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1、3.2.1主电路配线 323.2.2 接地线配线 323.2.3 控制电路布线 333.3 通电前的检查 333.3.1 外观及结构检查 333.3.2 绝缘电阻检查 343.4 试运行 343.4.1 电动机单独运行 343.4.2 负载机械的试运行 353.5 检查与维修保养 363.5.1 维修保养时应遵照的准则 363.5.2 定期检查和维修保养 36第4章 变频器常见异常及其对策 394.1 变频器自身异常及对策 394.1.1 设置环境 394.1.2 外部噪声的影响 394.1.3 电源异常 414.2 变频器对周边设备的影响及对策 434.3 变频器驱动系统故障分析 44第5章

2、 闭环控制系统 475.1 自动控制系统概述 475.1.1 自动控制系统的组成及方框图 475.1.2自动控制系统的分类 485.2 对自动控制系统的基本要求 505.2.1 控制系统的主要性能指标 505.2.2 反馈控制系统的过渡响应 515.2.4 反馈控制系统过渡过程中的品质指标 525.3 PID的调节原理 545.3.1 PID的控制算式 555.5 PID控制器的参数整定 57第1章 绪 论 1.1 变频器技术的发展历史 直流电动机拖动和交流电动机抱功先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电

3、力拖动系统80左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。 但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点： （1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； （2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。 而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点： （1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养； （2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 因

4、此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行厂大量的研究开发工作。但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖功系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。 经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着同时期内电力电子技术的发展

5、，作为交流调速系统核心的变频器技术也得到显著的发展，并逐渐进入实用阶段。 虽然发展变频驱动技术最初的日的主要是为了节能，但是随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件相微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广。目的变频器不但在传统的电力拖动系统，得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的

6、发展而不断得到发展。1.2 变领器调速控制系统的优势 与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制。电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。下面我们将简单介绍一下上面提到的变频器调速控制系统的各种主要优点。在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，

7、通过变频器进行调速控制可以代替传统亡利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。 因为以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高，所以通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。 由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行大的设备改造。 在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制受频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的

8、调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1：10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1：1000。此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转短。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。 利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实现电动机的正反转切换，必须利用开闭器等装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可以达到对输出进行换相的口的，很容易实现电动机的正反转切换而不

9、需要专门设置正反转切换装置。 此外，对在电网电源下运行的电动机进行正反转切换时、如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换，电动机内将会由于相序的改变而流过大于起动电流的电流，有烧毁电动机的危险，所以通常必须等电动机完全停下来之后才能够进行换相操作，而采用变频器的交流调速系统中，内于可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行减速，并存电动机减速至低速范围后再进行相序切换，进行相序切换时电动机的电流可以很小。同样，在电动机的加速过程中可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速，从而达到限制加速电流的目的。因此，在利用变频器进行调速控制时更容易和其他设备一起构成自动

10、控制系统。 对于利用普通的电网电源运行的交流拖功系统来说，由于电动机的起动电流较大并存在着与起动时间成正比的功率损耗，所以不能使电动机进行高频度的起停运转。而对于采用了变频器的交流调速系统来说，出于电动机的起停都是在低速区进行而且加减速过程都比较平缓，电动机的功耗和发热较小，可以进行较高频度的起停运转。 变频调速系统的上述特点可以用于采用交流拖动系统的传送带和移动工作台等以达到节能的目的。这是因为，在利用异步电动机进行佰速驱动的传送带以及移动工作台中，电动机通常一直处于工作状态，而采用变频器进行调速控制后，出于可以便电动机进行高频度的起停运转，可以使传送带或移动工作台只是在有货物或工件时运行，

11、而在没有货物或工件时停止运行，从而达到节能的目的。 由于在变频器驱动系统电电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率进行的，当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈到变频器。而变频器则可以利用自己的制动回路将这部分能量以热能消耗或回馈给供电电网，并形成电气制动。此外，一些变频器还具有直流制动功能，即在需要进行制动时，可以通过变频器给电动机加上一个直流电压，并利用该电压产生的电流进行制动。 同机械制动相比，电气制动有许多优点，例如体积小，维护简单，可靠件好等。但是也应该注意到，由于在静止状态下电气制动并不能使电动机产生保持转矩，所以在某些场

12、合还必须采取相应的措施，例如和机械制动器同时使用等。 高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点之一。这是因为对于直流电动机来说，由于受电刷和换向环等因素的制约，无法进行高速运转。但是，对于异步电动机来说，由于不存在上述制约因素，理论上讲异步电动机的转速可以达到相当高的速度。由于异步电动机的转速为： n=120f（1-s）/p式中 n 电动机转速，r/min； f 电源频率，Hz； P 电动机磁极个数； s 转差率。 当用工频电源（50Hz）对异步电动机进行驱动时，二极电动机的最高速度只能达到3000r/min。为了得到更高转速，则必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行增速。与此相比，目前高

13、频变频器的输出频率已经可以达到3000kHz所以当利用这种高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可以得到高达18000 r/min的高速。而且随着变频器技术的发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，因此进行更高速皮的驱动也将成为可能。 此外，与采用机械增速装置的高速驱动系统相比，出于采用高频变频器的高速驱动系统中并不存在异步电动机以外的机械装置，其可靠性更好，而且保养和维修也更加简单。 在变领器调速控制系统中，变频器和电动机是可以分离设置的。因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到适用于各种工作环境的交流调速系统，而对变频器本身并没有特殊要求。例如，对有防爆和防腐蚀要求的环境只需将

14、电动机换为专用电动机，而使用普通的变频器并将其安装在有防爆和防腐蚀要求的环境之外的普通环境中即可。由于变频器本身对外部来说可以看作是一个可以进行调频调压的交流电源，可以用一台变频器同时驱动多台异步电动机或同步电动机，从而达到节约设备投资的目的。而对于直流调速系统来说，则很难做到这一点。当用一台变频器同时驱动多台电动机时，昔驱动对象为同步电动机，所有的电动机将会以同一速度（同步转速）运转，而当驱动对象为容量和负载都不相同的异步电动机时，则由于转差的原因，各电动机之间会存在一定的速度差。 因为变频器是通过交流直流交流的电源变换后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几

15、乎为定值。 此外，当用电网电源对异步电动机进行驱动时，电动机的起动电流为额定电流的56倍，而在采用变频器对异步电动机进行驱功时，由于可以将变频器的输出频率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而受频器输入端电源的容量也可以比较小。般来说，变频器输入端电源的容量只需为电动机输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压起动器的作用。 随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术也得到了充分地重视和发展，目前，由高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上已经达到和超过了直流电动机伺服系统。此外，小于异步电动机还具有对环境适应性强，维护简单等许多直流伺服电动机所不

16、具备的优点，所以在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能的交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。而且由于高件能的变频器的外部接口功能也非常丰富，可以将其作为自动控制系统中的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。由于变频器具有上述优点，因而在各种领域中得到了广泛的应用。表1-2给出了变频器在工业牛产个的主要应用。1.3 变领器技术的发展动向 近年来，随着信息技术、电力电子技术、电机驱动技术的不断发展，变频器的性能不断提高，其应用范围也越来越广。日前变频驱动的应用已经非常广泛，新型变频器产品不断出现，变领器的性能和可靠性也在不断地完善和提高。总体上讲，目前变频器已经从简单的整流逆变装置进化为

17、策驱动控制、I/O逻辑现场编程、通讯组网连接等为一体，可以适应不同应用场合的过程控制单元，并在工业自动化生产线和许多领域中得到了广泛应用。从市场需求和技术发展趋势来看，今后一段时间内，变频器技术将会在下面几个方而得到进一步的发展。 （1）大容量和小体积化。大容量化和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。近年来，随着IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，隔离门极双极晶体管）、SIC-IGBT（Silicon Carbide-Insulated Gate Bipolar Transistor，碳化硅隔离门极双极晶体管）器件的发展和以IGBT为开

18、关器件的IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）、ASIPM（APPIicalion Specified Intelligent Power Module，特定用途智能功率模块）、单片IPM等新型功率器件的发展以及热设计技术的进步，使得变频器的容量越来越大，体积越来越小，而在温升等关键指标上并末下降。除了不断推出大容量的新型变频器产品外，许多厂家都在小功率段推出了所谓的“迷你”型产品，以满足不同用户的实际需要。 （2）高性能和多功能化。随着微电子技术和半导体技术的发展，用于变频器的各种半导体器件和传感器的性能和可靠性越来越高。而随着高性能DSP和AISC在变频器

19、中的广泛应用和交流调速理论的不断成熟，各种先进的控制算法的实现成为可能。从而为进一步提高变频器的性能提供了条件。此外，随着信息技术的发展和变频器的进一步推广应用，用户也在不断提出各种新的要求，希望变频器产品能够通过与信息技术的进一步融合而具有更高的性能和更加丰富的功能。这此都将促使变频器的生产厂家不断做出努力，以满足不同用户的实际需要并争取在激烈的市场竞争中立于不败之地。 （3）易操作性的提高。随着变频器市场的不断扩大如何进一步提高变频器的易操作性，使变频器产品能够满足不同府用场合的需要，并使得普通的技术人员甚至非技术人员也能够很快掌握变频器的使用仍然是变频器生产厂商所必须考虑的问题。虽然目前

20、厂商提供的变频器产品在结构设计上基本都考虑到了现场安装的要求，并在软件设计上加入了初始起动设置工具，帮助用户根据应用背景选择和设置各种必要的功能和参数，但为了进一步扩大市场和不断争取新的用户，厂商仍然会在丰富变频器功能的同时不断提高变频器的易操作性，新型变频器将更加容易操作和更加容易适合特定的应用背景。 （4）寿命和可靠性的提高。随着半导体技术的发展和电力电子技术的发展，变频器中所使用的各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，而随着信息技术的不断发展，新型变频器产品中自我诊断和远程诊断功能的进一步充实以及免维护功能的实现，变频器产品的寿命和可靠性格得到进一步的提高。此外，随着交流调速理论和相关技

21、术的不断发展，新的控制方法和驱动方式也将不断出现，从而使变频器的寿命和可靠性得到进一步提高。 （5）减少对环境的影响。近年来，随着变频器的推广和普及，如何减少变频器，尤其是大功率变频器对周围环境影响的问题越来越受到重视。例如，目前变频器中内置AC Ractore。（电抗器）或Dc Choke（扼流圈）已经非常普遍，这对减小变频器产生的高次谐波对环境的影响起到了重要作用。未来的新型传感器中将会通过先进的控制方法和新的驱动方式减小dV/dt以及di/dt的变化从而达到来减小高次谐波对环境的影响的目的。而各种新技术和新器件的应用，也将进一步减少变频器对所处环境的影响。 （6）网络化与智能化。尽管当前

22、变频器单独使用的场合仍占多数，但作为工业生产过程中一个重要的执行单元，变频器具有网络化运行的能力将成为工业自动化的趋势。目前许多变频器生产厂商的新产品都已经具有网络连接能力，通过选件形式支持多种现场总线，可以通过PC机方便地完成频率设定、参数设置、工作状态给定及在线监测、系统维护、远程诊断等。 此外，为了满足不同用户的不同需要，新型变频器产品的智能化程度将进一步提高，这主要体现在变频器本身将具有更多的功能供用户选择，而用户则可以根据自己的需要，在变频器所预先设定的多种功能的基础上进行编程，以满足其具体应用的需要。 （7）同步电动机变频器。在许多情况下，使用变频器进行调速的目的是为了节能。在目前

23、的交流调速系统中，出于对可靠性的考虑，大多数系统使用了异步感应电动机。但是，因为小容量异步电动机的转换效率并不高。因此，从节能的观点来看，采用异步电动机实现交流调速并不是最佳的解决方案。 永磁同步电动机具有电机是无刷结构，尺寸小，功率因数高、效率高，转子转速严格与电源频率同步，容易实现无速度传感器矢量控制等优点，非常适合于交流调速系统。近年来，随着永磁材料性价比的不断提高，积极利用永磁同步电动机和变频技术改善交流调速系统效率的技术趋势非常明显。一些公司已经专门推出了以节能为目的的同步电动机变频器，并在许多领域得到了广泛应用。总而言之，未来的变频器产品将朝着高性能、多功能、长寿命、高可靠、易使用

24、、绿色化、智能化的方向发展。变频器将不仅仅是一个简单的交流调速装置，而将成为实现自动化过程的一个重要的处理单元：变频器技术将不断得到提高，而变频器的应用领域亦将不断得到拓展。第2章 变频器的基本原理及控制方式2.1变频器的基本构成和工作原理2.1.1 变频器的基本构成变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图2-1示的基本结构。图2-1 变频器的基本结构图2-2给出了一个典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图。而对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中有时还有一个以DSP

25、（数字信号处理器）为主的转矩计算用CPU以及相应的磁通检测和调节电路。2.1.2 变频器内部电路的基本功能虽然变频器的种类很多，其内部结构也各有不同，但大多数变频器都具有图2-1给出的基本结构，它们的区别仅仅是控制电路和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而己。下面我们将结合图2-1简单介绍变频器各部分电路的基本作用。一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式可以是直流电压源也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流

26、电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要入器件是大容量的电解电容，刚当整流电路是电流源时平滑电路则主要内大容量电感组成。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。 逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的宣流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基级）驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也是交频器的核心部分；控制电路的优劣决定了变频器性能的好坏，控制电路的主要作用是将检测电路得到

27、的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极（基极）驱动信号，计对变频器以及异步电动机提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D，D/A等外部接门电路接收发送多种形式的外部信号和给出系统内部下作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。图2-2 典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图2. 1. 3 逆变电路基本工作原理前面我们已经提到，逆变电路在变颇器电路中，起着非常重要的作用。逆变电路的基本作用是将直流电源转换为交流电源。在逆变电路中，一般由六个开关组成一个三相桥式电路。交替打开和关断这六个开关，就可以在输出端得到相位上各相差120。（电气角）

28、的三相交流电源。该交流电源的频率由开关频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值。为了改变该交流电源的相序从而达到改变异步电动机转向的目的、只要改变各个开关打开和关断的顺序即可。因为这些开关同时又起着改变电流流向的作用，所以它们又被称为换流开关或换流器件。当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁校流器件。所以在实际的变频器逆变电路中还没有各种相应的辅助电路，以保证逆变电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。在由逆变电路所完成的将直流电源转换为交流电源的过程中，开关器件起着非常重要的作用。由于机械式开关的开关频率和使用寿命都很行限，在实际的逆变电路中采用半导体器

29、件作为开关器件。半导体开关器件的种类很多，如晶间管、品体管、GTO、IGBT等。而变频器本身也常常根据其逆变电路中使用的半导体开关器件的种类而被称为晶问管变频器、晶体管逆变器等。22变频器的种类在介绍变频器的种类时我们将遇到变频器的分类方式的问题。变频器的分类可以有多种方式，例如可以按其主电路工作方式进行分类，可以按其开关方式进行分类，可以按其控制方式进行分类，还可以按其用途进行分类。下面就根据这几种分类方法对变频器进行简单介绍，以使对变频器尚不太热悉的读者能够对变频器有一个整体上的了解。（1）按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。电

30、压型变频器的待点是将直流电源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流电源。1）电压型变频器。在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出；整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用。而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电压。在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。2）电流型变频器。在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中间电路的电抗将电流进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电

31、流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的，对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反内的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。由于在采用电流控制方式时可以将能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流利控制入式更适合于大容量变频器，电压型变频器和电流型变频器主电路的结构因其使用的换流器件的不同而有多种形式。关于这些电路的基本结构，可以参考其他有关资料。（2）按照开关力式分类。当谈到变频器的开关方式时通常讲的都是变频器逆变电路的开关方式。而在按照