频调速功能发展为包含算术、逻辑运算及智能控制的综合功能。（3）自动控制理论是变频技术发展的方向
自20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频调速研究引起了人们的高度重视。到20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题给人们带来了浓厚的兴趣，并得出诸多优化模式。20世纪80年代后半期，美、德、日、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。在改善压频比控制性能的同时，人们又推出了能实现矢量控制的模式。矢量控制是一种高性能的异步电动机控制方式，它从直流电动机的调速方法得到启发，利用现代计算机技术解决了大量的计算问题，从而使矢量控制方式得到了成功的实施。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，并以其新颖的控制思想、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。直接转矩控制的优点是它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转化成等效直流电动机，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。
随着自动控制理论的最新发展，针对变频器的模糊控制和自适应控制模式也已开始应用，这必将使变频器性能越来越好。
4.我国变频调速技术的发展状况
交流电动机变频调速技术以其优异的调速启动、制动性能，高效率、高功率和节电效果、广泛的适用范围及其他许多优点成为当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
在我国中长期技术发展纲要当中，变频调速技术领域已经被列为我国新兴高科技支柱产业，得到了国家高度重视，目前已经形成了一定规模。电气传动与变频调速技术的发展应用如表1-1所示。我国是一个发展中国家，许多产品的研发能力仍落后于发达国家，随着改革开放及经济的高速发展，变频调速产品形成了一个巨大的市场，国内许多合资公司开始生产当今国际上最先进的变频调速产品，基本上满足了国内生产和生活的需要，也为国内重大工程项目提供了一流的电气传动控制系统。虽然在这一领域，我国取得了很大成绩，但应看到由于国内自行研发的能力还较弱，对国外公司的依赖性仍较为严重。表1-1 我国电气传动与变频调速技术的发展简史
5.变频器发展方向
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的发展，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，为实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化及无公害化做着新的努力。这里仅以量大面广的通用变频器为例，阐述它的发展方向：（1）智能化和网络化
智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变流器联动，甚至是以工厂为单位形成变频器综合管理控制系统。（2）专门化和一体化
变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器，电梯专业变频器，起重机械专用变频器，张力控制专用变流器等。除此之外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。（3）环保无公害
保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。图1-1 变频器的使用图1-2 变频器的外形
总之，变频器的发展趋势是智能、操作简便、功能健全、安全可靠、环保低噪、低成本和小型化。1.2.3 变频器的结构
变频器的内部结构相当复杂，除了由电力电子器件组成的主电路外，还有以微处理器为核心的运算、检测、保护、隔离等控制电路。对大多数用户来说，变频器是作为整体设备使用的，因此，可以不必探究其内部电路的原理，但对变频器的基本结构有个了解还是必要的。
1.变频器的外形结构
在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0～400Hz）的三相交流电。如图1-1所示，变频器的输入端（R、S、T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U、V、W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。
变频器的应用场合众多，其外形结构也是多种多样，如图1-2所示。根据其功率的大小，从外形上看有盒式结构（0.75～37kW）和柜式结构（45～1500kW）两种。图1-3为富士FRN—G9S/P9S系列变频器基本接线图。图1-3 富士FRN—G9S/P9S系列变频器基本接线图图1-4 FRN—G9S/P9S系列变频器主电路接线端子
2.变频器主电路端子
图1-4为FRN—G9S/P9S系列变频器的主电路接线端子。对于不同容量的变频器，各端子的排列顺序可能有所不同，但各端子的功能是不变的。主电路输入/输出端子和连接端子的功能见表1-2。表1-2 主电路端子和连接端子的功能（1）主电路输入端子（R、S、T）
主电路输入端子在变频器的主端子排上的符号标记为“R、S、T”，它们是变频器的受电端，使用此端子应注意以下方面：
① 接电时应注意交流电源的电压等级，但连接时可以无须考虑相序。
② 不要将三相变频器的输入端子（R、S、T）连接至单相电源。
工程经验
1）在主电路中，变频器最好通过一个交流接触器再接至交流电源，以防发生故障时扩大事故或损坏变频器。
2）不要用主电源开关的接通和断开来启动和停止变频器，应使用控制电路端子FWD/REV或控制板面上的RUN/STOP键来启动和停止变频器。（2）主电路输出端子（U、V、W）
主电路输出端子在变频器的主端子排上的符号标记为“U、V、W”，它们是变频器负载的接入端，使用此端子应注意以下方面：
① 为确保运行安全，变频器必须可靠接地。
② 变频器的输出端子不要连接至单相电源，不允许连接到电力电容器上。
工程经验
1）变频器主电路的输出端子（U、V、W）要按正确相序连接至三相电动机。如果出现运行命令和电动机的旋转方向不一致的情况时，可在U、V、W三相中任意更改两相接线，或将控制电路端子FWD/REV更换一下。
2）变频器主电路的输入端和输出端是绝对不允许接错的。万一将电源进线错误地接到了U、V、W端，则必然引起其内部两相间的短路而损坏变频器。（3）DC端子P1、P（+）
这两个端子用于连接改善功率因数DC电抗器选件。当不用DC电抗器时，请将P1和P（+）牢固连接。（4）外部制动电阻端子P（+）、DB
额定容量比较小的变频器有内装的制动单元和制动电阻，故才有DB端子。如果内装的制动电阻的容量不够，则需要将较大容量的外部制动电阻选件连接至P（+）、DB。（5）制动单元和制动电阻端子P（+）、N（-）
7.5kW或更大功率的变频器没有内装制动电阻。为了增加制动能力，必须外接制动单元选件。制动单元接于P（+）和N（-）端，制动电阻接于P（+）和DB端。制动单元与制动电阻间，若采用双绞线，其间距应小于10m。（6）接地端子E
为了安全和减小噪声，接地端子必须单独可靠接地，接地电阻小于1Ω，而且接地导线应尽量粗，距离应尽量短。
当变频器和其他设备或有多台变频器一起接地时，每台设备都必须分别和地线相接，如图1-5（a）、（b）所示，不允许将一台设备的接地端和另一台的接地端相接后再接地，如图1-5（c）所示。
图1-5 变频器的接地方式
工程经验
夏天有很多变频器被雷电光顾，损坏严重，大多主板也坏掉，会被雷电光顾的变频器多数是没接地或接地不良。当你看到维修报价单时才知道地线的重要性！检查地线接地是否良好也很简单，用一个100W/220V的灯泡接到相线与地线试一下，看其亮度就可以知道。
案例剖析
案 情 变频器因接线问题“炸机”。
问题描述
广东东莞某胶带厂用户反映，一台TD1000—4T0015G变频器，在使用一段时间后，运行时突然“炸机”。协调深圳一代理商做联保处理，更换备机一台，在运行了10h后变频器又“炸机”。
问题处理
① 现场检查发现，变频器外部输入交流接触器有一相螺钉松动，拆下后发现螺钉已烧糊，与之连接的变频器输入电源线接头已烧断，且所有电源线无接线“鼻子”（压接端子）；测量发现变频器内部模块整流桥部分参与工作的两相二极管上下桥臂均开路。图1-6 富士FRN—G9S/P9S系列变频器的控制端子
② 更换变频器外部输入电源线及接触器螺钉，重新紧固输入进线端的所有接点，更换变频器备机一台后恢复正常。
案例分析
① 由于接触器螺钉松动导致变频器只有两相输入，即变频器的三相整流桥仅两相工作，在正常负载情况下，参与工作的四个整流二极管上的电流比正常时的大70%多，整流桥因过流导致几小时后PN结温度过高损坏。
② 建议用户使用时注意接线规范并定期维护，代理商去现场处理问题时也应仔细检查相关电路、找出故障原因，不要只是更换变频器完事。
3.变频器的控制电路端子
富士FRN—G9S/P9S系列变频器的控制端子如图1-6所示，表1-3为该系列变频器控制电路端子的功能说明。变频器的控制端子分为五部分：频率输入端子、控制信号输入端子、控制信号输出端子、输出信号显示端子和无源触点端子。表1-3 FRN—G9S/P9S系列变频器控制电路端子的功能说明（续）图1-7 输出信号时的接线图（1）频率输入端子
① 11、12、13：这三个端子接电位计进行频率的外部设定。13为正电源端+10V，12为中间滑动端，11为电压设定和电流设定的公共端。
② V1：电压输入信号0～10V，进行频率的外部给定。
③ C1：电流输入信号4～20mA，进行频率的外部给定。（2）控制信号输入端子
① COM：公共端，它是所有开关量输入信号的参考点。
② FWD、REV：输入正反转运行命令。当FWD-COM闭合时，为正转命令；当REV-COM闭合时，为反转命令。如果FWD-COM和REV-COM同时闭合，则减速停止。
③ THR：外部报警输入端。当电动机过载或制动电阻过热时，可使其报警信号输入到该端子，让变频器停止工作。THR-COM为常闭触点。
④ BX：自由停车命令。当BX-COM闭合时，电动机自由停车。
⑤ X1、X2、X3、X4、X5：这五个输入端子的公共端均是COM，例如，当X1-COM闭合时则X1为有效，断开时为无效。这些端子有多种形式的有效组合，可完成多挡转速控制的功能。（3）控制信号输出端子
控制信号输出端子共有五个：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5。它们均为集电极开路输出端，CME为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5的公共端。图1-7为输出信号时的接线图，每个端子输出的信号可自由设定。（4）输出信号显示端子
① FMA：模拟信号输出端子。可通过功能码46设定输出信号，输出DC 0～10V电压信号、输出频率、输出电流、输出转矩和负载率。该输出信号可用于显示或用于驱动其他设备。一般情况下应将FMA端子的输出信号种类设定为频率输出。
② FMP：脉冲频率触点。脉冲频率（≤6kHz）=变频器输出频率·脉冲倍率（6～100）。FMP-COM闭合时，该输出信号可用于显示或用于驱动其他设备。图1-8 报警继电器内部结构（5）无源触点端子
① 30A、30B、30C：故障报警继电器输出端子。当变频器保护功能动作时，输出继电器触点动作，发出报警信号。变频器正常时，触点信号如图1-8（a）所示；故障报警时，触点信号如图1-8（b）所示，触点容量为250V/0.3A。
② AX1、AX2：电源侧接触器断开指令触点。在主电源的输入部分中设有接触器时，可利用无源触点AX1和AX2的输出信号，断开该接触器。触点容量为250V/0.3A。22kW以下的变频器无此端子。
操作提示
1）变频器出厂时，FWD-COM已连接短路片。在面板操作方式下，通电后只要按动触摸面板上的RUN键，变频器即正转运行，按动STOP键即停止运行。
2）变频器出厂时，外部报警输入端子THR-COM间已连接短路片，使用时应先卸下短路片，再与外部设备异常接点串接。如没有此接点，就不要卸下短路片。
4.变频器的面板
变频器的面板主要包括数据显示屏和键盘。面板根据变频器品牌的不同而千差万别，但是它们的基本功能相同。主要功能有以下几个方面：显示频率、电流、电压等；设定操作模式、操作命令、功能码；读取变频器运行信息和故障报警信息；监视变频器运行；变频器运行参数的设置；故障报警状态的复位。图1-9是富士电机公司FRN—G9S/P9S系列变频器的面板。面板上的各部分名称及功能简介如下：
① 功能指示 当按下运行键RUN或停止键STOP时，该指示灯被点亮。
② LED数字监视器 正常模式时，显示当前的频率值、电流值、电压值、转速值等。当变频器保护动作停止运行时，显示故障报警代码。
③ 单位显示 显示左侧LED数据的计量单位。当LED显示故障报警代码时，单位显示全灭。
④ LCD监视器 LCD监视器主要用于设定运行监视画面、选择功能码、改变数据设定值。⑤ 运行指示 当变频器运行时，该指示灯被点亮。⑥ 编程键PRG 编程设定模式的选择键。图1-9 富士电机公司FRN—G9S/P9S系列变频器的面板
⑦ 移位键>>该键在数据设定模式时，用于移动要设定数据的光标。在运行模式、数据监视模式和报警模式时，用于选择LED/LCD的显示数据或画面。
⑧ 复位键RESET 该键可使数据设定复位和使故障报警状态复位。
⑨ 增/减键∧/∨ 在运行模式时，用于增加/减小频率；在数据设定时，用于选择功能码和增大/减小数据值。
⑩ 功能/数据键FUNC/DATA 用于选择数据设定和写入设定好的数据。
运行键RUN 此键用于启动操作。当变频器功能码F01选择1时，该键不起作用。
停止键STOP 此键用于停止操作。当变频器功能码F01选择1时，该键不起作用。1.3 项目实训实训1 变频器基本认识
1.实训目标（1）认识变频器的外形结构；图1-10 变频器铭牌（2）掌握变频器面板和盖板的拆装方法；（3）认识变频器的主控电路端子；（4）了解变频器操作面板各按键的意义。
2.实训器材（1）《变频器安装使用手册》，每组一本；（2）变频器，每组一台；（3）十字螺丝旋具和一字螺丝旋具，每组各一把。
3.实训步骤（1）变频器的外形结构认识
① 观察变频器铭牌
变频器铭牌如图1-10所示，认真观察并记录铭牌上的有关信息，包括品牌型号、出厂编号、容量、输入电压电流、输入电源相数、输出电压电流、频率调节范围等。
相关要求：整理变频器铭牌记录并填写变频器铭牌记录表。变频器铭牌记录表
② 观察变频器外部组成及特征
本次实训所使用的变频器外形如图1-11所示。从外观上来看，变频器的整体外形采用了全封闭式结构，接线端子不外露，安全性好，但不利于散热。
相关要求：画出变频器外形结构图，并用文字对重点部位的名称进行标注。图1-11 变频器外形图图1-12 封闭式变频器的结构拆分图（2）变频器操作面板和盖板的拆装
不同型号变频器的操作面板和盖板的拆装方法不同，应在教师指导下按《变频器安装使用手册》要求进行操作。图1-12所示为封闭式变频器的结构拆分图。
相关要求：记录变频器拆装的顺序及各部分名称。图1-13 变频器外部电路端子（3）变频器外部电路端子的识别
拆开变频器盖板，如图1-13所示，对照《变频器安装使用手册》，根据外部电路端子形态结构区分主、控电路端子，识别外部电路每个端子的符号标记。
相关要求：根据外部电路端子特征及分布，分别画出主、控电路端子排列图。（4）观察变频器的操作面板
根据变频器操作面板的结构，认真观察各功能区域，记录其外部特征及各个功能按键的符号。
相关要求：画出操作面板的平面图并用文字进行功能标注。
4.针对实训现象、探讨工程实践
问题情境：在观察变频器铭牌时，同学们会发现这样一条文字信息：“OUTPUT 2.8kVA 3.7A 0.2～400Hz”。
趣味问题：由铭牌上的文字信息得知，变频器输出频率的调节范围是0.2～400Hz，那么在0.2Hz以下变频器就没有输出功率吗?
趣味答案：
现场演示：由指导教师给变频器上电并进行操作，将变频器的输出频率慢慢调整到0.15Hz，观察变频器的屏显数据及负载电动机的运行状态，结果无异常情况出现。
讨论结果：变频器输出频率在0.2Hz以下时仍然可输出功率，但根据电动机温升和启动转矩的大小等条件，最低使用频率取0.2Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。
5.实训考核方法
该项目采取单人逐项考核方法，教师（或已经考核优秀的学生）对每个同学都要进行以下5项考核。
① 能否准确描述实训变频器的外部特征；
② 能否准确读取变频器的铭牌信息；
③ 能否辨识变频器外部电路端子，能否画出变频器端子排列图；
④ 能否理解变频器面板屏显的含义；
⑤ 能否理解变频器功能按键的含义。
6.项目实训报告
项目实训报告内容应包括项目实训目标、项目实训器材、项目实训步骤、变频器铭牌记录、外部特征观察记录、外部端子排列图、面板上功能按键的数量及分布。1.4 网上学习
网上学习是培养学生学习能力、创新能力的一种新形式，也是学生获取和扩大专业学习资讯的一种重要途径。学习时间在课外由学生自己灵活掌握，但学习内容和范围则由老师给出要求或建议。
1.学习课题（1）我国目前大的变频器生产厂商有哪些?这些生产厂商生产的变频器系列代号、商标分别是什么?（2）我国变频器的自主品牌有哪些?它们生产的变频器有何特点?（3）上网查找变频器的外形图片，下载5～10张有代表性的照片用于同学间学习交流。（4）上网查找西门子、GE、ABB、丹弗斯、台达、森兰等品牌变频器的《产品使用手册》，观察它们的外接端子结构和操作面板，找出它们的异同点。（5）上网查找变频技术及变频器发展的最新信息。（6）进入并参与网上“变频器论坛”，增强对变频器的感性认识。
2.学习要求（1）在学习中要认真做好学习记录，记录可以是纸介质形式也可以是电子文档形式。记录的内容应包括学习课题中的相关问题答案、搜索网址、多媒体资料等。（2）每人写出500字以内的学习总结或提纲。（3）学习资讯交流。在每次课前，开展“我知、我会”小交流，挑选有学习“成果”、有代表性的同学进行发言。项目2 变频器键盘操作2.1 学习要求
1.知识要求（1）熟悉变频器的基本构成及工作原理。（2）掌握变频器的额定值及与频率有关的参数。（3）熟悉SPWM控制原理及逆变电路的控制方式。
2.技能要求（1）能对交-直-交变频器主电路进行工作分析。（2）能对SPWM逆变电路原理及控制方式进行分析。（3）能熟练地进行变频器面板操作。2.2 学习资讯2.2.1 项目分析
从20世纪80年代初开始，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，变频技术得到迅猛发展，变频器经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大的发展过程，使通用变频器实现了商品化。了解和掌握变频器的一些基础知识，对正确使用变频器至关重要，这样才能保证变频器的正常工作，发挥变频器的最大作用。图2-1 变频器的基本构成2.2.2 变频器的工作原理
1.变频器的基本构成
通用变频器的基本构成如图2-1所示，主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。（1）整流器
电网侧的变流器Ⅰ为整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流电整流成直流电。（2）逆变器
负载侧的变流器Ⅱ为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成三相桥式逆变电路。只要有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，就可以得到任意频率的三相交流电输出。（3）中间直流环节
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电制动状态，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，所以又称中间直流环节为中间直流储能环节。（4）控制电路
控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入/输出电路和驱动电路等构成。其主要任务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等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，尽可能简化硬件电路，主要依靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的控制。图2-2 变-直-交变频器主电路
2.交-直-交变频器的主电路分析
通用变频器主电路一般都采用交-直-交形式，主电路如图2-2所示，具体分析如下。（1）整流部分
整流器是变频器中用来将交流电变成直流电的部分，它可以由整流单元、滤波电路、开启电路、吸收电路组成。
① 整流单元（VD～VD）16
图中的整流单元是由VD～VD组成三相整流桥，它们将工频16380V的三相交流电全波整流成直流电，直流平均电压可用下式表示：
式中 U——电源的线电压。L
② 滤波电容器（C）F
滤波电容器C作用是滤平全波整流后的电压纹波，当负载变化F时，使直流电压保持平稳。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如图2-2中的C和C。因为电解电容的电容量有较大的F1F2离散性，故电容器组C和C的电容量常不能完全相等，这将使它F1F2们承受的电压U和U不相等。为了使U和U相等，在C和CD1D2D1D2F1F2旁各并联一个阻值相等的均压电阻R和R。12
③ 开启电流吸收回路（R、S）LL
当变频器刚接通电源的瞬间，滤波电容器C的充电电流是很大F的。过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻R，其作用是将电L容器C的充电电流限制在允许范围内。F
开关S的作用：当C充电到一定程度时，令S接通，将R短LFLL路。在许多新系列的变频器中，S已由晶闸管代替，如图2-2中虚线L所示。
④ 电源指示HL
H除了指示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即L在变频器切断电源后，指示滤波电容器C上的电荷是否已经释放完F毕。
注意事项
由于C的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的F状态下进行，所以C没有快速放电回路，其放电时间往往长达数分F钟。又由于C上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。F故在维修变频器时，必须等H完全熄灭后才能接触变频器内部的导L电部分。（2）直-交部分
逆变部分的基本作用是将直流电变成交流电，是变频器的核心部分。
① 逆变桥
图2-2中，由逆变管VT～VT组成了三相逆变桥，把VD～VD1616整流所得的直流电再“逆变”成频率、幅值都可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。当前常用的逆变管有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力晶体管（GTR）、门极关断晶闸管（GTO）及电力MOS场效应晶体管（MOSFET）等。
② 续流二极管VD～VD712
续流二极管VD～VD主要功能有：712
●电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。VD～VD712为无功电流返回直流电源提供“通道”。
●当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD～VD整流后返回给直流电路。712
●VT～VT进行逆变的基本工作过程是同一桥臂的两个逆变管处16于不停地交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要VD～VD提供通路。712
③ 缓冲电路
不同型号的变频器，缓冲电路的结构也不尽相同，图2-2中的缓冲电路是比较典型的一种。它由C～C，R～R及VD～VD010601060106构成，其功能如下：
●逆变管VT～VT每次由导通状态切换截止状态的关断瞬间，集16电极和发射极间的电压U由近乎0V迅速上升至直流电压值U，这CED过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C～C的功能是0106降低VT～VT在每次关断时的电压增长率。VT～VT每次由截止状1616态切换为导通状态的瞬间，C～C上所充的电压将向VT～VT放010616电，此放电电流的初始值是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致VT～VT损坏。因此电路中增加了R～R，其功能是限制逆变管160106在接通瞬间C～C的放电电流。0106图2-3 三相逆变桥的工作原理图
●R～R的接入又会影响C～C在VT～VT关断时降低电压0106010616增长率的效果。在电路中将VD～VD接入后，使VT～VT的关断010616过程中R～R不起作用；而在VT～VT的接通过程中，又迫使C01061601～C的放电电流流经R～R。这样就可以避免R～R的接入对0601060106C～C工作的影响。0106（3）制动电阻和制动单元
① 制动电阻RB
电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压U不断上升，甚至可能达D到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使UD保持在允许范围内。制动电阻R就是用来消耗这部分能量的。B
② 制动单元VB
制动单元V由GTR或IGBT及驱动电路构成。其功能是为放电电B流I流经R提供通路。BB
3.逆变器的基本工作原理（1）逆变器结构
逆变器通常采用三相逆变桥结构，如图2-3（a）所示。各管的信号输入旁端，画出了各自的控制信号。A、B为直流电源端，U、V、W为逆变桥的输出端。在每个周期中，各逆变管的工作情况如图2-3（b）所示。图中，阴影部分为各逆变管的导通时间。图2-4 三相逆变桥的输出电压波形（2）逆变桥的输出线电压
① U、V之间（u）UV
●在t、t时间内，VT、VT同时导通，U为“+”、V为“-”，1214u为“+”，U=U。UVmD
●在t、t时间内，VT、VT同时导通，U为“-”、V为“+”，4523u为“-”，U=U。UVmD
② V、W之间（u）VW
●在t、t时间内，VT、VT同时导通，V为“+”、W为“-”，3436u为“+”，U=U。VWmD
●在t、t时间内，VT、VT同时导通，V为“-”、W为“+”，6145u为“-”，U=U。VWmD
③ W、U之间（u）VW
●在t、t时间内，VT、VT同时导通，W为“+”、U为“-”，5652u为“+”，U=U。WUmD
●在t、t时间内，VT、VT同时导通，W为“-”、U为“+”，2316u为“-”，U=U。WUmD
u、u、u的波形如图2-4所示。由图可知，三者之间的相UVVWVW位互差2π/3，它们的振幅值都与直流电压U相等。可见，只要按照D一定的规律来控制六个逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。而逆变后的电流频率，则可以在上述导通规律不变的前提下，通过改变控制信号的变化周期来进行调节。图2-5 GTO基本电路
工作心得
从变频器的硬件可初步判断其性能。很多人搞不清变频器价格为什么差别这么大，就是同一个牌子也有各个型号，价格差别也很大，其中硬件的差别是一个主要的原因，价格低的变频器其模块性能相应较差，电容量也相应较小，主板、驱动板电路简单，保护功能少，变频器容易坏！对于一些运行平稳、负载轻、简单调速的电动机，用那些材料缩水的变频器倒没关系；如果是用在负载重、速度变化快、经常急刹车的电动机，那你最好就不要贪便宜，否则得不偿失。
4.变频器中的半导体开关器件
经上述分析得知，逆变电路的工作是在逆变管高频率的通断下完成的。如果输出的交流电频率为50Hz，逆变管则需要每1ms通断一次。如此高的通断速度，普通的开关器件是不能胜任的。随着电力电子技术的发展，大功率晶体管开关器件的不断推陈出新，才使得逆变电路具有实用意义，这也是为什么直到现在变频器才得以推广应用的原因。电力电子开关器件的发展经历了以下几个阶段。（1）门极可关断晶闸管（GTO）
电路如图2-5所示，门极可关断晶闸管是在普通晶闸管SCR的基础上发展而来的。从结构上来说它有三个极：阳极（A）、阴极（K）、门极（G）。其工作特点是：它是通过门极信号进行接通和关断的晶闸管，其工作特点如下：
① 导通条件
在门极和阴极之间加一正向电压，即G（+）、K（-），GTO导通。
② 关断条件
在门极和阴极之间加一反向电压，即G（-）、K（+），GTO关断。
GTO可以方便地通断，是一种无触点开关，它是逆变电路中的主要开关元件，但是GTO的关断需极大的反向脉冲，控制容易失败，工作频率也不够高，所以GTO晶闸管在中小容量变频器中已经被新型的大功率晶体管GTR所取代，但在大容量变频器中，GTO以其工作电流大、耐压高的特性，仍得到普遍应用。（2）大功率晶体管（GTR）
① 结构
GTR属于大功率晶体管，GTR也像普通的晶体管一样，有三个极，分别是基极（B）、发射极（E）、集电极（C）。它在结构上常采用达林顿结构的形式，由多个晶体管复合组成大功率的晶体管，同时还可将反向续流二极管与GTR组成一个模块，如图2-6所示。图2-6 GTR的模块内部结构
② GTR的工作特征
和普通的晶体管一样，GTR也有三种工作状态，即放大、饱和、截止，在电力电子的应用领域中，GTR主要工作在开关状态，即饱和和截止状态。
由于GTR工作在大功率电路中，因此管子的消耗是一个不容忽视的问题，GTR在截止和饱和状态时功耗是很小的，但是在放大状态其功耗将增大百倍，因此，逆变电路中的GTR在交替切换的过程中是不允许在放大区稍做停留的。GTR具有自关断能力及开关时间短、饱和压降低、安全工作区宽等特点，广泛用于交流调速、变频电源中。在中小容量的变频器中，曾一度占据了主导地位。GTR所需的驱动功率较大，故基极驱动系统较复杂，从而使得工作频率难以提高，这是GTR存在的不足之处。（3）功率场效应晶体管（MOSFET）
MOSFET与场效应晶体管一样也是有三个极，分别是源极S、漏极D和栅极G，管子的连接及工作特性也基本与场效应晶体管一样。MOSFET是一个电压控制型器件，所需的驱动功率较小，使用方便，开关频率比较高。其缺点是击穿电压及工作电流都不是特别大，所以应用不是特别广泛。（4）绝缘栅双极晶体管（IGBT）
IGBT是一种结合了大功率晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET两者特点的复合型器件，它有三个极：集电极（C）、发射极（E）、栅极（G），如图2-7所示。控制信号为u，输入阻抗很高，GEI≈0，它既有MOS器件的工作速度快、驱动功率小的特点，又具备G了大功率晶体管的电流大、导通压降低的优点。图2-7 IGBT的基本电路
由于IGBT性能优良，已全面取代了功率晶体管而成为中小容量电力变流装置中的主力器件，并广泛应用于交流变频调速、开关电源及其他设备中。同时IGBT的单管容量也不断提高，并开始进入中大容量的电力变流装置中，目前单管IGBT的各项指标参数提高很快，
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]