變頻器的結構與原理

目前公司變頻器使用類型比較多，常用的有SEW、AB、三菱、倫茨等品牌。

一、變頻器的作用與基本原理

變頻器能實現對交流異步電機的軟起動、無級調速、提高運轉精度、改變功率因數、節能、過流/過壓/過載保護等功能。變頻調速技術的理論基礎是三相交流異步電動機的轉速與頻率成正比，與極對數成反比，即：n=（1-s）60f/p其基本原理框圖（應用最多的類型）是：

圖8-1：變頻器原理框圖即三相（單相）交流電經過整流電路轉換為直流電源，然后再逆變成三相交流電動機使用的經過調制的等幅脈動直流，脈動直流密度與對應交流應獲得幅值成正比。輸出驅動電流使用了脈沖寬度調制技術（PWM）。由于輸出的波形是脈動直流，所以變頻器對電網的諧波干擾非常大。

二、變頻器速度控制方式

變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、通訊方式給定等。1、操作鍵盤給定通過操作鍵盤給定速度，手工或自動操作啟動、停止變頻器。2、接點信號給定通過外部開關接點組合代碼來選擇速度，而速度要在參數表設置。3、模擬信號給定包括0-5VDC、（0）1-10VDC、20mA電流、電位器給定等。4、通訊方式給定通過總線或其它接口，由另一個控制器把速度寫入變頻器特定的緩沖字中。

三、外部接線

下圖是一個三菱變頻器接線的例子，這是變頻器使用極其典型的電路。

圖8-2：變頻器的外部接線方式圖中，使用了接點信號給定的速度輸入方式。三級速度、停止、復位、正轉、反轉等都由PLC輸出控制，運行、異常報警信號接入PLC輸入端。

四、工作方式與運行特性

變頻器由于其控制上的柔性，可以獲得多種改良特性。

（一）工作方式：基本工作方式有恒轉矩、恒功率兩種。1、恒轉矩控制根據轉矩與“電壓/頻率”比值的平方成正比的數學關系，我們知道，要實現恒轉矩方式，必須保持U/f為常數。這就是為什么恒轉矩控制方式下，頻率下降，輸出電壓也要跟著同比降低的原因。2、恒功率控制從電動機功率：P= MΩ=M*2лn/60=M*n/9554及轉矩與（U/f）的平方成正比的關系，要實現恒功率調速，就必須保證U ^2/f為常數。

（二）變頻器主要運行特性分析

1、額定頻率以上調速特性分析在額定頻率以上時，電壓不允許繼續增加，此時頻率可以上升。具體上升幅度，與電機機械構件有關。根據以上數學關系可以得出兩點結論：結論1：輸出功率應與頻率成反比，即功率將隨著頻率上升反比降低。結論2：電機轉矩將隨頻率的平方成反比而快速下降。這個結論告訴我們，要在額定頻率以上升速時，電動機和變頻器都應該有較大的余量。2、變頻時，電機的起動電流、起動轉矩怎樣？

采用變頻器運轉，隨著電機的加速相應提高頻率和電壓，起動電流被限制在150%額定電流以下。一般根據機種不同，為125%~200%。而用工頻電源直接起動時，起動電流為額定電流5~7倍。采用變頻器傳動，起動電流一般為額定電流的1.2~1.5倍，起動轉矩為70%~120%額定轉矩。3、低頻轉矩補償　頻率下降時，由于交流阻抗變小而直流電阻不變，內阻壓降占比上升將造成在低速下產生的轉矩有減小的傾向。因此，在低頻時給定V/f，要使輸出電壓提高一些，以便獲得一定的起動轉矩。這種補償稱增強起動，也即所謂的低頻轉矩補償。補償方法有多種，有自動進行的方法、選擇V/f模式等。4、再生制動電動機在運轉中如果降低指令頻率，則電動機變為異步發電機狀態運行，作為制動器而工作，這就叫作再生（電氣）制動。如果整流器為晶體管橋，發出的電能還可以回饋到電網。5、變頻器輔助制動　　從電機再生出來的能量貯積在變頻器的濾波電容器中，由于電容器的容量和耐壓的關系，通用變頻器的再生制動力約為額定轉矩的10%~20%。如采用選用件制動單元，可以達到50%~100%。6、挖土機特性電機負荷到極限狀態時要自動進行電流限制。目的是使電機持續維持最大轉矩，即使發生堵轉，變頻器也不會跳閘，即實現所謂挖土機特性。該特性需要專用的電路來實現。

圖8-3：挖土機特性曲線圖7、加（啟動）減速方式變頻器從一個速度過渡到另外一個速度的過程稱為加減速，如果速度上升則為加速，速度下降則為減速。加減速方式主要有以下幾種：

（a）直線加減速 （b） s型曲線加減速圖8-4：加減速特性曲線（1）直線加減速變頻器的輸出頻率按照恒定斜率遞增或遞減。變頻器的輸出頻率隨時間成正比地上升，大多數負載都可以選用直線加減速方式。一般定義加速時間為變頻器從零速加速到最大輸出頻率所需的時間（t1）。減速時間則相反，為變頻器從最大輸出頻率減至零頻率所需的時間（t2）。在有些變頻器定義中，加減速時間不是以最大輸出頻率fmax為基準，而是固定的頻率（如50HZ）。加減速時間必須根據負載要求適時調整，否則容易引起加速過流和過壓、減速過流和過壓故障。注意直線加減速時，速度是無級的，而加速度是有級的。（2）s曲線加減速變頻器的輸出頻率按照S型曲線遞增或遞減。要實現電機的S曲線啟動，需在變頻器內選擇S曲線功能，現在的變頻器一般都有S曲線功能。S曲線劃分為3個階段的時間，S曲線起始段時間如圖中①所示，這里輸出頻率變化的斜率從零逐漸遞增；s曲線上升段時間如圖中②所示，這里輸出頻率變化的斜率恒定；s曲線結束段時間如圖中③所示，這里輸出頻率變化的斜率逐漸遞減到零。將每個階段時間按百分比分配，就可以得到一條完整的s型曲線。因此，只需要知道三個時間段中的任意兩個，就可以得到完整的s曲線，因此在某些變頻器只定義了起始段①和上升段②，而有些變頻器則定義兩頭起始段①和結束段③。S曲線加減速，非常適合于輸送易碎物品的傳送機、電梯、搬運傳遞負載的傳送帶，以及其他需要平穩改變速度的場合。例如，電梯在開始起動以及轉入等速運行時，從考慮乘客的舒適度出發，應減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。注意S曲線加減速時，速度是無級的，加速度也是無級的。

五、參數表

變頻器的參數表是維修人員必須掌握的，維修人員除了掌握接線方法外，還必須詳細閱讀所有參數及設置方法。事實上，變頻器的參數九成左右都是出廠時設置好的，實際應用時，一般要修改的參數不超過10%。經常需要修改的參數一般有：1、參數保護開關：用于保護不被修改，編輯參數時，要打開。2、自動目標速度外部開關輸入有三個控制點：高速、中速、低速，這三個點的編碼還可以選擇更多的速度。具體速度可以在參數表中設定。3、點動速度變頻器點動運行速度。4、U/F特性選擇U/F控制方式，一般變頻器都會提供類似的選擇。5、加、減速時間不合適的加減速時間設定，會引起過電流報警。6、啟動扭矩或啟動電壓主要用于低頻啟動時適度提升電壓，以獲取更大的啟動扭矩。7、電子熱繼電器設置變頻器過載保護電流，注意這個電流要根據電動機負荷來設置，否則就起不到保護電機的作用。8、輸入方式選擇速度輸入方式。9、最大頻率變頻器允許的最大頻率等等，一般變頻器都有100個以上的參數，具體參數細節要參照變頻器手冊。參數表的輸入方式有兩種：一是使用袖珍鍵盤輸入，它可以直接安裝在變頻器上；二是使用專用筆記本電腦軟件。

8.2 SEW MDX60/61B變頻器維修使用指導書

一．MDX60/61B系列變頻器概述

1、型號含義：型號：MDX61 B 0011 – 5 A 3 – 4 – 00系列號 版本 電機功率 電壓 無線干擾抑制 3相 象限 版本5：380-500V A、B：干擾抑制2：200-230V 0：無2、規格：該型變頻器按功率大小，可以分為規格1-規格7（或尺寸0-尺寸6），規格1功率最小，規格7功率最大。

3、概況MDX61B相對60B有更多可選件，且可以帶反饋控制。MDX60B有如下現場總線接口：? PROFIBUS DP/FMS、INTERBUS-S、CAN、Device-Net （準備）MDX61B還有：l EtherNet、EtherCatMDX還有PLC卡、位置控制板、擴展I/O、同步控制器、編碼器接口、制動器等可選件。IPOS：內部邏輯控制與位置控制功能。該型變頻器有如下種類：

VFC：電壓矢量控制CFC：電流矢量控制

二、變頻器接線圖（一）主電路

圖8-6：變頻器應用主電路圖（二）控制電路

圖8-7：變頻器應用控制電路圖

三．DBG60B參數寫入單元

寫入單元只適合與VFC控制，其它模式變頻器必須使用MOVETOOLS軟件。

（一）構成

STOP：終止運行，可以通過RUN或者重新送電恢復。RUN：運行。DEL/左箭頭：刪除鍵，光標左移，部分子菜單狀態的退出。OK/右箭頭：確認鍵，光標右移。語言選擇鍵：用于選擇語言。切換鍵：顯示模式到編輯模式之間切換。菜單選擇鍵：選擇上下文菜單。10 個數字鍵：輸入數字。“±”號：切換正負號。小數點：輸入小數點。

（二）連接寫入單元

1、把電纜插到XTerminal接口。2、在出現SEW標志后幾秒，用語言選擇鍵選擇語言種類，并用OK鍵確認。（三）啟動與停止1、用STOP鍵可以停止變頻器工作，或對故障進行復位。2、用RUN鍵重新啟動變頻器。3、參數P70可以屏蔽這兩個鍵。

（四）菜單

1、菜單結構：通過菜單選取鍵進入上下文菜單，并用OK鍵激活：

2、參數模式：

3、變量模式：? 變量模式顯示變量H…。? 對變量的操作與修改與對參數的操作相同。? 變量值以十進制/十六進制顯示。4、基本顯示：X.XX rpm ， X.XXX Amp ， 狀態顯示和 IPOS 操作顯示。5、Wake-up參數：? 所謂喚醒參數就是送電后的顯示屏幕。進入本項顯示wake-up數據。? 它可以包括如下選項：基本顯示；參數模式中的參數；用戶菜單下的參數；變量模式下的H變量。? Wake-up設定方法：1）按菜單鍵進入上下文菜單“Wake-up參數”；2）選擇要納入的顯示內容對應項目，如參數模式、變量模式等，OK鍵確認；3）選擇要顯示的具體數據，OK鍵確認；4）按菜單鍵返回上下文菜單；5）選擇第12項“XXXX喚醒參數”，OK鍵確認。其中XXXX就是選定的項目。

6、手動操作：注意變頻器禁止信號此時必須為1。? 用菜單鍵進入上下文菜單“手動操作”，OK鍵確認。? 通過10位數字鍵或用上下箭頭設定速度。? 通過 START/STOP 按鈕進行起停操作。? 手動運行只能通過鍵或激活出廠設定來退出。手動運行在移去DBG60B后繼續有效。7、初始化（START-UP）操作：? 初始化設定 VFC & groups 和 VFC模式。? 菜單設置與 DBG11相同。以下數據是必需的：? 電機型號 （SEW 或非 SEW 電機）。? 技術數據。例如：電壓和頻率。對非SEW電機還需要一些附加數據：電流、cos j、速度等。? 電網電壓。? 閉環控制需要編碼器數據（型號和分辨率） stiffness和轉動慣量。8、 拷貝到DBG操作面板上：選擇此項把變頻器數據拷貝到DBG內存，OK鍵確認。9、 拷貝到MDX內：把存有參數的DBG插到一臺新的變頻器上，選擇此項，OK鍵確認。則把變頻器數據拷貝到另一臺變頻器的MDX存儲卡。10、用戶菜單：? 是用戶常用參數，可以添加刪除，最多不超過50個。供貨狀態為DBG60的短菜單，包含了最常用的參數。用戶菜單前加“”表示。這些參數順序不能自動分類。

? 增加用戶菜單項目：1）按菜單鍵調出上下文菜單。2）選擇“參數模式”，OK鍵確認。3）按菜單鍵返回上下文菜單。4）選擇“增加PXXX”，XXX就是選定的參數。OK鍵確認。? 刪除用戶菜單項目1）按菜單鍵調出上下文菜單。2）選擇“用戶菜單”，OK鍵確認。3）選擇要刪除的參數，OK鍵確認。4）按菜單鍵返回上下文菜單。5）選擇“刪除PXXX”，XXX就是選定的參數。OK鍵確認。11、增加 P0000：用來增加用戶菜單參數。方法見10。12、刪除P0000：用于刪除用戶菜單參數。方法見10。13、XXXX喚醒參數：參見“5、Wake-up參數”，兩項配合使用。? 定義喚醒參數菜單顯示。? xxxxx 可包括 P xxx （參數），H xxx （IPOS-變量） 或基本顯示。? xxxxx 表示最后有效顯示值。14、供貨狀態：鍵盤中所有數據將刪除。不要與參數 802 （出廠設置）混淆。15、系統設定：設定LCD 對比度， LED 控制 （背景顯示），波特率和硬件版本。16、退出：可通過wake-up 參數或基本顯示離開此菜單。

四．調試（一）開發軟件：軟件名稱：MOVITOOLS。適用于各類型的MDX變頻器調試、維修。具體用法：略。開發軟件連接接口方式如下：1、USB接口方式：轉換器：選用USB11A轉換器到PC：USB線。MDX到轉換器：RJ10-RJ10連接線。

圖8-9：USB接口方式2、RS232接口方式：轉換器：選用UWS21B轉換器到PC：9針RS232連接線。MDX到轉換器：RJ10-RJ10連接線。

（二）變頻器調試：用DBG60B可以調試VFC運行方式的應用。CFC、SERVO運行方式調試必須使用MOVITOOLS軟件。使用DBG6B對變頻器調試步驟如下：

（三）電動機啟動

下表是以利用外部端口啟動為例時，X13端子控制狀態。

圖8-10：電動機啟動控制時序圖

五．參數管理

（一）存儲卡在更換變頻器時，如果原來變頻器使用了存儲卡，則可以把存儲卡直接換到新的變頻器上，無須重新寫入數據。

（二）參數一覽該類變頻器參數共十組，每組由有子參數組，其下才是具體參數。

讀懂參數，并能根據設備實際需要進行設置、調試是學習變頻器要求掌握的基本技能。下面列表中號碼涂紅的參數是用戶要重點關注的。

1、 參數組0：顯示值00_過程值（顯示）：

01_狀態（顯示）

02_模擬量輸入（顯示）

03_到06_I/O二進制狀態（顯示）

07_系統參數（顯示）

08_故障寄存器（顯示）

09_總線監控（顯示）

2、 參數組1：轉速設定/斜率發生器10_轉速設定選擇

11_模擬量輸入AI1

12_模擬量輸入AI2（擴展可選件）

13-_轉速斜坡1

14_轉速斜坡2：與13_完全相同。15_電動電位計斜坡

16_/17_固定設定轉速

P60X用于自由定義X13端子作用，該參數設置一個FIX SETPT SW OV端子后（如DI06-DI07），可以實現兩組固定點轉速之間的切換。

3、 參數組2：控制器參數

這組參數有三個作用：1）配置變頻器控制性能參數，以優化性能；如增益、濾波、前饋等；2）配置同步控制參數；3）配置過程控制參數。具體內容此次培訓略，實際使用參考廠家參數說明書。

4、 參數組3：電機參數

30_/31_限幅

32_/33_電機補償

34_電機保護功能

? P340是依據電機利用率實現電機熱保護的；? 電機利用率是一個綜合參數：控制器的輸出電流、風冷形式、電機的轉速和運行時間。35_電機轉向

以上為常用參數，下面參數簡單介紹。

5、 參數組4：參考信號

用于監視速度、電流，當速度或電流達到、不等于或處于某個區間內時，輸出外部信號。

6、 參數組5：監控功能

50_轉速監控；用于同步控制反饋監視的有效性。51_同步操作監控；監視同步操作反饋故障。52_電源關閉響應

53_530/531：傳感器類型1/2。取值：無或TF/TH/KTY。僅用于DS/Cm電機。默認為無傳感器。54_減速機機械故障監視55_DCS安全監視56_電流極限EX-e電機

7、參數組6：端子分配60_/61_二進制輸入

（后圖箭頭反）62_/63_二進制輸出

（后圖箭頭反）64_模擬量輸出（可選件）

模擬量輸出選項：

8、 參數組7：控制功能

操作模式選擇、靜態電流、停車功能、制動功能、轉速跳躍等功能設置。700/701：運行方式1/2。默認VFC方式，參數1/2分別有多達18/5種選擇。其余略。

9、 參數組8：系統功能80_設定

其它數據為通訊、故障管理等，略。

10、 參數組9：IPOS參數

精確定位控制相關參數，略。

六．運行與維護（一）7段數碼管顯示器

顯示設備運行狀態及故障時的故障代碼。

（二）故障信息及處理步驟l 故障代碼

故障代碼在7段數碼管顯示，顯示方式是依次順序出現F—故障代碼百位—故障代碼十位—故障代碼個位。

l 故障存儲器參數P080-084記憶了最后五次的故障狀態。這些狀態包括：發生故障、二進制輸入/輸出狀態、變頻器運行狀態、變頻器狀態、散熱片溫度狀態、轉速、輸出電流、有功電流、設備利用率、DC側直流電壓、接通時間、啟動時間、參數設置、電動機利用率l 故障的三種響應狀態

立即關閉：設備不制動，輸出關斷。迅速停止：輸出關斷，以t13/t23斜坡制動。緊急停止：輸出關斷，以t14/t24斜坡制動。

l 出現故障后的處理步驟：1、把變頻器恢復到禁止狀態。2、檢查報警代碼，并查詢代碼提示，并處理故障。3、對變頻器復位（重送電、外部復位（配置X13）按鈕、編程器復位等），恢復工作。

編輯：黃飛