通用变频器的结构原理及应用

1.通用变频器的外形结构

图3-24是罗克韦尔PF700通用变频器的外形结构示意图。

图3-24中，右上角图是LCD显示数字操作面板，可以通过连接电缆远离通用变频器本体连接而远距离操作通用变频器。在通用变频器的上后部有冷却风扇，当开机时，与通用变频器同步工作，以冷却功率模块。控制端子与控制板（左上图）安装在一起，用于连接I/O信号；主回路端子（见中下两图）与主电路的功率模块连接，主回路端子用于连接输入电源和电动机。右下角是通信接口模块。

2.通用变频器的内部结构

从通用变频器的控制原理上看，其基本结构由主电路，包括整流器、中间直流环节、逆变器，主控制板、通信和外部接口及显示操作面板组成，如图3-25所示。

图3-24 通用变频器的外形结构示意图

图3-25 通用变频器的内部结构原理图

主电路接线端子中，R、S、T（或标注L1、L2、L3）是电源输入端子，接电网三相交流电；U、V、W是交流输出端子，接电动机。

整流器有可控整流桥和不可控整流桥两种，大多数通用变频器采用不可控整流桥，具有能量回馈功能的通用变频器采用可控整流桥。整流桥的作用是把三相交流变换为直流，作为逆变器的恒定电源。逆变器是将直流转换成交流的换流器，它是由6个IGBT组成的三相逆变桥，采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术，从而获得大功率、高效率的交流输出。中间直流环节是一个（组）大容量电解电容器起稳定直流电压、滤波和存储回馈能量作用。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，所以常称中间直流环节为中间直流储能环节。

控制电路是通用变频器的心脏，包括CPU、控制策略算法电路、信号检测电路、驱动和保护电路、外部接口、数字操作面板插口等构成。控制策略算法电路即与通用变频器控制方式对应的数学模型及运行曲线（斜坡函数）。高性能的通用变频器目前已经采用微处理器进行全数字控制，硬件电路简单，主要靠软件实现各种控制和保护功能。可以通过数字操作面板来设定各种参数和选择所需要的功能。新型通用变频器还可以通过编程和调试软件在计算机上进行参数设置和监控。(www.xing528.com)

通用变频器的数字操作面板是一个具有LED或LCD显示和操作键的微型界面，利用它可以进行各种参数编程、监视和运行操作，监视通用变频器的运行状态，显示频率指令值和实际输出频率、输出电压指令值和实际输出电压及输出电流等。当通用变频器保护功能动作后，可以通过操作面板显示故障内容、查看故障原因等。运行操作包括运行/停止、正转/反转、点动、输出频率设定等内容，可以根据外部给定信号进行设定。

外部接口电路通常包括多功能输入输出I/O接线端子、频率指令输入输出I/O接线端子、串行通信接口和特殊输入输出端子等。多功能I/O接线端子是可编程的，可以通过编程定义端子的功能。频率指令I/O接线端子是模拟量输入端子，用于通过电位器或标准工业信号进行速度控制。串行通信接口通常是RS-232或RS-485，不同品牌的通用变频器遵循不同的通信协议，用于连网通信。如西门子通用变频器的串行通信接口RS-485，通信协议是USS协议。特殊输入输出端子主要是模拟量输出信号和数字量输出信号等，通过相应的接口可进行频率、速度等的输出显示、故障报警等。

3.通用变频器的外部接线端口

各种品牌通用变频器的外部接线端口大同小异，典型的通用变频器外部接线端口如图3-26所示。

图3-26 通用变频器的外部接口示意图

由图3-26可见，外部信号接口主要有：

（1）主电路接线端子。L1、L2、L3是电源输入端子，接三相交流电源；U、V、W是交流输出端子，接异步电动机；B（+）、B（-）之间连接内部制动电阻；DC（+）、DC（-）之间用来连接外部制动单元。

（2）模拟量输入/输出端子。两路模拟量输入用于从外部输入模拟量（0～10V、4～20mA等）以设定速度给定值。可以通过参数分别设置每个通道的属性，如“带监控”或“不带监控”，“带监控”是指模拟通道具有监控功能，当断线或信号超限，将故障报警。频率设定电位器用于就地手动调节速度给定值。模拟输出信号与所设置的物理量呈线性关系，两路模拟量输出的物理量可以通过参数设置，出厂值为0～20mA输出，可以标定为4～20mA输出，如果需要电压信号可以在相应端子并联一支500Ω电阻。

（3）数字量控制输入/输出端子。Din1～Din6六个数字量输入端子的每个端子都有一个对应的参数用来设定该端子的功能，通过编程以二进制编码方式定义其功能。可以将变频器当前的状态以开关量的形式用继电器1～继电器3输出端子输出，通过输出继电器的状态来监控变频器的内部状态量。而且每个输出逻辑是可以进行取反操作。

（4）通信接口。通用变频器具有RS-232或RS-485的通信接口，可与计算机、PLC及其他可通信设备进行通信，并按照计算机或PLC的指令完成所需的动作。西门子MM440通用变频器具有基于USS协议的RS-485通信端口，通过USS协议，可与西门子S7系列PLC连接，以网络化方式控制变频器运行，也可以根据USS协议自行编制程序，变频器无需增加任何硬件即可构成一个控制系统。可以通过PROFIBUS模块、DeviceNet模块、CANopen模块连接到相应的控制系统中。MM440通用变频器还可通过计算机的RS-232接口连接，通过随机软件STARTER调试变频器，实现参数的上传、下载以及参数备份。