1.1异步电动机变频调速系统 …………………………………………………… 1

1.1.1  交流异步电动机变频调速基本原理 …………………………………  1

1.1.2  变频与变压的实现---SPWM调制波  ………………………………… 4

1.2 变频调速的控制方式…………………………………………………………  8

1.2.1  保持V/f比恒定 ………………………………………………………  8

1.2.2  保持输出转矩为常数（恒转矩调速）………………………………… 8

1.2.3  保持输出功率转矩为常数（恒功率调速）…………………………… 8

1.2.4  矢量控制 ………………………………………………………………  9

1.3 变频器常见故障，故障原因及处理方法……………………………………  9

1.3.1  过电流保护（OC）… …………………………………………………  9

1.3.2  过电压保护（OV）… ………………………………………………… 10

1.3.3  过载保护（OLT）  …………………………………………………… 10

1.3.4  散热片过热（OH） …………………………………………………… 10

1.3.5  电子热量（ETH）  …………………………………………………… 11

1.3.6  低电压保护（LO） …………………………………………………… 11

1.3.7  输出缺相（OPO）  …………………………………………………… 11

1.4  变频器的参数设定 ………………………………………………………… 12

1.5  变频器的日常维护 ………………………………………………………… 12 

1.6  变频器维修要点及无显示维修实例 ……………………………………… 14

1.7  变频调速系统常见故障与处理方法 ……………………………………… 15

1.8  变频器实物剖析………………………………………………………………16

1，  SAMCO-VR05变频器说明书（电子文档，PDF文件）

2，  台达变频器参数一览表（电子文档，PDF文件）

3，  台达变频器技术资料（电子文档，各种文件）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

交流异步电动机的转速可由式（1-1）表示：

                   （1-s）                        (1-1)

式中：n—电动机的转速（r/min）;

f—电源频率（Hz）;

p—电动机磁极对数；

s—电动机转差率。

由式（11-1）可见，影响电动机转速的因素有：电动机磁极对数p,转差率s和电源频率f 。其中，若能连续地改变异步电动机的电源频率f ,就可以平滑地改变电动机的同步转速和相应的电动机转速，从而实现交流异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。

 

（2）变频与变压

 

在异步电动机调速时，一个重要因素是希望保持每极磁通Φ不变。因为，任何电动机中，电磁转矩的大小都与转子电流和磁通的乘积成正比，电动机允许电流的大小要受到发热的限制，是不能增大的，如果磁通减小，必将使电磁转矩减小，电动机的带负载能力也就减小，所以，磁通不能减小；另外，磁通增大，将使电动机的磁路饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因数降低。

根据电动机学理论，三相异步电动机的定子绕组的感应电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，其有效值计算如下：

  

                       E=KfΦ                                   (1-2)

 

式中：K—与电动机结构有关的常数；

      Φ— 磁通。

由式（11-2）可见，保持Φ不变的准确方法就是使反电动势E 与频率f同步升、降。即满足

                          Φ=常数                          (1-3)

由于E的大小无法从外部加以控制，所以，根据电源电压与反电动势相平衡（U≈E_f）的特点，作为一种变通手段，保持主磁通φ不变的方法是：使电压U与频率f同步下降来近似地代替反电动势E与频率f的同步下降，则得

                       Φ=常数                         (1-4)

所以，变频的同时也必须变压。这就是VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。

 

（3）变频后的机械特性及其补偿 

 

1）变频后的机械特性

满足U/f=常数时，变频后电动机的机械特性如同11.1所示。

 

 

 

 

 

           图1.1   调速后的机械特性

 

    从图1.1中可以看到，当电动机向低于额定转速方向调速时，如同（a）所示，曲线近似平行地下降。这说明，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性，但是电动机的临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就造成电动机带负载能力的下降。这样的机械特性难以和直流调速系统相比。

低频时临界转矩减小的原因是：从根本上说，这是用U/f =常数近似代替E/f    =常数的结果。从能量传递的角度看，因为f下降引起U成正比下降，输入功率P1 也成正比下降。但I1等于额定电流不变，所以I²R₁（铜损）也不变；定子侧铁损变化不大，故损耗功率几乎不变。于是，传递到转子的电磁功率Pm的下降比率大于输入功率P₁ 的下降比率，临界转矩Tc也随之减小。从电动势平衡的角度看，f下降引起U成正比率下降，因为I₁  不变，所以阻抗压降ΔU基本不变，而反电动势E所占比例则逐渐减小。从而，当U/f=常数时，比值E/f实际上是随f 的下降而减小的，主磁通Φ也随之减小。所以，电动机的临界转矩Tc也随之减小。

当电动机向高于额定转速方向调速时，如同图1.1(b) 所示，不仅临界转矩曲线下降，而且其工作段的斜率开始增大，使机械特性变软。

造成这种现象的原因是：当频率f升高时，电源电压不能相应地升高。这是因为电动的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以磁通Φ       将随着频率f的升高反比例下降，而磁通的下降使电动机的转矩下降,造成电动机的机械特性变软。

     2) V/F转矩补偿法

变频后机械特性的下降使电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法是采用V/F转矩补偿法。

    V/F转矩补偿法的原理是：当频率下降时，适当提高U/f的比值，以补偿          ∆U所占比例增大的影响，从而保持磁通Φ恒定，使电动机转矩回升。这种方法称为转矩补偿法，也叫转矩提升法，这种调整临界转矩的方法称V/F转矩补偿法。

 注意，V/F转矩补偿法只能补偿向低于额定转速方向调速时的机械特性，而对高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。

通常，变频器提供多种比值不同的V/F线，供用户根据不同机械的具体情况进行选择，如图1.2所示。

      

          

                 图1.2 通用变频器提供的V/F线图

 

（1）       变频调速系统中变频器的类型

 

     变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电流，能实现这一功能的装置称为变频器。变频调速系统中的变频器一般可分为交-交变频器与交-直-交变频器两种。交-交变频器又称直接变频器或周波变换器，它直接将电网的交流变成电压和频率都可调的交流电输出。交-直-交的变频器又称间接变频器，它是将交流电先经可控整流器变成幅值可变的直流电压（整流），然后再将此直流电压经逆变器变成频率可调的交流输出（逆变）。变频器由两部分组成：主电路和控制电路。其中主电路通常采用交-直=交方式，包括整流器和逆变器；控制电路是向主电路提供多种控制信号的回路，包括决定V/F特性的频率电压运算回路、主回路的电压/电流检测回路、电动机的转速检测回路、根据运算回路的结果生成相应脉冲并进行隔离和放大的PWM生成及驱动回路、变频器和电动机的保护回路。

 

 

要实现VVVF，可以考虑的方法有PAM脉幅调制）和PWM脉宽调制）。PAM控制的原理是在频率下降的同时，使直流电压也随之下降。实施PAM要同时控制整流和逆变两部分，两部分之间的协调比较困难，故线路比较复杂。PWM控制是通过调节脉冲宽度和各脉冲间的“占空比”来调节平均电压。PWM的优点是不必控制直流侧，因而大大简化了电路。但是，电流的谐波分量将是很大的。如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布的话，便是正弦脉宽调制（SPWM），如图1.3所示。这样的波称为正弦脉宽调制波。SPWM的显著优点是：由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列脉冲构成的。但通入电动机的电流却十分逼近于正弦波，谐波成分大为减小，可以得到基本满意的驱动效果。

图1.3    SPWM波形

 

 

                  图 1.4   SPWM波形

 

（1）SPWM 的产生原理

 

产生SPWM波的原理是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图1.4所示，其相交的时刻（即交点）作为开关管“开”或“关”的时刻。

          

           

 

                   图1.4   SPWM波生成方法

 

将这组三角形波称为载波；而正弦波则称为调制波。调制波的频率和幅值是可控制的。如图1.4所示，改变调制波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变调制波的幅值，也就改变调制波与载波的交点，是输出脉冲系统的宽度发生变化，从而改变了输出电压。

对三相逆变开关管生成SPWM波的控制可以有两种方式，一种是单极性控制，另一种是双极性控制。

采用单极性控制时，每半个周期内，逆变桥的同一桥臂的上、下两只逆变开关管中，只有一只逆变开关管按图1.4的规律反复通/断，而另一只逆变开关管始终关断；在另外半个周期内，两只逆变开关管的工作状态正好相反。图1.4为单极性PWM控制方式（单相桥逆变）波形，在Ur和Uc的交点时刻控制IGBT的通/断。

采用双极性控制时，每全部周期内，逆变桥同一桥臂的上、下两只逆变开关管交替开通与关断，形成互补的工作方式。图1.5为SPWM变频器电路原理图，其逆变器为三相桥式PWM逆变电路。图1.6为三相桥式PWM逆变电路输出双极性波形。

图1.5中，1V-6V是6个功率开关器件（GTO、GTR 、MOSFET或IGBT0）。

此处以IGBT为例，1VD-6VD为用于处理无功功率反馈的二极管。其功能是：为电动机绕组的无功电流返回直流通路时提供通路；在降速过程中，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路；为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。C为滤波电容。整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压U_D供电。一组三相对称的正弦参考电压信号u_rU、u_rV、u_rW通过调制电路产生三相SPWM脉冲序列波，u_UN、u_VN、u_WN，如图1.6所示。它们分别是各桥臂按对应的调制波与载波交点所决定的时间，进行“开”与“关”所产生的输出波形。其波值正、负交替，这就是所谓双极性，其中上臂开关管产生正脉冲，下臂开关管产生负脉冲。它们的最大幅值是±U_D            /2。同样三相相电压波形的相位也互差120^o 。

 

 

 

图1.5 SPWM变频器电路原理图

 

       

 

图1.6三相桥式PWM逆变电路输出双极性波形。

(2)  SPWM 波的调制方式

 

在SPWM逆变器中，载波电压频率f_t 与参考波电压频率（及逆变器的输出频率）f_R 之比  N=f_t/f_R称为载波比，也称调制比。根据载波比的变化与否，SPWM调制方式可分为同步调制方式、异步调制方式和分段同步调制方式。

1）  同步调制方式

载波比N =常数时称为同步调制方式。

同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的载波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数是一定的。其优点是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120^o的相位移的对称关系。缺点是：当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数很少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。

2）  异步调制方式

    为消除上述同步调制方式的缺点，可以采用异步调制方式，即在逆变器的整个变频范围内，载波比N 不是一个常数。一般在改变参考频率f_r时，保持三角波载波频率f_t 不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压在每个周期内SPWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉冲与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。

3）  分段同步调制方式

实际应用中，多采用分段调制方式，它集中同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，而在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围内划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些。采用分段的同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路， 从而增加了控制电路的复杂性。