3.5 变频器
随着电力电子技术的飞速发展，变频器从性能到容量都得到更大的发展。目前，变频器已经在家用电器、钢铁、有色冶金、石化、矿山、纺织印染、医药、造纸、卷烟、高层建筑供水、建材及机械行业大量地应用，而且应用领域正在不断扩大。在节能、减少维修、提高产量、保证质量等方面都取得了明显的经济效益。
3.5.1 变频器简单工作原理
根据异步电动机的转速表达式
，改变异步笼型电动机的供电频率，也就是改变电动机的同步转数n。就可以实现调速，这就是变频调速的基本原理。
表面看来，只要改变定子电压的频率f1就可以调节转速大小了，但是事实上只改变f1并不能正常调速，而且会引起电动机过电流烧毁的可能。为什么呢？这是因为感应异步电动机的特性决定的。现从基频以下与基频以上两种调速情况进行分析。
1.基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速
（1）恒磁通变频调速
恒磁通变频调速实质上就是调速时要在保证电动机的电磁转矩恒定不变，这是因为电磁转矩与磁通是成正比的。
如果磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩就小，电动机的负载能力下降，要想负载能力恒定就得加大转子电流，这就会引起电动机过电流发热而烧毁。
如果磁通太强，电动机会处于过励磁状态，使励磁电流过大，同样引起电动机过电流发热。所以变频调速一定要保持磁通恒定。
（2）怎样才能做到变频调速时磁通恒定
从公式E1=4.44NfΦ可知∶每极磁通
的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当控制，就可以使气隙磁通Ф1保持额定值不变。由于4.44N1f1对某一电动机来讲是一个固定常数，所以只要保持E1/f1=C，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。
但是，E1难于直接检测和直接控制。当E1和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，即认为U1和E1是相等的，这样则可近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，这就是恒压频比控制方程式：
U1/f1=C
当频率较低时，U1和E1都变得很小，此时定子电流却基本不变，所以定子的阻抗压降，特别是电阻压降，相对此时的U1来说是不能忽略的。我们可以想办法在低速时人为提高定子相电压U1以补偿定子的阻抗压降的影响，使气隙磁通Ф1保持额定值基本不变。如图3-44所示。
图3-44中：曲线1为U1/f1=C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=C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的如曲线2一样，通用的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供以选择。
由上面讨论可知，异步笼型电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率均可调节的供电电源，即所谓VVVF（Variable Voltage Variable Frequency，可变电压、可变频率）调速控制。现在的变频器都能满足异步笼型电动机的变频调速的基本要求。
图3-44 U/f与E/f的关系
（3）恒磁通变频调速机械特性
用VVVF变频器对异步笼型电动机在基频以下进行变频控制时的机械特性如图3-45所示，其控制条件为E1/f1=C。
图3-45a表示在U1/f1=C的条件下得到的机械特性。在低速区由于定子电阻压降的影响使机械特性向左移动，这是由于主磁通减小的缘故。
图3-45b表示采用了定子电压补偿后的机械特性。
图3-45c则示出了端电压补偿的U1与f1之间的函数关系。
2.基频以上恒功率（恒电压）变频调速
恒功率变频调速又称为弱磁通变频调速。这是考虑由基频f1N开始向上调速的情况，频率由额定值f1N向上增大，如果按照U1/f1=C规律控制，电压也必须由额定值U1N向上增大，但实际上电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变。根据公式
分析主磁通Ф1随着f1的上升而应减小，这相当于直流电动机弱磁调速的情况一样，属于近似的恒功率调速方式。证明如下：
在f1＞f1N，U1=U1N时，式E1=4.44f1N1Φ1近似为U1N≈4.44f1N1Φ1。
可见随f1升高，即转速升高，ω1越大主磁通Φ1必须相应下降，才能保持平衡，而电磁转矩越低这样T与ω1可以近似为成乘积不变，即
PN=T×ω1≈C也就是说随着转数的提高，电压恒定，磁通就自然下降，当转子电流不变时，其电磁转矩就会减小，而电磁功率却保持恒定不变。对异步笼型电动机在基频以上进行变频控制时的机械特性如图3-46所示。其控制条件为
。综合上述异步电动机基频以下与基频以上两种调速情况，变频调速的控制特性如图3-47所示。
图3-45 变频调速机械特性
3.5.2 变频器的基本构成
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直接变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。我们主要研究交-直-交变频器（以下简称变频器）。
图3-46 不同调速方式机械特性
图3-47 调频调速控制特性
变频器的基本构成如图3-48所示，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，分述如下：
1.整流器
网侧变流器Ⅰ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.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的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。
图3-48 变频器的基本构成
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，所以又常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以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。采用尽可能简单的硬件电路，主要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功能。
3.5.3 FR-A700变频器的接线
现在市场上三菱变频器的型号有多种，如A、D、E、S等系列，我们选取FR-A700变频器作为介绍。FR-A700变频器的各电路接线端子如图3-49所示。
1.主电路接线
主电路电源和电动机的连接如图3-50所示。电源必须接R、S、T，绝对不能接U、V、W，否则会损坏变频器。在接线时不必考虑电源的相序。使用单相电源时必须接R、S端。电动机接到U、V、W端子上。当接入正转开关（信号）时，电动机旋转方向从轴向看时为逆时针方向。
2.控制电路接线
控制电路端子排列如图3-51所示。端子SD、SE和5为I/O信号的公共端子，在接线时不能将这些端子互相连接或接地。
（1）控制电路输入信号接线端子简介
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，电流是从相应输入端子流出。端子SD是触点输入信号的公共端。其结构如图3-52所示。
1）正转起动信号（STF）：STF信号处于ON便正转，处于OFF便停止。
2）反转起动信号（STR）：STR信号ON为逆转，OFF为停止。当STF和STR信号同时ON时，相当于给出停止指令。
图3-49 端子接线图
图3-50 电源和电动机的连接
图3-51 控制电路端子排列图
图3-52 控制电路输入信号结构图
3）起动自保持选择信号（STOP）：使STOP信号处于ON，可以选择起动信号自保持。
4）输入信号中具有功能设定端子的有RL、RM、RH、RT、AU、JOG、CS，这些端子功能选择通过Pr.180～Pr.186来设定。输入端子功能意义见表3-5。
表3-5 输入端子功能意义
（2）控制电路输出信号端子简介
变频器的输出信号端子为晶体管结构。如变频器RUN输出信号结构如图3-53所示，端子SE是集电极开路输出信号的公共端。通常选用正逻辑。其他输出信号端子功能设定意义见表3-6。
图3-53 变频器RUN输出信号结构图
表3-6 输出信号端子功能设定意义
3.5.4 变频器的运行操作模式
FR-A700变频器共有7种操作模式，表3-7所示为6种常用操作模式简介。
表3-7 变频器操作模式
3.5.5 变频器参数
FR-A700变频器的参数800多个，按功能分类有基本功能、标准运行功能、输出端子功能、第二功能、显示功能、通信功能等39种。这里仅介绍常用的几个参数。
1.与频率相关的参数
（1）输出频率范围（Pr.1，Pr.2，Pr.18）
为保证变频器所带的负载正常运行，在运行前必须设定其上、下限频率，用Pr.1“上限频率”（出厂设定为120Hz，设定范围为0～120Hz）和Pr.2“下限频率”（出厂设定为0Hz，设定范围为0～120Hz）来设定，可将输出频率的上、下限钳位。
用Pr.18“高速上限频率”，出厂设定120Hz，设定范围为120～400Hz。如需用在120Hz以上运行时，用参数Pr.18设定输出频率的上限。当Pr.18被设定时，Pr.1自动地变为Pr.18的设定值。输出频率和设定频率关系如图3-54所示。
（2）基底频率（Pr.3）和基底频率电压（Pr.19）
这两个参数用于调整变频器输出频率、电压到额定值。当用标准电动机时，通常设定为电动机的额定频率；如果需要电动机在工频电源与变频器切换，要设定基底频率与电源频率相同。如使用三菱恒转矩电动机时则要使基底频率设定为50Hz。
基底频率（Pr.3）：出厂设定值为50Hz，设定范围为0～400Hz。
图3-54 输出频率和设定频率关系
基底频率电压（Pr.19）：出厂设定值为9999，设定范围为0～1000V、8888、9999。设定为8888时为电源电压的95%，设定为9999时为与电源相同。
（3）起动频率（Pr.13）
设定在起动信号为ON时的开始频率。起动频率设定范围为0～60Hz，出厂设定为0.5Hz。起动频率输出信号如图3-55所示。
如果变频器的设定频率小于Pr.13“起动频率”的设定值，变频器将不能起动。
如果起动频率的设定值小于Pr.2的设定值，即使没有指令频率输入，只要起动信号为ON，电动机也在设定频率下运转。
（4）点动频率（Pr.15）和点动加/减速时间（Pr.16）
外部操作模式时，点动运行用输入端子功能选择点动操作功能，当点动信号ON时，用起动信号（STF，STR）进行起动和停止。PU操作模式时切换到JOG时用PU（FR-DU04）面板可实行点动。
图3-55 起动频率输出信号图
图3-56 点动频率输出信号图
点动频率（Pr.15）出厂设定为5Hz，设定范围为0～400Hz。点动加/减速时间（Pr.16）出厂设定为0.5s，设定范围为0～3600s（Pr.21=0时）或0～360s（Pr.21=1）。其输出信号如图3-56所示。
注意：点动频率的设定值必须大于起动频率。
2.与时间有关的参数
Pr.7加速时间：出厂设定为5s，设定范围为0～3600s/0～360s。
Pr.8减速时间：出厂设定为5s，设定范围为0～3600s/0～360s。
Pr.20加/减速时间基准频率。
Pr.21加/减速速时间单位：设定值为0时（出厂设定），设定范围为0～3600s（最小设定单位为0.1s）；当其设定值为1时，设定范围为0～360s（最小设定单位为0.1s）。
加减速时间其输出信号如图3-57所示。
3.与变频器保护的相关参数
（1）电子过电流保护（Pr.9）
电子过电流保护的设定用于防止电动机过热，可以得到最优保护特性。通常设定为电动机在额定运行频率时的额定电流值，设定为0时，电子过电流功能无效。其出厂设定为变频器额定电流的85%。
当变频器连接两台或三台电动机时，电子过电流保护不起作用，必须在每台电动机上安装外部热继电器。
（2）输入/输出欠相保护（Pr.251）
这种保护指的是变频器输出侧的U、V、W三相中，有一相欠相，变频器停止输出。但也可以将输出欠相保护（E.LF）功能设定为无效。
Pr.251设定为0时，输出欠相保护功能无效；
Pr.251设定为1时，输入欠相保护功能有效；
（3）变频器输出停止（Pr.17）
这种保护主要用于工变频切换时，避免输出侧短路造成对变频器的输出侧冲击。用Pr.17选择MRS设定输入信号的逻辑。
当Pr.17设定为0时（出厂设定值），MRS信号为常开输入，MRS信号ON时，变频器停止输出；当Pr.17设定为2时，MRS常闭输入（N/C接点输入规格）。
对于漏型逻辑输入的接线方法如图3-58所示。当我们通过SB1开关给变频器一个起动的信号（STF）电动机开始工作，此时如果将MRS接通，变频器停止输出，电动机停止工作，但变频器仍有指示。
图3-57 加减速时间输出信号
图3-58 MRS输入接线方法
诸如其他常用参数读者参考变频器使用手册。
3.5.6 FR-A740变频器的操作
1.FR-DU07操作面板
FR-A740变频器的操作面板（FR-DU07）的各部分名称如图3-59所示。
图3-59 FR-A740变频器的操作面板图
2.基本操作（出厂时设定值）
（1）FR-A740变频器的基本操作（见图3-60）。
图3-60 FR-A740变频器的基本操作
（2）锁定操作
FR-A740变频器的锁定操作，可以防止参数变更或防止意外启动或停止，使操作面板的M旋钮和键盘操作无效。操作步骤如图3-61所示。
图3-61 FR-A740变频器锁定操作步骤
注意：操作锁定未解除时，无法通过按键操作来实现PU停止的解除。
Pr.161设置为“10或11”，然后按MODE键2s左右，此时M旋钮与键盘操作均无效。M旋钮与键盘操作无效化后操作面板会显示HOLd字样。
在此状态下操作M旋钮或键盘时也会显示HOLd。
如果想使用M旋钮与键盘操作有效，请按住MODE键2s左右。
（3）监视输出电流和输出电压操作
FR-A740变频器监视操作如图3-62所示。
图3-62 FR-A740变频器监视操作
3.变更参数设定值的操作
变更参数设定值的操作如图3-63所示。本例以变更上限频率的操作为例。
图3-63 变更上限频率的操作
图3-64 参数清除和全部清除操作
4.参数清除，全部清除操作
通过设定Pr.CL参数清除，ALLC参数全部清除“1”，使参数将恢复为初始值（如果设定Pr.77参数写入选择“1”，则无法清除）。参数清除和全部清除操作如图3-64所示。
3.5.7 变频器项目实训
1.实训目的
1）了解变频器操作面板的功能。
2）掌握用操作面板设置变频器参数的步骤。
3）掌握变频器输入和输出信号的使用方法。
4）学习PLC与变频器综合控制的方法。
2.实训设备
FR-A700变频器、电位器、连接导线、电动机、螺钉旋具、控制台等。