时间：2023-10-31 09:42:48
1、变频器的原理及基本作用是：靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。
2、变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。风机、泵类负载采用变频调速后，节电率为20%～60%，这是因为风机、泵类负载的实际消耗功率基本与转速的三次方成比例。当用户需要的平均流量较小时，风机、泵类采用变频调速使其转速降低，节能效果非常明显。
3、而传统的风机、泵类采用挡板和阀门进行流量调节，电动机转速基本不变，耗电功率变化不大。据统计，风机、泵类电动机用电量占全国用电量的31%，占工业用电量的50%。在此类负载上使用变频调速装置具有非常重要的意义。应用较成功的有恒压供水、各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。
（来源：文章屋网 ）
关键词:变频器;工作原理; 空调器
Abstract: speed-regulate range, static stability, high efficiency. The work is inverter frequency power (frequency 50 Hz or 60 Hz) transform into various frequency of ac power source, in order to realize the motor speed operation of the equipment. Inverter is by changing the motor power frequency realize speed adjustment, it is a kind of ideal high efficiency, high performance of speed adjustment method. This paper mainly involves frequency conversion technology in the construction of the application of the air conditioning. One technique of frequency conversion air conditioner is through the inverter frequency or the change compressors power supply voltage, change of rotating speed of the compressor operation, so as to change the air conditioner refrigeration (hot) amount of a kind of high energy efficiency technology.
Keywords: inverter; Working principle; Air conditioner
中图分类号：TN77文献标识码：A 文章编号：
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后,电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程,器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。
一、变频与定频
所谓的变频空调器是与传统的定频空调器相比较而产生的概念。我国的电网电压为220V、50Hz，在这种条件下工作的空调称之为定频空调器。由于供电频率不能改变，传统的定频空调器的压缩机转速基本不变，依靠其不断地开、停压缩机来调整室内温度，其开、停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。与之相比，变频空调器通过改变压缩机的转速，从而改变制冷（热）量，使其对空气调节的能力始终保持最佳状态。变频空调器可以根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿等运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度，并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动实现、快速、节能和舒适控温效果。变频空调器的核心是变频器，它通过对电流的转换来实现电动机转速的自动调节，把50Hz的固定电网频率改为30—130Hz的变化频率。同时，还使电源电压范围达到142—270V，彻底解决了由于电网电压的不稳定而造成空调器不能正常工作的难题。变频空调器每次开始使用时，通常是让空调以最大功率、最大风量进行制热或制冷，迅速接近所设定的温度。变频空调器通过提高压缩机工作频率的方式，增大了在低温时的制热能力，最大制热量可达到同品牌、同级别空调器的1.5倍，低温下仍能保持良好的制热效果。此外，一般的分体机只有四档风速可供调节，而变频空调器的室内风机自动运行时，转速会随压缩机转速的改变在12档风速范围内变化，风机的转速与空调器的能力配合较为合理，实现了低噪音的宁静运行。当空调高功率运转，迅速接近所设定的温度后，压缩机便在低转速、低能耗状态运转，仅以所需的功率维持设定的温度。这样不但温度稳定，而且避免了压缩机频繁地开开停停所造成的空调器寿命的衰减，并且耗电量大大降低，实现了高效节能。
二、变频原理
变频空调器按工作原理可以分为交流变频和直流变频两种方式。自从1997年中国第一台变频空调器诞生，此间变频空调器的变频方式经历了从交流变频到直流变频的技术革新历程。
2.1交流变频器的工作原理
我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:
n=60f(1-s)/p(1)
式中
N——异步电动机的转速;
F——异步电动机的频率;
S——电动机转差率;
P——电动机极对数。
由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0～50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段，压缩机的转速会随频率的变化而变化。
交流变频原理是把220V、50HZ工频交流电转换为310V直流电源，并把它送到逆变器（大功率晶体管开关组合），又称功率模块，为其提供工作电压；同时根据室温和设定温度的温差，通过微处理器运算，产生一个控制信号（PWM脉冲信号），也送入逆变器；然后由三相逆变器将直流电转变为频率可调的三相交流电（合成波形近似正弦波），驱动变频压缩机运转，使压缩机电机的转速随电源频率的变化做相应地变化，从而调节制冷（热）量。
2.1.2交流变频器的结构与原理
（1）PWM控制，又称电压、频率比例调制方式。在调节频率的同时，不改变脉冲电压幅度的大小，而是改变脉冲的占空比，可以实现变频也变压的效果。这种方法称为PWM调制，PWM调制可以直接在逆变器中完成电压与频率的同时变化，控制电路比较简单。
（2）逆变器。这一部分指的是完成直流到交流的逆变过程，用于驱动变频压缩机运转的三相逆变器。变频空调通常采用6个绝缘栅极晶体管构成大功率晶体管开关组合，又称功率模块。6个晶体管的状态决定了电机绕组中电流的方向，而开关动作的快慢决定了通入电机绕组中电流的频率；开关脉冲依次控制它们通断，切换一次后，电机就转动一周；如果每秒钟切换100次，则电机的转速就是100r/s。在实际应用中，多采用变频模块加上的电路（如开关电源电路）组成。
2.2直流变频
2.2.1直流变频原理
我们把采用无刷直流电机作为压缩机电机的空调器称为“直流变频空调”，这样称呼从概念上来说是不确切的，因为直流变频空调器的变频方式与交流变频一样，也采用的是交—直—交方式，供给压缩机的电压还是交流电，但人们已经习惯将采用无刷直流电机的变频空调器称为直流变频空调器。直流变频空调器关键在于采用了无刷直流电机作为压缩机电动机。直流变频空调器分为两类：一类是只有压缩机电机采用无刷直流电机；另一类是不只压缩机，室内风机、室外风机都采用了无刷直流电机，这就是全直流变频空调器。所以，直流变频空调器相对与交流变频空调器而言，具有更大的节能优势。
直流电机转速公式n=U/Cφ
上式中：n为电机的转速（r/min）；C为电极常数，与电机构造有关；U为定子输入电压（V）；φ为磁极磁通。
从上式可以看出，直流变频空调器通过改变压缩机的供电电压，从而改变压缩机的转速，进而改变制冷（热）量。直流变频空调器控制原理与交流变频空调器基本一样，所不同的是交流变频技术调节的是频率，而直流变频技术调节的是电压。
2.2.2直流变频器的结构与原理
直流与交流变频主电路差别不大，变频模块之前电路完全相同；不同之处在于交流变频压缩机无反馈控制信号，而直流变频压缩机有三相转速反馈控制信号。
三、变频技术发展方向
目前变频控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展。采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右，这样大大提高了快速制冷和制热能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面PAM也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。
参考文献：
［1］参考文献：《变频器世界》
［2］张少利，何应俊.制冷设备原理与维修实训.北京：人民邮电出版社，2008.10.
关键词：无谐波、拓扑结构、高压变频器、效益
Abstract: with the national energy saving policy advocacy and cement plant competition is becoming increasingly fierce, make cement industry gradually towards conservation-oriented industrial development has been imminent. This article is about the principle and non-harmonic HV frequency converters in the application in the project were discussed.
Key words: no harmonic, topology structure, high voltage inverter, benefit
中图分类号： 文献标识码：A文章编号：
1．概述
长期以来，水泥行业都是国民经济生产中的能源消耗大户，在国家政策大力提倡推行节能的大形势下，提高水泥行业的节约型制造和应用水平，建立节约型水泥工业体系意义逐渐增大。特别是近年来新型干法水泥生产线，规模越来越大，因此节能空间也越来越大。在目前辊式磨系统水泥生产线的工艺设备配置中，高压风机有立磨风机、后排风机、高温风机、窑头余风风机、煤磨风机、水泥磨风机、辊压机循环风机等等，而这些风机所耗电能大约要占总消耗电能的25%~30%。所以风机的电耗直接影响到水泥企业的生产成本，因此能否降低风机的电耗，对提高效益，降低水泥生产成本是至关重要的。通过高压变频器在很多生产线上的应用证明，高压变频器在风机中的应用，不但可以通过变频器控制风机调节风量，而且风机进行变频后，节电率在30%~50%的范围内，节约了大量能源，提高生产效率，使得水泥厂的效益达到了最大化。以下就结合无谐波高压变频器的原理以及在水泥生产线中的应用进行阐述。
关于高压变频器
无谐波高压变频器是采用若干个变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。在变频器中，由多个低压单元串联连接，构成驱动系统的高压输出。基于这种拓扑结构，使得无谐波高压变频器具备了在维护、功率品质方面的优点，另外变频器通过快速功率单元旁路，是系统的可靠性大大增加。该变频器具有对电网谐波危害小，输入功率因素高，无需采用输入谐波滤波器和功率因素补偿装置。输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动，噪音，输出dv/dt，共模电压等问题，不必设置输出滤波器就可以用于普通的异步电机。
图1：拓扑结构原理图
从拓扑结构原理图可以看出，它是基于功率单元电压串联结构，A、B、C为功率单元，其结构图中，变频器输入为三相交流电压，可选任何电压等级，星形或三角连接，输出6~7.2kV，可直接接入三相感应电机。
传统的变频器拥有5个独立部件，即输入滤波器、功率因数补偿、隔离变压器、逆变装置和输出滤波器。而无谐波高压变频器完美的输入/输出特性，因此其内部仅需隔离变压器和变频器两个主要部件。与普通采用高压器件直接串联的变频器相比，由于采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用的低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修业非常方便。由于采用功率单元串联结构，所以可以采取功率单元旁路技术，当功率单元故障时，控制系统可以将故障单元自动旁路，采用中心点漂移技术，变频器仍可降额继续运行，大大提高了系统的可靠性。
无谐波高压变频器的应用
为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频下运行。工频旁路由三个高压隔离开关组成，这三个高压隔离开关在机械上实现互锁，在变频和工频运行时，分别联锁动作。为了实现变频器故障的保护，变频器用户高压开关进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开高压开关，工频旁路时，变频器允许高压开关合闸，撤消对高压开关的跳闸信号，使电机能正常通过高压开关合闸工频启动。
下面对立磨风机和后排风机的运行数据进行了比较，通过高压变频器在立磨风机的应用，节能效果相当明显，经济效益显著。后排风机风门的开启在70%左右，电机全速运行；立磨风机变速运行，风门全开。因现场工况变化不是很大，变频调速系统经常运行在42Hz左右，与调节档板时的消耗功率大大减少，节电效果与经济效益显著，两者电机的运行数据如下：
立磨风机的节能率为：（832-658）/832=20.9%，该风机年运行时间按280天，每度电按0.5元计算，年节省电费：（832-658）×24×280×0.5=584640元。
另外立磨风机由于变频调速系统经常运行在42Hz（生产时），电机及风机转速降低，电机及风机的轴温降低，噪音和振动降低，电机碳刷消耗量减少，整体维护周期大大延长。操作人员在DCS侧通过监控界面很方便的调节电机的运行频率，调节及时，调节精度高，由于电机变频改造后转速降低，输出功率大大降低，电机的温升也没有升高。因此高压变频器的应用效果明显，带来极大的效益。
结束语
无谐波高压变频器可靠性高，输入输出波形质量好。通过变频器实现电机的软启动，降低了启动电流，避免了启动时的机械冲击，延长了电动机寿命。同时水泥厂排风系统中粉尘含量较大，对高速转动中的风机及档板磨损很大，采用变频调速后，电机转速降低，档板全开，磨损大大减小，延长了使用寿命，降低了设备检修费用。
物品提升机械是国民经济各行业不可缺少的生产设备，在各工矿企业中大量使用，如工厂的行吊、港口码头的塔吊、矿井提升机、高炉卷扬机、民用电梯、轧机升降台、以及油田抽油机等，都是典型的提升机械。这类设备大多采用绕线式电动机作为主驱动，用于提升或下放重物，具有典型的位能负载特性。
由于启动及调速成等方面的需要，通常都是在绕线式电动机的转子回路串接电阻，从而降低电机启动电流，并实现电动机的分级调整。这种控制方式带来如下弊端：
1、转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。
2、电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击。
3、再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资。
4、接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的使用寿命，设备维修成本较高。
5、绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备事故。
随着交流电动机变频调速器的应用和普及，人们已开始淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后的调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机械的平滑调速和节能运行，并将电网侧功率因数提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等软件，完全解决了传统提升机械的存在的固有缺陷，使设备性能行到极大提高。
二、位能负载的调速特性
提升机械用于提升或下降位能负载，无论是过平衡或欠平衡配置，必然存在电动和再生发电两个工作区，绕线式电动机转子回路串接电阻调速时，通过电阻的分级切换和正反转接触器切换，实现有级调速和正反转控制。其中，工作点1和工作点2为电动状态，工作点3为能耗制动状态，工作点4为再生发电机状态。
变频调速特性为一组平行的曲线，同于变频器的频率可以连续可调，因而能够实现平滑无级调速。图二中1区为电动区，2区为再生发电区，电能回馈至变频器的直流侧，通过制动组件泄放。
三、变频器的容量选择
提升机械采用变频器进行控制时，可以迁用鼠笼型电动机，对于原使用绕线式电动机的提升机械，可将绕线式电动机的转子短接，当作笼型电机使用。常用的电动机为YZ系列鼠笼型电动机和YZR系列绕线型电动机，这两个系列的电动机，都是以工作制S3及负载持续率40%的定额作为基准定额。电动机的额定值选定后，应选择相应的变频器容量。
YZ和YZR系列电动机的过载力矩一般为2.2―2.8倍，为了充分发挥电动机的负载能力，提高起重设备的安全性能，采用变频器进行控制后，必须保证变频器－电动机系统具有2.2―2.8倍的过载能力。由于普通变频器的过载能力一般为150%一分钟，瞬态过载力矩只能达到180%―200%，因此必须提高所适配的变频器容量，以便提高变频器－电动机系统的瞬时过载能力。
由上述可知，只要把变频器的容量提高20%左右，即可使变频器―电动机系统的瞬时过载能力提高到2.0―2.4倍，基本满足要求。因此，应选择变频器额定容量为电动机额定容量的120%以上，即把变频器的容量提高一个等级。如45KW的电动机，应配置55KW的变频器，且变频器应具有较大的过载能力，过载率在150%一分钟以上。
四、制动组件的合理选用
再生发电时机械能被转换成电能，回馈到变频器直流侧的电容器上，其结果将使直流回路的电压升高，当电压升高到某一设定值（如750V），制动单元自动控制放电用开关管导通，电能向制动电阻上泄放。制动单元动作后，泄放的能量大于回馈能量，直流回路的电坟开始下降，当它下降到某一设一值（如630V），则制动单元自动控制放电用开关管关闭，停止放电。这一充电与放电过程由变频器和制动组件自动完成，维持直流回路电压在一个安全的范围之内。由上述可知，选择制动组件的基本原则是：
1、制动组件的最大瞬时放电能量大于等于最大瞬时回馈能量。
2、制动组件的平均放电能量大于等于平均回馈能量。
通常，制动组件的最大瞬时放电能力由其放电开关管的额定电流所决定，而平均放电能力则取决于制动电阻的额定功率大小。
五、调速控制方法
采用变频调速控制的提升机械仍可使用传统的速度控制方法，如行吊的速度控制，仍使用传统的凸轮控制器，不同的档位给出了上升或下降方向指令和多级速度指令，输入到变频器的控制端，实现方向控制和调速。现在已有行吊变频专用控制器推出，应用它可以简化控制系统设计，减少故障点。变频调速器还可提供更为先进的闭环控制方法，如配合工艺实现提升和下降的不同速度运行等。某钢铁厂轧机升降台采用变频传动，为了实现电动机与液硬度平衡机构的协调控制，应用先进的控制技术实现了不同平衡力矩下的变速控制，在不增加变频器容量的情况下解决了液硬度平衡系统的冷起动问题。
位能负载条件下的变频调速系统设计必须以实际负载情况为依据，才能达到节省投资的目的。电动机、变频器、制动组件的合理匹配是设计的关键。本设计方法应用于天车、塔吊、轧机升降台等多个变频改造项目中，收到了良好的效果。某集团公司连轧厂20t天车变频改造，由于设计合理，既节省了投资，又保证了天车的基本运行性能，设备投入运行一年多，情况良好，未发生任何故障。
关键词：变频器；PLC通讯；交流电机
前言
交流电机是现今采用较多也是较为广泛的电机形式.通过在交流电机的控制中使用变频器可以实现对于交流电机的变频控制，以更好的对交流电机的转速、扭矩进行精确的控制。而对于变频器数量较多、电机分布较为广发内的场合由于需要控制的变频器较多而PLC中需要控制的I/O输出点数和DA数模的转换通道将较多将极大的影响PLC对于变频器控制的可靠性和稳定性。通过在PLC与变频器的控制中采用PLC与变频器的控制中采用PLC以RS-485的通讯方式来实现对于变频器的方便控制。
1 RS-485控制通讯系统的组成及通讯参数的设置
RS-485串行通讯采用的是典型的无协议通信，在通讯的过程中无须经过固定协议、无须数据交换而是主要通过通信端口来进行指令的传输。某型CPIH型PLC中采用的是两个RS-485通信解接口，在使用RS-485通信协议中需要对所使用的串口进行预置。通过使用RS-485通信方式所能控制的变频器最多可以能够实现对于32台交流变频器的控制，因此在进行通信前首先需要对通讯端口进行正确的硬件连接和相应的参数设置。在使用PLC对多台变频器进行通讯控制时，需要在最末端的变频器添加阻值为100Ω的阻抗，并将拨码开关引脚为1的拨码拨为ON状态。显示为变频器的终端有电阻的存在。再使用CPIH串口通信来对RS-485通讯进行硬件设置时首先要在PLC的通信接口上外接RS-485通讯选件板，并同时将拨码开关中的SW4拨码开关拨置到OFF状态，将串口1置于通讯状态。在使用PLC与变频器的RS-485串行通讯控制中首先需要对两者的参数进行正确的设置，设置两者之间能够相互认可的参数能够使得通讯的数据帧能够保持一致，通过使用FR-E540的变频器的通讯参数通过使用控制面板来进行设置可以使得通讯控制较为简单。在使用CPIH的通讯并进行通讯参数的设置时可以较为简单的进行设置，在设置时无需使用专用的通讯寄存器对CPIH的通讯参数来进行设置可以直接使用OMRON中所配用的专用的CX-Programmer通讯软件按照其所说明的参数来进行设置，在进行参数设置时要按照PLC设定-串口1-通信设置这一顺序来对PLC于变频器之间的RS-485的通信进行参数的设置，要注意的是，在设置时需要保持PLC串口通信所设置的参数要与变频器端所设置的参数保持一致，如参数设置不一致将会导致两者之间无法进行正常的数据通信。在进行通信参数的设置时主要有以下几个通信参数：（1）通信速率，包含有4800波特率/9600波特率/和19200波特率等多个通信速率，在进行参数的选择时要与变频器端保持一致。（2）停止位长，根据停止位长的不同来进行参数的设置。（3）奇偶校验位，根据奇偶校验的不同来进行相应参数的设置，此外还有通讯的参数、通讯校验时间间隔和通讯更待时间等的参数。
在使用RS-485通讯方式作为通讯方式时，使用RS-485作为连接通讯时，通讯线主要采用的是双绞屏蔽电缆，并需要在主机端和最末一个从机端连接一个110Ω左右的终端电阻，在使用双绞线连接时PLC端口处主要接通的是SDA、SDB、RDA、RDB在变频器端口中连接着R+、R-、S+、S-等几个端子，并在所串联的多个变频器的终端串联一个110Ω的终端电阻。
在变频器与PLC的连接中变频器主要采用的是MEMOBUS协议，在MEMOBUS协议中其主要通过的是使用主站对从站发出指令并使用从站进行响应的形式，在传输的指令中根据所传输的指令的内容和功能的不同所传输的数据的长度也会产生相应的变化。在所传输的数据中主要包含有：从站地址、所传输的功能码、通信数据和故障检出这些部分所构成。同时在进行数据通信时还需要确保所传输的信息之间保持有一定的时间间隔，以确保所传输数据的信息响应。在所传输输中的从站的地址可设置为（0-20Hex）之间，如将从站地址设置为0则表示为主站以广播的形式发送，而无需变频器做出反馈响应。对于数据传输中的功能码则主要传输的是指定的代码，其中功能码主要分为：读取存储寄存器中的内容、回路测试以及读多个存储器的写入等主要几个功能。而所传输的数据主要指的是由存储寄存器编号与数据所组成组合构成的一系列的数据，根据所传输的指令内容的不同也会使得指令数据的长度有所改变，在传输变频器故障状态时对采用的是CRC-16的形式，一般情况下，计算出的CRC-16时所默认的数值为0，在对变频器进行参数设置时需要将MEMOBUS系统中的相应参数设置为1，对于主站所连接的从站地址中的LSB主要作为MSB，而将所传输的最后数据的MSB来作为LSB以此为数据来完成对于CRC-16的计算，此外对于CRC-16的计算也可以使用来自于从站的响应信息来进行相应的计算，并将计算后的结果与响信息中的CRC-16中的CRC-16的数据进行比对校验。
2 PLC与变频器之间的通讯控制的PLC程序的设计
在完成了对于PLC与变频器的硬件连接后为实现两者之间的数据通信与控制还需要对PLC进行程序编程，通过使用PLC程序来实现对于变频器中的各种运行控制和数据写入、各种监控数据的读取等。在使用PLC程序进行设计编写时首先需要完成的是需要对于RS-485通信接口及相应的硬件通讯适配器的初始化、控制命令字的组合以及代码转换和变频器应答数据的处理。此外在PLC程序的编写中还需要注意的是需要对变频器中的各种运行控制和运行数据的采集和控制，此外，在PLC通讯程序的设计中使用RS指令来作为使用来实现对于RS-485功能扩展板及特殊适配器进行调用，同时通过使用RS指令将串行数据的指令数据的格式通过特殊寄存器D8120来对其进行相应的设定，在参数设定时需要注意的是所设定的数据需要与变频器的数据格式类型完全的相匹配以避免两者之间无法匹配从而无法进行数据的传输。在使用RS-485通讯时PLC通过传送指令将所需要通讯的数据传输装载到D200开始的连续的数据单元中，D200发送数据的首地址（指针），D0：完成对于所需传输数据的字节数（点数）的传输，此外，在程序编制时还需要注意的是可以根据传输通信协议使用常数直接来对字节数进行指定，在不进行发送的系统中，将所需发送的数据发送点数设定为K0，D500为PLC与变频器控制通信中PLC接收数据的首地址（指针），D1数据接收的字节数，与发送相同的是可以根据传输通信协议而将常数直接指定字节数。在编程中需要注意的是数据的传输发送使用的是脉冲执行方式，使用SETM8122即可。在RS-485串行通讯中发送指令为TXD和接受指令RXD。参数“S”为设置发送信息的首地址，“D”为接收首地址，“C”为控制字。由于一个字占据ASCⅡ字符且为两个字节，因此，在信息发送接收时需要按照“S（D）～S（D）+（N÷2）-1”重的内容，指令设置为：S=DM0001，C=#0100，N=#0014的形式，在PLC程序编制时程序发送成功后将频率写入到变频器中，但此时交流电机仍无法运转而需要通过向变频器中发送HFA指令来控制电机的转动状态和转动方向。
3 结束语
变频器在工业领域应用极为广泛，使用变频器可以有效的降低电机的能耗同时可以对电机的启停进行保护。文章在分析PLC与变频器通讯控制原理的基础上对如何做好使用PLC对变频器进行通讯控制进行了分析阐述。
参考文献
[1]冯敬璞.PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯[J].可编程控制器与工厂自动化，2006（11）：75-77.
[2]张素文，贺凯歌.基于Profibus-DP的PLC与交流变频器通讯的实现[J].工业控制计算机，2008，21（5）：58-59.
关键词：微机差动保护；变频电流互感器；高压变频器
1 差动保护应用于高压变频器的原理分析
现以某企业风机改造为例加以分析
1.1 原有工频差动保护在变频器上应用的弊端
某企业风机在变频改造前就装设了差动保护，配置情况见图1。差动保护两侧的电流互感器（CT）分别放置于6 kV开关柜内（CT1）和电动机中性点（CT3）。
加装了变频后配置情况见图2。
这样就会存在一系列的问题：
1.1.1差动保护两侧的CT在变频器运行时所处的电源频率不一致，电流的相位和幅值都差别很大，即使在正常运行情况下，差流依然很大，差动保护经常误动。
1.1.2工频CT在低频情况下容易引起CT饱和，电流测量值偏差较大。
1.1.3现有工频微机差动保护装置的通用技术条件中额定频率为50 Hz。微机保护装置的数字信号处理是基于傅里叶变换的，傅里叶变换有一个基波频率，只能计算整数次谐波分量，微机保护装置一般设置有低通滤波器，傅里叶变换的基波频率跟踪范围是45～55 Hz，远小于变频器频率变换范围，这样保护装置对采集来的电流量进行计算会产生较大的偏差，所以工频微机型差动保护不适用于变频回路[1]。
1.2 变频差动保护在变频器上应用的原理
针对以上的弊端，下面从原理上一一进行探讨解决。
1.2.1差动保护两侧的CT在变频器运行时所处的电源频率不一致的问题，可以从CT装设的位置上进行改进解决。
1.2.2工频CT在电源频率变化时的特性，技术人员和相关研究单位进行了分析，重点对CT在不同频率情况下的特性做了EMTP（电力系统电磁暂态分析软件）仿真和实验。
从所测试的数据可知，提供的变频电流互感器在运行频率范围内能正确反应变频二次电流，2组对应的差动CT电流传变特性一致，完全满足差动保护的要求[5]。再次，使用现有工频微机差动保护装置实现变频电流差动保护的主要难点是要能适应宽范围变化的频率，而且要能克服电流中的高次谐波的影响。
1.2.3目前常用的微机差动保护包括相量差动和采样值差动。相量差动的原理是利用离散傅里叶算法根据一个周波的采样点计算出流入、流出电流的实部、虚部，进而计算出差动电流和制动电流构成判据。由于变频电机的频率在变化，因此难以获得相应的相量数据，因而常规的相量差动无法适应变频电机的情况。
采样值差动无需计算整个周波的相量值，而是根据每一个采样点的输入输出电流平衡的原理，利用采样值电流之和按照一定的动作判据构成，当在连续R个采样点中，有S个满足动作判据则保护动作，通过设定R、S的值可以实现差动保护的功能。特别是三采样值幅值算法可以认为与频率无关，但应用的前提是信号中没有谐波和直流分量。在变频供电模式下，由于电力电子器件的使用，使得谐波的分量有所增加，造成三采样值的幅值计算误差增大，同时三采样值算法无法获得被检测信号的相位信息，因此三采样值算法也不能满足变频电动机差动保护的要求[2]。
通过HHT变换，可以获得非平稳信号的各个频率分量的幅值和相位信息，选取其中能量最大（幅值最大）的频率成分作为信号的主频率，考虑变频电动机的实际运行情况，可以认为主频率成分占据信号的主要成分，其他频率分量可以视为谐波分量。
取电动机首端和尾端三相电流的HHT变换的主成分频率分量进行相量差动计算，形成基于HHT变换的差动保护原理。
变频电机差动保护方法，该差动保护方法根据变频输出端电流互感器CT2采集的三相电流和电动机中性点电流互感器CT3的三相电流进行差动电流和制动电流的计算，进而形成分相的电流差动保护，判定为电动机故障时，差动保护装置发出跳闸命令给断路器，切断供电。由于是分相的电流差动，下面介绍其中一相的差动保护实现方法。
利用HHT变换将变频输出端的电流通过经验模态分解分解成数个固有模态函数，然后利用希尔伯特变换构造解析信号，得出变频输出端电流的瞬时频率和幅值。
对于电流信号 ，可以构造它的解析信号如下：
再计算相位的变化率进而得到该信号的频率信息 [4]。
考虑变频电动机的实际运行情况，可以认为主频率成分占据信号的主要成分，其他频率分量可以视为谐波分量。选取其中能量最大（以幅值最大为能量大小判定依据）的频率作为信号的主频率。
本步骤可以获取变频输出端CT2处电流的主频率成分的相量，记为Im。
重复上述步骤，根据主频率提取变频电机中性点获取中性点CT3电流的主频率分量的幅值和相位，记为In。
基于HHT算法变换原理的变频差动保护完全可以正确反应各种不同频率下的电机故障[3]。
2 差动保护在高压变频器上的应用方案
这次在4200 kW风机电机上进行了增加6 kV高压变频器的节能改造，差动保护的配置情况如图3所示。
2.1 变频保护装置的配置方案
2.1.1原常规综合保护装置仍保留，主要作为电流保护，保护范围为CT1处到变频器干式变。
2.1.2加装了变频器后，原有的电动机差动保护取消，因原构成差动保护的2组电流互感器分处于常规50 Hz和经变频器变频调节后的宽频率电源两个系统，无法实现差动保护。所以需要在变频器的后端增加新的变频电动机差动保护。新的电动机差动保护也可适用于工频50 Hz情况。并且还提供了完善的变频后备保护，如变频运行速断过流、过流、负序过流、热过负荷等保护，用于对变频运行的电动机各种故障的检测。
2.1.3原开关柜的工频CT1仍保留，用于原常规保护的保护电流互感器；
2.1.4变频器的下端即机端位置，需要增加新的变频CT2，用于变频差动保护，考虑在变频运行时与中性点侧的变频CT3一起构成变频差动保护；另外，此机端变频CT2还用于变频后备保护，对变频情况下的电动机提供完善的后备保护。
2.2 保护装置的安装位置
2.2.1变频电机差动保护装置放置在变频器控制柜柜门上；
2.2.2机端新增的CT2装设在变频器的旁路柜中，连接在变频器的输出侧；
2.2.3原中性点侧工频电流互感器用新的变频CT3替换，用于变频差动，此时需要拆除原有的工频电流互感器。
3 结束语
该风机在变频差动保护装设后，设备一直运行正常。在各种运行频率情况下，差动保护无异常信号。可以说，这次变频差动的应用是成功的，一举改变了变频系统被迫退出差动保护的历史，极大得完善了变频系统中大容量电机的保护功能。
参考文献：
[1]李健；朱彪；梅兴虎；贾胜超；；应用高压变频器后电动机继电保护新问题[J]；江苏电器；2008年10期
[2]袁伯诚.变频电机电流互感器的设计[R].四方电气集团有限公司.
[3]袁荣湘，陈德树，马天皓，张哲，尹项根；采样值电流差动保护原理的研究[J]；电力自动化设备；2000年01期
[4]李云天，高 磊，赵 妍.基于HHT的电力系统低频振荡分析[J].中国电机工程学报，2006，26（14）：24-30.
[5]李 卫. CSC-236的RTDS及动态模拟测试[R]. 四方电气集团有限公司.
作者简介：
【关键词】高压；变频器；故障诊断；日常维护
1.引言
随着电力电子技术的发展，现在对于电压、电源的控制要求也越来越高，相配套的高压或者低压变频器的结构越来越复杂，对于高压变频器而言，要保证其正常稳定可靠运行，必须要对高压变频器实施日常维护，同时要对日常发生的一些常见故障进行简单的故障诊断和故障处理，只有这样，才能够实现高压变频器服役寿命的最大化。
本论文主要结合目前主流的高压变频器的内部结构，对其进行详细的分析，给出常见的故障类型及其原因分析，并对日常维护给出具体的建议与措施，从而能够实现对高压变频器的有效维护和保养，延长其服役寿命，并以此和广大同行分享。
2.高压变频器概述
2.1 高压变频器结构
高压变频器是近几年逐渐发展起来的一种应用十分广泛的变频器，它和过去传统的采用液力耦合方式或者串级调速实现的电机调速方式是一样的，只是采用改变电机运行电源频率实现对电机调速的目的。目前，高压变频器不管是通用的还是专用的，其内部的结构都是相通的，主要包括三个部分：一是主电路接线端，包括接工频电网的输入端(R、S、T)，接电动机的频率、电压连续可调的输出端(U、V、W)；二是控制端子，包括外部信号控制端子、变频器工作状态指示端子、变频器与微机或其他变频器的通信接口；三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。
通用变频器由主电路和控制电路组成，其中，给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分称为主电路，主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）和逆变器等。
2.2 高压变频器工作原理
高压变频器内部主要是由整流器、逆变器、中间直流环节和控制电路等构成。高压变频器主要是通过改变电流的高压与低压的状态，从而改变电源频率达到电机调速的目的。因此，具体来说，高压变频器的工作原理可以按照其结构构成部件的工作原理来理解：
(1)整流器
电网侧的变流器为整流器，它的作用是把工频电源变换成直流电源。三相交流电源一般需经过压敏电阻网络引入到整流桥的输入端。压敏电阻网络的作用是吸收交流电网浪涌过电压，从而避免浪涌侵入，导致过电压而损坏变频器。
(2)逆变器
逆变器的作用与整流器相反，逆变器的主要作用是为了将直流功率转换为所需要的交流功率，通畅逆变器安置在负载侧；逆变器最常见的形式就是采用6个半导体开关器件组建成三相桥式逆变电路，从而完成从直流到交流的逆变过程。
(3)中间直流环节（平波回路）
中间直流环节，也称平波回路，其主要作用是使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用；通过开关电源为各个控制线路供电；同时，可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。
(4)控制电路
控制电路主要是将变频器在整流、逆变及中间直流储能环节上的各种电压、电流信号传输给相应的整理器、逆变器、微机处理器以及其他电路部件等，通过对这些电气信号的采集、检测与控制，实现电路的开关作用或者对交流直流电压电流转换的控制作用，并能够依据这些控制信号实现对变频器的状态监测，从而提供故障诊断和保护的数据依据。
3.高压变频器日常维护建议与措施
3.1 常见故障分析
高压变频器在运行过程中，对于一些常见的故障是有必要掌握的，以便进行简单故障的快速排除。对于高压变频器而言，其常见的故障主要有以下几类：
(1)通电开机后不响应
高压变频器由于内部电压经过多重断路器、变频线圈，因此结构相对较为复杂，很容易引起一些无法察觉的细微故障，而通电后开机不响应就是最常见的故障之一。造成这类故障的主要原因是插头松动或者熔断丝烧坏，如果插头和熔断丝都没有问题，则需要进行细致检查，检查有无碰锡、碰线或者细小金属颗粒落在电源进线之间造成短路或者断路，同时还需要检查线路板是否有灰尘、水滴等常见故障导火索。
(2)变频器无法带负载启动
高压变频器空载工作时一切正常，但是一旦带负载则无法启动，造成这类故障的主要原因是由于采用了恒转矩负载启动方式，因此对变频器启动的加减速时间的设定是否有误，通畅选取合理的加减速时间即可解决这个故障。
(3)变频器功率已经上升，但是电机转速仍然很低
高压变频器启动后功率上升很快，但是电机输出转速很低，导致系统无法高速工作，通畅这是由于频率增益设定不合理导致的，只要适当改变频率增益即可排除故障。
(4)变频器重载过流
高压变频器往往在运行期间，负载突然加重，导致电机转速急剧下降，电流急剧增加，最终烧毁电机，损坏变频器。造成这一故障的原因主要是电机本身存在电气故障，如果确认电机不存在电气故障，则需要对电机与变频器之间的传动比进行修正，适当增大传动比，能够有效的提高变频器带重负载的能力，从而避免了出现变频器重载过流故障的出现。
(5)过电压停机故障
高压变频器在运行过程中，其直流母线上承载的电压最大，因此一旦此处的电压保护器损坏，则整个高压变频器就容易引起故障。要避免变频器由于过电压而发生停机故障，就要确保在直流母线上的过压保护器的正常工作，这可以通过并联反向钳位二极管实施保护，或者采用电容防击穿实现对过电压的保护。
3.2 日常维护建议与措施
(1)运行维护
关键词:变频器;故障;预防
中图分类号:TP307文献标识码:A文章编号:16723198(2009)22029001
1 引言
变频器是一种向电动机提供变频电源的设备,其具有智能化、数字化、网络化等优点。基于变频器的交流电机变频调速技术具有节电、调速方便、保护功能完善、组态灵活、可靠性强等特点,自20世纪80年代以来变频调速技术在港口机械、冶金、造纸、电梯等多个领域也得到了非常广泛的应用。随着通用变频器应用范围的扩大,使用数量的不断增加遇到的问题也越来越多,变频器故障有外部原因也有内部原因,其常见故障见图1。
以下就对这些常见故障进行分析并提出一些预防办法,与同行交流。
2 变频器外部原因故障
2.1 安装环境
变频器属于电子设备,对安装使用环境有一定的要求。若无法满足这些要求,则必须采取相应的改善措施。温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素,应根据装置要求的环境条件安装散热装置且避免日光直射;振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因,应尽量避免安装在振动冲击较大的部位,否则应采用橡胶等避振措施;潮湿、腐蚀性气体及尘埃等会造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路,应对控制柜进行防腐防尘处理,并采用封闭式结构。
2.2 外部的电磁感应干扰
如果变频器周围存在干扰源,它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部,引起控制回路误动作,造成工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。在变频器自身的抗干扰能力一定的情况下,可在外部采取噪声抑制措施,消除干扰源。抑制噪声干扰的具体方法:(1)变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上加装防止冲击电压的吸收装置,如RC吸收器;(2)尽量缩短控制回路的配线距离,并使其与主回路分离;(3)指定采用屏蔽线回路,须按规定进行,若线路较长,应采用合理的中继方式;(4)变频器接地端子应按规定进行,不能同电焊、动力接地混用;(5)变频器输入端安装噪声滤波器,避免由电源进线引入干扰。
2.3 电源异常
电源异常表现为各种形式,常见的有缺相、低电压、停电这三种,有时也出现它们的混和形式。这些异常现象的主要原因大多是输电线路因风、雪、雷击造成的,有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外,有些电网或自行发电单位,也会出现频率波动,并且这些现象有时在短时间内重复出现,为保证设备的正常运行,对变频器供电电源也提出相应要求。如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备,为防止这些设备投入时造成的电压降低,应和变频器供电系统分离,减小相互影响。对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合,除选择合适价格的变频器外,还应预先考虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式,当电压回复后,通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流。对于要求不能停止运行的设备,要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。
2.4 雷击、感应雷电
雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。此外,当电源系统一次侧带有真空断路器时,断路器开闭也能产生较高的冲击电压。变压器一次侧真空断路器断开时,通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。为防止因冲击电压造成过电压损坏,通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件,保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。当使用真空断路器时,应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。如变压器一次侧有真空断路器,因在控制顺序上应在真空断路器动作前先将变频器断开。
3 变频器内部原因故障
3.1 参数设置故障
变频器在使用中,参数设置非常重要,如参数设置不当,轻则不能满足传动系统的控制要求,导致起动、制动的失败或工作时常跳闸,严重时会烧毁功率模块IGBT或整流桥等器件。用户在正式使用变频器之前,要对变频器参数进行设置,设置时按以下步骤进行:(1)设定电机参数:在变频器参数中设定所接电机的功率、电流、电压、转速、最大频率。(2)设置变频器采取的控制方式,即速度控制、转矩控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后,一般要根据控制精度,需要进行静态或动态辨识。(3)设定变频器的启动方式:变频器在出厂时一般设定为从面板启动,用户可根据具体情况选择面板、外部端子或通讯方式来启动。(4)选择给定频率方式:通常变频器的频率给定有多种方式:面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定,可选择这几种方式的一种或几种方式之和。正常设置以上参数后,变频器基本上能正常工作。如想获得更理想的控制效果,则需要根据实际情况并参考变频器使用说明书修改有关参数。
3.2 过载故障
过载包括变频过载和电机过载。可能是加速时间太短、直流制动量过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。通常可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等方式来预防过载故障,对于变频过载检测一般都是由霍尔传感器来完成的,通过检测UV两相电流,再由两输入或门COMOS电路来判断变频器是否过载。对负载过重过载故障的预防:首先保证所选的电机和变频器的功率足够拖动该负载。再要确保机械良好,生产机械进行定时保养。
3.3 可能的原因
主要原因有:环境温度过高、风道阻塞、冷却风机损坏不转及温度检测电路异常。防止过热故障应定期检查以下各项:(1)环境温度是否高于变频器允许值,如是则采用降温措施;(2)冷却风机是否正常旋转;(3)调制脉冲的频率必须设定为缺省值;(4)冷却风道的入口和出口不得堵塞。
3.4 过电压故障
变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上,正常情况下,变频器直流电为三相全波整流后的平均值。如果以380V线电压计算,则平均直流电压Ud=1.35U线=513V。在过电压发生时,直流母线的储能电容将被充电,当电压上升至760V左右时,变频器过电压保护动作。因此,对于变频器来说,都有一个正常的工作电压范围,当电压超过这个范围时,很可能损坏变频器。常见的过电压故障有:(1)直流回路的电压超过了跳闸电平;(2)供电电源电压过高,或者电动机处于再生制动方式下引起过电压;(3)斜坡下降过快,或者电动机由大惯量负载带动旋转而处于再生制动状态下。过电压故障预防检查的步骤:(1)电源电压必须在变频器铭牌规定的范围以内;(2)直流回路电压控制器必须有效,而且正确地进行了参数化;(3)斜坡下降时间必须与负载的惯量相匹配。
4 结语
变频器自身保护功能完善,正常使用维护不易发生故障,发生故障后,故障原因的准确判断和处理可以让变频器迅速恢复工作,为此加强变频器的日常维护、管理及操作人员的培训就非常必要。
参考文献
[1]刘爱芝.变频器的主要故障原因及预防措施[J].职业,2008,(14).
[2]陈莹.变频器常见故障及处理[J].内蒙古电大学刊,2008,(01).