1.1　　通用变频器

1.1.1　通用变频器的定义

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，它主要通过调整频率而改变电动机转速，因此也叫变频调速器。

变频器的出现，解决了交流电动机的很多调速问题，表1-1列举了在交流电机调速发展过程中出现的几种调速方式的对比情况。需要指出的是，在变频器出现前，交流同步电动机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用。

1.1.2　通用变频器的基本构成

交流变频调速技术是强弱电混合的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此通用变频器无论品牌如何，其共性技术必定分成功率转换（即主电路）和弱电控制（即控制电路）两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题。

通用变频器，一般都是采用交直交的方式组成的，其基本构造如图1-1所示。

从图1-1中可以看出，控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

图1-1的拓扑结构转化为图1-2所示通用变频器的主回路，具体包括交-直变换电路、能耗电路和直-交变换电路三部分。

① 交-直变换电路：通常又被称为电网侧变流部分或整流部分，用于把三相或单相交流电整流成直流电。常见的低压交-直变换电路是由二极管构成的不可控三相桥式电路或由晶闸管构成的三相可控桥式电路。

在交-直变换电路中，还有一个直流环节。由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载，因此在中间直流部分与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量的交换一般都需要中间直流环节的储能元件（如电容或电感）来缓冲。

② 能耗电路：由于制动形成的再生能量在电动机侧容易通过续流二极管VD7～VD12聚集到变频器的直流环节，从而使得直流母线电压急剧升高，这时候需及时通过制动环节将能量以热能形式释放或者通过回馈环节转换到交流电网中去。

制动环节在不同的变频器中有不同的实现方式，通常小功率变频器都内置制动环节，即内置制动单元，有时还内置短时工作制的标配制动电阻；中功率段的变频器可以内置制动环节，但属于标配或选配，需根据不同品牌变频器的选型手册而定；大功率段的变频器，其制动环节大多为外置。至于回馈环节，则大多属于变频器的外置回路。

③ 直-交变换电路：通常又被称为负载侧变流部分或逆变部分，它通过不同的拓扑结构实现逆变元器件的规律性关断和导通，从而得到任意频率的三相交流电输出。

常见的逆变部分是由六个半导体主开关器件VT1～VT6组成的三相桥式逆变电路。其半导体器件一般采用IGBT，图1-3为IGBT的工作原理。

IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，R_N为晶体管基区内的调制电阻。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一个场控元器件，通断由栅射极电压u_GE决定。

导通：u_GE大于开启电压u_GE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

导通压降：电导调制效应使电阻R_N减小，使通态压降变小。

关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

1.1.3　IGBT的类型

IGBT的类型主要有四种，包括一单元模块［图1-4（a）］、单桥臂二单元模块［图1-4（b）］、双桥臂四单元模块［图1-4（c）］、三相桥六单元模块［图1-4（d）］。

1.1.4　通用变频器的控制回路

现在以某通用变频器为例来介绍控制回路（图1-5），它包括以下几个部分。

（1）开关电源

变频器的辅助电源采用开关电源，具有体积小、效率高等优点。电源输入为变频器主回路直流母线电压或将交流380V整流后的电压。通过脉冲变压器的隔离变换和变压器副边的整流滤波可得到多路输出直流电压。其中+15V 、-15V 、+5V 共地，± 15V 给电流传感器、运放等模拟电路供电，+5V给DSP及外围数字电路供电。相互隔离的四组或六组+15V电源给IPM驱动电路供电。+24V为继电器、直流风机供电。

（2）DSP（数字信号处理器）

该通用变频器采用的DSP为TI公司的产品，如TMS320F240系列等。它主要完成电流、电压、温度采样，六路PWM输出，各种故障报警输入，电流、电压频率设定信号输入，电动机控制算法的运算等功能。

（3）输入输出端子

变频器控制电路输入输出端子包括：

① 输入多功能选择端子、正反转端子、复位端子等；

② 继电器输出端子、开路集电极输出多功能端子等；

③ 模拟量输入端子，包括外接模拟量信号用的电源（12V、10V或5V）及模拟电压量频率设定输入和模拟电流量频率设定输入；

④ 模拟量输出端子，包括输出频率模拟量和输出电流模拟量等，用户可以选择0/4～20mA 直流电流表或0～10V的直流电压表，显示输出频率和输出电流，当然也可以通过功能码参数选择输出信号。

（4）SCI口

TMS320F240支持标准的异步串口通信，通信波特率可达625Kbps；同时具有多机通信功能，通过一台上位机可实现多台变频器的远程控制和运行状态监视功能。

（5）操作面板部分

DSP通过SPI口与操作面板相连，完成按键信号的输入、显示数据输出等功能。

1.1.5　变频器输出波形

变频器经整流回路后就形成了直流电源，再通过IGBT，最后输出交流电。其中逆变部分的六个开关S1～S6像图1-6那样导通、关断，那么负载电压就成为矩形波交流电压（图1-7），其大小等同于直流电压源电压。

变频器输出电压的控制，主要有PAM、PWM和SPWM三种方式。

（1）PAM（Pulse Amplitude Modulation）

PAM即脉幅调制，是一种通过改变电压源电压的幅值进行输出控制的方式。采用PAM调节电压时，高电压及低电压时的输出电压波形如表1-2所示。

（2）PWM（Pulse Width Modulation）

PWM即脉宽调制，通过改变调制周期来控制其输出频率。以单极性调制为例，其输出波形正负半周对称，主电路中的6个IGBT开关器件以S1—S2—S3—S4—S5—S6—S1顺序轮流工作，每个开关器件都是半周工作，通、断6次输出6个等幅、等宽、等距脉冲列，另半周总处于阻断状态。

（3）SPWM（Sine Pulse Width Modulation）

SPWM即正弦波形脉宽调制。调制的基本特点是在半个周期内，中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，脉宽基本上成正弦分布（表1-2）。经倒相后正半周输出正脉冲列，负半周输出负脉冲列。由波形可见，SPWM比PWM的调制波形更接近于正弦波。

1.1.6　 通用变频器的控制方式

通用变频器常见的控制方式有V/f控制、闭环V/f控制、无速度传感器矢量控制、闭环矢量控制。

（1）V/f控制方式

变频器V/f控制的基本思想是U/f=C，因此定义在频率为f_x时，U_x的表达式为U_x/f_x=C，其中C为常数，就是“压频比系数”。图1-8所示的就是变频器的基本运行V/f曲线。

由图1-8可以看出，当电动机的运行频率高于一定值时，变频器的输出电压不再随频率的上升而上升，则该特定值称为基本运行频率，用f_b表示。也就是说，基本运行频率是指变频器输出最高电压时对应的最小频率。在通常情况下，基本运行频率是电动机的额定频率，即电动机铭牌上标识的50Hz或60Hz。同时与基本运行频率对应的变频器输出电压称之为最大输出电压，用U_max表示。

当电动机的运行频率超过基本运行频率f_b后，U/f不再是一个常数，而是随着输出频率的上升而减少，电动机磁通也因此减少，变成“弱磁调速”状态。

（2）闭环V/f控制方式

闭环V/f控制就是在V/f控制方式下，设置转速反馈环节。测速装置可以是旋转编码器，也可以是光电开关，安装方式比较自由，既可以安装在电动机轴上，也可以安装在其他相关联的位置。同样，通常所说的不带转速反馈的V/f控制，也称之为开环V/f控制。

闭环V/f控制的速度反馈信号可以选用一相或者两相信号，一相信号如接近开关或是旋转编码器的A相和B相之一。旋转编码器是一种旋转角度的测量器件，它集机、光、电技术于一体，通过光电转换，将角位移转换成相应的电脉冲或数字信号输出。旋转编码器通常采用两个相位相差90°的方波的编码方式，其旋转方向由两个波形的相位差决定。旋转编码器有很多种型号，通常的速度反馈选用增量型编码器，电动机的运动速度由一定时间内编码器所产生的脉冲信号决定，脉冲信号输出即可与变频器的PG接口相连接，就可以进行测量。编码器的精度由旋转一周产生的方波数决定，当旋转一周可产生2000个方波时，每一个方波周期表示为360°/2000，其最大的响应频率达到100kHz左右。

图1-9为旋转编码器PG与变频器VF组成的闭环V/f控制。图1-9中，PS+/PS-为编码器的工作电源，A+信号为A相信号或B相信号，闭环V/f控制方式可以采用一相反馈或两相反馈。

（3）无速度传感器矢量控制方式

在高性能的异步电动机矢量控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用旋转编码器等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，速度传感器的安装也给系统带来一些缺陷：系统的成本大大增加，精度越高的编码器价格也越贵；编码器在电动机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度；电动机轴上的体积增大，而且给电动机维护带来一定困难，同时破坏了异步电动机简单坚固的特点；在恶劣的环境下，编码器工作的精度易受环境的影响。而无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电动机与控制器的连线。因此，无速度传感器的矢量控制方式在工程应用中变得非常必要。

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器，不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，因此需要在使用时准确地输入异步电动机的参数，并对拖动的电动机进行调谐整定，否则难以达到理想的控制效果。

无速度传感器矢量控制方式的基本技术指标定义如下：速度控制精度±0.5%，速度控制范围1∶100，转矩控制响应<200ms，启动转矩>150%/0.5Hz。其中启动转矩指标，不同品牌的变频器其性能高低有所不同，大致在150%～250%之间。

（4）闭环矢量控制方式

闭环矢量控制方式主要用于高精度的速度控制、转矩控制、简单伺服控制等对控制性能要求严格的使用场合。在该方式下采用的速度传感器一般是旋转编码器，并安装在被控电动机的轴端，而不是像闭环V/f控制安装编码器或接近开关那样随意。在很多时候，为了描述上的方便，也把有闭环矢量控制方式称为有速度传感器的矢量控制或有PG反馈矢量控制。

闭环矢量控制方式的变频调速是一种理想的控制方式，它有许多优点：①可以从零转速起进行速度控制，即使低速也能运行，因此调速范围很宽广，可达1000∶1；②可以对转矩实行精确控制；③系统的动态响应速度很快；④电动机的加速度特性很好；等等。

1.1.7　通用变频器主回路器件损坏常用判断方法

如何判断通用变频器的主回路器件是否损坏，这里介绍几种常见的判断方法。

（1）整流桥

对整流桥可采用万用表的二极管测量挡判断。

拆下与外部电路连接的电源线（R、S、T）和电动机线（U、V、W）；准备好万用表（使用挡位为1Ω电阻测量挡或二极管测量挡）；在变频器的端子排R、S、T、U、V、W、P、N处，交换万用表极性，测定它们的导通状态，便可判断其是否良好，具体如图1-10所示。

（2）电容

变频器最核心的是电解电容器，随着使用时间的增加，其电容量将逐渐降低，最终影响变频器的正常运行。电容量的测量一般应用电容电桥进行，这样可以得到准确的电容量。在没有专用仪器的情况下，可以用万用表的高阻挡估测电容器的电容量，但它只适用于大容量电容器的测量。

这里介绍一下用万用表检测电解电容器电容量的方法。首先将万用表的欧姆挡置于R×1k的位置，双表笔短接调零。将万用表的黑表笔接电解电容器的正极，红表笔接电解电容器的负极，如图1-11所示。由于原先电容器是未充电的，当两表笔刚接通电容器时，万用表内的电池通过表笔给电容器充电，由于电流流过电路，使万用表的表针发生偏转。电容　量越大，表针的偏转角度越大；如果电容量较小，检测时表针的偏转角度就较小。可根据这一原理和实际检测的经验给出不同电容量所对应的表针偏转应到达的位置，判断所测电容器电容量的大小。

随着电容器充电量的增多，充电电流越来越小。如果电容器不漏电，经过一段时间后，当电容器上的电压等于电池电压时，充电电流便会减少到零，万用表的表针也会从起始偏转位置慢慢返回到阻值无穷大的位置（即出发点位置）。实际上电解电容器总是有漏电流的，表针不可能返回到出发点位置，一般认为只要表针返回时能越过200刻度就算漏电流很小，电容器可以使用。

测试结束后，应将电容器的两引脚短接进行放电处理，以备重新检测时不受影响。

（3）变压器

可以用万用表电阻挡检测变压器是否断路、依据温升判断匝间短路等。

① 检测一、二次绕组的通断。将万用表置于R×1挡，将两表笔分别碰接一次绕组的两引出线，阻值一般为几十至几百欧，若出现∞则为断路，若出现0则为短路。用同样方法测二次绕组的阻值，一般为几至几十欧（降压变压器），如二次绕组有多个时，输出标称电压值越小，阻值越小；线圈断路时，无电压输出，断路的原因有外部引线断线、引线与焊片脱焊、受潮后内部霉断等。

② 检测各绕组间、绕组与铁芯间的绝缘电阻。将万用表置于R×10k挡，将一支表笔接一次绕组的一个引出线，另一表笔分别接二次绕组的引出线，万用表所示阻值应为∞位置（即无穷大），若小于此值，表明绝缘性能不良，尤其是阻值小于几百欧时表明绕组间有短路故障。

用上述的方法再继续检测绕组与铁芯之间绝缘电阻（一支表笔接铁芯，另一支表笔接备绕组引出线）。检测过程如图1-12所示。

③ 测试变压器的二次绕阻空载电压。将变压器一次绕组接220V电源，将万用表置于交流电压挡，根据变压器二次绕组的标称值，选好万用表的量程，依次测出二次绕组的空载电压，允许误差一般不超出5%～10%为正常（在一次绕组电压为220V的情况下），测量过程如图1-13所示。若出现二次电压都升高，表明一次绕组有局部短路故障；若二次绕组的某个线圈电压偏低，表明该线圈有短路之处。

④ 若电源变压器出现“嗡嗡”声，可用手压紧变压器的线圈，若“嗡嗡”声立即消失，表明变压器的铁芯或线圈有松动现象，也有可能是变压器固定位置有松动。

（4）IPM或IGBT

对IPM或IGBT可采用万用表的二极管挡测量判断。

具体采用二极管的方法如图1-14所示。

除此之外，还可以检测IGBT的触发是否有问题，图1-15为某品牌IGBT的端子示意。具体测量IGBT好与坏时可用万用表（只适用于指针表，如MF500或MF47型）10k电阻挡，红表笔接E，黑表笔接C，用手一端按C、一端接G测其触发能力。但因IGBT的内阻极高（MOS管输入）所以在常态下也易受到外界干扰而自开通，这时则只需G、C两点短路一下即可消除；然后测一下各极之间有无短路（注意C、E间的二极管）。当然也可用较简便的方法，即直接测G、E的极间电容，如检测到有一小电容存在，就可以大致认为无损坏。