交直交100问
乐于助人的我-西南民族大学研究生
交—直—交电压型SPWM变频调速
应用技术100问
(一) 变频调速的基本概念
概述
1、变频调速技术是怎样发展起来的？
变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱
来”的。同步电动机
不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)的
n=n
1
(1-S)………………(1-1)
式中：n——电动机的转速，mmin
n
1
——电动机的同步转速，rmin
S——电动机的转差率
而同步转速则主要取决于频率
n
1
=60fp………………(1-2)
式中：f——频率，Hz
p——磁极对数
所以说，交流电动机从诞生之日起，就已经知道改变频率可以调
节转速了。
但当时，还不具备改变频率的手段。
闸流管的问世，使变频调速的梦想出现了能够
实现的希望。但那设备的庞
大与昂贵，使它无法进入实用的阶段。
直到20世纪的60年代，
随着晶闸管的出现及其应用技术的迅速发展，变频
调速开始进入实用的阶段。但由于许多技术问题解决得
还不够完善，调速系统的
性能指标难以和直流电机相匹敌，因而未能达到推广应用的阶段。
7
0年代末期以来，一方面，矢量控制理论的提出和实施，使变频调速系统
的性能指标达到了与直流电机调
速系统十分接近的地步；另一方面，电力电子器
件的飞速发展，也使SPWM调制技术日臻完善，变频调
速器的体积越做越小，价
格也达到了用户能够接受的程度。变频调速这才进入了普及应用的阶段。
2、变频调速为什么常缩写成VVVF？
VVVF的全称是Variable Voltage Variable
Frequency，意思是“变压变频”。
原来，在交流异步电动机内，外加的电源电压主要和绕组
的反电势相平衡，
而绕组的反电势则与电流的频率和每极下的磁通量有关：
U≈E=4.44
W
1
f=K
e
f………………(1-3)
可见，磁通量的大小与电压和频率的比值有关：
≈UK
e
f=K
e
'·Uf………………(1-4)
式中：U——电源相电压
E
1
——每相定子绕组的反电势
W
1
——每相定子绕组的匝数
——每个磁极下的磁通量
K
e
、K
e
'——常数
式(1
-4)表明：当频率下降时，如果电压不变，则磁通量将增加，引起电机
铁心的饱和。这当然是不允许的
。因此，为了保持电机内的磁通量基本不变，在
改变频率的同时，也必须改变电压。
3、交—直—交是什么意思？
变频装置有两大类：一类是由工业频率直接转接成可变频率的，
称为“交—
交变频”。另一类就是“交—直—交变频”，意思是：先把工业频率的交流整流成
0~100Hz
50Hz
3 ~
交
整
流
U
D
逆
变
M
直交
图1-1 交—直—交的电路结构
直流，再把直流“逆变”成频率可变的交流，如图1-1所示。
4、电压型的主要特点是什么？
交—直—交变频装置按直流部分贮能方式的不同分为：
L
＋
C
(a)(b)
图1-2
电压型和电流型
(1) 电压型
贮能元件为滤波电容C，如图1-2a所示。其工作特点是电压基本不变。
(2) 电流型
贮能元件为电抗器l，如图1-2b所示。其工作特点是电流基本不变。
5、SPWM代表什么？
SPWM的全称是Sine Pulse Width Modul
ation，意思是正弦脉冲宽度调制。这
是实现改变频率的同时也改变电压的一种调制方式。
变压变频的基本方式有两种：
(1)
在改变频率的同时也改变幅值，称为脉幅调制，简写为PAM，如图1-3a
所示。
uu
U
m
t
U'
m
t
T'
T
(a)
T T
(b)
图1-3 脉幅调制和脉宽调制
(2) 在改变频率时，脉冲的幅值不变，
而通过改变脉冲的占空比来改变其平
均电压，称为脉宽调制，简写为PWM，如图1-3所示。
SPWM的特点是：脉冲序列中的脉冲宽度和脉冲间的间隔宽度是按正弦规
律安排的，如图1-4。
T2
T2
图1-4 SPWM的波形变频器的主电器
6、直流是怎样“逆变”成交流的？
如图1-5，K
1
~K
4是开关器件，M是负载，A、B间通以直流电压U
D
。
A
k
1
k
3
U
D
C
M
D
k
2
k
4
B
图1-5 逆变原理
先令K1|K4闭合，K2、K3断
开。则电流的路径如实线空心箭头所示，C、D
间的电压为C“+”、D“-”。再令K1、K4断开，
K2、K3闭合，则电流的路径如虚线
实心箭头所示，C、D间的电压为C“-”、D“+”。
如使上述两种状态不停地交替工作，则负载M上所得到的便是交流电压了。
用
六个开关器件，使它们按三相间互差三分之一周期的规律交替工作，就
可将直流电“逆变”成三相交流电
了，如图1-6。
M
图1-6 三相逆变电器
7、常用的开关器件有哪些？
目前，在中、小型变频调速器中用得最多的是功率晶体管，为了
提高放大
倍数，常做成达林顿管，如图1-7a所示，一般电路图中仍画成单管，如图1-7b所
示，代表符号是CTR或BTR。
(a)(b)
图1-7
功力晶体管
(a)
(b)
图1-8与1-9
容
量较大的变频调速器中则常用可关断晶闸管，其代表符号是GTO，图形
符号如图1-8所示。
已经进入实用阶段的最新器件有：绝缘栅双极晶体管，代号IGBT，图形符
号如图1-9所示。正在
开发并已经取得成果的新品种还有不少，不再一一赘述。
8、变频调速器的主电路是怎样构成的？ <
br>交—直—交电压型变频调速器主电路的基本结构如图1-10。图中，DR是三
相整流。R
A
是限流电阻，限制变频器刚合上电源时，对滤波电容C的充电电流。
当C充电到一定程序后
，晶闸管V
T
导通，R
A
将不再起限流作用。功率晶体管V
1
~V
6
组成三相逆变桥，将直流电逆变成三相交流电后供电给电动机M。二极管V
0
1
~V
06
的作用是：在逆变过程中，当晶体管的e极电位高于c集电位时提供续流回
路；在
电动机降速过程中提供能量反馈(再生)回路。R
B
是电动机在再生制动过程中
的耗
能电阻，V
B
在电动机降速过程中导通，提供耗能回路。如RB阻值太大，可在接
线端P和DB之间接入外接制动电阻。
v
T
R
A
+
V
B
DB
P
v
1
R
B
v
2v
01
v
02
v
4
v
3
v
0
3
v
04
v
6
v
06
v
5
v05
DR
C
M
1-10 主电路的结构
变频器的额定数据
9、变频调速器有哪些额定数据？
变频调速器主要的额定数据如下：
(1)
最高输入电压Umax为了适应电网电压的波动，Umax通常规定为额定工
作电压的1.15倍。
(2) 最大输出电流Imax这是最重要的一个数据，也是选择变频器容量时的最
主要依据。
(3) 最大输出容量Smax必须注意的是：说明书中给出的容量是按最大工作
电压算出的，
实际应用时，应根据工作电压进行修正。
10、说明书中的“配用电动机容量”能不能作为选择变频器容量的依据？
如电动机驱动的是
连续恒定负载(如风机)，则可以。但对于连续变动负载、
继续负载和短时负载来说，则只能作参考，而
不能作依据。这是因为，在这些负
载中，决定电动机容量的主要因素是发热问题。只要温升不超过允许范
围，短时
间的过载(在过载能力范围内)对电动机来说是正常。例如，一台3.7kW的电动机，
在实际工作中，其输出功率有时可达4.0kW或4.5kW。而变频调速器的过载能力
则十分有限。
在大多数情况下，变频器的容量应放大一档。
二、频率的指标、调节和设定
频率指标
11、变频器的频率调节范围如何？
通用型变频调速器的最高输出频率一般不高于400Hz
；最低输出频率不低于
0.1Hz。各种变频器的调频范围各不相同。
我国工业用的普通电动机，最高工作频率不宜超过100Hz(详见后述)。
12、什么是频率精度？
频率精度是指变频器的实际输出频率与设定频率之间的误差大小，也
叫频
率准确度或频率稳定度。
通常，当频率为数字量设定时，精度高些(误差小些)，而在模
拟设定时，精
度高些(误差小些)，而在模拟量设定时，精度低些(误差大些)。
13、“频率分辨率”的含义是什么？
频率分辨率指的是：变频器输出的相邻两“挡”频率之间的最小差值。
例如，
日本富士FVR-G7S型变频器的数字量设定时的频率分辨率为
0.002Hz。则，对于40Hz来
说，比它高一“挡”的最小频率为40.002Hz；而比它低
一“挡”的最大频率为39.998Hz
。
工作频率的调整和设定
14、怎样调节和设定变频器的输出频率？
主要有以下三种方式：
(1) 旋钮设定
通过旋动面板上的旋钮(调节面板内侧的电位器)来进行调节
和设定。属于模拟量设定方式。
(2) 按键设定
利用键盘上的A键(或△键)和V键(或▽键)进行调节和设定。
属于数字设定方式。
(3)
程序设定 在编制驱动系统的工作程序中进行设定。也属数字量设定方
式。
15、什么是外接设定？
在实际工作中，变频器常被安置在控制柜内或挂在墙壁上，而工作人
员则
通常在机械旁边进行操作。这时，就需要在机械旁边另设一个设定频率的装置，
称为外接设
定装置。
所有的变频器都为用户提供专用于外接设定的接线端。
16、变频器对外接设定信号有些有什么规定？
外接设定信号通常有三种。图2-1是日本富士FRN-G7型变频器的接线图，今
说明如下：
13 12 1C
1
V
1
4
~
2
0
m
A
0
～
1
0
V
图2-1 变频器的外接设定
(1) 外接电位器设定
电位器的阻值和瓦数各变频器的说明书中均有明确
规定。
(2) 外接电压信号设定 各种
变频器对外接电压信号的范围也各不相同，通
常有：0~+10、0~+5、0~±10、0~±5V等
。
(3) 外接电流信号
所有变频器对外接电流信号的规定是统一的，都是
4~20mA。
为了加强抗干扰能力，所有的外接设定信号线都应采用屏蔽线。
输出频率线的调整
17、什么是“输出频率线”？
“输出频率线”是指变频器的输出频率与给定信号间的关系线
。如图2-2，横
坐标是给定信号Fs，通常用百分数表示；纵坐标是输出频率fx。图中曲线为基本<
br>频率线，其特点是：当Fs=0时，fx=0；当Fs=100%时，fx=fmax。
f
x
f
max
0
100%
F
s
图2-2 输出频率线
大体上说，有以下几种原因：
(1) 若干台电动机进行联
动控制时，由于各电机的特性的工况均有差异，须
通过调整输出频率线使各传动单元的步调趋于一致。故
也称为联动比率调整。
(2) 外接担忧压或电流设定信号不规范。如变频器要求的电压设定信号是<
br>0~+10V，而外接的电压设定信号只有0~+9.5V。通过调整，可使输出频率的调节
范围
仍为0~fmax。
19、频率增益设定的内容是什么？
频率增益设定的内容是：当设定信
号Fs“调满”(100%)时，设定其对应的输出
频率相对于最大频率的百分数，如图2-3。图中，
曲线①为基本频率线，其频率
增益为100%；曲线②是200%；曲线③是50%。
f
x
f
max
②
200%
100%①
50%
③
0
50%
100%
F
s
图2-3 频率增益
20、什么是偏置频率？
对应于设定信号为0时
的输出频率称为偏置频率f
B
，它可以一定范围内进行
设定，如图2-4。图中，曲线
①是基本频率线；曲线②是正偏置的情形；曲线③
是负偏置。
通过设定频率增益和偏置频率，变频器的输出频率线就可以任意地进行调
整了。
f<
br>x
②
f
B
①
③
0
100%
f'B
F
s
图2-4 偏置频率
21、怎样进行输出频率线的函数设定？
如图2-5，输出频率线的函数式是：Y=AX+B
。式中X即设定信号Fs；Y即输
出频率fx。
有的变频器(如日本明电VT200S系列)
无偏置频率的设定，面只须设定函数
中的A值和B值，即设定了输出频率线。
f
x
Y
Y=AX+B
B
X
0
100%
F<
br>s
图2-5 输出频率线和函数式
22、什么是输出频率线的两点设定法？
有的变频器(如日本三木VCD系列)通过设定两点
(P
1
点和P
2
点)坐标的方法来
设定输出频率线。如图2-6，P
1点的坐标是(P
1
)和(F-P1)；P
2
点的
坐标是(P
2
)和
(F-P2)。
f
x
(F-P2)P
2
(F-P1)
P
1
0
(P
1
)<
br>(P
2
)
F
s
图2-6 两点设定法
频率范围的设定
23、怎样设定基本频率？
使电动机运行在基本工作状态下的频率
叫基本频率，一般按电动机的额定
频率设定。例如，对于国产的通用型电动机，基本频率设定为50Hz
。
24、如何设定最大频率？
最大频率即最大允许的极限频率。它根据驱动系统的允许最高转速来设定。
25、上限频率和下限频率是根据什么设定的？
根据驱动系统的工作状况来设
定。它可以是保护性设定，即：变频器的输
出频率不得超过所设定的范围；也可以用作程序性设定，即：
根据程序的需要，
或上升至上限频率，或下降至下限频率。
图2-4中，f
max<
br>是最大频率，f
HL
是上限频率；f
LL
是下限频率。
f<
br>x
f
max
f
HL
f
LL
0
100
%
F
s
图2-7 最大频率和上、下限频率
回避频率及其设定
26、如何使工作机械不发生共振？
任何工作机械都有自己的固有振荡频率，变频调速系统在
无线变速的过程
中，有可能出现在某一转速(频率)下、整个驱动系统发生共振，工作机械激烈振
动的现象。为避免上述现象的发生，变频器提供了设定“回避频率”的功能，使驱
动系避开共振点。回
避频率最多可设定三个，如图2-8。
f
x
f
J1
f
J2
f
J3
0
F
s
图2-8 回避频率
27、怎样改变回避频率？
每个回避频率都必须设定两个数据，回避的中心频率f
1
和回避宽度△f
J
，调
试时，f
J
和△f
J
的确定，都是通过实际试验得到的。
三、电动机的起动和制动
电动机的起动
28、电动机是否都是从0Hz开始起动？
对于轻载起动的负载，电
动机一般是从0Hz开始起动的。但对于惯性较大的
负载，起动时须加一点冲击力，才易于起转。这时，
可适当设定起动频率，如图
3-1。使起动转矩增加，同时也缩短起动时间。
f
x
f
s
0
F
s
图3-1
起动频率
29、“升速时间”是怎样定义的？
“升速时间”定义为：变频器的输出频率从0Hz上升至最高频率fmax所需的时
间。
30、升速时间以多长为宜？
一般说来，以起动电流不超过电动机额定电流的最短起动时间为宜。
如果负载要求快速起动，则以起动电流不超过变频器额定电流的最短起动
时间为宜。
31、调试时怎样设定升速时间？
先把升降时间设定得长一些，观察起动电流的大小。再逐渐
缩短升速时间，
直至符合上述要求为止。
起动方式的设定
32、起动方式有几种？
大部分变频调速器都可以设定三种起动方式：
(1)
直线方式，即普通的动起方式，如图3-3a。图中，t
a
为加速时间。
(2)
S形方式，如图3-2b。
(3) 半S形方式，如图3-3c。
f
x
Q
Q
f
x
f
x
P
0
t
a
(a)
t
0
0
t
a
(b)
t
t
a
(C)
t
图3-2 起动方式
33、S形起动方式适用于何种负载？
主要适用于传输带一
类的负载(如图3-3)。因被输送物体M的惯性力与加速
度成正比(F=ma，F是惯性力，m是物体
M的质量，a是加速度)。加速度变化过大，
会使被输送物体滑动或跌倒。因此，在起动的初始阶段(O
P)段，加速过程应比较
缓慢；中间的PQ段，为线性加速，加速度为常数；Q点以后，加速度又逐渐下
降
为0，传输带转入等速运行，起动完毕。
MMM
图3－3
传输带
34、什么负载以选用半S形起动方式较好？
风机和泵类负载。此类负载的阻转矩是
和速度的平方成正比的(T
L
=Kn
2
。T
L
是阻转矩，K
是常数，n是转速)。低速时，其阻转矩很小，起动过程可以适当加
快。但当起动到一定转速(Q点)后
，其阻转矩迅速增加，加速过程应适当减缓。
降速时间和方式
35、怎样定义降速时间？
变频器设定的降速时间，是指其输出频率从最大频率下降为0所需的时间。
36、降速方式有几种？
降速有三种方式，如图3-4所示。图3-4a为线
性方式；图3-4b为S形方式；图
3-4c为半S形方式。图中，td
为
设定的降速
时间。各种降速方式的适用情况也和加
速时相同。
f
x
f
x
f
x
P
0
td
(a)
t
0
0
td
(b)
t
td
(c)
t
图3-4 降速方式
37、降速过快会发生什么现象？
降速时，频率首先下降，旋转磁场的转速将低于转子的转速
，使电机处于
发电机(再生)状态。电动机的动能转变成了电能，通过逆变桥的续流二极管反馈
到直流部分，由制动电阻R
B
将其消耗掉。
降速过快，制动电阻R
B
将来不及消耗掉电动机“再生”的电能，从而使滤波
电容器上的直流电压过高，导致“过电压”。
38、调试时，怎样确定降速时间？
首先将降速时间设定得长一些，在电动机降速过程中观察
直流电压。在直
流电压的允许范围内，尽量缩短降速时间。
39、怎样实现自由制动？ 只有当电动机与变频器之间的连线断开时，电动机才能自由制动。如图3-5
中当开关K断开时即可
。
U
V
W
K
变频器
M
图3-5 电机的自由制动
外接制动组件
40、在什么情况下需要外接制动组件？
当工作机械要求快速制动，而在所要求的时间内，变
频器内接的制动电阻
来不及消耗掉再生电能而使直流部分“过压”时，需要加接制动组件，以加快消耗<
br>再生产电能的速度。
41、外接制动组件包括哪些部件？
包括两个部分：(1) 制动电阻，如图3-6中R
B
。
(2) 放电单元
即提供放电回路的晶体管，如图3-6中之V
B
。
图3-6
制动组件
由厂家提供的制动电阻和放电单元内，通常还附有热继电器，其触点的接
法如图3-6。 由于V
B
与V
B
的导通时间不可能一致，而R
B
与R<
br>B
并联后的阻值较小，先导通
的晶体管很容易损坏。因此，在接入外接组件时，应将P<
br>B
和D
B
间的连线去掉，
使R
B
不接入电路。
42、如何确定外接制动电阻的阻值？
一般可参照说明书提供的数据进行选择。如
需加强制动效果、缩短制动时
间，也可以自行试验确定。
试验时，大体应掌握以下原则：
(1) 制动电流I
B
不得超过变频器的额定电流I
N
。初选时，应
按I
B
≤(13~12)I
N
来确定制动电阻值；
R
B<
br>≤U
Dmax
(13~12)I
N
………………(3-1)
式中，U
Dmax
是在电源电压允许波动的范围内，当再生制动开始时，直流电
压可能
出现的峰值。在电源电压为380V时，U
Dmax
可按695V计算。
(2)
在制动效果得到满足的前提下，RB的值应尽量选大一些。
43、多个外接制动组件并用时需注意些什么？
当只用一个外接制动外件不足于满足所需要的
制动效果时，可以使用多个
外接组件来加强制动效果。在这种情况下，必须注意：
(1)
各外接制动外件之间是并联的，并联后的总制动电阻值R
BE
必须满足：
R
BE
≥U
Dmax
I
N
………………(3-2)
(2) 各制动组件上热继电器的触点之间应该串联。
直流制动的设定
44、什么是直流制动？
当异步电动机的定子绕组中通入直流电流时，所产生的磁场将是空间位置
不变的恒定磁场。 <
br>如转子因惯性而继续以转速n旋转时，转子绕组里的感应电流以及转子绕组
所受电磁力的方向将形
成与n方向相反的制动力矩 。同时，恒定磁场也力图将转
子铁心牢牢吸住，进一步促使转子迅速停下来
。这种在定子绕组中通入直流电流
而使电机迅速制动的方法称为直流制动，也叫能耗制动。
在变频调速系统中，直流制动主要用于消除驱动系统在转速接近于0时的
“爬行”现象。
45、如何设定直流制动？
直流制动主要设定以下三个内容(图3-7)：
fx
再生制动
f
DB
0
直流制动
t
0
t
DB
t
直流制动设定内容
(1)
开始转为直流制动时的起始频率f
DB
；
(2) 施加于定子绕组的直流制动电压U
DB
。由于定子绕组的直流电阻很小，
故直流制动电压的调节范围通常为主电路直流电
压的0~10%。
(3) 制动时间t
DB
，t
DB
不可能和实际
制动时间正好一致，为保证制动效果，
通常设定得略大一些。
46、设定fDB和UDB时需遵循哪些原则？
主要有以下方面：
(1) 确保能够消除驱动系统的“爬行”现象
(2)
直流制动电流不应超过变频器的额定电流
(3) 制动过程中系统无强烈振动
四、变频器的运行功能
Uf设定功能
47、为什么要设定Uf比？
电机
学的分析表明：异步电动机进行变频调速时，如果其输入电压随频率
同步下降的话，电机输出轴上的临界
转矩TK也将有所下降。所得到的机械特性
曲线族如图4－1所示。这是因为，当电压随频率作同步下降
时，定子绕组中的功
率损失I
1
2
R
1
并无变化，从而，转
换到转子轴上的机械功率所占的份额必然减少的
缘故。
图
图4－1
变频后的机械特性
临界转矩的减小导致电动机带负载能力(输出转矩)的下降，这当然是不
受欢
迎的。解决的办法是在电压与频率同步调节(Uf＝定值，称为基本Uf比)的基础
上，适
当提高电压，即调整了Uf比。这种方法也叫转矩补偿。
48、变频器对Uf比的设置情况如何？ <
br>转矩补偿必将引起电机磁路的饱和，因此，在满足负载要求的前提下，应
尽量少补偿。为此，各种
变频器都设置了许多挡Uf比，供用户根据负载的具体
情况进行设定。例如日本富士电机公司生产的G7
S系列变频器设置了32种Uf比
供用户选择，其Uf曲线簇如图4－2所示。图中，曲线 和①
是针对鼓风机和
泵类负载而设置的。这类负载在低转速时的阻转矩很小，故非但不必加大Uf比，
反可以适当减少Uf比，以进一步节省电能。
U
32
②
①
0
0
f
4－2 Uf 曲线族
49、调试时如何设定Uf比？
首先，根据负载在最低速时
阻转矩的情况对Uf比进行初选，初选值适当偏
小。通电后作带负载试验，观察能否带得动？
然后，根据初试情况适当调整Uf比，继续试验，直到满意为止。
50、什么是基本Uf设定？
电压随频率同步变化时的Uf比，称为基本Uf比。电动机的额
定频率不同，
基本的Uf的比值也各异。图4－3中的曲线①、②和③分别是额定频率为50、60和100Hz时的Uf比。
U
U
N
①②
③
0
5060100
f
图4－3 f
N
不同时的基本Uf比
调整转矩补偿的Uf比，是以基本Uf比为基准而进行的。
在根据电动机的额定频率设定基本
Uf比的同时，也设定了变频器的最大输
出频率。如设定图4－4a
，则最大输出频率为50Hz，如设定图4-4b，则最大输出
频率为100Hz。
<
br>UU
0
(a)
50
f
0
50
(b)
100
f
图4－4 基本Uf比与最大输出频率同时设定
理论上说，基本
Uf比也应与电动机的额定电压有关，但变频器的实际输出
电压是不能调节(也无此必要)的，所以在设
定基本Uf比时，并不涉及额定电压的
问题。
点动设定
51、变频器怎样实现点动？
在机械调整过程中，以及金属切削机床装上工件后的校整过程中
，常常需
要“点－动、动－动”，谓之点动，英语是JOG，也有译成微动或寸动的。
实现点动的方式主要有两种：
(1) 外接控制
如图4－5，在点动接线端JOG与公共端CM之接入按钮开关
即可，大多数变频器都备有点动接线端。
JOG
ON
图4－5 外接点动控制
(2) 键盘控制
部分变频器在面板上专门配置了点动键，进行点动控制。
52、怎样设定点动的频率？
各类
变频器都具有设定点动频率的功能。调试时，点动频率需视机械的具
体需要来进行设定。可以先设定得低
一些，再酌情增高。
多挡频率设定
53、为什么要进行多挡频率设定？ <
br>在机械的程序控制中，不同的程序段常常需要不同的转速。为此，变频器
可以预先设定多种运行频
率，以满足用户的需要。
用户在进行变频器的预置设定时，可根据机械的要求，预先设定好若干挡运行频率，供程序控制时选用。
54、怎样实现多挡转速运行？
X
1
X
1
X
2
X
2
X
3
X
3
CM
图4－6 多挡速度的接线
表4－1 接点状态与速度挡的对应关系
速度挡
X
1
X
2
X
3
0
0
0
0
1
1
0
0
2
0
1
0
3
1
1
0
4
0
0
1
5
1
0
1
6
0
1
1
7
1
1
1
如图4－6，在变频器的接线端中，有几种专用于多挡转速控制的端子(图中
X
1
、X
2
和X
3
)，由有关的接点X
1
、X
2
、X
3
来进行控制。各接点的状态与速度挡之
间的对
应关系如表4－1。
例如，在某程序段需要用第三挡速度，则在该程序段令触点X
1
、X
2
接通而
X
3
断开，变频器将输出第三挡频率。
55、实现多挡转速运行时，有哪些相关设定？
主要的相关设定有：
(1) 各挡
转速的升速和降速时间，大多数变频器都可以设定多挡加速时间和
减速时间。每个程序段选用哪一挡加、
减速时间由接点RT1和RT2的状态来决定。
其对应关系如表4－2所示。
表4－2
接点状态与加减速挡的对应关系
挡次
RT1
RT2
加速1
减速1
0
0
加速2
减速2
1
0
加速3
减速3
0
1
加速4
减速4
1
1
(2) 正、反转设定
正、反转由接点FWD(正转)和REV(反转)的状态来决定。
接点的接线如图4－7所示。
FWD
REV
RT
1
RT2
CM
图4－7 升 、降速与正、反转接点
f
x
0
加
速1
速
度
2
加
速
2
速
度
4加
速
3
速
度
5
减
速
3
速度
3
减
速
2
速
度
1
减
速t
x
1
t
x
2
t
x
3
RT
1
t
t
RT
2
t
FWD
t
图4－8 多挡转速与相关设定的配合
多挡转速，各挡的加、减速时间以及正、反转的综合设定的例子如图4－8
所示。图中，高电平表示接
点接通，低电平表示接点断开。
其他运行功能
56、什么情况下需设定“转差补偿”？ <
br>大多数机械都希望当电动机在某一转速(频率)下运行的，能够有效“硬”的机
械特性。就是说，
当负载转矩从0增加到T
L
时，其“速度降落”△n应尽量地小，如
图4－9。对于要
求较高的机械，通常需借助于速度反馈来实现上述要求。
n
n
2
n
n
0T
L
T
图4－9 异步电机的机械特性
在某些较新型的变频器内，设置了“转差补偿”功能。它可以
自动地根据负
载电流的大小来适当调整输出频率，从而使电动机的转速基本保持恒定。
经转差
补偿后，电动机在某一负载转矩T
L
下的速度降落可砬小为原来的13，
如图4－10
所示。
n
②
①
0T
L
T
图4－10 转差补偿前后的机械特性
57、怎样减小驱动系统的噪声？
在SPW
M的脉冲序列中，各脉冲的宽度是由正弦波和三角波的交点来决定
的，如图4－11。其中，三角波为载
波，正弦波为调制波。以功率晶体管(GTR)
为逆变管的变频中，其载波频率通常在1.5kHz~2
kHz之间，在电流的高次谐波中，
载波频率的谐波分量较大，并引起铁心的振动而产生噪声。
图4－11 SPWM脉冲序列
如果噪声的频率与驱动系统中某一部分的谐振频率相一致的话，噪声将增
大。
为了减
小由于上述原因引起的噪声，较新型的变频器中提供了在一定范围
内调整载波频率的功能。通常将载波频
率分若干挡，用户在调试时可通过试验来
确定最佳的载波频率挡。
五、变频器的保护功能
电压保护功能
58、变频器在什么情况下可能出现过电压？
主要有两种情况：
(1)
电源电压过高 变频器一般允许电源电压向上波动的范围是＋10％，超
过此范围时，应进行保护。
(2) 降速过快 如果将减速时间设定得太短，在再生制动过程中制动电阻来
不及将能量放
掉，致使直流回路电压过高，形成过高压。
除此以外，由于线路中有电感的原因，在过渡过程中也可能
出现时间极短
的瞬间过电压，这种过电压及其保护，不在本文讨论之列。
59、变频器怎样进行过电压保护？
变频器的过电压信号一般是从直流部分取出的。当出现过
电压信号时，微
机系统将首先判别是否正在减速？如果是，则自动延长减速时间，减缓制动过程：
如还不能使过电压信号很快消失时，则“跳闸”，以查明原因。
对于电源过电压，目前市场上的大部分变频器，一般都没有稳压装置，只
能“跳闸”。
60、欠电压的原因有哪些？
主要有两个方面：
1、电源方面
(1)
电源电压低于额定电压的10％
(2) 电源缺相
2、主电路方面
(1)
整流器件损坏(断路)：如图5－1，如果六个整流二极管中部分损坏，整
流后的电压将下降。
V
T
KA
R
＋
C
图5－1 主电路的整流与滤波
(2) 限流电阻R未“切出”电路。图5－1中
，电阻R的作用是限制电源刚合闸
时，滤波电容C的充电电流的。当滤波电容上的电压上升到一定程度时
，电阻R
将被接触器KA的触头或晶闸管V
T
所短路，从而“切出”电路。
如果KA未动作或其触头接触不良，或晶闸管未导通，使电阻R长时间接入
电路，将导致直流侧的欠电压
。
过流、过载与过热保护
61、过流、过载和过热的保护对象是什么？
过流，是
指变频器过流。即变频器的输出电流或直流回路的电流超过了额
定值。对于过流保护，变频器在出厂前已
经整定好，用户一般不能自行设定。
过载，指的是电动机的过载。由于相同的变频器所带的电动机容量
不一定
一样，电动机所带负荷的特点也各不相同，故过载保护是由用户根据电动机及负
载的情形
来整定的。
过热保护的范围较广，各种变频器所设置的保护内容不尽一样。概括起来，
有：大
功率晶体管过热、冷却风扇的电机过热以及环境温度过高等。过热保护也
是在出厂前整定好的。
62、变频器过波的原因有哪些？
变频器的过流原因可分两大类：
1、非短路性过流
主要原因有：
(1) 电动机严重过载
(2) 电动机加速过快
(3)
Uf比(转矩补偿)设定过高而电动机处于轻载状态，这是因为：
Uf比高时，电机磁路处于饱和状态
。轻载时，转子电流小，其“反磁势”也
小，磁路饱和程度加深，电机的励磁电流有可能增大到大大超过
额定电流的程度。
2、短路性过流
主要原因有：
(1) 负载侧短路
(2) 负载侧接地
(3) 变频器逆变桥同一桥臂的上下两晶体管同时导通，形成“直通”
。因为变
频器在运行时，同一桥臂的上下两管总是处于交替导通状态。在交替导通的过程
中，必
须保证只有在一个晶体管完全停止后，另一个晶体管才开始导通。但如果
由于某种原因(如环境温度过高
)，使元器件参数发生漂移，就可能导致直通。
63、变频器如何处理过流问题？
一旦过流
，立即跳闸，这是所有变频器都能做到的。但近年来的新型变频
器，还能针对不同的原因进行不同的处理
，主要有：
(1) 对电动机冲击负荷的处理 电动机有时会遇到属于正常运行范畴的冲
击
过负荷，如金属切削机械在加工毛坯时就常常有此情形。因此，当电动机在运
行过程中严重过载时，变频
器将首先自动地降低其输出频率，将输出电流抑制在
允许范围内。
在预置设定时，用户可根据
电动机的额定电流及其允许过载的范围，预先
设定“电流限值”I
lim
，如图5－2
a 。当电流超出I
lim
时，变频器的输出频率将下降，
直至电流小于I
l
im
时为止，如图5－2b。图5-2a中的虚曲线为未设限流措施时，冲
击电流的情形。 <
/p>
I
I
lim
(a)
0
t
f
(
b)
0
t
图5－2 冲击过载电流与输出频率
(2) 对加速过电流的处理
如果在加速过程中出现过电流，变频器将可以自
动地延长加速时间，直至电流进入允许范围为止。 3、对其他原因的过电流，尚无针对性的处理方法。对于短路性过流，许多
变频器已能做到反应迅捷
，从而有效地进行保护。
64、变频器如何处理电动机的过载问题？
针对电动机过载的特点，新型的变频器都提供了具有反时限性的电子热保
护装置。
所谓反时限特性，是指过载后保护动作的时间和过载电流的大小成反比，
如图5－3。
t
60Hz
50Hz
10Hz
0
I
MN
图5－3 电子热保护的反时限特性
I
此外，频率越低
，电机的散热条件越差，其允许的工作电流也越小，如图5
－4。
I
105
100
85
70
80
I
set
=50%
(%)I
set
=105%
0
f
N
B
f
N<
br>f
图5－4 允许电流与工作频率的关系
由于相同的变频器驱
动的电机容量及其额定电流不尽相同，故在进行预置
时，需根据电机的额定电流和变频器额定电流之比来
进行设定。
I
set
%
I
MN
I
N
100%
(5-1)
式中，I
set
(%)－－设定电流的百分比
I
MN
－－电机额定电流
I
N
－－变频器额定电流
有的变频器还具有过载预报功能，当电机电流接近过载时，
预先发生报警
信号，避免不必要的跳闸。
图5－5中，曲线①为电子热保护的特性线，曲线②即为过载预取的特性线。
f
①
②
0
I
图5－5 过载预报线
其他保护功能
65、变频器还有哪些保护功能？
主要有：
(1) 电源瞬时停电的处理
当电源发生瞬间(≤15ms)的失压或欠压时，变频器将可以
维持继续运行。有
的变变器在电源电压恢复时，还可以跟踪电动机的转速以调整输出频率。
(2) 微处理器异常保护CPU、RAM、ROM等，一旦出现异常，变频器立即
停止工作。
66、重合闸功能的内容是什么？
变频器的保护功能很完善，反应十分灵敏。但也容易受到外
界干扰的影响
而误动作。为了判别变频器的跳闸是否属于误动作，许多变频器都设置了重合闸
功
能。即当变频器因过压、过流或过载而跳闸时，变频器将自动地再合闸若干次。
如系误动作，则再合闸合
应能恢复正常运行。各种变频器对重合闸的次数升时间
有不同的规定，应注意有关说明。
六、变频器的显示与测量
显示的构成
67、变频器配置了哪些显示部分？
变频器的显示大致由以下几个部分构成：
(1) 数据显示屏，由数码管构成，主要功能有：
① 在运行状态时，显示各种运行数据，如频率、电压和电流等。
②
在编程状态时，显示各种功能及其设定的代码或数据。
③
在发生故障而跳闸后，显示故障原因的代码。
(2) 单位显示
与数据显示相配合，显示数据的单位，如Hz、V、A等，由
发光二极管显示。
(3)
状态显示 显示变频器所处的状态，如编程状态，正转运行状态，反转
运行状态及点动状态等，也由发
光二极管显示。
(4) 外接显示：由外接的仪表来显示变频器的输出频率、电流及电压等参数。在变频器的接线板中，一般都提供专用于外接频率表(有的也提供外接电流表)的
接线端子。
(5) 图型显示屏
这是近年来某些新系列变频器中配置的新部件，可以比较
直观地观察变频器的工作状况。
数据显示
68、变频器在运行中能显示哪些频率？
一般情况下，显示的都是输出频率；必要时，也可显示设定频率。
69、变频器能直接显示转速吗？
只要预先将计算好的变的系数输入变频器，即可显示：
电动机转速(单位：rs)，实际是同步转速；
负载的转速(单位：rs)；
负载的线速度(单位：mmin)
后两项也都是与同步转速相对应的数据。
70、变频器还能显示哪些数据？
主要有：
输出电压(单位：V)；输出电流(单位：A)；加、减速时间(单位：s)。
其他显示
71、变频器的电源显示有什么特点？
变频调速器的电源显示也叫充电显示。它除了表明是否
已经接上电源外，
还显示了直流高压部分滤波电容器上的充、放电状况。这一点之所以十分重要，
是因为在切断电源(关机)后，高压滤波电容器的放电速度较慢，由于电压较高，
对人体有危险。所以
，在调试和修理时，每次关机后，必须等电源显示完全熄灭
后，方可触摸接线部分。
72、变频器如何显示故障原因？
各种变频器对故障原因的显示方法很不一致。大体说来，有两类三种方式：
(1)
用发光二极管显示 不同的故障原因由各自的发光二极管来显示。这
虽是较为原始的一种显示方式，但
对操作者来说，较易掌握，只须记住哪个灯亮
是什么故障即可。
(2) 由数码显示屏显示
又分两种：
1) 用代码显示 不同的故障原因由不同的代码来显示。如日本三肯公司生
产的SVF系列变频器中，代码3表示过载过流；4表示冲击过流；5表示过压等等。
2)
用字符表示 针对各种过载原因，用缩写的英语字符。如过流为
OC(over
current)：过压为OV(over voltage)；欠压为LV(low
voltage)；过载
是OL(over load)；过热是OH(over
heat)等等。操作者只须稍具英语知识便可一
目了然，故新系统变频器普遍采用这种方式。
73、在编程状态下，变频器显示些什么内容？
所谓编程，是用编写程序的将所希望的参数或状态进行预先的设定。例如：
加速时间：设定为8s。
对每一个设定项目，必须显示两部分内容：
(1) 显示正在进
行设定的功能项目，通常
用代码显示，称为功能码。各种变频
器对功能码的规定是千差万别的。以加速
时间为例，富士(日)FVR－G7S系列为；明电(日)VT
200S系列为；而三
木(日)VCD系列为等等。
(2) 显示该项目应该设定的数据或
代码，称为数据码。以上述加速时间为
例，数据码为，某些功能项目的数据须用代码显示，如对要不要直
流制动
进行设定时，数据码表示不要；而则表示要。
74、如何接入外接显示仪表？
变频器的接线端子中，通常都为用户提供了外接频率显示的
端子，如图6－
1中的FM端。用户只须将仪表将FM与COM之间即可。
有的变频器也提供外接电流显示的端子，如图6－1中的AM端。
74、如何接入外接显示仪表？
变频器的接线端子中，通常都为用户提供了外接频率显示的
端子，如图6－
1中的FM端。用户只须将仪表将FM与COM之间即可。
有的变频器也提供外接电流显示的端子，如图6－1中的AM端。
图6－1 外接显示
外接显示所
用仪表，在说明中书中都规定。大多数变频器规定用0～10V的
磁电式仪表，也有用0～1mA电磁式
仪表的。
变频器的测量
75、测量主电路时，应注意哪些问题？
(1) 测绝缘
首先，应将接至电
源和电动机的连线断开，然后将所有的输入端和输出端
都接连起来，如图6－2。再用兆欧表测量绝缘电
阻。
图6－2 测绝缘的接法
(2) 测电流
变频器的输
入和输出电流都含有各种高次谐波成分，故选用电磁式仪表，
因电磁式仪表所指示的是电流的有效值。
(3) 测电压
变频器输入侧的电压是网络
的正弦波电压，可用任意
类型的仪
表测量；输出侧的电压是方波脉冲序列，也含有许多高次谐波成份，由于电动机
的转矩
主要和电压的基波有关，故以采用整流式仪表为宜。
(4) 测波形
用示波器测主电
路电压和电流波形时，必须使用高压探头。如使用低压探
头，须用互感器或其他隔离器进行隔离。
76、测量控制电路时，应注意哪些问题？
(1) 仪表选型
由于控制电路的信号比较微弱，各部分电路的输入阻抗较
高，故必须选用高频(100k以上)仪表进
行测量，如使用数字式仪表等。用普通
仪表测量时，读出的数据将偏低。
(2)
示波器的选型 测量波形时，可使用10MHz的触波器；如欲测量电路的
过渡过程，则应便用200
MHz以上的示波器。
(3) 公共端的位置：控制电路有许多公共端(地端，理论上说，这些公<
br>共端都是等电位的。但为了使测量结果更为准确，应选用与被测点最为接近的公
共端。
77、如何判断整流和逆变器件的好坏？
如图6－3，主电路的主要接线端有8
个：进线端R、S、T；出线端U、V、W；
直流正确P和直流负端N。
图
图6－3 主电路的接线端子
用万表进行判断的如表6－1。
表6－1 元器件的万用表判断法
V
D1
V
D2
V
D3
V
D4
V
D5
V
D6
整流元
件
R
P
N
R
S
P
N
S
T
P
N
T
黑笔位
置
P
R
R
N
P
S
S
N
P
T
T
N
红笔位
置
正常状通
不通
不通
不通
不通
不通
不
态
通
通
通
通
通
通
V
T1
V
T2
V
T3
V
T4
V
T5
V
T6
逆变组
件
U
P
N
U
V
P
N
V
W
P
N
W
黑笔位
置
P
U
U
N
P
V
V
N
P
W
W
N
红笔位
置
正常状通
不通
不通
不通
不通
不通
不
态
通
通
通
通
通
通
表6－1中的黑笔与红笔是指普通指针形万用表的表笔；黑笔为电源
＋，
红笔为电源－。如为数字型万用表，则相反。
七、变频器的安装与调试
安装与接线
(a)(b)
78、变频器对周围环境有些什么要求？
(1) 环境温度 运行地点的温度一般规定为－10～＋40℃。如将变频器装
在控制柜内
，变频器本身的盖子可以打开，则应用在＋50℃以下的场合。
贮藏温度可放宽为－20～＋65℃。
(2) 环境湿度
相对湿度在90％以上，以不冷凝结露为限。
(3) 安装位置 应在海拔 1000m
以下，无腐蚀性气体，无直射阳光，灰尘
不大之处。
79、安装变频器应注意些什么？
最重要的是变频器的通风必须良好。为此，一般要求如下：
(1)
变频器与周围物体之间的距离应小于120mm ，如图7－1。
图7－1
变频器与周围物体间的距离
(2) 当两台变频器装在一个控制柜内时，一般应并排安装，如图7-
2a；如
必须上下直排安装时，应在两台变频器之间用隔板挡开，避免下面变频器出来的
热风进
入到上面的变频器中去，如图7－2b所示。
图7－2 两台变频器装在同一柜内
主电路的接线
80、电源与变频器进线端间，应接入哪些开关？
进线接线如图7－3所示。
(1) 断路器QF。这是电源总开关。
(2)
接触器KM的主触头。KM的线圈电路将受各种信号控制，以便在发生故
障时及时切断电源。
T
QF
KM
图7－3 进线接
线图
81、为什么说，变频器的输入与输出端绝对不允许接反？
一旦将电源线接到变频器的输出端(U、V、W)时，则任意一个送变晶体管(如
V
1
)因得到信号而导通，都将形成短路，如图7－4。所以，在设计变频器的主电
路时，必须绝
对避免电源通入输出端的可能性。
图
图7－4 电源接到输出端的情形
82、变频器的输出端为什么不能接入电容器以改善通入电机的电流波形？
因为变频器的输出电压是矩形脉冲序列，含有很多高次谐波成分。由于电
容器在高次谐波下的容
抗较小，高次谐波电流较大，这一方面加重了逆变晶体管
的负担，另一方面电容器本身也容易因过热而损
坏。
控制电路的接线
83、控制电路的电源应接到哪里？ <
br>应接至接触器主触点的前面，如图7－5。因为，当变频器发生故障时，接
触器的主触点将断开。
这时，控制电路应保持通电，继续显示故障原因和发生报
警的信号。
T
1
图7－5 控制电路的电源
84、对控制线的布置有些什么要求？
由于主电路的电流具有较强的高次谐波成分，容易干扰控制电路的工作。
所以：
(1) 控制线与主电路间的距离应不小于100mm 。
(2)
控制线应互相绞绕，并尽量使用屏蔽线。
(3)
当控制线与主电路交叉时，应尽量垂直相交，如图7－6。
图
图7－6 控制线的布置
85、输出信号接线端的容量有多大？
变频器的输出信号都采用集电极输出方式，如图7－7。其输出容量一般规
定如下：
＋
－
图7－7 输出信号的接法
电压：<27V(D·C)；
电流：<50mA
各种变频器不尽相同，应注意阅读有关的说明。
其他接线
86、联接地线时应注意什么？
(1)
接地线应量粗一些，接地点与变频器间的距离应尽量地短。
(2)
变频器应单独接地，不要和其他机器共用地线，如图7－8那样。
图7－8 错误的接地方式
87、线圈两端为什么要接吸收电路？
因为线圈电路
在断开的瞬间，将产生很高的感应电势，它可以引起控制电
路的误动作，甚至造成损害(如对输出三极管
)。所以，所有线圈(接触器、继电
器和电磁阀等电磁器件的线圈)两端都必须吸收电路。接法如图7－
9；交流电路
用阻容吸收电路；直流电路也可用阻容吸收电路；直流电路也可用阻容吸收，但
更
多的则用续流二极管。
交流(或直流)
直流
图7－9
预置设定
88、什么是预置设定？
变频器在和具体的机械配用时，
需根据该机械的特性与要求，预先进行一
系列的设定，如；加减速时间、Uf比等等，称为预置设定，简
称预置。
89、预置设定的方法有几种？
第一种：手动设定，也叫模拟设定。是通过电位器和多极开关来设定的。
第二种：程序设定，也叫数字设定。是通过编程的方式进行设定的。
90、程序设定的一般步骤如何？
(1)
首先按下模式转换开关，使变频器进入编程模式。
(2)
按数字键或数字增减键(△键和▽键)，选择需进行预置的功能码。
(3)
按读出键或设定键，读出该功能的原设定数据(或数据码)。
(4)
如需修改，则通过数字键或数字增减键来修改设定数据。
(5)
按写入键或设定键，将修改后的数据写入。
(6) 如预置尚未结束，则转入第二步
，对其他功能进行设定；如预置已经
完了，则按模式选择键，使变频器进入运行模式，电动机就可以起动
了。
上述各步的流程图如图7－10。
转入运行模式
图7－10 编程流程图
驱动系统的调试
91、变频器输出端未接电动机之前，应调试哪些内容？
(1) 首先要熟悉变频器的各种操作。检验的方法之一，可任意设定一个加
速时间和减速时间
，然后令变频器进入运行状态并按起动键或停止键，观察变频
器是否按所设定的时间加速或减速。
(2) 如有外接设定和外接仪表，则在通电后进行校准。
92、电动机输出轴未接负载前调试些什么？
(1)
观察基本操作的实施情况，如起动、停止、反转及点动等，并注意正
转方向是否正确。
(2) 如果是多挡转速的程序控制系统的话，则应在空车状态下让程序控制
运行一遍，观察各
程序段的工作是否准确。
93、电动机带负载运行时，应注意观察和调整哪些项目？
(1)
将加、减速时间调整到最佳位置。原则是：在不过流或不过压的前提
下，尽量缩短加、减速时间。
(2) 调整Uf比：在最低频时带负载能力满足要求前提下，尽量减小Uf比。
(3)
观察当负载最大的电动机电流及其持续时间，是否在变频器正常工作
的允许范围内。
(4)
在工作频率范围内缓慢地进行调节，观察机器是否有剧烈振动的现象，
以确定是否需要设定回避频率以及
回避频率的大小和宽度。
八、变频调速驱动系统的运行
异步电动机变频后的带负载能力
94、怎样描述电动机的带载能力？
一般情况下，电动机的带载能力由额定转矩T
MN
来描述。由于只有一挡转速，
故也
可以额定功率P
MN
来描述。两者之间的关系是：
P
MN
＝T
MN
·n
MN
9550……………………(8-1)
式中：T
MN
－－额定转矩，N·m
n
MN
－－额定转速，rs
P
MN
－－额定功率，kW
变频时，对应于每一挡频率f
x
，电动
机都有一个允许长时间输出的有效转矩
T
MX
。将不同频率下的有效转矩联接成线，
即为电动机在变频后的带载能力线，
或称作有效转矩线。
95、f
x
时，电动机的带载能力如何？
0
T
mx
T
MNx
T
M
图8－1 f
x
, Uf＝c的带载能力
(1)
无转矩补偿，uf=const。当fx比较接近于f
N
时，电机的漏磁电抗比电
阻
大得多。fx下降时，TMN有所减小，但减小不大，如图8－1中的NN'段。
由图8－1知，当f
x
较低时，电动机的负带载能力将下降很多。
0
T
M
图8－2 补偿后的带载能力
(2)
有转矩补偿。当提高Uf比，进行转矩补偿后，原则上可实现恒转矩
调速，即T
MX
＝T
MN
。但由于低速时散热条件变差等原因，当f
x
下降时，T
MX
将有所
减小，如图8－2所示。
96、f
x
>f
N
时的有效转矩是怎样的？
由于确定带负载能力的基准的不同，而有两种情形：
(1)
以电动机的发热为基准，即允许的电流值不变，则当fx>fN时，基本上
为恒功率调速：
T
MN
·n
MX
≈T
MN
·n
MN
＝co
nst…………………(8-2)
从而
T
MN
≈T
MN
k
f
…………………………………………(8-3)
式中，T
MX
、n
MX
－－当变频器的输出频率为fx时，电动机的有效转矩和转速
k1=f
x
f
N
－－频率调制比
(2) 以电动机的过载能力
不变为基准，即：
＝T
MKX
T
MX
const
(8-4)
TMKX为电动机在fx时的临界转矩。
则当f
x
>f
N
时，有效转矩T
MX
大体上与k
f
的平方成反比：
T
MX
＝T
MN
kf2………………………………………(8-5)
图8－3中，曲线 ①是以发热为基准的有效转矩线；曲线 ②
是以过载能
力为基准的有效转矩线。
0
T
MNx
T
M
图8－3 f
x
>f
N
时有效转矩线
在实际工作中，高速时过载能力常可放宽为
H
，这样，曲线②
将可右移
为曲线 ③，曲线③ 与曲线
①交于Q点。于是，当fx>f
N
时的有效转矩线
的确定方法如下：
当fx
时，以曲线 ① 为准；当fx>f
Q
时以曲线 ③
为准，如图中之实线所
示。
变频调速用于平方律负载
97、什么是平方律负载？
阻转矩与速度的平方成正比的负载称为平方律负载。其典型代表
是风机和
泵类(罗茨鼓风机和油压泵除外)。其机械特性方程是：
T
L
＝T
LO
＋K
L
·n
L2
K
L
n
L
2
…………………………(8-6)
式中，T
L
、n
L
－－分别是负载的转矩和转速
0<
br>T
LP
T
MO
T
LN
T
MN
T
T
LO
－－是损耗转矩
K
L
－－常数
所得机械特性曲线如图8－4中之曲线 。
图8－4
平方律负载的机械特性
98、变频调速系统和平方律负载配用时，应如何调试？
(1)
最高频率f
max
平方律负载在额定转速以上运行时，阻转矩将增加很多，
非但电
机严重过载。负载本身的机械强度也不允许。所以其最高工作频率不允许
超过额定频率：
f
max
≤ f
N
………………………………………………(8-7)
(2) Uf比
由于平方律负载在低速时的阻转矩很小，即使在基本Uf比时，
电机的有效转矩(图8－4中之曲线)
仍比负载转矩大得多。所以，许多变频器提
供了1～2条比基本Uf比更低的Uf比曲线，供用户选择。
(3) 升速与降速方式 以选用半s方式为宜，低速时，由于阻转矩小，升(降)
速可适当
地快一些；速度渐
0
t
高，阻转阻迅速加大，升
(降)速应逐渐放慢，如图8－5。
(4)
升速与降速时间
平方律负载大多属于长期稳定的负载，对升速和降
速时间一般没有严格的要求，故可适当没设长一点。
图8－5
半S升(降)速方式
99、为什么说平方律负载应用了变频调速后，节能效果特好？
平方律负载调速的主要目的是为了调节液体或气体的流量。用调节阀门的
方法来实现时，电动机
的输出功率减小得十分有限，而采用调节转速的方式来实
施时，由(8-1)式和(8-6)式知，负载
消耗的功率为：
P
L
＝T
L
n
L
9550=K
PL
·n
L
3………………………………(8-8)
可见，P
L
与n
L
的三次方成正比(式中，K
PL
为常数)。
设n'
L
＝n
LN
2，则：P'=P
LN
8。节能效果由此可见。
变频调速用于恒转矩负载
100、恒转矩负载的主要特点是什么？
主要特点是：当转速改变时，负载的阻转矩基本保持不变：
TL ≈
const…………………………………………………(8-9)
101、变频调速应用于恒转矩负载时，应注意哪些问题？
(1) 频率范围 由于在额
定频率以上调节时，电动机的转矩将下降很多，
与恒转矩的要求不符，故只能在额定频率以下进行调节。
(2) Uf比 这是调试工作中比较关键的一环，基本原则是：在最低频率时
也能带动负载
的前提下，尽量降低Uf比。一般来说，调速范围越密，最低频率
越低，Uf比设定得越大。
(3) 升速与降速
恒转矩负载的类型较多，各种类型的差异较大，应根据
具体情况来进行设定，不能一概而论。
变频调速用于恒功率负载
102、恒功率负载的典型代表及其工作特点如何？
恒功率负载的典型代表是：主运动为旋
转运动的金属切削机床，如车床、
铣床、磨床等。其工作特点主要有：
(1)在不同转速下
，允许的最大切削速度(线速度)是相同的。因此，当工件
(或切具)的直径较大时，转速应较低，而切
削时的阻转矩则是增大的。结果是切
削功率P
L
维持不变。
(2)转矩和转速间的关系是：
n
L
=9550P
L
T
L
≈K
LT
T
L
…………………………(8-10)
0
A'
其机械特性为双曲线，
A
T
如图8－6。
该曲线上任意一点
的TLnL乘积都是相等的，如图中之面积OABC和O'A'B'C'。
(3)速度选定后，在切削过程中是不进行调速的。因此，其无级调速的概念
是：能够得到任意的速度
，而不是在工作过程中任意地变更速度。这一特点变频
调速和机械调速的配合使用提供了方便。
0
DA
T
图8－6 恒功率负载的机
械特性
103、如调频范围为f
x
≤f
N
，有什么缺点？
如
图8－7，为了使电动机在最低速时也能带动负载，电动机的容量(与面积
ODFF成正比)必须比负载
实际的功率(与面积OABC成正比)大得多，从而在大部分
转速下，电动机未得到充分利用。
图8－7 f
max
≤f
N
的情形
0
A
D
T
104、怎样
使电动机的有
效转矩线与负载的机械特性比较地接近？
使电
动机的最高工作频率超过额定频率，如图8－8。图中，电机容量与负
载功率也比较接近了。
但由于普通电动机的工作频率不宜超过额定频率的两倍(fmax≤2fN)，当负
载的调速范围较广
时，电机容量仍过大。这时，可将电机与机械间的传动比分成
两挡，使电动机的有效转矩线如图8－9中
的曲线②所示，则电机的容量和负载功
率就十分接近了。
图8－8
fmax>fN时的情形
图
图8－9 两挡转速的情形
图中，低速挡时的最高转速为n
Lmld
，对应的工作频率是f
max
；高速挡的最高
转速为N
lmax
，对应的工作频率也是f
max
。
需要说明的是：当电动机与负载间的传动比不为1时，应将电动机输出轴上
的转矩与转速都折算到负载轴上，两者之间才能进行比较。图中，T
MN
'是低速
挡时电机额定转矩
的折算值，T
MN
''是高
速挡时电机额定转
矩的折算值。
九、滤波与抗干扰
输入侧的电流和电压
105、变频器输入电流的波形是怎样的？
变频器的输入电路是三相交流电源经全波整流后向电容器C充电的电路，如
图9－ 1a 。
图9－1 输入电流的波形
显示，只有当电源的线电压U
L
大于电容器两端的直流电压U
D
时
，才进行充电。
所以，输入电流总是出现在电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式，如图9
－1b所示。不言而喻，其高次谐波的成分是很大的。
分析表明：
(a)
变频器的有功输
出主要取决于输
入电流的基波分量，各高次谐波电流都属于无功分量。因此，
滤掉了高次谐波
电流，也就提高了功率因数。
106、在哪些情况下，输入电压的波形将发生畸变？
主要有以下两种情形：
(1) 当电源侧的补偿电容器投入网络，如图9－ 2a 所示时，在暂态过程中，
电源电压
将出现很高的峰值，如图9－2b所示。它可以使整流二极管因受到过高
的冲击电压而损坏。
(2) 当网络内有容量较大的晶闸管换流设备时，由于晶闸管总是在每半周
期的部分时闸内导
通，使网络电压的波形出现凹口，如图9-3所示。它将使整流
二极管可能因出现较大的反向回复电压而
受到损害。
图9－2 补偿电容投入时
图
图9－3 晶闸管换流引起的畸变电抗器的接入
107、电抗器怎样接入输出侧？
有两种电抗器附件可供用户选用：(1) 交流电抗器LA，串接于三相的输入
电路中。(2)
直流电抗器LD，串接于三相整流桥和滤波电容器之间，如图9－4所
示。
S
1
050400(kVA)
图9－4
电抗器接入法
108、两种电抗器的功能有何不同？
共同的功能是：削弱输入电流的高次谐波分量，提高功率因数。其效果如
图9－5。
不同之处在于：交流电抗器还具有阻遏浪涌电压、削弱三相电压的不平衡
和电压波形畸变为整流二极管
的影响等功能，而直流电抗器则无此功能。
图9－5 接入电抗器的效果
109、什么情况下必
须选用电抗器？
由于电源变压器的内部阻抗也能
起到电抗器的上述作用。因此，选用电抗
器的必要性将视电源容量而500kVA，或电源容量超过变频
器容量10倍以上时，应
配用电抗器，如图9－6。
图9－6 电抗器的选用
此外，在网络电压可能发生畸变的场合，以及三相电压很不平衡时，应选
用交流电抗器。
变频器的抗干扰
110、干扰的产生与传播情况如何？
变频器的输入和输出电流中，都含有很多的高次谐波成分(输出电流波形见
前)，除上述的能构成电源无
功损失的较低次谐波外，也还有许多频率很高的谐
波成分。它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形
成对其他设备的干扰信号。
干扰信号的传播方式主要有以下几种：
(1)
空中辐射方式
(2) 电磁感应方式，即通过线间电感而感应
(3)
静电感应方式，即通过丝间电容而感应
(4) 线路传播方式，主要通过电源网络而传播
111、干扰信号可能产生哪些后果？
当变频调速系统的容量足够大时，所产生
的高频信号将足以对周围各种电
子设备的工作形成干扰，其主要后果有：
(1)
影响无线电设备的正常接收。
(2) 影响周围机器的正常工作，使它们因接受错误信号而产生误动
作，或
因影响传感电路的检测精度而引起判断失误。
112、变频器可采取哪些抗干扰措施？
(1) 对于通过感应方式(包括电磁感应和静电
感应)传播的干扰信号，主要
通过正确地布线和采用屏蔽线来削弱之。具体方法见安装与接线部分。
(2) 对于通过线路传播的干扰信号，主要通过增大线路在干扰频率下的阻
抗来削弱之。如图
9－7，各相在同一磁心上按同一方向绕4圈以上即可。各变频
器生产厂大多可提供专用的线路抗干扰滤
波器。
图9－7 线路抗干扰滤波器
(3) 对于通过辐射传播的干扰信号，主要通过
吸收的方式来削弱之，如
图9－8。各变频器生产厂也都可以提供专用的无线电抗干扰滤波器。
图9－8 无线电抗干扰滤波器
113、输出侧的抗干扰有些什么特点？
(1) 不允许接入电容器。因为逆变管工作在开
关状态，如接入电容器，则
在某一逆变管导通的瞬间，将可能出现峰值很大的充电电流或放电电流，使逆
变
管损坏。故在变频器的输出侧，既不能接入电容器来改善功率因数，也不能接入
如图9－8所
示的无线电抗干扰滤波器。
图 9－9 输出侧禁接电容
(2) 变频器的输出侧除了和受控电机相接外，一般和其他机器之间，极少
有线路
上的联系。因此，通过线路传播干扰信号的情况，除特殊场合外，可不予
考虑。
114、输出侧如何抗干扰？
在变频器的输出侧和电动机
之间串入滤波电抗器L
D
，以削弱输出电流中的高
次谐波成分，如图9－10所示。此
法既改善了电动机的运行特性(削弱了高次谐波
电流引起的附加转矩)，也起到了抗干扰的作用。
图9－10
输出侧的电抗器
十、常用功率器件简介
E
(b)
概述
E
115、在当前的中
小容量变频器中，用得最多的逆变器件有哪些？
1994年以前的产品，逆变用功率器件以采用大功率晶体管(GTR)为主。
从1994年起，不少公司开始更新换代，改换成以采用绝缘栅晶体管(IGBT)
为主了。
GTR简介
116、逆变用GTR模块的电路结构是怎样的？
变频器中逆变用GTR模块一般都是达林顿管，其内部的基本电路如图10－
1a
所示。根据变频器的工作特点，在晶体三极管旁边还并联一个反向的续流二
极管。
图 10－1 GTR模块
根据变频器中逆变电路的特点，用得较多的是双管模
块，其电路结构如图
10－1b所示。此外，也还有将整个逆变电路都封装在一起的六管模块。
117、选用GTR在主要参数有哪些？
主要有两个(见图10－2)
图10－2 V
CEX
的含义
(1) 集、射极击穿电压V
CEX
：当基极和发射极之间
接入反向偏压时，集电极
与发射极之间的击穿电压。有时用符号V
CEX(SUS)
表示，意思是能够维持正常工作的
最高极限电压。
(2)
集电极最大电流ICM；指GTR在饱和导通时，集电极的最大允许电流。
124、什么是GTR的安全工作区？
GTR是最大允许电压和允许电流的范围内还不能<
br>保证其安全工作。这是因为当GTR的集射间电压V
CE
和集电极电流I
C
迅速变化时，
容易发生二次击穿的原因。
所谓安全工作区，是指在允许的电压和电流范围内，不发生二次击穿，能
够安全工作的区域。
118、GTR的驱动电路有什么特点？
当GTR由载止状态转为饱和状态时，需要在基极回路内注入正向驱动电流
B1
，I
B1
越大，则：
(1)
导通时间缩短，导通过程中的损耗减小。
(2)
饱和后集、射极间的压降减小，其通态损耗也减小。
(3) 将增加关断时间和关断过程中的损耗。
当GTR从饱和和状态转为截止状态时，则须注入反向驱动电流
R2
。增大I
B2
，
则：
(1)
关断时间缩短，关断过程中的损耗减小。
(2) 安全工作区将缩小
因此，在设计驱动电路时，须综合考虑各方面的得失。图10－3所示是典型
的驱动电路之一。
图
图10－3 典型驱动电路之一。
图中，V
D1
～V
D4
上的电压降将为GTR提供反向偏置电压；
FT是光电耦合管，其
二极管部分受计算机输出信号的控制。驱动电路的工作过程如下：
当FT得到信号而导通时，V
1
导通且饱和，V
2
随即导通而V
3
截止，结果使GTR
导通。I
B1
的大小主要取决于R
7
。
当FT失去信号而截止时，V
3
也截止，随之V
2
截止，V
3
导通，GTR将迅速截止。
I
B2
的大小主要取决于R
8
及内部基、射极间的电阻配置(如图10－1)。
目前在变频器中实际应用的都是各种型号的集成驱动模块，详细情况这里
不再赘述。
119、缓冲电路是干什么用的？
在SPWM变频调速器中，GFR连续地以较
高频率(1.5~2kHz)重复着通断交替的
动作，为保证其正常工作，应并联一个缓冲电路，其主要
作用是：
(1) 减缓在开关过程中的电压冲击(-Ldidt)，使GTR保持在安全工作区内。
(2) 吸收一部分功耗，从而减小了GTR中的开关损耗。
120、缓冲电路的基本构成是怎样的？
常见的有两种：
(1)
RCD缓冲器
如图10－4所示，当GTR由饱和转为截止时，由于电容器C两端电压不能突变、<
br>以及二极管VD的箝位作用，有效地抑制了GTR的集、射极间电压VCEP。但是，当
<
br>GTR由截止转为饱和导通时，C通过R放电时的功耗也相当大(尤其是当调制频率较
高时)。故
本电路主要用于小型变频器。
图10－4 RCD缓冲电路
(2) 放电抑制型缓冲器
图10－5 放电抑制型缓冲电路
如图10－5所示，其工作特点是：
(1)
当GTR饱和导通时，电容器C的电压并不能完全放掉，因此，电阻R上的
功耗将大为减小。
(2) 在抑制GTR的上冲峰值电压V
CEP
方面和上述的RCD缓冲器同样有效。
(3)
由于电容器C不能完全放电，故当GTR由饱和导通转为截止时，对V
CE
上
升速度的抑制作用较弱。
IGBT 简介
121、IGBT是一种什么样的晶体管？
IGBT的全称是绝
缘栅双极晶体管，简称绝缘栅双极晶体管。它是一种控制
极为绝缘栅结构(MOS结构)的晶体管。其符
号如图10－6所示，它的三个极分别是：
集电极(C极)、发射极(E极)、和栅极(G极)。
图10－6 IGBT符号
122、IGBT有哪些主要优点？
E
由于IGBT把GTR和功率场效应管的特点结合起
来了，从而兼备了两者的优点：
(1) 具有较强的对电压和电流的承受能力(和GTR一样)
(2)
输入阻抗高，故驱动电路的功率小，可由IC(集成电路)直接驱动(和功
率场效应管一样)。
(3)
最高工作频率(变频器的载波频率)介于GTR和功率场效应管之间，达15
－20kHz。
(4) 安全工作区较宽。
130、用IGBT作逆变管的变频调速器有些什么优点？
(1)
由于载波频率可达15kHz左右，故：
1) 电机运行的噪声小；
2)
电流的连续性好，谐波成分小，从而对其他设备的干扰小。
(2)
由于安全工作区较宽，故过载能力强。
十一、变频器的操作键
123、变频器配置了哪些操作键？
各种变频器对操作键的配置及各键的名称差异很大，归纳起来，有以下几
类：
(1)
模式转换键：用来更改工作模式。常见的符号有：MOD(Mode)、
PRG(Program)等。
(2)
增减键：用于增加或减小数据。常见符号是△或▽、△或▽。有的变
频器还配置了横向移位键( 或
)，用以加速数字的更改。
(3) 读出、写入键：在编程设定模式时，用于“读出”和“写入”数
据码。读出
和写入两种功能，有的用同一个按键来完成，也有的分别用不同的键来完成。常
见的
名称有：READ、WRITE、SET、DATA等。
(4) 运行操作键：在按键运行模式下，
用来进行“运行”、“停止”等操作。主
要有：RUN(运行)、FWD(正转)、REV(反转)、S
TOP(停止)、JOG(点动)等。
(5)
复位键：用于在故障跳闸后，使变频器恢复成正常状态。键的名称是：
RESET。
(6)
数字键：有的变频器配置了“0～9 ”
和小数点“·”等数字键。在设定数
据码时，可直接键入所需的数据。
124、变频器有几种运行模式？
主要有两种：
(1)
按键操作模式：即通过按键操作用来控制电动机的运行和停止。
(2) 外控运行模式：即通过外接
控制信号如：电位器：0～±10V电压信号，
4～20mA电流信号等来完成对电动机的运行操作。
究竟用哪种模式，是在编程设定时预先设定好了的。
125、按键操作板拔掉后，变频器能否运行？
在下列条件下，按键操作板可以拔掉：
(1) 对各种功能的预置设定已经进行完毕。
(2)
在预置设定时，已经设定为外控运行模式。
(3) 经试运行证明，外控运行正常。
按键操作板拔掉(有的变频器是不能拔的)后，接口处应用绝缘物封住。
126、按键操作板能否移至操作方便的地方？
可以的。但一般说来，须向生产变频器的公
司购买专用的接口和电缆。各
公司所用的接口互相间常常是不能互换的。
变频器
十二、关于外接控制
的补充
127、用无触点开关进行外接输入控制时，须注意哪些问题？
图12－1
输入控制信号电路
变频器内接受输入控制信号的电路如图12－1，虚线所示为使用有接点开关
的外接输入控制。
无触点开关有两种情形：
(1) 输出级开关器件与自身的控制电源不相联接(如光电耦合
管的晶体管
部分)，对这种情况，其输出级与变频器输入控制部分的接法和有触点者相同，
如图
12－2。
图12－2 第一种接法
(2)
输出级开关器件需要有自己的电源(图12－3中之U
d2
)。例如可编程序控
制器的输出级那样，这时，其准确的接法应如图12－ 3a
。而图12－3b的接法则
容易引起变频器的误动作。例如，尽管V
P
未导通，但一
旦出现U
d2
的情形(例如
U
d2
电路尚未工作时)，变频器中的V
p1
将通过V
2
而构成回路，从而引起了变频器的
误动作。
128、在什么情况下使用“第二加减速”控制输入端？
当由一台变频器控制两台电动机M
1
和M
2
(M
1
、M
2
不同时工作)时，需用此功能
(如图12－4所示)。当接触器MC
2
闭合，使M
2
工作时，MC
2
的辅助触点将使RT和CM
之间接通，这样，M
2
在升速和降速时，将按
预置的第二加减速时间来进行。有的
变频器还可设定第二转矩补偿、第二基本Uf等。
图
图12－3 第二种接法
图
图12－4 第二加减的应用
129、有的变频器有一个“停止输出”的控制端，用在什么场合？
某些机械(如起重机械
)在停止运行时，须用电磁抱闸或锥形电动机等使电
动机转子不可能再转动。这时，变频器的输出必须立
即中断。在这种情况下，当
电磁抱闸得到“抱紧”信号的同时，将“停止输出”控制信号接通，这时，变
频器的
输出端就没有输出了。
130、输出控制信号有什么用处？
举例说明如图12－5，接线端RUN是运行信号，即当变频器处于运行状态
(RUN、FWD
、REV等)时，变频器内部的晶体管V
01
导通。今用此信号来控制指示灯
H，表明变频器已经开始运行。
图
图
12－5 输出控制示例
接线端SU是频率到达信号，即当电动机已经起动，并达到一定转速时，晶
体管V
0
2
导通。这常常用于有联动控制的场合。例如，有的机械的主轴电动机必
须在冷却泵起动起来以
后才准许起动，当该冷却泵电动机配用了变频调速器以
后，就可以用继电器K去控制主轴电动机的能否起
动了。
131、怎样进行“异常报警”？
变频器通常都有“异常报警”的输
出控制器，其内部都是一常开、一常闭的
继电器触头，允许接在交流220V的线路里。
外
部线路的一般接法如图12－56所示，GL为绿灯，表示工作正常(无异常)，
RL为红灯，B为电铃
，当变频器发生异常情况时，常开触点闭合，由红灯和电铃
进行声光报警。
图
图12－6 异常报警示例
132、外接频率表时应注意些什么？
对于外接模拟频率表的接线端来说，首先必须知道的是：变频器所提供的
实际上是直流电流信号。因此，
必须事先弄清楚：与最高频率对应的电流信号为
多大？大多数变频器为1mA，也有是100
A的。因此，应选满刻度为1mA或100 A
的磁电式直流毫安表或微安表。
校准时，将频率输入信号调至最大，显示屏上显示最高频率数，这时，外
接频率表应为满刻度。
有的变频器还提供外接数字频率计的接线端，读者可参照说明书进行选配。
但应注意，模拟频率
计和数字频率计是不能并用的。
十三、变频调速带来的惊喜
节能篇
133、四分之三的风量节省多少电力？
某厂风鼓风机，电动机容量为45
kW。原装置是通过调节出风口的风门来调
节风量的，在正常情形下，进线电流为 78A 。 配用变频调速器后，出风口风门保持在最大位置，依靠调节电动机转速来
调节风量，结果，在所需风
量与上述正常情形相同时，进线电流只有20A 。工作
频率是40Hz。
两者对比，后者的取用电流只有前者的四分之一多一点，节能达70％以上。
134、节能可观的原因是什么？
上述装置节能可观的原因主要有三个：
(1) 由鼓风机的特性所设定
由于运行频率是40Hz，其工作转速约为额定转速的80
％(0.8)。由99问中的
(8-8)式(见1995年第5期)知：这时鼓风机消耗的功率为：
P
L
＝P
LN
·0.83=0.512P
LN
即：由于转速的下降而节能48.8%。
(2) 由于改善功率因数所引起
应
用了变频器后，其进线侧的功率因数在0.95以上，一般为1.0。而电动机
的额定功率因数约为0.
85~0.88。功率因数的提高对鼓风机消耗功率并无影响，
但对于工厂变电所来说，却是十分有利的
。以本例来说，cos =1.0时，I
L
＝ 20A
，
如功率因数并不改善，仍为cos =0.85的话，则取用电流为：I'
L
＝2
00.85=23.5A。
可见，功率因数的提高，使鼓风机向电网少取用了 3.5A 的电流。
以上两个方面对于除罗茨鼓风机以外的所有鼓风机都是相同的。此外，本
例也有它自己的特殊性
。
(3) 与原来的调节方式有关
本装置由于原来是调节出风口的风门的，当出风口风
门被“遮”住一部分时，
非但没有减轻电动机的负担，并且还加重了电动机的负担。就是说，这78A
实际
上超过了在额定转速时的电流。因而，在采用了变频调速器后，节能效果更加显
著。如调节
进风口风门的话，则电动机的工作电流应比额定状态(全速状态)下的
电流略小，节能效果应和计算的结
果大体相同。
135、节能和环保与有关系吗？
某厂的加热炉，以重油为燃
料。由于工人控制不可能使供油很好地跟踪燃
烧情况的变化，大烟囱里冒出滚滚黑烟，附近的居民怨声载
道。后来采用变频调
速器调节油泵的转速来控制供油量，并通过油压反馈实现恒压供油。结果，使重油始终处于充分燃烧的状态，非但节省了耗油量、节约了油泵的耗电量，还出现
了一
个事先未曾预料的奇迹：烟囱里冒出的不再是滚滚黑烟，而是缕缕白烟了，
很好地满足了环保的要求。
提高质量篇
136、降低表面粗糙的原因何在？
某厂的无心磨床用上了变频调速器，结果加工的工件表面粗糙度有了明显
的降低。原因何在呢？
原来，采用了变频调速器以后，操作工人可以一边手握调节转速的旋钮，
一边观察磨削时的火花
，一直调到最满意时为止。这是原来的齿轮调速无法做到
的。
137、为什么卷绕得这么平整？
某化纤厂卷化纤丝的设备，采用了具有往复运动设定功能
的变频调速器，
结果，卷绕出来的化纤丝卷，光滑、平整。
原来，在卷绕时，为了卷绕得平
整，卷筒的转速需在基本转速的基础上有
规律地“摆动”(指转速的高低有变化)，摆动的规律如图13
－1。图中，f
H
是基本
工作频率，适当选择A、B、C和D几个参数后，就可以达
到卷绕得十分平整的目的
了。
图
图13－1 往复功能
简化设备篇
138、起动设备要“另谋出路”吗？
采用了变频调速
后，异步电动机的起动过程十分平稳，起动电流可以限制
在允许范围内。因此，原来的为了减小起动电流
而配备的起动设备(如自耦变压
器起动设备、星三角起动设备等)都可以精简，对起动过程的控制也大为
简化了。
139、“水锤效应”谁来管？
电动水泵合
电压起动时，在不到1s的时间内，即可从静止状态加速到额定
转速，管道内的流量则从零增加到额定流
量。由于流体具有动量和一定程度的可
压缩性，所以，流量的急剧变化将在管道内引起压
强过压或过低的冲击，以及出
现“空化”现象。
压力的冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一般，称为“水锤
效应”。
水锤效应具有很强的破坏作用，可导致管子的破裂或疮陷、损坏阀门和紧
固件。
当
切断电源而停机时，泵水系统的势能将克服电动机的惯性而命名系统急
剧地停止，这也同样会引起压力的
冲击和水锤效应。
为了消除水锤效应的严重后果，在管路中需要受到一系列缓冲措施和设备。 <
br>采用变频调速后，可以十分方便地加长起、制动时间、延缓起动和制动过
程，做到完全、彻底地消
除水锤效应。从而，那些用于对付水锤效应的种种措施
和设备，就被列入到应该精减的队伍里去了。
140、龙门刨床的驱动和控制设备能精简到什么程度？
(1) 主驱动部分
老式的龙门刨床主驱动部分的构成是：
① 用于驱动刨台的主驱动直流电动机DM。
② 一台容量不小于DM，为DM提供电源的直流发电机DG。
③
一台容量不小于DG，用于驱动DG的交流电动机AM。
④
还需要一台为DM和DG的励磁绕组以及直流控制回路提供直流电源的直
流励磁发电机。
采用了变频调速之后，只需要一台交流电动机就可以了。
(2) 控制电路部分？ 老式的龙门刨床为了使直流电动机得到较硬的力学特性，当负载增加时，
除了要补偿电动机本身的速
度降落外，还必须补偿电机输出电压的降落，以及交
流电动机的速度降落。此外，速度的调节与补偿，都
是通过调整发电机的励磁电
流来实现的，而发电机的励磁回路是一个时间常数较大的大电感电路。所以，
控
制电路相当复杂，还使用了价格昂贵、维护困难的交磁电机放大机。
采用了变频调速后，
可直接由行程开关的状态来控制变频器的输出频率，
非但大大简化了控制设备，还可改善动态性能。
141、如何决定变频器的容量和配件？
(1) 关于变频器的容量
主要有以下三种情况：
①
鼓风机和泵类负载：只需使变频器的“配用电动机容量”和实际电动机容
量相符即可。
②
恒转矩负载且电动机基本上不会过载者：如选老系列变频器(逆变管为
GTRF者)，一般应选高一挡；
如选新系列变频器(逆变管为1GBT者)，由于大多可
实现无反馈矢量控制，故可不必选高。
③ 恒转矩负载时而有过载者以及恒功率负载：变频器的容量应选高一挡。
(2)
变频器的配件选择
最主要的是外接制动电阻和制动单元的选择，这里有两个问题：
①
什么时候需配外制动电阻和制动单元？一般说来，驱动系统的惯性较
大，且要求制动时间较短者，应配用
外接制动电阻。
②
配多大的制动电阻？目前，各变频器的说明书中一般都有说明，可能参
照。
其余配件则酌情考虑，这里不再赘述。
142、选择变频器型号时须注意些什么？
(1) 从对驱动系统的控制要求上说，须注意
该变频器能否满足控制方面的
要求，如能否进行PID控制，能否和计算机配接，等等。
(2) 从价廉物美的角度来说，据笔者经验，进口变频器大体有以下几种类
型：
① 质量好、返修率低，价格稍贵者；
②
价格便宜，但返修率高，且零、配件价格也高昂者。
(3) 大部分变频器的质量和价格都居中，且
难分上下，但须注意该种变频
器的零、部件在国内是否容易配到，有的变频器虽故障率不高，但一旦坏了
，须
等几个月，才能从原生产国将有关配件发来。对此，笔者曾有深刻教训，原引起
读者们充分
注意。
十四、矢量控制浅说
矢量控制的构思简介
143、异步电动机调速时难以控制的原因是什么？
主要原因有：
(1)
励磁电流和负载电流都在定子回路内，无法分开。
(2)
定、转子电流都是周期性变化的时间矢量，而定、转子磁通又是绕转
的空间矢量，难以准确地进行控制。
144、矢量控制的基本构思是怎样的？
由电动机原理知，异步电动的三相旋转
磁场系统可以等效地变换成一个旋
转的直流磁场系统。它有两个其磁场互相垂直的独立直流电路，电流分
别为i
M
和i
T
。i
M
是励磁电流；i
T是转矩电流，相当于直流电机的电枢电流。这样的系统
犹如一台旋转着的直流电动机，从而可以和直
流电动机一样地进行控制。
控制的大致设想如图13－1所示。
图13－1
矢量控制的框图
由控制器将给定信号分解成直流励磁信号i
M
*(*号
表示控制信号)和转矩信
号电流信号i
T
*；然后经“直交变换”，得到二相交流控制信号i
a
*和i
B
*；又经“23
变换”，得到三相交流的控制号i
A
*、i
B
*、i
C
*，去控制逆变电路中的三相电流。
电流反馈用于反映负载的情况，使直流信
号中的转矩分量i
T
*能随负载而变，
从而模拟出和直流电动类似的工况。速度反馈则
主要用于使电动机具有很硬的力
学特性。
145、什么是无反馈矢量控制？
”无反馈“的真正含义是：不需要在变频器的外部设置反馈环节。
在图13－1中，电流反
馈过程完全可在变频器内部实现。由于新系列变频器
已能够根据负载电流的大小和相位进行充分的转差补
偿，使电动机具有足够硬的
力学特性，对于大多数用户来说，已能
满足要求，不再需要在变频器外部调置反
馈环节了。对于少数对转速精度要求极高的场合，速度反馈仍是
必要的。
146、矢量控制时，频率显示常常很不稳定是正常现象吗？
除同
步电动机以外的电机调速系统，所得到的很硬的力学特性，是从负载
侧看去的一种宏观效果。实际上，电
动机的基本力学特性并没有变，当负载变化
时，通过反馈等手段，令电动机的力学特性平行移动，便获得
了输出转速基本不
0
变的效果，如图13－
T
N
T
2所示。图中，曲线
①是电动机在额定
负载时的基本力学特性；曲线②和③分别是负载减轻和
加重时的实际力学特性；
曲线④便是负载所得的宏观力学特性。
图13－2 力学特性硬度的提高
在异步电动机变频调速系统中，虽然还有调整Uf比(转矩补偿)等辅助手
段。但是
，使力学特性平移，依然是提高负载侧宏观力学特性硬度的主要手段。
而力学特性的平移，又是通过改变
电动机的工作频率而实现的。所以，在运行过
程中，变频调速器的频率显示不停地随同载而变动，便是完
全正常的了。
十五、读者问题解答汇编
变频调速的低速性能
147、变频调速系统能否长时间在低速情况下运行？
这和电动
机的种类有关：如果是变频调速的专用电机，则长时间低速运行
不存在任何问题。如果是普通电机，则因
为低速时电动机内部的散热情况变差，
其负载能力有所下降。一般说来：当工作频率为20Hz时，负载
能力只有额定值的
90％；而当工作频率为1Hz时，负载能力只有额定值的60％左右。
148、低速运行时能保证频率精度吗？
由于变频器内都是用计算机系统进行数字量控制的，故频率精度不会有问
题。
149、低速运行时，在空载情况下反容易因过流而跳闸，是什么原因？
这是因为，为了能
带动负载，转矩补偿(Uf)设定得较大。空载时，转子电
流很小，转子电流的去磁作用也很小，电机磁
路处于高度饱和状态，其励磁电流
将出现很大的尖峰，有可能导致过流跳闸。
150、对于需要低速运行的负载，应选用什么样的变频器？
最好选用具有“无反馈矢量控
制”功能的变频器。至少也应选用具有“自动转
矩补偿”功能的变频器，
时流跳闸的问题。
关于变频调速的应用
151、绕线式异步电动机能否配用变频调速器？
可以配用。但最好将与电刷相联的三根线
之间互相接死，如图14－1所示。
以避免万一电刷和滑环间接触不良引起的过电流。
图14－1 将绕线式转子绕组短接
可避免上面所说的空载
152、化工车间里的电动机能否配用变频调速器？
配用是不成问题的。但应将变频器的安装位置至车间外，而将操作盒置于
操作方便之处。
Fs
关于外接给定
153、使用外接给定信号时
，工作频率能不能超过额定频率(例如：希望得
到的最高频率为80Hz)？
完全可以。只
要按照所需的最高工作频率来设定“频率增益”即可，如图14
－2所示(关于频率增益的说明见第19
问)。
图14－2 设定频率增益
设定频率偏置时，有的变频器是直接设定最高频率
值的，如80Hz；也有的
变频器则是设定与最高频率相对的百分比，如160％。
154、外接给定信号已经是“最小”位置(0位)，但输出频率不为0Hz，怎么办？
调整“偏置频率”即可解决(关于偏置频率的说明见第20问)。具体方法如下：
假设外接给定信号Fs=0时，变频器的输出频率为f
BO
=0.5Hz。
则：将偏置频率f
B
设定为f
BO
的反值(即：令f
B
=-0.5Hz)即可。
155、外
接给定信号为最大值(+10V)时，输出频率只有48.5Hz(要求50Hz)，
怎么办？ 这种情形比较普遍。因外接信号的＋10V和变频器内的＋10V之间很难完全
一致。解决的办法是
调整频率增益。针对上述具体例子，调整方式如下：
f
max
%=5048.5=103.9%
或f
ma
=1.039×50=50.55Hz
Fs
式中f
max
－－
频率增益的调整
值；f
max
%是其百分比值。
156、若干单元联动控制时，由统一的给定信号给定
，但每单元所需的最高
频率不仅一致，怎么办？
在若干单元联动控制时，应根据每个单元的
具体要求，作出该单元的输出
频率线，如图14－3所示。再根据这些输出频率线，分别设定各单元变频
调速器
的频率增益和偏置频率。
图14－3 各单元的输出频率线
顺便说一句：对于联动控制中各单元的传动比，过去总是根据电动机的额
定转速来考虑的，往往因传动比
太大而使传动环节复杂化。使用变频调速后，由
于频率增益可任意设定，故对于传动比太大的单元，可以
适当减小其传动比。
调试中的有关问题
157、鼓风机在起动前
，其风叶常常因自然风而自行转动，有时甚至引起因
起动电流过大而跳闸，怎么办？
鼓风机
的风叶在起动前因自然风而转动时，其转向往往是反方向的，这使
电动机在起动时处于“反接”状态。如
果起动时间设定得较短，并且自转动的速度
又较大时，有可能出现起动电流过大的情形。解决的方法如下
：
(1) 新系列的变频调速器中，针对上述现象，专门设置了起动前直流制动的功能，目的是：在起动前，使电动机的转子处于停止状态。调试时，可根据具
体情况，设定需要进
行直流制动的时间即
t
可，如图14－4所示。
图14－4 起动前的直流制动
(2) 如所选变频调速器没有起动前的直流制动功能，则：1) 延长起动时间；
2)
选择S形起动方式。使刚起动时频率上升的速度尽量地延缓，如图14－5所示。
图14－5 采用S形起动方式
158、水泵停机时，因有水的阻力的原因，不存在惯性，制动时间可否设定
tSDH
t
得很短？
就变频调整速系统
而言，在上述情况下
，制动时间设定得短些，不存在任何问题。但对于供水的管
道系统来说，如水压变化过快，会引起“水锤
效应”等问题，故制动时间不宜设定
得太短。
159、对于风机和泵类负载，Uf比(转矩补偿)选大了，有什么害处？
当运行频率低于额定频率(f
x
)时，变频调速器的输出电压比鼓风机
实际
面要的高，将出现“大马拉小车”的现象，浪费了电能。
再生耗能电路的有关问题
160、一开机，制动电阻就发热，是什么原因？
制动单元(外接的或内在的，如图14－6中之V
B
)已经损坏，应立即更换。
图
图14－6 制动电阻和制动单元
因为在正常情况下，制动回路只有在降速
过程中才被接通。在升速和运行
过程中，制动单元应处于截止状态，制动电阻是不接入电路的，不应该发
热。只
有当制动单元V
B
已经短路(击穿)时，制动电阻才可能一开机就发热。
161、由于起、制动较频繁，制动电阻发热严重，怎么办？
由于降速过程通常
都很短，所以，制动电阻R
B
的功率(瓦数)是按短时运行设
计的。通电时间长了，或
通电比较频繁的，就会出现发热严重的现象。
处理方法：在不改变R
B
的阻值的前提下，增大R
B
的功率。只要
RB的阻值未变，
制动单元可不变。这是因为：制动时间相对于发热过程来说，是十分短暂的，但
对于晶体管来说，已经是足够长的时间了。所以在设计时，制动单元VB是按“长
期运行”选定的。
162、下运皮带机常因过压的跳闸，怎么办？
当皮带运输机向下运送重物时，
由于重物本身具有重力加速度，电动机的
转速将超过同步转速而处于再生状态。但变频调速系统因并不处
于降速状态，制
动回路不接通，再生的电能无处释放，故而很容易过压。
解决的方法有：
(1) 选用“四象限变频调速器”，其特点是：三相整流由晶闸管组成。当直
流电压过高时，
使晶闸管处于有源逆变状态，将直流电能逆变成三相交流电反馈
给电网。这是一种十分经济的方法，但四
象限变频器价格昂贵，常超过普通变频
器价格的一倍以上，而使用户却步。
(2) 在普通
的变频调速器中增加再生能耗回路，将再生电能消耗掉。这和
降速时，制动电阻和制动单元的功能完全一
样。所不同的是，它是在运行过程中，
当直流电压超出一定限值时被接通。
163、上述“再生能耗电路”如何构成？
主要由三个部分构成：
(1) 能耗电阻：用于消耗掉再生电能。
(2) 能耗单元：用于接通和断开能耗电路。
(3) 电压采样电路：用于使能耗回路根据直流电压的高低来决定何时接通
或断开。
164、能耗电路和制动电路可能，和可以同时接通吗(电路如图14－7所示)？
图
图14－7 再生能耗电路和制动电路
在降速过程中，如制动电阻RB的阻
值较大，放电较慢，则当电压超过某一
限值时，耗能电路有可能同时接通。但同时接通可能导致逆变模块
的二极管部分
因电流过大而损坏，因而是不允许的。
解决的办法有两种：
(1) 在降速过程中禁止能耗电路导通。
(2)
将制动电路中的连片撤掉，使其不工作。使能耗电路“兼任”制动电路
的工作，如图14－8所示。
图
图14－8 由或门控制再生耗能电路
165、接入了能耗电路后，会增加电网的“能耗”吗？
不会。与“四象限变频器”相比，
它仅仅是没有能利用电动机再生的电能而
已，而绝不会增加电网的损耗。
166、如何确定能耗电阻的阻值和瓦数？
决定阻值的主要依据是电动机的额定电流。由于
在三相全波整流的情形下
(电路如图14－9所示)，直流电流大体上为每相电流的1.2倍，故能耗电
阻的阻值
可由下式决定：
图
图14－9 再生时的三相全波整流
U
R
LO
1~1.2
D
I
MN
(14－1)
式中，R
LO
－－耗能电阻
U
D
－－直流电压
I
MN
－－电动机的额定电流
能耗电阻的瓦数，原则上应按长期工作制考虑：
P
LO
U
2
D
R
L
(14－2)
但对于吊车来说，放下重物仅仅是工作的一部分，并且在放下时，也常常
是间歇
动作的，故可根据实际工况，适当减小其功率。
167、再生能耗单元如何构成？ <
br>一般说来，在操作频繁的情况下，以采用大功率晶体管模块为宜。而对于
如下运皮带运输机一类的
操作并不频繁的负载来说，也可使用直流接触器，但须
注意触点的电流承受能力，最好将两个触点串联。
关于瞬时停电和欠压保护
168、变频器具有重合闸功能，但当进线
处的接触器断开后，立即再接通时，
却出现“欠压”显示，需等直流电路放电完毕后才能重新工作，是什
么原因？
(1) 瞬时停电后的重合闸，允许停电的时间只有数秒钟，手控接触器时，
触点
断开与再接通之间的间隔，很容易超过规定的时间，重合闸功能已经失效。
(2) 重合闸功能是需
要预置的，如事先未曾预置，则即使接触器触点的断
开与接通之间的时间间隔的确很短，也不能重合闸。
这是因为：如未曾预置的话，
则一旦断电，其欠压保护功能将迅速结束控制系统的所有工作，并显示“欠
压”
信号；如果事先预置了的话，则断电时，欠压信号将只封锁逆变管的工作，控制
系统的其他
工作则并不中断，电源恢复时，可以继续工作。
169、上述情况下，能不能快一点结束
欠压故障状态，以便接触器再接通时，
快一点投入工作？如果电网电压稳定，能否撤消欠电压保护？
从原理上讲是可能的，只需要按一下“复位(RESET)”按钮即可。但在实际工
作中常常是
行不通的。因为停电时，电动机将处于自由制动状态。而复位后，变
频器的输出频率是从0Hz开始的。
这时，电动机的实际转速将大大高于同步转速，
而处于强烈的再生状态，很容易引起过流或过压而跳闸。
个别情况下，如停电时，
电动机能立即停住的，则可以。
在本单位电网电压比较稳定情况下
也不可撤消欠电压保护。因为欠压保护
不仅仅是保护电网电压的不足，更重要的是进行停电保护。原因如
下：
(1) 逆变用的功率模块，只允许工作在饱和导通和截止两种状态。在这两
种状态下
，其功率是很小的。例如，饱和导通时的电流为100A ，模块的饱和压
降为2V，则功耗为：PO
=100×2＝200W，截止时的功耗则更小。
如果模块工作在放大状态，假设其管压降为100V，工作电流仍为 100A ，则其功耗为：P
o
'=100×100＝10000W＝10kW，这将远远超过模块的额
定功率，而
使模块迅速损坏。
所以，逆变用的功率模块是绝对不允许在放大区稍有停留的。
(2) 变频器在突然停电时，由于各部分都有容量很大的储能元件(电解电容
器)，其工作并
不能立即停止。而在各部分中：
1)
控制系统的储能容量最大，输出阻抗也最大，故衰减最慢。停电后，能
维持工作的时间也最长。
2) 主回路的高压电容的容量也很大，且因电压很高(500~600V)，要衰减最
快。而
驱动电流的衰减将导致功率模块进入放大状态而损坏。
3) 驱动电路的储能容量要小得多，且其输
出阻抗也小，所以衰减最快。而
驱动电流的衰减将导致功率模块进入放大状态而损坏。
因此，欠压保护的第一个反应就是首先将逆变管的工作迅速封锁。
所以，欠压保护是绝对不允许撤消的！