变频器频率控制技术

在使用一台变频器的时候，目的是通过改变变频器的输出频率，即改变变频器驱动电动机的供电频率从而改变电动机的转速。如何调节变频器的输出频率呢？关键是必须首先向变频器提供改变频率的信号，这个信号称为“频率给定信号”。所谓频率给定方式，就是调节变频器输出频率的具体方法，也就是提供给定信号的方式。

1.操作器键盘给定

操作器键盘给定是变频器最简单的频率给定方式，用户可以通过变频器的操作器键盘上的电位器、数字键或上升/下降键来直接改变变频器的设定频率（见图7-12）。

操作器键盘给定的最大优点就是简单、方便、醒目（可选配LED数码显示和中文LCD液晶显示），同时又兼具监视功能，即能够将变频器运行时的电流、电压、实际转速、母线电压等实时显示出来。如果选择键盘数字键或上升下降键给定，则由于是数字量给定，精度和分辨率非常高，其中精度可达最高频率×±0.01%，分辨率为0.01Hz。

如果选择操作器上的电位器给定，则属于模拟量给定，精度稍低，但由于无须像外置电位器的模拟量输入那样另外接线，实用性非常高。变频器的操作器键盘通常可以取下或者另外选配，再通过延长线安置在用户操作和使用方便的地方。一般情况下，

图7-12 操作器 键盘给定方式

延长线可以在5m以下选用，对于距离较远则不能简单地加长延长线，而是必须使用远程操作器键盘。

2.接点信号的给定

接点信号给定就是通过变频器的多功能输入端子的UP和DOWN接点来改变变频器的设定频率值。该接点可以外接按钮或其他类似于按钮的开关信号（如PLC或DCS的继电器输出模块、常规中间继电器）。具体接线如图7-13所示。

3.模拟量给定

模拟量给定方式即通过变频器的模拟量端子从外部输入模拟量信号（电流或电压）进行给定，并通过调节模拟量的大小来改变变频器的输出频率。模拟量给定中通常采用电流或电压信号，常见于电位器、仪表、PLC和DCS等控制回路（见图7-14）。

图7-13 接点信号给定接线

电流信号一般指0～20mA或4～20mA。电压信号一般指0～10V、2～10V、0～±10V、0～5V、1～5V、0～±5V等。电流信号在传输过程中，不受电路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应以及感应噪声等的影响，抗干扰能力较电压信号强。但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况下，仍以选用电压给定为模拟量信号居多。

变频器通常都会有2个及以上的模拟量端子（或扩展模拟量端子），如图7-15所示为三菱A500/A700系列变频器的模拟量输入端子（端子2、4、1分别为电压输入、电流输入和辅助输入）。

有些模拟量端子可以同时输入电压和电流信号（但必须通过跳线或短路块进行区分），因此对变频器已经选择好模拟量给定方式后，还必须按照以下步骤进行参数设置：

1）选择模拟量给定的输入通道。

2）选择模拟量给定的电压或者电流方式及其调节范围，同时设置电压/电流跳线，注意必须在断电时进行操作。

3）选择模拟量端子多个通道之间的组合方式（叠加或者切换）。

4）选择模拟量端子通道的滤波参数、增益参数、线性调整参数。

图7-14 模拟量给定方式

图7-15 A500/A700系列变频器的模拟量输入端子

4.频率给定曲线

所谓频率给定曲线，就是指在模拟量给定方式下，变频器的给定信号P与对应的变频器输出频率f（x）之间的关系曲线，f（x）=f（P）。这里的给定信号P，既可以是电压信号，也可以是电流信号，其取值范围在10V或20mA之内。

一般的电动机调速都是线性关系，因此频率给定曲线可以简单地通过定义首尾两点的坐标（模拟量、频率）即可确定该曲线。如图7-16a所示，定义首坐标为（P_min，f_min）和尾坐标为（P_max，f_max），可以得到设定频率与模拟量给定值之间的正比关系。如果在某些变频器运行工况需要频率与模拟量给定成反比关系，也可以定义首坐标为（P_min，f_max）和尾坐标为（P_max，fmin），如图7-16b所示。

图7-16 频率给定曲线(www.xing528.com)

a）正比关系b）反比关系

这里必须注意以下几点：

1）如果根据频率给定曲线计算出来的设定频率超出频率上、下限范围，只能取频率上、下限值，因此，频率上、下限值优先考虑。

2）在一些变频器参数定义中，模拟量给定信号P或设定频率f是采用百分比赋值，其百分比的定义为模拟量给定百分比P%=P/P_max×100%和设定频率百分比f%=f/f_max×100%。

3）在一些变频器参数定义中，频率给定曲线不是直接描述出来，而是通过最大频率、偏置频率和频率增益表达。

5.模拟量给定的滤波和增益参数

模拟量的滤波是为了保证变频器获得的电压或电流信号能真实地反映实际值，消除干扰信号对频率给定信号的影响。滤波的工作原理是数字信号处理，即数字滤波。滤波时间常数就是特指模拟量给定信号上升至稳定值的63%所需要的时间（单位为秒）。

滤波时间的长短必须根据不同的数学模型和工况进行设置，滤波时间太短，当变频器显示“给定频率”时有可能不够稳定而呈闪烁状；滤波时间太长，当调节给定信号时，给定频率跟随给定信号的响应速度会降低。一般而言，出于对抗干扰能力的考虑，需要增加滤波时间常数；处于对响应速度快的考虑，需要降低滤波时间常数。

模拟量通道的增益参数与上面的频率增益不一样，后者主要是为定义频率给定曲线的坐标值，前者则是在频率给定曲线既定的前提下，降低或者提高模拟量通道的电压值或者电流值。

6.模拟量给定的正、反转控制

一般情况下，变频器的正、反转功能都可以通过正转命令端子或反转命令端子来实现。在模拟量给定方式下，还可以通过模拟量的正、负值来控制电动机的正、反转，即正信号（0～+10V）时电动机正转，负信号（-10V～0）时电动机反转。如图7-17所示，10V对应的频率值为f_max，-10V对应的频率值为-f_max。

在用模拟量控制正、反转时，零界点即0V时应该为0Hz，但实际上真正的0Hz很难做到，且频率值很不稳定，在频率0Hz附近时，常常出现正转命令和反转命令共存的现象，并呈“反反复复”状。为了克服这个问题，预防反复切换现象，就定义在零速附近为死区，如图7-17所示。对于死区，不同类型的变频器定义都会有所不同。一般有以下两种：

1）线段型。如图7-17所示，如定义（-1V，+1V）为死区，则模拟量信号在（-1V，+1V）范围时按零输入处理，（+1V，+10V）对应（0Hz，最大频率），（-1V，-10V）对应（0Hz，负的最大频率）。

图7-17 模拟量的正、 反转控制和死区功能

2）滞环回线型。在变频器的输出频率定义一个频率死区（-f_dead，+f_dead），这样一来配合着电压死区（-U_dead，+U_dead）就围成了滞环回线。

模拟量的正、反转控制功能还有一种就是在模拟量非双极性功能的情况下（也就是说电压不为负的单极性模拟量）也可以实现，即定义在给定信号中间的任意值作为正转和反转的零界点（相当于原点），高于原点以上的为正转，低于原点以下的为反转。同理，也可以相应设置死区功能，实现死区跳跃。但是，在这种情况下，却存在一个特殊的问题，即万一给定信号因电路接触问题或其他原因而丢失，则变频器的输入端得到的信号为0V，其输出频率将跳变为反转的最大频率，电动机将从正常工作状态转入高速反转状态。十分明显，在生产过程中，这种情况的出现将是十分有害的，甚至有可能损坏生产机械。对此，变频器设置了一个有效的“零”功能。就是说，让变频器的实际最小给定信号不等于0，而当给定信号等于0时，变频器的输出频率则自动降至0。

7.脉冲给定

脉冲给定方式即通过变频器的特定的高速开关端子从外部输入脉冲序列信号进行频率给定，并通过调节脉冲频率来改变变频器的输出频率。

8.通信给定

通信给定方式就是指上位机通过通信口按照特定的通信协议、特定的通信介质将数据传输到变频器以改变变频器设定频率的方式。上位机一般指计算机（或工控机）、PLC、DCS、人机界面等主控制设备。通信给定方式如图7-18所示。

上位机和变频器之间传输数据的方式

主要有两种：

1）串行方式。它每次只传送二进制的一位，主要优点是连线少，一般只有2根或3根，缺点是传送速度较低。

2）并行方式。它每次可传送一个完整的字符，传送速度快，但所需的连线较多，一般需要8根或16根，成本相应就高了许多。

由于上位机与变频器之间的距离一般不会太远，对传输速度的要求也不是很高，因此在通常情况下都采用串行传输方式。

图7-18 通信给定方式