作者：李方园,黄培
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
变频器控制技术(第2版)试读：
全国高等职业教育应用型人才培养规划教材
变频器控制技术（第2版）
CIP号：第273422号
ISBN：978-7-121-24817-7
中图分类：TN773
关键词：变频器-高等职业教育-教材
北京,2015/01,电子工业出版社
版次：2
印次：1
价格：35.00
印数：3000册
印张：14.5
字数：371.2
开本：787×1092 1/16
语种：中文摘要
本书从自动化类变频器方向的岗位出发，按照项目导向、任务驱动的原则共设置了5个项目，包括物料分拣输送带的变频控制、化工厂泵与搅拌机的变频控制、中央空调风机的变频节能PID控制、数控车床主轴的开环矢量控制和变频器的故障诊断与维护，对各个项目进行逐个剖析，由浅入深，从知识讲座到技能训练，从综合解决方案到技术答疑，把变频器几乎所有的功能都一一应用进去。
本书透彻地阐述了变频器的基本工作原理、应用方案和维护技巧，并以三菱最新A700为例，设置了一个个可以操作的环节和项目。同时本书考虑到高职内尚有一定的A500/E500系列三菱变频器教仪设备，以附录的形式进行了对比操作。
本书可作为高职高专电气自动化、机电一体化、楼宇智能化等专业的项目化教材，也可作为广大电工技术爱好者、求职者、下岗再就业者、职业培训人员的教材。李方园，黄培 主编王昭松 责任编辑王昭松 其他贡献者第2版前言
随着电力电子技术、计算机技术及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场历史性的革命。经过近半个世纪的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。而异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的是变频调速系统，因此，对变频调速的理论研究与工程应用是当前电气传动研究中最活跃、最有实际应用价值的工作，变频器产业的潜力非常巨大。
正是基于行业的需求，目前高职高专的电气自动化、机电一体化和楼宇智能化专业都将“变频器控制技术”列为必学课程之一。本书从自动化类变频器方向的岗位出发，按照项目导向、任务驱动的原则共设置了5个项目，包括物料分拣输送带的变频控制、化工厂泵与搅拌机的变频控制、中央空调风机的变频节能PID控制、数控车床主轴的开环矢量控制和变频器的故障诊断与维护，对各个项目进行逐个剖析，由浅入深，从知识讲座到技能训练，从综合解决方案到技术答疑，把变频器几乎所有的功能都一一应用进去。
全书共分5个项目。项目1以物料分拣输送带为载体，介绍了变频调速的基本原理及其优点、恒压频比工作方式、变频器的电路基本结构。项目2以化工厂泵与搅拌机为载体，介绍了变频器多功能输入/输出端子、V/f曲线设置、频率给定方式、运转指令方式、启动制动方式。项目3以中央空调风机为载体，介绍了PID的控制原理与实现过程、变频器PID的参数设置、变频节能计算方法。项目4以数控车床为载体，详细介绍了开环矢量控制下的感应电动机、变频器、控制系统的接线方法以及变频器开环矢量控制的参数设置。项目5从变频器的故障案例中逐步找到了变频器维护的基本方式和解决途径，并对常见的过压、过流、过载、过热故障等进行详细的分析和讲解。
本书由浙江工商职业技术学院的李方园和江苏建筑职业技术学院的黄培任主编，其中，李方园编写了项目1、项目3、项目4和附录部分，黄培编写了项目2和项目5。本教材得到了三菱电机自动化（上海）有限公司、APP（中国）有限公司、常州米高电子科技有限公司、宁波钢铁有限公司相关人员的帮助，他们提供了相当多的典型案例和维护经验。在编写过程中作者参考和引用了国内外许多专家、学者最新发表的论文和著作等资料，另外，陈亚玲、叶明、陈贤富、沈阿宝、陈亚珠、李伟庄、章富科、方定桂、刘军毅、戴琴、王永行、刘伟红等参与了资料整理、文字录入和校对工作，编者在此一并致谢。
编 者
2014年10月基础篇项目1 物料分拣输送带的变频控制
变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案。变频调速以其自身所具有的调速范围广、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发挥着提高产品质量和生产效率的作用。除此之外，变频器还有显著的节能效果，在工业设备和民用产品中，体现了节约电费、提高设备性能、保护环境等优势，因而得到用户的普遍认可和广泛应用。本项目通过物流分拣输送带的变频控制方案来学习变频器的最简单应用。
本项目的学习目标如下：
知识目标
了解交流电动机的调速方式；熟悉变频调速的基本原理及其优点；掌握恒压频比工作方式及其特点；掌握变频器的电路基本结构。
技能目标
能对三菱A700变频器进行简单接线；能熟练掌握A700参数的初始化过程；能进行变频器的简单调试，并运用不同的运行模式来解决简单变频调速项目。
职业素养目标
树立安全用电意识，并能从调速系统发展轨迹的角度看待变频器在实际工程中的应用背景。1.1 项目背景及要求1.1.1 项目背景
物料分拣输送带是现代物流系统的重要组成部分，通过变频器来控制输送带电动机，可以使物料分拣系统方便地进行系统集成，因此已经成为目前物流行业控制系统发展的趋势。如图1.1所示为物料分拣输送带与物料分拣过程示意。图1.1 物料分拣输送带与物料分拣过程示意
以前物料输送带设备调速基本都采用手动机械式有级变速（如更换皮带轮大小或齿轮箱变速比等），非常不方便。而作为交流调速最重要的驱动装置——变频器来说，其优点已经在物料输送设备中发挥着越来越重要的作用。例如，变频调速启动大都从低速开始，频率较低，这样可以避免物料因惯性而倒下；加、减速时间可以任意设定，加、减速比较平缓，启动电流较小，因此可以进行较高频率的启停；变频调速很容易实现电动机的正、反转，只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。1.1.2 控制要求
现在要求对该物料分拣输送带采用交流变频控制，已知输送带采用三相鼠笼式异步电动机1.5kW，三相交流380V，请设计合理的控制方案。具体要求如下。（1）变频器直接安装在现场，以方便控制，但是该现场安装地振动比较大；（2）能进行正转与反转控制，且用操作台上的按钮进行控制，不用变频器的操作面板；（3）速度设定来自于用户自己安装的多圈电位器；（4）根据工艺要求设置输送的加速度和最快速度。1.2 知识讲座：变频器原理及基本应用1.2.1 交流异步电动机和同步电动机的调速
1.异步电动机
三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。三相电源相与相之间的电压在相位上相差120°，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120°，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1.2所示。图1.2中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。
旋转磁场的转速为
式中，f为电源频率，P是磁场的磁极对数，n的单位是转/分（r/min）。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关。图1.2 三相异步电动机原理
定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n的1转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n低于旋转磁场的转1速n。这是因为，假设n=n，则转子导条与旋转磁场没有相对运动，1此时不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n必1然小于n。为此将这种结构的三相电动机称为异步电动机。
2.同步电动机
同步电动机和其他类型的旋转电动机一样，由固定的定子和可旋转的转子两部分组成。一般分为转场式同步电动机和转枢式同步电动机。
图1.3给出了最常用的转场式同步电动机的结构模型，其定子铁芯的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。图1.3中，AX、BY、CZ三个在空间错开120°电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。这种同步电动机的定子又称为电枢，定子铁芯和绕组又称为电枢铁芯和电枢绕组。转子铁芯上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电动机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电动机内部磁场的分布和同步电动机的性能有重要影响。图1.3 转场式同步电动机的结构模型
转枢式同步电动机的磁极安装在定子上，交流绕组分布于转子表面的槽内，用转子充当电枢。
3.交流电动机的调速
交流电动机比直流电动机经济耐用，已被广泛应用于各行各业，是一种量大面广的传统产品。在实际应用场合，往往要求电动机能随意调节转速，以便获得满意的使用效果，但交流电动机在这方面比起直流电动机就要逊色得多，于是不得不借助其他手段达到调速目的。
根据感应电动机的转速特性表达式可知，它的调速方式有三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节，从而出现了目前常用的几种调速方法，包括变极调速、调压调速、电磁调速、变频调速、液力耦合器调速、齿轮调速等，如图1.4所示。
基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电动机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。
属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效调速方式的主要有滑差调速（包括电磁离合器调速、液力耦合器调速、液粘离合器调速）、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力耦合器调速和液粘离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。变极调速和滑差调速方式适用于笼型异步电动机，串级调速和转子串电阻调速方式适用于绕线型异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于笼型，也适用于绕线型异步电动机。变频调速和机械调速还可用于同步电动机。图1.4 交流电动机主要调速方式分类
液力耦合器调速技术属于机械调速范畴，它将匹配合适的调速型液力耦合器安装在常规的交流电动机和负载（风机、水泵或压缩机）之间，从电动机输入转速，通过耦合器工作腔中高速循环流动的液体向负载传递力矩和输出转速。只要改变工作腔中液体的充满程度即可调节输出转速。
液粘离合器调速是指利用液粘离合器作为功率传递装置完成转速调节的调速方式，属于机械调速。液粘离合器是利用两组摩擦片之间接触来传递功率的一种机械设备，如同液力耦合器一样安装在笼型感应电动机与工作机械之间，在电动机低速运行的情况下，利用两组摩擦片之间摩擦力的变化无级地调节工作机械的转速，由于它存在转差损耗，是一种低效调速方式。1.2.2 不同调速方式的工作原理
1.异步电动机的变极调速
变极调速技术是通过变极多速异步电动机实现调速的。这种多速电动机大都为笼型转子电动机，其结构与基本系列异步电动机相似，现国内生产的有双、三、四速等几类。
变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数p是整数，因此它不能实现平滑调速，只能实现有级调速。在供电频率f=50Hz、p=1、2、3、4时，相应的同步转速n=3000、1500、01000、750r/min。改变极对数是通过改变定子绕组的接线方式来完成的（见图1.5），图1.5（a）中p=2，图1.5（b）、（c）中p=1。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。
多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制线路很简单，容易维护，对电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。它适合于按2～4挡固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。图1.5 定子绕组改变极对数示意图
2.电磁调速
电磁调速技术是通过电磁调速电动机实现调速的技术。电磁调速电动机（又称为滑差电动机）由三相异步电动机、电磁转差离合器和测速发电机组成，三相异步电动机作为原动机工作。该技术是传统的交流调速技术之一，适用于容量在0.55～630kW范围内的风机、水泵或压缩机。
电磁离合器调速是由笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称为滑差电动机，属于低效调速方式。电磁调速电动机的调速系统主要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源三个部分组成（见图1.6），直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。它以笼型电动机作为原动机，带动与其同轴连接的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通。离合器的主动部分为电枢，从动部分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁芯和励磁绕组构成，绕组与部分铁芯固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过滑环而直接由直流电源供电。当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。
电磁离合器的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰，它可以空载启动，对需要重载启动的负载可获得容量效益，提高电动机运行负载率。缺点是高速区调速特性软，不能全速运行；低速区调速效率比较低。它适用于调速范围适中的中小容量电动机。
3.串级调速
串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是电动机串级调速系统。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成的。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电动机串级调速电路把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电动机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电动机，使系统复杂化，因此应用不多。电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。图1.6 电磁调速示意图
串级调速的主要优点是调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大。缺点是对电网干扰大，调速范围窄，功率因数也比较低，与转子串电阻相比，主要是它的效率优势。
4.定子调压调速
定子调压调速用改变定子电压实现调速的方法来改变电动机的转速，调速过程中它的转差功率以发热形式损耗在转子绕组中，属于低效调速方式。由于电磁转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电动机的机械特性，与某一负载特性相匹配就可以稳定在不同的转速上，从而实现调速功能。供电电源的电压是固定的，它用调压器来获得可调压的交流电源。传统的调压器有饱和电抗器式调压器、自耦变压器式调压器和感应式调压器，主要用于笼型感应电动机的减压启动，以减小启动电流。晶闸管是交流调压调速的主要形式，它利用改变定子侧三相反并联晶闸管的移相角来调节转速，可以做到无级调速。
调压调速的主要优点是控制设备比较简单，可无级调速，初始投资低，使用维护比较方便，可以兼做鼠笼机的降压启动设备。缺点是调速效率比较低，低速运行调速效率更低；调速范围窄，只有对风机和泵类工作机械调速才可以获得较宽的调速范围并减少转差损耗；调速特性比较软，调速精度差；对电网干扰也大。它适用于调速范围要求不宽，较长时间在高速区运行的中小容量的异步电动机。
5.转子串电阻调速
转子串电阻调速是通过改变绕线型感应电动机转子串接附加外接电阻从而改变转子电流使转速改变的方式进行调速的（见图1.7），为减少电刷的磨损，中等容量以上的绕线型感应电动机还设有提刷装置。当电动机启动时接入外接电阻以减小启动电流，不需要调速时移动手柄，可提起电刷与集电滑环脱离接触，同时使三个集电滑环彼此短接起来。
串电阻调速的优点是技术成熟，控制方法简单，维护方便，初始投资低，对电网无干扰。缺点是转差损耗大，调速效率低；调速特性软，动态响应速度慢；外接附加电阻不易做到无级调速，调速平滑性差。它适合于调速范围不太大和调速特性要求不高的场合。
6.变频调速
变频调速是通过改变异步电动机供电电源的频率f来实现无级调速的，其原理如图1.8 所示。电动机采用变频调速以后，电动机转轴直接与负载连接，电动机由变频器供电。变频调速的关键设备就是变频器，变频器是一种将交流电源整流成直流后再逆变成频率、电压可变的变流电源的专用装置，主要由功率模块、超大规模专用单片机等构成。变频器能够根据转速反馈信号调节电动机供电电源的频率，从而可以实现相当宽频率范围内的无级调速。图1.7 串电阻调速转子电路示意图1.8 变频调速原理
7.调速方式汇总
根据实际应用效果，将交流电动机的各种调速方式的一般特性和特点汇总于表1.1中。表1.1 调速方式的一般特性和特点续表1.2.3 变频调速原理
交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，其转速N的公式均为
式中，f表示频率；p表示极对数；s表示转差率（0%～3%或0%～6%）。
由转速公式可见，只要设法改变三相交流电动机的供电频率f，就能十分方便地改变电动机的转速N，这比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。特别是近二十多年来，交流变频调速器得到了突飞猛进的发展，使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。
实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如，标准设计的三相异步电动机，380V，50Hz，如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题?380V不变，频率下调（<50Hz），会使电动机气隙磁通Φ（约等于V/f）饱和；反之，380V不变，频率向上调（>50Hz），则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。
1.感应电动机稳态模型
根据电机学原理，在下述三个假定条件下（忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损），感应电动机的稳态模型可以用T型等效电路表示，如图1.9（a）所示。图1.9 感应电动机等效电路
图1.9（a）中各参数定义如下。——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；
L——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电m感；
U、ω——定子相电压和供电角频率；S1——定子相电流和折合到定子侧的转子相电流。
忽略励磁电流，则得到如图1.9（b）所示的简化等效电路。
因此，电流公式可表示为
已知感应电动机传递的电磁功率，同步机械角速度ω =ω/n ，则感应电动机的电磁转矩为m11p
感应电动机的每极气隙磁通为
式中 E——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；g
f——定子频率；1
N——定子每相绕组串联匝数；S
K——定子基波绕组系数。NS
忽略定子电阻和漏磁感抗压降，则认为定子相电压U=E。Sg
用T公式对s求导，并令dT/ds=0，可求出对应于最大转矩时的ee临界静差。
最大转矩为
2.转速开环的感应电机变压变频调速（VVVF）
变压变频调速是改变同步转速的调速方法，同步转速随频率而变化，为了达到良好的控制效果，常采用电压-频率协调控制（V/f控制），并分为基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。（1）基频以下调速。为了充分利用电动机铁芯，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下采用恒磁通控制方式，要保持Φ不变，m当频率f从额定值f向下调节时，必须同时降低E，即采用电动势频1ing率比为恒值的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降，而认为定子相电压U≈E，则得Sg
这是恒压频比的控制方式，其控制特性如图1.10所示。
低频时，U和E都较小，定子电阻和漏磁感抗压降所占的份量Sg相对较大，可以人为地抬高定子相电压U，以便补偿定子压降，称S做低频补偿或转矩提升。图1.10 恒压频比控制特性（2）基频以上调速。在基频以上调速时，频率从f向上升高，但in定子电压U却不可能超过额定电压U，只能保持U=U不变，这SSNSSN将使磁通与频率成反比下降，使得感应电动机工作在弱磁状态。
把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图1.11所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化而变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定，转矩也恒定，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，转速升高时磁通减小，转矩也随之降低，基本上属于“恒功率调速”。图1.11 感应电动机变压变频调速的控制特性
3.恒压频比时的机械特性
基频以下须采用恒压频比控制，感应电动机的电磁转矩为
当s很小时，可忽略上式分母中含s的各项，则
由此可以推导出带负载时的转速降落Δn为
由此可见，当U/ω为恒值时，对于同一转矩T，Δn基本不变。S1e这就是说，在恒压频比的条件下改变频率ω时，机械特性基本上是1平行下移，如图1.12（a）所示。将最大转矩改写为
可见，最大转矩T是随着ω的降低而减小的。频率很低时，emax1T很小，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地emax提高电压U，可以增强带载能力。S
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