变频器参数设置模式基本操作

知识导读

一、变频器的工作原理

三相交流异步电动机调速公式为

式中 pn ——电动机定子绕阻的磁极对数；

f1——电动机定子电压供电频率；

s——电动机的转差率。

从式中可以看出，调节交流异步电动机的转速有变频（f1）、变极（ pn ）、变转差率（s）三种方法。

1.变极调速

由异步电动机的同步转速可知，在供电电源频率f1 不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三挡，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。

2.变转差率调速

改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速、串级调速等。

3.变频调速

从式（4.1.1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数pn 一定，转差率s 一定时，改变定子绕组的供电频率f1 可以达到调速目的，电动机转速n 基本上与电源的频率f1 成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑无级地调节异步电动机的转速。变频调速的调速范围大，低速特性较硬，基频f = 50 Hz 以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频启动更能显著改善交流电动机的启动性能，大幅度降低电动机的启动电流，增加启动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。

（1） U/f 控制。

异步电动机的转速n 与定子供电频率之间有以下关系：

从上式可知，只要平滑地调节异步电动机定子的供电频率f1，同步转速n0 随之改变，就可以平滑地调节转速n，从而实现异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。

在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电动机中每极磁通量Φm为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变频率调速时，必须采取措施保持磁通恒定并为额定值。

由电动机理论知道，三相交流电动机定子每相电动势的有效值为

式中 E1——定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值；

f1——定子频率；

N1——定子每相有效匝数；

KN1——基波绕组系数；

Φm ——每极磁通量。

由上式知道，电动机选定后，则N1 为常数，Φ m 由E1、f1 共同决定，对E1、f1 适当控制，可保持Φ m 为额定值不变，对此，需考虑基频以下和基频以上两种情况。

所谓调速方式，是指在电动机得到充分利用的条件下，电动机输出转矩和转速之间的关系。电动机常用的有两种典型调速方式：恒转矩调速方式和恒功率调速方式。若输出转矩和转速无关，则为恒转矩调速方式，如他励直流电动机调电枢电压调速，绕线转子异步电动机转子串电阻调速等。若输出转矩和转速成反比，则为恒功率调速方式，如他励直流电机的弱磁调速。异步电动机的调速分为基频下调和基频上调两种情况，基频下调通常采用恒转矩调速方式，而基频上调通常采用恒功率调速方式。

（2） 基频以下调速。

由式（4.1.2），保持E1/f1 = 常数，可保持Φ m 不变，但实际中E1 难于直接检测和控制。当值较高时定子漏阻抗可忽略不计，认为定子相电压U1≈E1，保持U1/f1 = 常数即可。当频率较低时，定子漏阻抗压降不能忽略，这时，可人为地适当提高定子电压补偿定子电阻压降，以保持气隙磁通基本不变。

（3） 基频以上调速。

基频以上调速时，频率可以从f1N 往上增高，但电压U1 不能超过额定电压U1N，由式（4.1.2）可知，这将迫使磁通与频率成反比下降，相当于直流电动机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图4.1.9 所示的电动机U/f 控制特性，在基频f1N 以下为恒转矩调速区，磁通和转矩恒定，功率与频率（转速）成正比；在基频以上为恒功率调速区，功率恒定，磁通和转矩与频率（转速）成反比。

由上面的讨论可知，异步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，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）调速控制。

图4.1.9　异步电动机变压变频调速的控制特性

二、逆变器的基本工作原理

逆变就是将直流电变成交流电，与整流相对应。交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。常用的变频器采用三相逆变电路，电路结构如图4.1.10 所示。

180°导电方式：每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。

图4.1.10　三相逆变电路

波形分析：电压型三相桥式逆变电路的工作波形如图4.1.11 所示，通过波形可分析逆变器的工作过程。

图4.1.11　电压型三相桥式逆变电路的工作波形(www.xing528.com)

三、脉冲宽度调制（PWM）技术

PWM 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生正弦脉宽调制SPWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM 信号输出，PWM 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至其他能量交换系统中得到广泛的应用。

PWM 控制技术大致可以分为三类：正弦PWM，优化PWM，随机PWM。正弦PWM具有改善输出电压和电流波形、降低电源系统谐波的多重PWM 技术，在大功率变频器中有其独特的优势；优化PWM 所追求的则是实现电流谐波畸变率最小、电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小及其他特定优化目标；随机PWM 的原理是随机改变开关频率使电动机电磁噪声近似为限带白噪声，尽管噪声的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪声强度大大削弱。SPWM 变频器结构简单，性能优良，主电路不用附加其他装置，已成为当前最有发展前途的一种结构形式。

1.SPWM 电路的主要特点

（1） 主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构。

（2） 使用了不可控的整流器，使电网功率因数与变频器输出电压的大小无关而接近于1。

（3） 变频器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应。

（4） 可获得比常规6 拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，大大扩展了拖动系统调速范围，并提高了系统的性能。

2.SPWM 电路的工作原理

所谓正弦波脉宽调制（SPWM）就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图4.1.12 所示，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n 等份（图中n = 12），然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，而宽度是按正弦规律变化的，如图4.1.12（b）所示。这样，由n 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效，称作SPWM 波形。同样，正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等效。

图4.1.12　与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波

图4.1.12（b）所示的一系列脉冲波形就是所期望的变频器输出SPWM 波形。可以看到，由于各脉冲的幅值相等，所以变频器可由恒定的直流电源供电，即这种交-直-交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器即可，变频器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压幅值。当变频器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与图4.1.12（b）所示形状相似的一系列脉冲波形。

任务实施

一、准备阶段

工作环境：电气、消防、卫生等应符合实训安全要求的电工实训室，且具有投影仪等多媒体教学设备。

配套设备：电气安装与维修实训平台。

仪器仪表：每人配备电工常用工具一套（尖嘴钳一把，一字、十字螺丝刀各一把），万用表一块。

元器件及耗材：三菱变频器FR-D700、三相异步电动机、相关电气元件及导线若干。

资料准备：三菱变频器的使用说明书。

着装要求：穿工作服、穿绝缘胶鞋、戴胸牌。

所谓运行模式，是指对输入到变频器的启动指令和设定频率的命令来源的指定。一般来说，使用控制电路端子、在外部设置电位器和开关来进行操作的是“外部运行模式”，使用操作面板以及参数单元（FR-PU04-CH/FR-PU07）输入启动指令、频率指令的是“PU 运行模式”，通过PU 接口进行RS-485 通信使用的是“网络运行模式（NET 运行模式）”。

运行模式的选择参数Pr.79，可以任意变更外部指令信号执行的运行（外部运行）、通过操作面板以及PU（FR-PU04-CH/FR-PU07）执行的运行（PU 运行）、PU 运行与外部运行组合（外部/PU 组合运行）、网络运行（使用RS-485 通信时），其对应的参数值具体说明如表4.1.5 所示。

表4.1.5　Pr.79 参数值说明表

续表

二、操作过程

1.参数设置基本操作

（1）运行模式参数设定、参数清除、参数全部清除、报警历史清除和初始值变更清单之间的切换。

（2） 运行模式设置，将Pr.79 的参数设置成2。

操作步骤如图4.1.13 所示。

图4.1.13　参数设置基本操作

2.运行模式设置

依次将参数号Pr.79 的参数值设定为“1”“3”“4”，观察操作面板信号等显示情况，其操作步骤与图4.1.13 中参数设置相同。

3.参数清除操作

清除的意思是恢复到出厂设定。参数清除操作只能在PU 模式下进行。有两种清除：“参数清除”和“参数全部清除”。“参数清除”是将除了校正参数、端子功能选择参数等之外的参数全部恢复，详见使用手册。

其操作步骤如图4.1.14 所示。

图4.1.14　参数清除操作