1.1　　通用變頻器

1.1.1　通用變頻器的定義

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，它主要通過調整頻率而改變電動機轉速，因此也叫變頻調速器。

變頻器的出現，解決了交流電動機的很多調速問題，表1-1列舉了在交流電機調速發展過程中出現的幾種調速方式的對比情況。需要指出的是，在變頻器出現前，交流同步電動機無法實現調速功能，因此只能在定速傳動領域使用。

1.1.2　通用變頻器的基本構成

交流變頻調速技術是強弱電混合的綜合性技術，既要處理巨大電能的轉換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此通用變頻器無論品牌如何，其共性技術必定分成功率轉換（即主電路）和弱電控制（即控制電路）兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題和新型電力電子器件的應用技術問題，后者要解決基于現代控制理論的控制策略和智能控制策略的硬、軟件開發問題。

通用變頻器，一般都是采用交直交的方式組成的，其基本構造如圖1-1所示。

從圖1-1中可以看出，控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。

圖1-1的拓撲結構轉化為圖1-2所示通用變頻器的主回路，具體包括交-直變換電路、能耗電路和直-交變換電路三部分。

① 交-直變換電路：通常又被稱為電網側變流部分或整流部分，用于把三相或單相交流電整流成直流電。常見的低壓交-直變換電路是由二極管構成的不可控三相橋式電路或由晶閘管構成的三相可控橋式電路。

在交-直變換電路中，還有一個直流環節。由于逆變器的負載是異步電動機，屬于感性負載，因此在中間直流部分與電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量的交換一般都需要中間直流環節的儲能元件（如電容或電感）來緩沖。

② 能耗電路：由于制動形成的再生能量在電動機側容易通過續流二極管VD7～VD12聚集到變頻器的直流環節，從而使得直流母線電壓急劇升高，這時候需及時通過制動環節將能量以熱能形式釋放或者通過回饋環節轉換到交流電網中去。

制動環節在不同的變頻器中有不同的實現方式，通常小功率變頻器都內置制動環節，即內置制動單元，有時還內置短時工作制的標配制動電阻；中功率段的變頻器可以內置制動環節，但屬于標配或選配，需根據不同品牌變頻器的選型手冊而定；大功率段的變頻器，其制動環節大多為外置。至于回饋環節，則大多屬于變頻器的外置回路。

③ 直-交變換電路：通常又被稱為負載側變流部分或逆變部分，它通過不同的拓撲結構實現逆變元器件的規律性關斷和導通，從而得到任意頻率的三相交流電輸出。

常見的逆變部分是由六個半導體主開關器件VT1～VT6組成的三相橋式逆變電路。其半導體器件一般采用IGBT，圖1-3為IGBT的工作原理。

IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管，R_N為晶體管基區內的調制電阻。IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一個場控元器件，通斷由柵射極電壓u_GE決定。

導通：u_GE大于開啟電壓u_GE（th）時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。

導通壓降：電導調制效應使電阻R_N減小，使通態壓降變小。

關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。

1.1.3　IGBT的類型

IGBT的類型主要有四種，包括一單元模塊［圖1-4（a）］、單橋臂二單元模塊［圖1-4（b）］、雙橋臂四單元模塊［圖1-4（c）］、三相橋六單元模塊［圖1-4（d）］。

1.1.4　通用變頻器的控制回路

現在以某通用變頻器為例來介紹控制回路（圖1-5），它包括以下幾個部分。

（1）開關電源

變頻器的輔助電源采用開關電源，具有體積小、效率高等優點。電源輸入為變頻器主回路直流母線電壓或將交流380V整流后的電壓。通過脈沖變壓器的隔離變換和變壓器副邊的整流濾波可得到多路輸出直流電壓。其中+15V 、-15V 、+5V 共地，± 15V 給電流傳感器、運放等模擬電路供電，+5V給DSP及外圍數字電路供電。相互隔離的四組或六組+15V電源給IPM驅動電路供電。+24V為繼電器、直流風機供電。

（2）DSP（數字信號處理器）

該通用變頻器采用的DSP為TI公司的產品，如TMS320F240系列等。它主要完成電流、電壓、溫度采樣，六路PWM輸出，各種故障報警輸入，電流、電壓頻率設定信號輸入，電動機控制算法的運算等功能。

（3）輸入輸出端子

變頻器控制電路輸入輸出端子包括：

① 輸入多功能選擇端子、正反轉端子、復位端子等；

② 繼電器輸出端子、開路集電極輸出多功能端子等；

③ 模擬量輸入端子，包括外接模擬量信號用的電源（12V、10V或5V）及模擬電壓量頻率設定輸入和模擬電流量頻率設定輸入；

④ 模擬量輸出端子，包括輸出頻率模擬量和輸出電流模擬量等，用戶可以選擇0/4～20mA 直流電流表或0～10V的直流電壓表，顯示輸出頻率和輸出電流，當然也可以通過功能碼參數選擇輸出信號。

（4）SCI口

TMS320F240支持標準的異步串口通信，通信波特率可達625Kbps；同時具有多機通信功能，通過一臺上位機可實現多臺變頻器的遠程控制和運行狀態監視功能。

（5）操作面板部分

DSP通過SPI口與操作面板相連，完成按鍵信號的輸入、顯示數據輸出等功能。

1.1.5　變頻器輸出波形

變頻器經整流回路后就形成了直流電源，再通過IGBT，最后輸出交流電。其中逆變部分的六個開關S1～S6像圖1-6那樣導通、關斷，那么負載電壓就成為矩形波交流電壓（圖1-7），其大小等同于直流電壓源電壓。

變頻器輸出電壓的控制，主要有PAM、PWM和SPWM三種方式。

（1）PAM（Pulse Amplitude Modulation）

PAM即脈幅調制，是一種通過改變電壓源電壓的幅值進行輸出控制的方式。采用PAM調節電壓時，高電壓及低電壓時的輸出電壓波形如表1-2所示。

（2）PWM（Pulse Width Modulation）

PWM即脈寬調制，通過改變調制周期來控制其輸出頻率。以單極性調制為例，其輸出波形正負半周對稱，主電路中的6個IGBT開關器件以S1—S2—S3—S4—S5—S6—S1順序輪流工作，每個開關器件都是半周工作，通、斷6次輸出6個等幅、等寬、等距脈沖列，另半周總處于阻斷狀態。

（3）SPWM（Sine Pulse Width Modulation）

SPWM即正弦波形脈寬調制。調制的基本特點是在半個周期內，中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖之間等距而脈寬和正弦曲線下的積分面積成正比，脈寬基本上成正弦分布（表1-2）。經倒相后正半周輸出正脈沖列，負半周輸出負脈沖列。由波形可見，SPWM比PWM的調制波形更接近于正弦波。

1.1.6　 通用變頻器的控制方式

通用變頻器常見的控制方式有V/f控制、閉環V/f控制、無速度傳感器矢量控制、閉環矢量控制。

（1）V/f控制方式

變頻器V/f控制的基本思想是U/f=C，因此定義在頻率為f_x時，U_x的表達式為U_x/f_x=C，其中C為常數，就是“壓頻比系數”。圖1-8所示的就是變頻器的基本運行V/f曲線。

由圖1-8可以看出，當電動機的運行頻率高于一定值時，變頻器的輸出電壓不再隨頻率的上升而上升，則該特定值稱為基本運行頻率，用f_b表示。也就是說，基本運行頻率是指變頻器輸出最高電壓時對應的最小頻率。在通常情況下，基本運行頻率是電動機的額定頻率，即電動機銘牌上標識的50Hz或60Hz。同時與基本運行頻率對應的變頻器輸出電壓稱之為最大輸出電壓，用U_max表示。

當電動機的運行頻率超過基本運行頻率f_b后，U/f不再是一個常數，而是隨著輸出頻率的上升而減少，電動機磁通也因此減少，變成“弱磁調速”狀態。

（2）閉環V/f控制方式

閉環V/f控制就是在V/f控制方式下，設置轉速反饋環節。測速裝置可以是旋轉編碼器，也可以是光電開關，安裝方式比較自由，既可以安裝在電動機軸上，也可以安裝在其他相關聯的位置。同樣，通常所說的不帶轉速反饋的V/f控制，也稱之為開環V/f控制。

閉環V/f控制的速度反饋信號可以選用一相或者兩相信號，一相信號如接近開關或是旋轉編碼器的A相和B相之一。旋轉編碼器是一種旋轉角度的測量器件，它集機、光、電技術于一體，通過光電轉換，將角位移轉換成相應的電脈沖或數字信號輸出。旋轉編碼器通常采用兩個相位相差90°的方波的編碼方式，其旋轉方向由兩個波形的相位差決定。旋轉編碼器有很多種型號，通常的速度反饋選用增量型編碼器，電動機的運動速度由一定時間內編碼器所產生的脈沖信號決定，脈沖信號輸出即可與變頻器的PG接口相連接，就可以進行測量。編碼器的精度由旋轉一周產生的方波數決定，當旋轉一周可產生2000個方波時，每一個方波周期表示為360°/2000，其最大的響應頻率達到100kHz左右。

圖1-9為旋轉編碼器PG與變頻器VF組成的閉環V/f控制。圖1-9中，PS+/PS-為編碼器的工作電源，A+信號為A相信號或B相信號，閉環V/f控制方式可以采用一相反饋或兩相反饋。

（3）無速度傳感器矢量控制方式

在高性能的異步電動機矢量控制系統中，轉速的閉環控制環節一般是必不可少的。通常，采用旋轉編碼器等速度傳感器來進行轉速檢測，并反饋轉速信號。但是，速度傳感器的安裝也給系統帶來一些缺陷：系統的成本大大增加，精度越高的編碼器價格也越貴；編碼器在電動機軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當將影響測速的精度；電動機軸上的體積增大，而且給電動機維護帶來一定困難，同時破壞了異步電動機簡單堅固的特點；在惡劣的環境下，編碼器工作的精度易受環境的影響。而無速度傳感器的控制系統無需檢測硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統的可靠性，降低了系統的成本；另一方面，使得系統的體積小、重量輕，而且減少了電動機與控制器的連線。因此，無速度傳感器的矢量控制方式在工程應用中變得非常必要。

無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發展而來的。實現精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發現，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據輸入的電動機的銘牌參數，按照一定的關系式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現矢量控制。采用矢量控制方式的通用變頻器，不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數，因此需要在使用時準確地輸入異步電動機的參數，并對拖動的電動機進行調諧整定，否則難以達到理想的控制效果。

無速度傳感器矢量控制方式的基本技術指標定義如下：速度控制精度±0.5%，速度控制范圍1∶100，轉矩控制響應<200ms，啟動轉矩>150%/0.5Hz。其中啟動轉矩指標，不同品牌的變頻器其性能高低有所不同，大致在150%～250%之間。

（4）閉環矢量控制方式

閉環矢量控制方式主要用于高精度的速度控制、轉矩控制、簡單伺服控制等對控制性能要求嚴格的使用場合。在該方式下采用的速度傳感器一般是旋轉編碼器，并安裝在被控電動機的軸端，而不是像閉環V/f控制安裝編碼器或接近開關那樣隨意。在很多時候，為了描述上的方便，也把有閉環矢量控制方式稱為有速度傳感器的矢量控制或有PG反饋矢量控制。

閉環矢量控制方式的變頻調速是一種理想的控制方式，它有許多優點：①可以從零轉速起進行速度控制，即使低速也能運行，因此調速范圍很寬廣，可達1000∶1；②可以對轉矩實行精確控制；③系統的動態響應速度很快；④電動機的加速度特性很好；等等。

1.1.7　通用變頻器主回路器件損壞常用判斷方法

如何判斷通用變頻器的主回路器件是否損壞，這里介紹幾種常見的判斷方法。

（1）整流橋

對整流橋可采用萬用表的二極管測量擋判斷。

拆下與外部電路連接的電源線（R、S、T）和電動機線（U、V、W）；準備好萬用表（使用擋位為1Ω電阻測量擋或二極管測量擋）；在變頻器的端子排R、S、T、U、V、W、P、N處，交換萬用表極性，測定它們的導通狀態，便可判斷其是否良好，具體如圖1-10所示。

（2）電容

變頻器最核心的是電解電容器，隨著使用時間的增加，其電容量將逐漸降低，最終影響變頻器的正常運行。電容量的測量一般應用電容電橋進行，這樣可以得到準確的電容量。在沒有專用儀器的情況下，可以用萬用表的高阻擋估測電容器的電容量，但它只適用于大容量電容器的測量。

這里介紹一下用萬用表檢測電解電容器電容量的方法。首先將萬用表的歐姆擋置于R×1k的位置，雙表筆短接調零。將萬用表的黑表筆接電解電容器的正極，紅表筆接電解電容器的負極，如圖1-11所示。由于原先電容器是未充電的，當兩表筆剛接通電容器時，萬用表內的電池通過表筆給電容器充電，由于電流流過電路，使萬用表的表針發生偏轉。電容　量越大，表針的偏轉角度越大；如果電容量較小，檢測時表針的偏轉角度就較小。可根據這一原理和實際檢測的經驗給出不同電容量所對應的表針偏轉應到達的位置，判斷所測電容器電容量的大小。

隨著電容器充電量的增多，充電電流越來越小。如果電容器不漏電，經過一段時間后，當電容器上的電壓等于電池電壓時，充電電流便會減少到零，萬用表的表針也會從起始偏轉位置慢慢返回到阻值無窮大的位置（即出發點位置）。實際上電解電容器總是有漏電流的，表針不可能返回到出發點位置，一般認為只要表針返回時能越過200刻度就算漏電流很小，電容器可以使用。

測試結束后，應將電容器的兩引腳短接進行放電處理，以備重新檢測時不受影響。

（3）變壓器

可以用萬用表電阻擋檢測變壓器是否斷路、依據溫升判斷匝間短路等。

① 檢測一、二次繞組的通斷。將萬用表置于R×1擋，將兩表筆分別碰接一次繞組的兩引出線，阻值一般為幾十至幾百歐，若出現∞則為斷路，若出現0則為短路。用同樣方法測二次繞組的阻值，一般為幾至幾十歐（降壓變壓器），如二次繞組有多個時，輸出標稱電壓值越小，阻值越小；線圈斷路時，無電壓輸出，斷路的原因有外部引線斷線、引線與焊片脫焊、受潮后內部霉斷等。

② 檢測各繞組間、繞組與鐵芯間的絕緣電阻。將萬用表置于R×10k擋，將一支表筆接一次繞組的一個引出線，另一表筆分別接二次繞組的引出線，萬用表所示阻值應為∞位置（即無窮大），若小于此值，表明絕緣性能不良，尤其是阻值小于幾百歐時表明繞組間有短路故障。

用上述的方法再繼續檢測繞組與鐵芯之間絕緣電阻（一支表筆接鐵芯，另一支表筆接備繞組引出線）。檢測過程如圖1-12所示。

③ 測試變壓器的二次繞阻空載電壓。將變壓器一次繞組接220V電源，將萬用表置于交流電壓擋，根據變壓器二次繞組的標稱值，選好萬用表的量程，依次測出二次繞組的空載電壓，允許誤差一般不超出5%～10%為正常（在一次繞組電壓為220V的情況下），測量過程如圖1-13所示。若出現二次電壓都升高，表明一次繞組有局部短路故障；若二次繞組的某個線圈電壓偏低，表明該線圈有短路之處。

④ 若電源變壓器出現“嗡嗡”聲，可用手壓緊變壓器的線圈，若“嗡嗡”聲立即消失，表明變壓器的鐵芯或線圈有松動現象，也有可能是變壓器固定位置有松動。

（4）IPM或IGBT

對IPM或IGBT可采用萬用表的二極管擋測量判斷。

具體采用二極管的方法如圖1-14所示。

除此之外，還可以檢測IGBT的觸發是否有問題，圖1-15為某品牌IGBT的端子示意。具體測量IGBT好與壞時可用萬用表（只適用于指針表，如MF500或MF47型）10k電阻擋，紅表筆接E，黑表筆接C，用手一端按C、一端接G測其觸發能力。但因IGBT的內阻極高（MOS管輸入）所以在常態下也易受到外界干擾而自開通，這時則只需G、C兩點短路一下即可消除；然后測一下各極之間有無短路（注意C、E間的二極管）。當然也可用較簡便的方法，即直接測G、E的極間電容，如檢測到有一小電容存在，就可以大致認為無損壞。