变频器和调速控制电路详解

交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高速发展的结果。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。在现代工业控制中，由于变频调速的性价比高，工作可靠性高，因此变频器的应用越来越广泛。

1.变频调速的基本概念

由上面电动机的转速公式n=（1-S）n 1=（1-S）60f 1/P，我们知道，改变电源频率f 1可改变电动机的转速。异步电动机采用变频进行调速控制时，为了避免电动机磁饱和，要控制电动机磁通，同时抑制启动电流，这就需要根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制，使电动机产生必需的转矩。

2.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。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。市场销售的通用变频器大多是交—直—交变频器，其基本结构图如图2-17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，现将各部分的功能叙述如下。

图2-17 交-直-交变频器的基本结构

（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）交流电整流成直流电。

（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，属于感性负载，无论是电动机处于电动状态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变换。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。

（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。

3.变频器的分类及工作原理

变频器工作原理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）V/F控制。V/F控制即电压与频率成比例变化的控制。由于变频器的主要负载是异步电动机，改变频率电动机内部阻抗也改变。仅改变频率，将会产生由弱励磁引起的转矩不足或由过励磁引起的磁饱和现象，使电动机功率因数和效率显著下降。为了使电动机的磁通保持一定，在较广泛的范围内调速运转时，电动机的功率因数和效率不下降，这就是控制电压与频率之比，所以称为V/F控制。采用这种方式控制的变频器通常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直流电动机磁场电流及转矩电枢电流可分别控制的启发而设计的一种控制方式。在交流异步电动机上实现该控制方法，并且达到与直流电动机具有相同的控制性能。

矢量控制方式将供给异步电动机的定子电流从理论上分成两部分：产生磁场的电流分量（磁场电流）和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量（转矩电流）。该磁场电流、转矩电流与直流电动机的磁场电流、电枢电流相当。在直流电动机中，利用整流子和电刷机械换向，使两者保持垂直，并且可分别供电。对异步电动机来说，其定子电流在电动机内部，利用电磁感应作用，可在电气上分解为磁场电流和垂直的转矩电流。矢量控制就是根据上述原理，将定子电流分解成磁场电流和转矩电流，任意进行控制。两者合成后，决定定子电流大小，然后供给异步电动机。

采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。目前采用这种控制方式的变频器已广泛用于生产实际中。

4.变频器的操作方式及使用

变频器和PLC一样，也是一个可编程的电气设备。在变频器接入电路工作前，要根据变频器的实际应用修订变频器的功能码。功能码一般有数十条甚至上百条，涉及调速操作端口指令、频率变化范围、力矩控制、系统保护等。功能码在出厂时按默认值存储修订是为了使变频器的性能与实际工作更加匹配。用户通过操作器对变频器进行设定及运行方式的控制。通用变频器的操作方式一般有三种，即数字操作器、远程操作器和端子操作方式。变频器的操作指令可以由此三处发出。

（1）数字操作器和数字显示器。新型变频器几乎均采用数字控制，使用数字操作器可以对变频器进行设定操作。如设定电动机的运行频率、运转方式、V/F类型、加减速时间等。数字操作器有若干个操作键，不同厂商生产的变频器的操作器有很大区别，但4个按键是不可少的，即运行键、停止键、上升键和下降键。运行键控制电动机的启动，停止键控制电动机的停止，上升键或下降键可以检索设定功能及改变功能的设定值。数字操作器作为人机对话接口，使得变频器参数设定与显示直观清晰，操作简单方便。

在数字操作器上通常配有6位或4位数字显示器，它可以显示变频器的功能代码及各功能代码的设定值。在变频器运行前显示变频的设定值，在运行过程中显示电动机的某一参数的运行状态，如电流频率、转速等。(www.xing528.com)

（2）远程操作器。远程操作器是一个独立的操作单元，它利用计算机的串行通信功能，不仅可以完成数字操作器所具有的操作功能，而且可以实现数字操作器不能实现的一些功能。特别是在系统调试时，利用远程操作器可以对各种参数进行监视和调整，不仅比数字操作器功能强，而且更方便。

变频器的日益普及，使用场地相对分散，远距离集中控制是变频器应用的趋势；现在的变频器一般都具有标准的通信接口，用户可以利用通信接口在远处如中央控制器对变频带进行集中控制，如参数设定、启动/停止控制、速度设定和状态读取等。

（3）端子操作。变频器的端子包括电源接线端子和控制端子两大类。电源接线端子包括三相电源输入端子和三相电源输出端子；直流侧外接制动电阻用端子以及接地端子。控制端子包括频率指令模拟设定端子，运行控制操作输入端子、报警端子、监视端子。

5.SIEMENS公司的Micro Master交流变频器

Micro Master交流变频器是用于交流变速传动的电压源型变频器。它能驱动交流电动机的功率在37kW以下。该种变频器为微处理器控制，采用特殊的脉宽调制方法和可选择的脉冲频率，使电动机静音运行。

如图2-18所示为变频器实验线路图。此变频器共有20多个控制端子，分为4类：输入控制信号端子、频率模拟设定输入端子、监视信号端子和通信端子。

图2-18 变频器闭环控制实验线路图

DIN1～DIN5为数字输入端子，一般用于变频器外部控制，其具体功能由相应设置决定。例如，出厂时设置DIN1为顺时针方向运行，DIN2为反转运行等，根据需要通过修改参数可改变功能。使用输入信号端子可以完成对电动机的正、反转控制、复位、多级速度设定、自由停车、点动等控制操作。

PTCA（5）、PTCB（6）端子用于电动机内置PTC测温保护，为PTC传感器输入端。

AIN+、AIN-为模拟信号输入端子，分别作为频率给定信号和闭环时反馈信号输入（如图2-18中的虚线）。变频器提供了3种频率模拟设定方式：外接电位器设定、0～10V电压设定和4～20m A电流设定。当用电压或电流设定时，最大的电压或电流对应变频器输出频率设定的最大值。

13、14为通信接口端子，是一个标准的RS-485接口，通过此通信接口，可以实现对变频器的远程控制，包括运行/停止及频率设定控制，也可以与端子控制进行组合完成对变频器的控制。

输出信号的作用是对变频器运行状态的指示或向上位机提供这些信息，端子16、17、18和19、20为继电器输出，其功能也是可编程的，如故障报警、状态指示等。1（MM）、2（MM）、3（MM）端子为反馈信号端子，为闭环控制提供反馈信号。

6.应用举例

如图2-19所示为使用变频器实现异步电动机的可逆调速控制电路。

根据功能要求，首先要对变频器编程并修改参数。在确保接线正确的情况下，闭合主电源开关QS，设置P944为1，然后再按下P键，这样便保证了变频器的参数均恢复为确认值；将参数P009设置为002，以便所有的参数都能被设置；设置参数P081～P085，以便这些参数与所控电动机铭牌上的额定值一致；设置P005为所希望的频率给定值等。更详细的参数设定方法可查看变频器使用手册。

图2-19 使用变频器的异步电动机可逆调速控制电路

将变频器DIN1、DIN2端子分别设置为正转运行、反转运行功能。

在图2-19中，SB3、SB4为正、反向运行控制按钮，运行频率由电位器RP决定。按钮SB1为总停止控制。