任务1.1 认识变频器

任务导入

三菱变频器是世界知名的变频器之一，由三菱电机株式会社生产，在世界各地占有率比较高。三菱变频器来到中国有20多年的历史，在国内市场上，三菱变频器因为其稳定的质量，强大的品牌影响，有着相当广阔的市场，并已广泛应用于各个领域。

认识和了解变频器的结构与端子接线图是技术人员最基本的工作和要求。

相关知识

一、交流异步电动机的调速方法

众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统垄断。但直流电动机由于受换向器限制，维修工作量大，事故率高，使用环境受限，很难向高电压、高转速、大容量发展。与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、制造容易、维护工作量小等优点，但交流电动机的控制却比直流电动机复杂得多。早期的交流传动均用于不可调速传动，而可调速传动则用直流传动。随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流调速技术日益成熟，在许多方面已经可以取代直流调速系统；特别是各类通用变频器的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流。

异步电动机的转速公式

式中，f1为异步电动机定子绕组上交流电源的频率（Hz）；

p为异步电动机的磁极对数；

s为异步电动机的转差率；

n为异步电动机的转速（r/min）；

n1为异步电动机的同步转速（r/min）。

根据式（1-1）可知，交流异步电动机有下列3种基本调速方法。

（1）改变定子绕组的磁极对数p，称为变极调速。

（2）改变转差率s，其方法有改变电压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速和串级调速。

（3）改变电源频率f1，称为变频调速。

1．变极调速

在电源频率f1不变的条件下，改变电动机的极对数p，电动机的同步转速n1就会变化，从而改变电动机的转速n。若极对数减少一半，同步转速就升高一倍，电动机的转速也几乎升高一倍。这种调速方法通常用改变电动机定子绕组的接法来改变极对数。这种电动机称为多速电动机。其转子均采用笼型转子，转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便使用时调换。下面以一相绕组来说明变极原理。先将U相绕组中的2个半相绕组a1x1与a2x2采用顺向串联，如图1-1所示，产生2对磁极。若将U相绕组中的1个半相绕组a2x2反向并联，如图1-2所示，则产生1对磁极。

目前，我国多极电动机定子绕组连接方式常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写为Y/YY，如图1-3所示；另一种是从三角形改成双星形，写为△/YY，如图1-4所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。在改接绕组时，为了使电动机转向不变，应把绕组的相序改接。

变极调速主要用于各种机床及其他设备上。其优点是设备简单，操作方便，具有较硬的机械特性，稳定性好；其缺点是电动机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速，电动机体积大，制造成本高。

2．变转差率调速

改变定子电压调速、转子串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济；而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。

（1）改变定子电压调速。由异步电动机电磁转矩和机械特性方程可知，在一定转速下，异步电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此改变定子外加电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。如图1-5所示，曲线1为电动机的固有机械特性，曲线2为定子电压是额定电压的0.7倍时的机械特性。从图中可以看出：同步转速n0不变，最大转差或临界转差率Sm不变。当负载为恒转矩负载TL时，随着电压从UN减小到0.7UN，转速相应地从n1减小到n2，转差率增大，显然可以认为调压调速属于改变转差率的调速方法。

该调速方法的调速范围较小，低压时机械特性太软，转速变化大。为改善调速特性，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。

目前广泛采用晶闸管交流调压电路来实现定子调压调速。

（2）转子串电阻调速。绕线式异步电动机转子串电阻调速的机械特性如图1-6所示。转子串电阻时最大转矩Tm不变，临界转差率增大。所串电阻越大，运行段机械特性斜率越大。若带恒转矩负载，原来运行在固有特性曲线1的a点上，在转子串电阻R1后，就运行在b点上，转速由na变为nb，以此类推。

转子串电阻调速的优点是设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机，如桥式起重机等。缺点是转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。

（3）串级调速。串级调速方式是指绕线式异步电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，从而达到调速的目的。其优点是可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。缺点是只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。

3．变频调速

交流变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的（即VVVF技术）。

交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成。它与直流调速系统相比具有以下显著优点。

（1）变频调速装置的大容量化。直流电动机由于受换向器限制，单机容量、最高转速及使用环境都受到限制。其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电动机可做到6～10kV。直流电动机的转速一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电动机的速度可以达到每分钟数千转，以满足高速机械的运行要求。

（2）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。

（3）变频调速系统可以直接在线启动，启动转矩大，启动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软启动装置。

（4）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制。

（5）变频调速系统在节约能源方面有很大的优势，是目前世界公认的交流电动机最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%～60%。由于风机、水泵等负载的功率消耗与电动机转速的3次方成正比，因此当负载的转速小于电动机额定转速时，其节能潜力比较大。

二、变频调速原理

1．变频调速的条件

从式（1-1）可知，只要改变定子绕组的电源频率f1，就可以调节转速大小，但是事实上只改变f1并不能正常调速，而且可能导致电动机运行性能恶化。其原因分析如下。

由电动机学原理知，三相异步电动机定子绕组的反电动势E1的表达式为

式中，E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；

N1为每相定子绕组的匝数；

KN1为与绕组结构有关的常数；

Φm为电动机每极气隙磁通。

由于式（1-2）中的4.44、N1、KN1均为常数，所以定子绕组的反电动势可用式（1-3）表示，即

根据三相异步电动机的等效电路可知，E1=U1+∆U，当E1和f1的值较大时，定子的漏阻抗相对比较小，漏阻抗压降∆U可以忽略不计，即可认为电动机的定子电压U1≈E1，因此可将式（1-3）写成

若电动机的定子电压U1保持不变，则E1也基本保持不变，由式（1-4）可知，当定子绕组的交流电源频率f1由基频f1N向下调节时，会引起主磁通Φm增加。由于额定工作时电动机的磁通已经接近饱和，Φm继续增大，将会使电动机磁路过分饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。而由基频f1N向上调节时，主磁通Φm将减少，铁芯利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩T下降，电动机的负载能力下降，电动机的容量也得不到充分利用。因此为维持电动机输出转矩不变，我们希望在调节频率f1的同时能够维持主磁通Φm不变（即恒磁通控制方式）。

以电动机的额定频率f1N为基准频率，称为基频。变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。

2．基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速

当在额定频率以下调频，即f1＜f1N时，为了保证Φm不变，根据式（1-3）得

也就是说，在频率f1下调时也同步下调反电动势E1，但是由于异步电动机定子绕组中的感应电动势E1无法直接检测和控制，根据U1≈E1，可以通过控制U1达到控制E1的目的，即

通过以上分析可知：在额定频率以下调频时（f1＜f1N），调频的同时也要调压。将这种调速方法称为变压变频（Variable Voltage Variable Frequency, VVVF）调速控制，也称为恒压频比控制方式。

当定子电源频率ƒ1很低时，U1也很低。此时定子绕组上的电压降∆U在电压U1中所占的比例增加，将使定子电流减小，从而使Φm减小，这将引起低速时的最大输出转矩减小。可用提高U1来补偿∆U的影响，使E1/ƒ1不变，即Φm不变，这种控制方法称为电压补偿，也称为转矩提升。定子电源频率f1越低，定子绕组电压补偿得越大，带定子压降补偿控制的恒压频比控制特性如图1-7所示。

如图1-7所示，曲线1为U1/f1=常数时的电压与频率关系曲线；曲线2为有电压补偿时，即近似的E1/f1为常数时的电压与频率关系曲线。实际上变频器装置中相电压U1和频率f1的函数关系并不简单地如曲线2一样，通用变频器有几十种电压与频率函数关系曲线，可以根据负载性质和运行状况加以选择。

在基频以下调速时，采用U/f控制方式以保持主磁通Φm恒定，电动机的机械特性曲线如图1-8中f1N曲线以下的曲线（f1、f2、f3和f4曲线）所示。在此过程中，电磁转矩T恒定，电动机带负载的能力不变，属于恒转矩调速。如图1-8所示，曲线f4中的虚线是进行电压补偿后的机械特性曲线。

观察各条机械特性曲线，它们的特征如下。

（1）从额定频率向下调频时，理想空载转速减小，最大转矩逐渐减小。

（2）频率在额定频率附近下调时，最大转矩减少，可以近似认为不变；频率调得很低时，最大转矩减小很快。

（3）因为频率不同时，最大转矩点对应的转差∆n变化不是很大，所以稳定工作区的机械特性基本是平行的。

3．基频以上恒功率（恒电压）变频调速

当定子绕组的交流电源频率f1由基频f1N向上调节时，若按照U1/f1=常数的规律控制，电压也必须由额定值U1N向上增大。由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率f1由额定值向上升高时，由式（1-4）可知，定子电压不可能随之升高，只能保持U1=U1N不变。这样必然会使Φm随着ƒ1的升高而下降，类似于直流电动机的弱磁调速。由电动机学原理知，Φm下降将引起电磁转矩T下降。频率越高，主磁通Φm下降得越多，由于Φm与电流或转矩成正比，因此电磁转矩T也变小。需要注意的是，这时的电磁转矩T仍应比负载转矩大，否则会出现电动机的堵转。在这种控制方式下，转速越高，转矩越低，但是转速与转矩的乘积（输出功率）基本不变，所以基频以上调速属于弱磁恒功率调速。其机械特性曲线如图1-8中f1N曲线以上2条曲线（和曲线）所示。其特征如下。

（1）额定频率以上调频时，理想空载转速增大，最大转矩大幅减小。

（2）最大转矩点对应的转差∆n几乎不变，但由于最大转矩减小很多，所以机械特性斜度加大，曲线特性变软。

4．变频调速特性的特点

把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图1-9所示的异步电动机变频调速的控制特性。按照电力拖动原理，在基频以下，属于恒转矩调速的性质；而在基频以上，属于恒功率调速性质。

（1）恒转矩的调速特性。这里的恒转矩是指在转速的变化过程中，电动机具有输出恒定转矩的能力。在f1＜f1N的范围内变频调速时，经过补偿后，各条机械特性的临界转矩基本为一定值，因此该区域基本为恒转矩调速区域，适合带恒转矩负载。从另一方面来看，经补偿以后的f1＜f1N调速，可基本认为E/f=常数，即Φm不变，根据电动机的转矩公式知，在负载不变的情况下，电动机输出的电磁转矩基本为一定值。

（2）恒功率的调速特性。这里的恒功率是指在转速的变化过程中，电动机具有输出恒定功率的能力，在f1＞f1N下，频率越高，主磁通Φm必然相应下降，电磁转矩T也越小，而电动机的功率P=T(↓)ω(↑)=常数，因此f1＞f1N时，电动机具有恒功率的调速特性，适合带恒功率负载。

三、通用变频器的基本结构

变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。它与外界的联系基本上分为主电路、控制电路2个部分，如图1-10所示。

1．主电路

交—直—交变频器的主电路如图1-11所示，由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。

（1）整流电路。

① 整流管VD1～VD6。在图1-11中，二极管VD1～VD6组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。如电源的线电压为UL，则三相全波整流后平均直流电压UD的大小是

我国三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压是

变频器的三相桥式整流电路常采用集成电路模块，其整流桥集成电路模块如图1-12所示。

② 滤波电容器CF。图1-11所示电路中的滤波电容器CF有两个功能：一是滤平全波整流后的电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。

③ 电源指示HL。HL除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。

（2）能耗电路。电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能将转变成电能反馈到直流电路中，使直流电压UD不断上升，甚至可能达到危险的地步。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。图1-11所示的制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。

（3）逆变电路。逆变管VT1～VT6组成逆变桥，把VD1～VD6整流所得的直流电再“逆变”成频率、电压都可调的交流电，这是变频器实现变频的核心部分，当前常用的逆变管有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极关断（GTO）晶闸管及电力场效应晶体管（MOSFET）等。在中、小型变频器中最常采用的是IGBT管。

因为逆变电路每个逆变管两端都并联一个二极管，并联二极管为再生电流及能量返回直流电路提供通路，所以把这样的二极管称为续流二极管。

变频器的逆变电路常采用模块化结构，以IGBT模块为例，就是将多个IGBT管和续流二极管集成封装在一起，一般模块化结构有2单元（又称为单桥）、4单元（又称为H桥）、6单元（又称为三相全桥）。目前市场上15kW以上变频器使用的是150A/200A/300A/400A/450A的单桥IGBT模块或100A/150A的全桥IGBT模块。

IGBT模块的外形及接线图如图1-13所示。

图1-13（c）的接线说明。单桥封装的IGBT模块是双管的IGBT模块，一般用在全桥或者半桥电路中作为一个桥臂。假定是用在全桥上，等效电路图中的端子3接母线电压VC，端子2接GND，端子1引出线接负载，端子6、端子7接驱动板出来的下桥臂门极驱动信号；端子4、端子5接驱动板出来的上桥臂门极驱动信号。

2．控制电路

变频器的控制电路主要以16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。它具有设定和显示运行参数、信号检测、系统保护、计算与控制、驱动逆变管等作用。

3．外部端子

外部端子包括主电路端子（R、S、T, U、V、W）和控制电路端子。其中控制电路端子又分为输入控制端（见图1-10中的②）及输出控制端（见图1-10中的③）。输入控制端既可以接收模拟量输入信号，又可以接收开关量输入信号。输出端子有用于报警输出的端子、指示变频器运行状态的端子及用于指示各种输出数据的测量端子。

通信接口（见图1-10中的④）用于变频器和其他控制设备的通信。变频器通常采用RS485接口。

四、变频器的分类

1．按变换环节分类

按交流变频调速的变换环节分类，变频器可以分为交—交直接变频器和交—直—交间接变频器。

（1）交—交变频器。它是一种把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源的装置。常用的交—交变频器的结构如图1-16所示。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变α的大小即可调节矩形波的幅值。

优点：没有中间环节，变换效率高。

缺点：交—交变频器连续可调的频率范围较窄，其最大输出频率为额定频率的1/2以下，因此主要用于低速大容量的拖动系统中。

（2）交—直—交变频器。目前已被广泛应用在交流电动机变频调速中的变频器是交—直—交变频器，它是先将恒压恒频（Constant Voltage Constant Frequecy, CVCF）的交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成频率连续可调的三相交流电。

交—直—交变频器常采用不可控整流器整流，脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式，如图1-17所示。在这种控制方法中，由于采用不可控整流器整流，故输入功率因数高；采用PWM型逆变器则输出谐波可以减少。PWM逆变器采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为SPWM逆变器，成为当前最有发展前途的一种调压调频控制方法。

2．按直流电路的滤波方式分类

交—直—交变频器中间直流环节的滤波元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电流型变频器和电压型变频器两大类。

（1）电流型。当交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，电压波形接近于正弦波，这类变频器叫作电流源型变频器，如图1-18所示。

（2）电压型。当交—直—交变频器的中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，电流波形为近似正弦波，这类变频器叫作电压源型变频器，如图1-19所示。现在变频器大多都属于电压型变频器。

3．按输出电压的调制方式分类

按输出电压的调制方式分为脉幅调制（PAM）方式变频器和脉宽调制（PWM）方式变频器。

（1）脉幅调制。脉幅调制（Pulse Amplitude Modulation, PAM）方式是调频时通过改变整流后直流电压的幅值，达到改变变频器输出电压的目的。一般通过可控整流器来调压，通过逆变器来调频，变压与变频分别在两个不同环节上进行，控制复杂，现已很少采用。采用PAM调压时，变频器的输出电压波形如图1-20所示。

（2）脉宽调节。脉宽调节（Pulse Width Modulation, PWM）方式指变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。在调节过程中，逆变器负责调频调压。目前使用最多的是占空比按正弦规律变化的正弦波脉宽调制方式，即SPWM方式。中、小容量的通用变频器几乎全部采用此类型的变频器。

4．按变频控制方式分类

根据变频控制方式的不同，变频器大致可以分4类：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器。

5．按用途分类

根据用途的不同，变频器可以有以下分类。

（1）通用变频器。通用变频器的特点就是其通用性，它适用于对调速性能没有严格要求的场合。随着变频技术的进一步发展，通用变频器发展为以节能运行为主要目的的风机、泵类等平方转矩负载使用的平方转矩变频器和以普通恒转矩机械为主要控制对象的恒转矩变频器。

（2）专用变频器。专用变频器是指应用于某些特殊场合的具有某种特殊性能的变频器，其特点是某个方面的性能指标极高，因而可以实现高控制要求，但相对价格较高。

此外，变频器按电压等级可分低压变频器和高压变频器。低压变频器分为单相220V、三相380V、三相660V、三相1140V。高压（国际上称作中压）变频器分为3kV、6kV和10kV 3种。如果变频器采用公共直流母线逆变器，则要选择直流电压，其等级有24V、48V、110V、200V、500V、1000V等。

五、变频器的控制方式

1．U/f控制方式

U/f控制即恒压频比控制。它的基本特点是同时控制变频器输出的电压和频率，通过保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性。它是变频调速系统最经典的控制方式，广泛应用于以节能为目的的风机、泵类等负载的调速系统中。

U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，通用性强，经济性好；但由于控制是基于电动机稳态数学模型基础上的，因此动态调速性能不佳，电动机低速运行时，定子电阻压降的影响，使得电动机的带载能力下降，需要实行转矩补偿。

2．转差频率控制方式

转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进。其实现思想是通过检测电动机的实际转速，根据设定频率与实际频率的差连续调节输出频率，从在控制调速的同时，控制电动机输出转矩。

转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定程度上控制输出转矩，所以和U/f控制方式相比，在负载发生较大变化时，仍能达到较高的速度精度和具有较好的转矩特性。但是采用这种控制方式时，需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差。

3．矢量控制方式

上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都是建立在异步电动机的静态数学模型上，因此动态性能指标不高。20世纪70年代初，前联邦德国的F.Blasschke等人首先提出了矢量控制，它是一种高性能异步电动机控制方式，其基于交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并加以控制，具有直流电动机相类似的控制性能。采用矢量控制方式的目的主要是提高变频器调速方式的动态性能。各种高端变频器普遍采用矢量控制方式。

4．直接转矩控制方式

1985年，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制理论。直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，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，通过检测定子电阻来观测定子磁链，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高，即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。

任务实施

【训练工具、材料和设备】

三菱FR-D740变频器1台、《三菱通用变频器FR-D700使用手册》、通用电工工具1套。

一、三菱变频器认识

三菱变频器的产品目前有FR-700系列和FR-800系列两大类。其中FR-700系列变频器在市场上用量较多，它又分为FR-A700、FR-D700、FR-E700、FR-F700和FR-L700 5个子系列，其外形如图1-21所示。

（1）FR-A700系列高性能矢量变频器适用于各类对负载要求较高的设备，如起重、电梯、印包、印染、材料卷取及其他通用场合。

• 功率范围：0.4～500kW。

• 具有独特的无传感器矢量控制模式，在不需要采用编码器的情况下，可以使各式各样的机械设备在超低速区域高精度运转。

• 带转矩控制模式，并且在速度控制模式下可以使用转矩限制功能。

• 具有矢量控制功能（带编码器），闭环时可以实现位置控制和快速响应、高精度的速度控制（零速控制、伺服锁定等）及转矩控制。

• 内置PLC功能（特殊型号FR-A740-0.4K-C9）。

• 使用长寿命元器件，内置EMC滤波器。

• 强大的网络通信功能，支持DeviceNet、Pr.ofibus-DP、Modbus等协议。

（2）FR-D700系列多功能、紧凑型变频器适用于负载不太重，启动性能要求不高的场合。集成LED显示器和数字式旋钮使用户可以直接访问重要的参数，从而加快并简化设置过程。

• 功率范围：0.1～7.5kW。

• 通用磁通矢量控制，1Hz时150%转矩输出。

• 15段可变速选择。

• 独立RS-485通信口。

• 内置PID控制功能。

• 带安全停止功能。

（3）FR-E700系列经济型变频器，采用磁通矢量控制方式，内置RS485通信口，具有15段速和PID等多种功能。

• 功率范围：0.4～15kW。

• 先进磁通矢量控制，0.5Hz时200%转矩输出。

• 内置PID，柔性PWM。

• 内置Modbus-RTU协议。

• 停止精度提高。

（4）FR-F700系列变频器采用最佳励磁控制方式，实现更高节能运行，适用于风机和泵类负载。

• 功率范围：0.75kW～630kW。

• 简易磁通矢量控制方式，实现3Hz时输出转矩达120%。

• 内置PID，工频/变频切换和可以实现多泵循环运行功能。

• 内置独立的RS485通信口。

• 内置噪声滤波器（75k以上）。

• 带有节能监控功能，节能效果一目了然。

（5）FR-L700系列专用化多用途矢量变频器，它是三菱电机公司的第一台完全根据中国市场情况研发的专用型变频器，内置专用功能，体现较强的行业特性。该系列变频器广泛应用于印刷包装、线缆材料、纺织印染、橡胶轮胎、物流机械等行业。

• 功率范围：0.75kW～55kW。

• 先进磁通矢量控制方式。

• 加入了收放卷的张力控制功能。

• 内置独立的RS485通信口，通过CC-Link总线可与三菱PLC连接。

• 内置PLC编程功能，节约使用成本。

变频器的铭牌数据一般包括变频器的型号、适用的电源、适用的电动机的最大容量、输出频率、有关额定值和制造编号等，是变频器最重要的参数。认识和理解铭牌数据，是技术人员最基本的工作和要求。

三菱FR-A740变频器的铭牌数据如图1-22（a）所示，型号含义如图1-22（b）所示。

二、三菱FR-700系列变频器的接线图

三菱FR-A700系列变频器是采用先进的磁通矢量控制方式、PWM原理和智能功率模块（IPM）的高性能矢量变频器，其功率范围为0.4～500kW。具有简易PLC功能（特殊型号FR-A740-0.4K-C9）、工频/变频切换和PID等多种功能。内置RS485通信口，可支持各种常用的通信方式。三菱FR-A740变频器的端子接线图如图1-23所示，其中表示主电路接线端子，表示控制电路端子。

三菱公司FR-D700系列变频器是多功能、紧凑型变频器，采用通用磁通矢量控制方式，功率范围为0.4～7.5kW，具有15段速、PID和漏—源型转换等功能。三菱FR-D700变频器的端子接线图如图1-24所示。从图1-23和图1-24可以看出，FR-A740变频器的端子比FR-D740变频器的端子多。

1．主电路端子

主电路端子用来连接电源和电机，其功能如表1-1所示。

主电路接线说明。

（1）电源必须接R、S、T，绝对不能接U、V、W，否则会损坏变频器。

（2）变频器和电动机间的布线距离最长为500m。

（3）变频器运行后，若需要改变接线的操作，必须在电源切断10min以上，用万用表检查电压后进行。断电后一段时间内，电容上仍然有危险的高压电。

（4）由于变频器内有漏电流，为了防止触电，变频器和电动机必须分别接地。

2．控制电路端子

控制电路端子用来连接外部输入设备（启动指令开关、频率给定器等）、外部输出设备（故障输出、输出频率监视），其功能如表1-2所示。

在图1-23和图1-24中，有一个控制逻辑切换跳线开关，变频器出厂设定为漏型逻辑（SINK）。为了切换控制逻辑，需要切换控制端子上方的跨接器。如图1-25所示。使用镊子或尖嘴钳将漏型逻辑（SINK）上的跨接器转换至源型逻辑（SOURCE）上。跨接器的转换请在未通电的情况下进行。

控制电路输入信号出厂设定为漏型逻辑。在这种逻辑中，信号端子接通时，电流是从相应的输入端子流出，如图1-26所示。端子SD是接点输入信号的公共端端子。端子SE是集电极开路输出信号的公共端端子。

在控制电路端子板的背面，把跳线从漏型逻辑位置移到源型逻辑位置，如图1-25所示，可以改变变频器的控制逻辑。在源型逻辑中，信号接通时，电流是流入相应的输入端子，其结构如图1-27所示。端子PC是接点输入信号的公共端端子。端子SE是集电极开路输出信号的公共端端子。

知识拓展

一、变频器的安装

1．变频器对安装环境的要求

（1）环境温度。温度是影响变频器寿命及可靠性的重要因素。变频器的工作环境温度范围一般为-10℃～+40℃。当环境温度大于变频器规定的温度时，变频器要降额使用或采取相应的通风冷却措施。

（2）环境湿度。变频器工作环境的相对湿度为20%～90%（无结露现象）。湿度太高且湿度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。

（3）海拔高度。变频器应用的海拔高度应低于1000 m。在海拔高度大于1000 m的场合，变频器要降额使用。

（4）周围空气。变频器的安装要求无水滴、蒸汽、酸、碱、腐蚀性气体及导电粉尘；对导电性粉尘场所，采用封闭结构。在可能产生腐蚀性气体的场所，如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印制电路板等，还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，因此要对控制板进行防腐处理。

（5）电磁辐射。变频器在工作中由于整流和变频，产生了很多的干扰电磁波。这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，变频器柜内的仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电器元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，就会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。

（6）振动。变频器在运行的过程中，要注意避免受到振动和冲击。当装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良甚至造成短路等严重故障。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗振橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类易产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

2．变频器的安装方式

（1）墙挂式安装。由于变频器本身具有较好的外壳，故一般情况下，允许直接靠墙安装，称为墙挂式，如图1-28所示。正面是变频器文字键盘，请勿上下颠倒或平放安装。周围要留有一定空间，上下间距150mm以上，左右间距100mm以上。因变频器在运行过程中会产生热量，必须保持冷风畅通。

（2）柜式安装。当周围的尘埃较多时，或和变频器配用的其他控制电器较多而需要和变频器安装在一起时，采用柜式安装。在配电柜内安装变频器时，要注意它和排风扇的位置。控制柜中安装多台要横向安装。两个以上的变频器安放位置不正确时，会使通风效果变差，从而导致周围温度升高。图1-29为配电柜中安装两个变频器时注意要点的例子；排风扇的正确安装位置如图1-30所示。

二、变频器的应用及主流变频器

1．变频器的应用

随着工业自动化程度的不断提高，变频器的应用领域越来越广泛，目前产品已被广泛应用于冶金、矿山、造纸、化工、建材、机械、电力及建筑等所有工业传动领域之中，可以有效达到调速节能、过流、过压、过载保护等多种功能。

（1）变频器在节能方面的应用。变频器的产生主要是实现对交流电动机的无级调速，但由于全球能源供求矛盾日益突出，其节能效果越来越受到重视。变频器在风机和水泵的应用中，节能效果尤其明显，有关资料显示，风机、泵类负载使用变频调速后节能率可达20%～60%。这类负载的应用场合是恒压供水，风机、中央空调、液压泵变频调速等。

（2）变频器在精确自动控制中的应用。算术运算和智能控制是变频器的另一特色，输出精度可达0.1%～0.01%。这类负载的应用场合是印刷、电梯、纺织、机床、生产流水线等行业的速度控制。

（3）变频器在提高工艺方面的应用。可以改善工艺和提高产品质量，减少设备冲击和噪声，延长设备使用寿命，使操作和控制更具人性化，从而提高整个设备的功能。

2．主流变频器介绍

（1）日本品牌。在我国变频器发展初期，日资企业凭借地域优势最早进入中国，对我国的变频器市场也较为熟悉，曾一度针对性地推出了适合我国国情的变频产品，把变频器定位于节能、小功率、专业化方向，所以其产品在节能领域或原始设备制造商（OEM）市场表现较为突出。在发展初期，中国中、低压变频器市场也出现过日本品牌一统天下的局面。随着近几年欧美等品牌的冲击，其市场占有率正趋于下降趋势。目前其在我国较为知名的几大品牌有：富士（Fuji）、三菱（Mitsubishi）、安川（Yaskawa）、三肯等。

（2）欧美品牌。欧美品牌进入我国的脚步虽没日本等企业那么快，但凭借其自身的先进控制技术及过硬的产品稳定性，很快就打入中国市场。目前欧美知名品牌基本都已入住中国，市场占有率也曾一度攀升，占有举足轻重的地位。代表性的品牌有：德国SIEMENS（西门子）、瑞士ABB（阿西亚布朗勃法瑞）、法国Schneider（施耐德）、美国艾默生、丹麦Danfoss（丹佛斯）、美国罗克韦尔等，其中ABB和西门子两大外资顶级品牌，市场份额远超其他品牌，具有大部分外资品牌难以企及的综合实力。

（3）中国品牌。我国的变频器市场从20世纪80年代的起始阶段开始就被外资品牌占据，在欧美、日本等诸多强势品牌林立的市场环境中，内资品牌不断学习、吸收和积累经验，逐步发展壮大。从整体看，虽然目前在综合实力方面尚与国际知名品牌存在差距，但个别生产企业已开始在竞争中发展壮大、脱颖而出，表现出突出的竞争实力。代表性的品牌有：汇川、英威腾、普传、森兰、阿尔法、安邦信、欧瑞和台湾台达等。

思考与练习

一、填空题

1．三相异步电动机的转速除了与电源频率、转差率有关外，还与__________有关系。

2．目前，在中、小型变频器中普遍采用的电力电子器件是__________。

3．变频器是把电压、频率固定的工频交流电变为__________和__________都可以变化的交流电的变换器。

4．变频器具有多种不同的类型：按变换环节可分为交—交变频器和__________变频器；按改变变频器输出电压的调制方法可分为__________型和__________型；按用途可分为专用型变频器和__________型变频器。

5．变频调速时，基频以下的调速属于__________调速，基频以上的调速属于__________调速。

6．在U/f控制方式下，当输出频率比较低时，会出现输出转矩不足的情况，要求变频器具有__________功能。

7．变频器输入控制回路的信号分为__________逻辑和__________逻辑。

8．变频器通信接口是__________。

9．变频器的主电路中，R、S、T端子接__________，U、V、W端子接__________。

10．三菱变频器输入控制端子中，STF代表__________，STR代表__________，JOG代表__________，STOP代表__________。

11．三菱FR-D740变频器的多功能输入控制端子有__________个；多功能输出控制端子有__________个。

二、简答题

1．交流异步电动机有哪些调速方式？并比较其优缺点。

2．从交流电动机调速的各种方法及效果，说明变频调速的优点。

3．目前变频器应用于哪类负载节能效果最明显？

4．交—直—交变频器的主电路由哪三大部分组成？试述各部分的作用。

5．变频器是怎样分类的？

6．变频器的控制方式有哪些？

7．变频器的安装方式有哪些？

三、分析题

1．为什么对异步电动机进行变频调速时，希望电动机的主磁通保持不变？

2．什么叫作U/f控制方式？为什么变频时需要相应的改变电压？

3．在何种情况下变频也需变压，在何种情况下变频不能变压？为什么？在上述两种情况下，电动机的调速特性有何特征？三相异步电动机的机械特性曲线有何特点？

4．为什么在基本U/f控制基础上还要进行转矩补偿？