《变频器伺服器现代工程应用》课件 崔成旺 项目1-5 电动机原理与应用 - 空压机变频器调速控制

项目导航1.知识目标

(1)掌握三相交流电动机的结构原理、工作原理和工作特点(2)掌握西门子G120变频器的结构原理和使用方法(3)了解变频器参数分类和选用方法（4）掌握变频器接口的使用方法2.技能目标(1)能根据需要正确选择变频器的控制端口(2)能根据需要正确预制变频器的参数知识准备1.1电动机的类型和用途话题引入电动机是生产设备的动力源，生产设备由电动机拖动完成各种加工生产任务。传统的电动机控制是三足鼎立：直流电动机能够调速工作，凡是需要调速的场合采用直流电动机；交流绕线转子电动机起动转矩大，用在起重机等重载起动的场合；交流笼型电动机结构简单，坚固耐用，转速稳定，用在没有特殊要求的所有场合。本世纪初出现了变频器，变频器驱动笼型电动机可以调速工作，可以重载起动，直流电动机和交流绕线转子电动机没有了优势。更为重要的是变频器驱动笼型电动机可以完成各种复杂的工艺控制、远程通信控制等。使笼型电动机成了电动机中的老大。1.1.1电动机概述1.电动机的用途

电动机是驱动电器，将电能转换为机械能，拖动生产机械做功。根据国家用电部门统计，我国电网发出的电能，有60%被电动机所利用，在工业用电中，有80%被电动机所利用，可见电动机是名副其实的用电大户。电动机通过耗电去创造社会财富，体量这么大的一个创造财富的机器引起了人们方方面面的关注。工作中是否节能，是否能满足生产工艺的要求，只要当代技术能够做到，人们都乐意去做。

为了满足生产工艺的需要，产生了各种类型的电动机，为了工作节能，人们也做出了很多控制方案。在电动机的控制上人们一直在探索着最佳的控制模式。上个世界80年代，计算机技术已经成熟，用计算机控制电子调速器，更名为“变频器”，变频器具有计算机的功能，加装一个软件，就可以改变电动机的功能和性能，由此，人们由改造电动机本身的结构、或者增加相关的装置来满足工程需要的时代已经结束。变频器开启了电动机应用技术的新时代。变频器进行电动机控制，把电动机的“潜能”发挥到了极致，产生了巨大的经济效益，解决了电动机控制中原来所不能及的难题。变频器的普及拉动了就业，需要大量的掌握变频器技术的人才。2.电动机分类电动机从发明到现在有1百多年的历史，从结构到性能已经非常成熟。表1-1是电机分类表，用量最大的就是直流电动机和交流电动机。在驱动领域，常用的电动机有：直流电动机、三相交流笼型异步电动机、交流绕线转子电动机和交流同步电动机。电动机是可逆设备，当输入电能，可以在转子轴上输出机械能；当在转子轴上加上旋转机械能，电动机又在定子绕组上输出电能。电动机的可逆性在工程上用途很大，可用于电动机制动、也可以电动—发电两用。表1-1电机分类表1.1.2直流电动机直流电动机是工作在直流电源上的电动机，通过换向器控制转子的转向。图1-1是直流电动机的外形图。图1-1直流电动机外形图1.直流电动机结构原理（1）定子图1-2是直流电动机定子和转子图，由图中可见，电动机分为两大部分，定子和转子。图1-2（a）是定子结构图，在定子磁极上绕有线圈，线圈通入直流电产生磁通Φ，磁通和磁场的极性由线圈的电流方向决定。图中是两对磁极，磁极对数的多少和电动机的体积和转速有关系，高速电动机只有一对磁极。定子绕组称为励磁绕组，定子电流称为励磁电流。（a）定子（2）转子转子如图1-2（b）所示，转子因为是转动工作，电枢电流（转子电流）是通过电刷和换向器引入的。电枢电流在转子表面产生磁场，根据同性相斥、异性相吸原理，和定子磁极产生作用力，推动转子转动。换向器的作用一是把电枢电流引进转子，二是在转子转动到一定位置时控制电流换向，保证转子始终沿着一个方向转动。用于电动机调速。2.转矩特性与机械特性

（1）他励（并励）转矩和机械特性T=KTΦIa

（1-1）式中，T——电动机转子转矩，单位N·m；Φ——主磁通，单位为Wb（韦伯）；KT——转矩比例系数，是常量；Ia——为电枢电流，单位为A。

由式中可见，当并励直流电动机的磁通Φ

为常数，KT也为常数，转矩T与电枢电流Ia成正比。特性线如图1-4（a）所示。当电枢绕组的体电阻Ra比较小时，△n很小，有很硬的机械特性，即转矩T变化时，转速基本不变，见图（b）所示。当需要调速时，改变电枢电流Ia，Ia和n是线性关系，同时动作没有时间的延迟，即调速响应非常的快，这是直流电动机调速性能优良的标志。并励直流电动机工作中励磁绕组不能开路，开路会造成飞车事故。（a）并励转矩特性

（b）并励负载特性图1-4直流电动机并励特性线（2）串励转矩和机械特性图1-5是直流电动机串励连接特性线，因为励磁绕组和电枢绕组串联，If和Ia为同一电流。因为工作中Ia变化时If变化，励磁磁通Φ不为常数。由转矩表达式（T=KTΦIa）可见，当Ia增加，Φ增加，转矩和转速大大增加；因为励磁绕组和电枢绕组串联，机械特性很软，如图1-5中的n-Ia线。这种特性线很有用，在电动工具、冲击性负载中应用时可以自动的调整输出功率。防止电动机过载。图1-5直流电动机串励机械特性线串励电动机的用途：串励直流电动机可以交流直流两用。特别是现在的手持电动工具都是采用的串励交流电动机，因为串励电动机的转子转速和电源的频率无关，通过提高转子的转速可以提高电动机的功率和重量的比率，减小电动机的体积重量，手电钻功率可达1kW以上，但重量不足1kg。3.直流电动机的优缺点（1）直流电动机的优点①直流电动机电压和电流同相位，具有良好的调速性能。直流电动机自发明以来，在调速应用上无可替代。原因是不但调速性能良好，更重要的是调速的快速性好。直到今天，其他电动机调速性能的优劣仍以直流电机为比较标准。由式（1-1）可见，当KTΦ为常数时，T与Ia就是一个线性比例关系，见图1-4（a）所示。要想增加转矩T，增加Ia即可。②起动转矩大，可以带载直接起动，这是一般电动机做不到的。③功率密度大，用较小的体积（励磁改为永久磁铁），可以得到很大的机械功率。现在随着可充电电池的普及应用，将直流电动机用在手持工具上，可以满足轻便、可移动的两大优点（见图1-6所示）。（a）手电钻

（b）链式木锯（2）缺点①直流电动机直接起动电流是额定电流的10～20倍，可烧毁换向器，必须降压起动。不适合频繁启停的场合应用。要想正常起动和调速必须配备可变压变流的电源才能正常工作。②直流电动机的转子碳刷和换向器摩擦导电，碳刷因为磨损到一定程度就要更换，影响正常生产。再有因为碳刷不是密封工作，在恶劣环境中特别容易出故障造成停产，所以对工作环境要求较严格。③直流电动机因为结构复杂，故障率高，价格也高，需要配置成本较高的电源变流器，因此，已经在电力驱动工作岗位上被变频笼型电动机所取代。但在控制领域，小型、微型直流电动机仍然发挥着重要的作用，在无人机、机器人、手持电动工具等领域仍然有着广泛应用。4.直流电动机变为发电机（1）发电原理由图1-2（a）可见，当定子绕组通上直流电，在定子“极掌”上产生N-S磁极；当转子在外力的驱动下转动，转子绕组做切割磁感应线运动，根据法拉第电磁感应定律，在转子绕组中产生感应电流。感应电流通过换向器输出，为脉动直流电。即电动机变为发电机。（2）发电应用直流电动机在停机时，可以采用发电制动。当直流电动机拖动的负载具有较大的惯性，停机时可以使电动机倒发电，消耗掉负载的惯性能，使负载停机。5.直流电动机调速设备直流电动机具有良好的调速性能，是指在调速过程中电压和电流同相位（cosφ=1）,不存在无功电流，可以带载起动，快速性好。直流电动机在调速时需要配备调速设备，上个世纪是采用晶闸管变流器进行调速控制，现在采用逆变器进行调速控制。因为直流电动机是碳刷滑环导电，故障率高，很多应用场合已经被“变频器-交流电动机”调速所取代。因为直流电动机的固有优点是调速性能好（cosφ=1），人们又设计出“无刷直流电动机”，转子为“永磁”式，定子为三相绕组，由三相逆变器驱动，逆变器输出旋转的“脉动”磁场，驱动“永磁”转子转动。因为还是没有“变频器-交流同步电动机”调速系统功能完善，调速应用还是受到限制。1.1.3三相交流笼型异步感应电动机1.电动机结构三相交流笼型异步感应电动机（在不引起误会时简称三相交流电动机）是工作在三相交流电网上的电动机，由定子和转子两大部分组成，转子为笼型结构。图1-7是三相异步电动机的分解图。（a）结构

（b）实物图

图1-7三相异步电动机分解图1.定子

定子是用来产生旋转磁场的。定子主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成，如图1-8（a）所示。定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.3~0.5mm厚的硅钢片叠制而成。硅钢片之间相互绝缘，可以减少由交变磁通引起的涡流损耗。定子硅钢片内圆上冲有均匀分布的槽口，用来安装定子绕组，如图1-8（b）所示。定子三相绕组在定子表面按“互差120°”机械角度安装，当接通三相交流电，在定子表面产生旋转磁场。a）定子基座与铁心

（b）定子绕组

图1-8定子绕组2.转子。转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是用0.3~0.5mm厚的硅钢片叠制而成，是转子的磁路部分。转子铁心外圆上冲有均匀分布的槽口，用来安装转子绕组。笼形转子如图1-9（a）所示，短路环、导条、风叶是一次浇筑成型，当铁心加工完成之后，放在模具中，将熔化的铝液在模具中进行浇筑成型。图1-9（b）是转子图，转子绕组的作用是产生感应电流，形成电磁转矩，使电动机转动起来。（a）笼形绕组

（b）转子图1-9笼形转子3.电动机工作原理（1）电动机转动原理图a是三相绕组在定子上的分布情况，三相绕组在空间相差120°机械角，三相交流电也是互差120°电角度，当将三相交流电通入对应的三相绕组，则在定子内表面上形成旋转磁场。图b是电动机三相绕组的连接，电动机绕组的首端接相线L1、L2、L3，尾端接中性点。图a是电网三相交流电，图b是定子绕组对应三相交流电形成的磁场。随着三相交流时序图随着时间的变化，在定子表面就产生旋转磁场。旋转磁场的转向和三相交流电的相序有关。图中磁场是顺时针旋转。3.电动机工作原理（1）电动机转动原理旋转磁场的转速为n1=60f1

，当定子具有2对以上磁极，旋转磁场的转速为

（1-2）式中，n1——旋转磁场的转速，单位r/min；f1——电源的频率，单位Hz。P——为磁极对数。当电动机只有1对磁极，n1=3000r/min；有2对磁极，n1=1500r/min；图1-10电动机转动原理

设旋转磁场按顺时针方向旋转，则静止的转子与旋转磁场之间就有了相对运动，根据法拉第电磁感应定律，转子导体因切割磁力线而产生感应电流，因载流导体处在旋转磁场中，受电磁力的作用而对转轴产生电磁转矩，用左手定则判断转矩方向与旋转磁场方向一致，因此，转子在电磁转矩的作用下，就顺着旋转磁场的旋转方向转动起来，如图1-10所示。电动机工作时，转子的转速n要小于旋转磁场的转速n1，转子导线才能切割磁感线，产生感应电流和电磁转矩。因转子的转速总是小于旋转磁场的转速（n1>n），故称为异步电动机。

（2）转差率因为转子的转速总是小于旋转磁场的转速（n1>n），其转速差为△n=n1－n。取转速差与同步转速之比，称为异步电动机的转差率，用s表示，即或

（1-3）

转差率是分析异步电动机运行特性的一个重要参数。当三相异步电动机接通电源，而转子尚未转动时，n=0，s=l；当电动机空载时，n趋近于n1，s趋近于零。可见，三相笼型异步电动机转差率的变化范围在0~1之间。三相异步电动机在额定负载下运行时，其转差率很小，

sN在0.02~0.06之间。4.电动机转子特性线分析

（1）电磁转矩

电磁转矩是分析三相异步交流电动机的重要参数，其表达式为（1-4）

式中，CT为电动机常数，与电动机的结构有关；Φ为主磁通，当电动机工作在额定状态时，Φ为常数；cosφ2为转子功率因数，随着I2电流的变化而变化，是起动时转矩小的根源。通过理论分析，可得到另一个电磁转矩的参数表达式（1-5）式中，K——比例常数，K∝1/f1；s——转差率；U1——定子绕组电压；X20——转子静止时（s=1）转子每相绕组的感抗，为常数；R2——转子每相绕组的电阻，在绕线转子中可外接可变电阻改变R2值。

（2）转矩参数影响转矩特性

由式1-5可见，U1对转矩T影响很大，提高电源的电压，转矩按U12增加，当需要提高电动机的转矩，可以提高电源的电压。R2电阻的影响：R2变化时，影响转矩特性线。5.额定转矩、起动转矩、最大转矩

图1-13是笼型电动机的机械特性线。图1-13笼型电动机机械特性线（1）额定转矩TN额定转矩是应用电动机的依据，一般在电动机的铭牌上给出。也可以通过额定转速和额定功率计算得出，计算公式为（1-6）式中，TN为额定转矩，单位为N·m；PN为额定输出功率，单位为kW；nN为电动机额定转速，单位为r/min。（2）起动转矩Tst起动转矩是绝对值，不便于比较，一般用起动转矩Tst和额定转矩TN之比，来定义起动能力，用λst表示，表达式为（1-7）

在额定电压下直接起动时，起动电流是额定电流的4~8倍，相应的起动能力λst为1.6~2左右。但是笼形异步电动机直接起动电流太大，都是采用降压起动。在Y-△降压起动时，起动电流是全压起动的1/3，即1.3~2.6倍的IN，相应的起动能力λst在0.3~0.6之间，显然降压起动时电动机起动转矩都达不到额定值TN，所以三相笼型异步电动机不能带载起动。（3）过载能力λm为了衡量电动机的过载能力，定义了过载参数λm，表达式为（1-8）式中，λm称为过载能力，笼型电动机一般过载能力λm=1.8~2.2。当电动机转矩达到过载能力，会出现堵转现象，所以在选用电动机时，不能让负载的瞬时转矩达到堵转转矩。由图1-13可见，当转矩在TN和Tm之间变化时，电动机的转子电流按着线性关系变化，当转矩达到Tm，转子电流也达到Im，即Im=1.8~2.2IN，如果转矩T＞Tm，电动机堵转，电动机定子电流为额定电流的4~7倍。6.三相笼型异步电动机的优缺点（1）优点①结构简单，不用滑环导电，是通过电磁感应传递能量，工作可靠；密封工作，几乎免维护。可以在任意环境下工作。这是其他所有的电动机所不能及的。②在额定负载下工作时，速度稳定，能满足很多负载的运行要求，在没有特殊要求的情况下，就选择三相笼型异步电动机。③三相交流电是幅值相等，互差120°相位差的对称交流电，相应的电动机的三相绕组也是互差120°相位差，相互对称的。从结构上来分析，三相电动机的铁芯和绕组利用率高，相同功率的电动机，三相交流电动机的体积要比直流电动机小，节省有色金属；三相交流电动机运行噪音低，工作现场比较安静。（2）缺点①起动电流是额定电流的4~7倍，必须配备降压起动设备。不适合在频繁启动的场合工作。②转速恒定，不能调速。③起动转矩小，不能带载起动。（3）电动机变频器控制上述缺点在变频器控制下全都得到解决，变频器从零速恒流起动，不用起动设备；变频器调速工作，矢量控制，具有直流电动机的调速特性。带载起动、频繁起动都没有问题。7.笼型电动机“倒发电”原理（1）电动状态图1-14是笼形电动机电动状态和发电状态示意图。图（a）是电动状态，根据前述分析，电动状态转子的转速n低于定子的同步转速n1。即n1>n，其转速差为△n=n1－n，转差率sN在0.02~0.06之间。（2）倒发电原理图（b）是当转子由外力拖动，其转速超过了定子旋转磁场的转速，转子“笼形绕组”切割定子磁感应线的方向发生变化，用右手定则判断“笼形绕组”感应电流的方向为：“笼形绕组”的上部感应电流为流入纸面，下部感应电流为流出纸面。用左手定则判断绕组的受力方向为：上部绕组受力向左；下部绕组受力向右，产生的力矩和定子旋转磁场的方向相反。即为制动力矩。与此同时，转子感应电流形成NS磁极，该磁极的转速和转子转速相同，即为旋转磁场。该旋转磁场由于高于定子旋转磁场，定子绕组切割磁感应线产生感应电流，感应电流由三相定子绕组流出，电动机变为发电机。发出的电流的频率和定子绕组电流频率相同。需要说明的是：笼型电动机倒发电的条件是定子绕组要有励磁电流，转子的转速要高于定子旋转磁场的转速。（a）电动状态

（b）制动状态图1-14电动机的工作状态（3）笼型转子电动机倒发电应用①位能负载下降时。电梯、起重机、卷扬机等负载，当重物下降时，负载会拉着电动机转动，电动机变为发电机，发出的电能可以回传到电网，也可以由制动电阻消耗掉，使电动机得到制动力矩，保持负载匀速下降。②惯性负载停机降速时。当大惯性负载停机时，因为惯性能释放，要由电动机倒发电将惯性能转化为电能消耗掉，使负载得到制动力矩而停机。③风力发电机作为并网发电机。风力发电机发出的电能要并入国家电网，为了使发出的电能和电网同步，就把三相电网的三相交流电加在笼型发电机的定子绕组上，作为同步励磁电流，当转子转速高于了定子旋转磁场的转速，发电机开始发电。8.笼型交流电动机调速控制由式（1-2）可见，改变电源的频率f，即可改变电动机的转速。变频器是专为电动机调速控制的设备，因为变频器是智能设备，可以运行“软件”，笼型交流电动机的一些控制弱点都可以通过软件来弥补，即变频器和笼型交流电动机组成优良的控制系统。1.1.4三相异步绕线转子电动机1.三相异步绕线转子电动机原理（1）工作原理根据对三相笼型电动机的分析，改变转子绕组的电阻R2，可以改变电动机的转矩特性线，当R2电阻达到一定值，可以使最大转矩出现在“0速点”，即电动机起动时的转矩最大，可用来达到带载起动的目的。（2）转子结构图1-15是绕线转子结构图，该转子的绕组是由线圈绕制而成，分为3个独立绕组，每个绕组为1相，将3个尾端连接在一起，首端分别用滑环引出。见图1-15（a）所示。（a）绕线转子结构图

（b）绕线转子连接图

图1-15绕线转子结构图图1-15（b）所示为绕线转子的绕组与外加变阻器的连接示意图，绕组的3个尾端连接在一起，3个首端分别连接到转轴上的3个互相绝缘的滑环上，通过电刷与外加变阻器连接，改变变阻器的电阻值（R2值）可以调节电动机的机械特性，电阻阻值越大，机械特性越软，转子的转速越低。通过改变电阻的阻值，可以使起动时的转矩最大，满足带载起动的要求。2.绕线转子电动机应用绕线转子电动机械特性线如图1-16所示。图1-16绕线转子特性线（1）带载起动

由图中可见，当转子串联电阻为

时，转矩最大点落在0速，即起动时具有最大转矩。解决了异步电动机带载起动的问题；起动电流为额定电流的1.5~2.5倍，对电动机和电网影响不大。

（2）小范围调速

绕线转子电动机还有一个用途，就是小范围调速。由图中可见，R2阻值越大，特性线的斜率越大，在相同转矩下电动机的转速越低。

（3）均分负载在工程上，称这种向下倾斜的特性线为“下垂特性”。除了应用于小范围调速之外，还用于多台电动机同速控制时均分负载。比如某辊筒用两台电动机同轴驱动，见图1-17（a）所示。因为是同轴刚性连接，哪台电动机稍微快一点，另一台就会不出力。下面分析工作原理：把电动机的特性线设置为下垂特性，如图（b）所示。假设1号电动机原始速度高，2号电动机原始速度低，图（b）中n1、n2就是原始速度，T1、T2是虚设的转矩。现在开始运行，因为1号电动机原始速度高，通电立刻就出现了过载，迫使速度下降，当速度下降到低于了n2，2号电动机又出现了过载，同样迫使速度下降。当两台电动机在速度相同时转矩相等，达到了动态平衡，进入稳定工作。利用下垂特性线均分负载，条件是同型号同功率的电动机，具有相同的下垂特性。该下垂特性均分负载原理，被应用在变频器上。当两台变频器驱动两台笼型电动机同轴驱动时，把变频器的输出特性设置为下垂特性，达到均分负载的目的。这一点笼形转子异步电动机是做不到的。4.绕线转子电动机的优缺点（1）优点

①电动机起动时通过转子绕组串联电阻，一是增加了起动转矩，可以带载起动；二是通过串联电阻，减小了起动电流，不再需要额外增加降压起动装置。②通过改变R2电阻，可以小范围调速，这在风机和水泵上应用，调速范围能满足要求。（2）缺点①转子外串电阻的功率损耗很大，大大降低了电动机的效率；当用接触器切换时，接触器的触点经常损毁，停机维修影响生产。②电动机不能远程控制，没有保护和报警，跟不上现代设备的步伐。③绕线转子电动机具有的功能，现在变频笼型电动机都有，完全淘汰绕线转子电动机只是时间问题。但在2000kW以上的特大型绕线转子电动机应用中，配备变频器的成本太高，从经济的角度考虑，绕线转子电动机现在还有一定的市场。5.绕线转子电动机“倒发电”应用（1）倒发电原理绕线转子电动机同属于感应电动机，当转子由负载拉着转动时，当转子的转速n大于同步转速n1时，电动机变为发电机。发出的电能通过转子绕组引出。图1-18风力发电机双馈发电示意图（2）风力“双馈”发电机图1-18是绕线转子电动机作为风力发电机应用示意图。图中发电机三相定子绕组连接三相电网，为励磁和发电绕组。转子绕组通过集电环连接到变频器的三相输出端。发电机转子由风力“风轴”驱动，当“风轴”的转速高于定子旋转磁场的转速（高于△n）时，发电机处于发电状态。由于风机轴的转速和风力的大小有关系，如果将风机轴固定在一定的转速，风能掐头去尾，就会浪费大量的风能资源。为了充分利用低风力资源和高风力资源，风力发电机的转子由变频器控制，变频器根据风力轴的转速，输出“补频”电压。假如风力发电轴转速为60Hz，变频器就输出负相序10Hz电流，二者叠加为50Hz；假如风力发电轴转速为40Hz，变频器就输出正相序10Hz电流，二者叠加也为50Hz。通过变频器补频，使风力资源得到充分利用。

1.1.5三相交流永磁同步电动机1.永磁同步电动机的兴起随着科学的进步和智能控制设备的普及，对电动机提出了更高的要求，要求体积小、重量轻、功率密度大的电动机来满足特殊场合的需要。比如车载、航空、移动、手持等应用场合，重量、体积、功率密度都是硬指标。当前从技术上能做到的就是：机壳以铝代铁、采用高导磁率硅钢片、转子采用永磁结构、提高电动机的转速等。目前，采用稀土材料制造的“永磁”转子功率密度高于“笼形”转子，体积小又节能，转子和旋转磁场同步，控制性能好。2.永磁同步电动机结构原理（1）电动机结构图1-19（a）是永磁同步电动机剖面图，图中定子结构和三相笼型电动机相同，主要区别在转子。（2）定子定子与普通笼型电动机相同，由铁心和电枢绕组构成，如图1-19（b）所示。电枢铁心一般采0.35mm的低损耗冷轧无取向硅钢片冲压而成。电枢绕组则普遍采用分布、短距绕组；对于磁极对数较多的电动机，则普遍采用分数槽绕组。（a）同步电机（b）定子定子电枢绕组分为三相，在空间相差120°机械角，当在绕组中通入三相交流电，在定子表面产生旋转磁场。（3）永磁转子永磁转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成，如图1-20所示。其中永磁体主要采用钕铁硼永磁材料。转子铁心可根据磁极结构的不同，选用实心钢或硅钢片冲制后叠压而成。图中采用了4个永磁体镶嵌在铁心中，形成4磁极转子。转子的磁极对数和定子的磁极对数必须相同，工作中转子才能被定子旋转磁场拉着同步转动。图1-20永磁转子3.永磁同步电动机转矩特性（1）永磁同步电动机工作原理电动机通上三相交流电，转子与旋转磁场同步转动。同步电动机的转速表达式为（1-9）

式中，f1为电源频率；pn为电动机磁极对数。即转子的转速和电源的频率同步。在电动机传动中，将转速和转矩之间的关系称为机械特性。永磁同步电动机的机械特性如图1-21所示，即转速和电源的频率成比例，和转矩无关。即当电动机的负载发生变化时，转速不变。具有很硬的机械特性。图1-21永磁同步电动机机械特性（2）永磁同步电动机的功率与额定值永磁同步电动机的功率分为从电网吸收的电功率P1和轴上输出的机械功率PM。从电网吸收的电功率为：

输出的电功率PM为PM=P1－△Pcu－△PFe－△Pm

（1-10）式中，Pcu为电动机的铜损；PFe为电动机的铁损；Pm为电动机的摩擦力等损耗。一般用η表示电动机的效率，永磁转子电动机的效率η=0.85~0.95。永磁同步电动机的额定参数为：①额定电压UN（V）电机在额定运行时定子三相线电压。

②额定电流IN（A），电机在额定运行时定子的线电流。③额定频率fN，我国标准工频为50Hz。

④额定转速

nN（r/min）。⑤额定功率因数cosφN。（4）永磁同步电动机的运行特性通过理论分析和模型实验，得到运行特性线如图1-22所示。由运行特性线可见，电动机的转矩Te和定子电流I1（即Ia电流）成正比关系，这是直流电动机的转矩特性。功率因数cosφ和效率η很高，在整个工作区间变化不大。图1-22永磁同步电动机的运行特性4.总结永磁同步电动机优点：（1）永磁同步电动机集中了直流电动机和交流电动机的优点，是控制特性非常优秀、专为现代自动控制开发的新一代电动机，即结构简单，密封工作，不用滑环导电，坚固耐用。（2）转子为永磁体，不存在转子电流，节省了电能，提高了工作效率，降低了电动机的发热量。电动机三相供电要比单相供电功率密度高出1/3，利于电动机的小型化。永磁同步电动机缺点：（1）没有自启动功能，必须由变频器进行启停控制。（2）开环控制转速不稳，必须闭环控制才能达到需要的效果。5.永磁同步电动机“倒发电”（1）工作中倒发电当电动机在工作中，负载变为“负负载”，电动机转子被负载拉着快转，转子不再和旋转磁场同步工作，而是超过了旋转磁场△n，转子磁场扫过定子绕组，在定子绕组中产生感应电流，电动机变为发电机，发出的电流回馈到电网。（2）直接发电应用因为永磁同步电动机的转子是永磁体，只要转子由外力拖动，电动机就变为发电机。即永磁同步电动机也是永磁同步发动机。任务实施1.2交流电动机节能调速应用

1.2.1任务说明话题引入电动机是电能转换的核心设备，工业用电的80%由电动机进行转换。电动机本身是低头拉车，不抬头看路的笨拙设备，不能满足当今对生产工艺、自动控制等核心要求。电动机由变频器控制，既保留了电动机的原有功能，又增加了远程控制、生产加工工艺、节能控制等新的功能。使电动机成为了自动控制系统。1.三相交流电动机水泵节能应用水泵是用量非常大的取水设备，由三相交流电动机驱动工作。有很多场合用水量不稳定，如自来水，早晚用水多，其它时间用水量少。水泵是按最大供水量设计，当用水量少时又不能停机，大量的电能被浪费掉了。下面我们将水泵用传统方法控制和变频器控制做一比较。（1）传统方法控制水泵工作图1-23是水泵Y-△起动电路图。电动机超过7.5kW，就要采用降压起动。Y-△降压起动是用得最多的一种。

起动电路是利用2个接触器、1个时间定时器，电动机通电后电动机为星型连接，电动机开始起动，定时器开始计时。当电动机的转速接近额定转速时，定时时间到，定时器控制接触器，将电动机改为三角形连结，电动机完成起动任务。电动机转为正常工作后，就是恒速转动，其它的功能就没有了。图中左图是主电路，QS是隔离开关、FU是熔断器、KM是接触器，控制电动机通电或断电。电路的右边是控制电路控制电路的通、断电。SB1是通电按钮，点动该按钮，继电器KM吸合，电动机通电，点动SB2，KM释放停机。（2）变频器控制水泵工作①省去了Y-△起动电路变频器是从0Hz恒流起动，不再用其他的辅助启动装置。②变频器是调速工作变频器根据需要，可以改变电动机的转速。③变频器可以跟踪控制根据负载的设定值进行跟踪控制。④变频器可以远程控制车间无人，在办公室控制。图1-24变频器控制1.2.3任务总结1.电动机进入新时代电动机产生于第二次工业革命，在第三次工业革命中走向成熟。现在进入第四次工业革命，在智能技术的支撑下，电力驱动技术出现了颠覆性变化，过去电动机就是连接到电网上直接工作，只能完成单一的驱动任务。现在通过智能控制，可以改变三相交流电的频率进行调速工作；还可以改变三相交流电的功率角对电动机进行矢量控制；交流电动机为了能进行伺服控制，将转子改为永磁转子，转子和旋转磁场同步工作；直流电动机为了革除碳刷导电，定子由逆变器供电，转子为永磁转子，既保留了直流电动机的优点，又避免了碳刷导电的危害。现在新的传动设备层出不穷，电动机也跟随者不断的改革创新。2.三相交流电动机是驱动设备主力军三相交流电动机从结构的合理性和电磁转矩的平衡性，都优于其它类型电动机，在电动机选型上只要三相交流电动机能满足要求，人们就不选其它电动机。现在变频器、伺服器已经普及应用，变频器、伺服器和三相交流电动机捆绑应用已经形成固定模式。变频器和三相笼型电动机捆绑工作，可以完成很好的速度控制；伺服器和三相永磁转子同步电动机捆绑工作，可以完成很好的位置伺服控制。变频器和三相永磁转子同步电动机捆绑工作，可以提高起动力矩，提高速度控制的快速响应，在起重机类设备上得到广泛应用。项目导航1.知识目标

(1）掌握西门子G120变频器的结构原理和使用方法(2)掌握变频器"PWM”脉宽调制原理及应用

（3）学习变频器功能及应用2.技能目标(1)能根据工程要求选择变频器参数(2)能根据需要正确预制变频器的参数知识准备

2.1变频器概述2.1.1变频器分类1.变频器定义变频器是由计算机控制的具有电能变换功能的电动机驱动电器。电动机配备变频器控制，可以使电动机具备自动控制、远程控制功能；可以完成复杂的工艺控制，提升产品的生产质量，节能环保。变频器是当今电动机必须的配套设备。2.变频器分类（1）按电压分类变频器是一个大家族，按工作电压分类：工作电压在1kV以下，称为低压变频器；工作电压在1kV以上，10kV以下，称为中压变频器；工作电压在10kV及以上，称为高压变频器。（2）按变换环节分类

根据变换环节不同，分为“交—交”变频器和“交—直—交”变频器。交—交变频器是早期变频器采用的变换方式，现在已经少见；交—直—交变频器是将三相交流电整流为直流电，再逆变为三相交流电。图2-1是“交-直-交”变频器电能变换框图，是先将三相交流电整流为直流电，经过中间滤波环节，再通过逆变电路逆变为电压、频率可调的三相交流电，因而称为“交-直-交”间接变频器，是当今各种变频器的基本电路结构。需要指出的是，“交-直-交”变频器的逆变部分采用的是“PWM”脉宽调制技术，将直流电直接变换为正弦交流电，是电能变换的核心技术。图2-1交-直-交变频器电能变换框图3）按用途分类分为通用变频器、专用变频器、高速变频器、防爆变频器等。通用变频器主要是应用在普通设备上，变频器的功能齐全，便于选用。专用变频器主要是针对某类设备而制造，功能较少，特点突出，方便调试和维护。高速变频器是应用在高速工作的场合，如新能源汽车、高速磨床等。防爆变频器主要应用在含有可燃性气体和可燃性粉尘等场合。2.1.2变频器结构原理图2-2是变频器功能框图，变频器是由计算机控制的智能电器，计算机的核心是CPU芯片，在框图中“CPU”是变频器的控制核心。变频器是由以下几大部分组成。图2-2变频器功能框图1.输入控制端子（端口）输入控制端子是对变频器输入控制“指令”的端子。分为数字端子和模拟端子。数字端子主要功能是控制变频器起动、停机、正转、反转；段速切换等；模拟端子主要控制变频器升速降速、反馈模拟信号输入等。2.输出指示端子输出指示端子是指示变频器工作状态的端子，也分为数字端子和模拟端子。数字输出指示端子主要是指示变频器的“数字”状态，即有或无。如“运行中”、“变频器故障”等；模拟指示端子是用模拟信号指示变频器的模拟工作状态，如输出频率、输出电流等。3.保护电路保护电路是为变频器“保驾护航”的，变频器工作中，温度升高、电流增大、电压升高等，都对变频器的安全造成威胁，变频器通过保护电路，将威胁到变频器安全的因素进行控制或报警，保证变频器工作安全。保护电路是通过传感感器，将温度、电流、电压等信号传到保护电路，通过CPU处理后实施保护。4.主电路主电路是由整流、滤波、逆变三部分组成，“逆变”部分技术含量最高，“逆变”电路既要把直流电变换为“正弦”交流电，还要对频率和幅度进行控制，控制信号是由“CPU”发出的，通过“驱动电路”对“逆变器”进行控制。5.控制面板控制面板又称人机界面，具有对变频器进行控制、显示、参数预置等功能。通过控制面板就可以在“本地”完成变频器的控制和工作状态的显示。6.通信接口通信接口是远距离控制接口，通信距离可以达到1km，主要在无人车间和不便于现场控制的场合应用。7.控制框图的阅读由图2-2可见，变频器以CPU为核心，对整个变频器实施控制。变频器的局部功能用“文字框图”来表示，“文字框图”的功能由箭头来指向，箭头由“文字框图”指向CPU，是“文字框图”向“CPU”发出的指令信号；CPU的箭头指向“文字框图”，是由CPU向“文字框图”发出的控制信号。指示箭头为双向箭头，是和CPU进行信息交换的接口，图中的面板、通信口都是数据交换接口。能够进行数据交换的接口都是智能接口，接口板中含有CPU智能芯片。2.2西门子G120变频器控制模块2.2.1西门子G120变频器控制单元1.西门子变频器简介图2-3是G120变频器外形图。西门子G120变频器的设计目标是为交流电动机提供经济的、高精度的速度/转矩控制。其功率范围覆盖0.37~250kW，广泛应用于机械传动、风机水泵等调速驱动的应用场合，是西门子M440变频器的升级替代产品。图2-4是G120变频器分体图，图中控制面板、CU240控制模块、CM240功率模块都是分体选配。G120变频器从功率范围和基本用途均和M440变频器相近，但其功能、结构、灵活性、科技含量都要优于M440变频器，是M440变频器的换代产品。

（a）B0P-2操作面板

（b）CU240控制模块

（c）CM240功率模块

图2-4G120变频器分体图2.控制单元G120变频器有三大类可选控制单元。（1）CU230控制单元CU230控制单元专门针对风机、水泵和压缩机类负载进行控制，属于风机水泵专用变频器，是西门子M430变频器的升级替代变频器。该变频器有4种机型供选择，具体功能见表2-1。由表中可见，CU230控制单元就地控制可以用I/O接口控制。

表2-1CU230控制单元功能表（2）CU240控制单元

CU240控制单元为变频器提供开环和闭环功能，有B、E两个机型和8个子机型。CU240E控制单元作为基本的控制单元用于一些普通的应用场合。在性能上，它具备了基本的输入输出，包括6个数字量输入，3个继电器输出，2路模拟量输入，2路模拟量输出。并带有集成的RS485/USS串行通讯口。其功能优于M440变频器的CPU。除此之外还可以根据需要进行相应参数化，属于通用变频器。具体功能见表2-2。表2-2CU240控制单元功能表（3）CU250控制单元

CU250控制单元为变频器提供开环和闭环功能，属于重载高控制精度系列。CU250S控制单元具有编码器接口和基本定位功能。其中CU250S-2适用于对转速控制有高要求的独立驱动（例如：挤出机和离心机）以及定位任务（例如：输送带和升/降机）。此外，也可实现无直流耦合的多电机驱动，例如：拉丝机及简易物料输送带等。除此之外还可以根据需要进行相应参数化，属于通用变频器。具体参数见表2-3。表2-3CU250控制单元功能表2.2.2.G120功率模块G120变频器有四大类可选功率模块。1.PM230功率模块

PM230功率模块是风机、泵类和压缩机专用模块，其功率因数高、谐波小。这类模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。2.PM240功率模块

PM240功率模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。3.PM240-2功率模块

PM240-2功率模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。PM240-2功率模块允许穿墙式安装（和CU240控制模块通过电缆连接）。4.PM250功率模块PM250功率模块能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量可以通过外接制动电阻转换成热量消耗，也可以回馈电网，达到节能的目的。5.控制单元和功率模块兼容性在变频器选型时，控制单元和功率模块兼容性是必须要考虑的因素，控制单元和功率模块兼容性列表见表2-4。表2-4控制单元和功率单元兼容性列表2.3G120变频器控制接口类型与应用2.3.1输入控制端口图2-5是CU240E-2控制单元功能框图。图中CPU是变频器的控制核心。箭头由接口指向CPU，是信号输入端；箭头由CPU指向接口，是信号输出端；双向箭头，是和CPU信息交换的接口，图中操作板、通信端口都是数据交换接口。CPU和外界进行信息交换，采用的是二进制代码，即“0”或“1”。端口之外的信号是二进制信号（开关信号，有或无），可直接上传；是连续变化的模拟信号，要通过模/数转换（A/D）后再上传；端口之外需要的是模拟信号，要通过数/模转换（D/A）后，将数字信号还原为模拟信号输出。图2-6是端口位置图。图2-6CU240E-2控制模块接口实体位置图1.数字输入控制端口（1）接口连接数字输入控制接口输入的是开关信号，控制信号只有两种状态“有”或“无”。一般用“开关”或开关信号控制。CU240E-2控制单元有6个数字输入控制端子，在接口端子板上的位置见图2-7（a）所示，控制端子连接如图2-7（b）所示。（a）接口位置图

（b）控制端子连接图2-7数字输入接口位置与连线（2）功能参数与接口功能①参数码。变频器是由计算机控制的智能电器，任何一项功能都必须由“指令”来定义。指令包括两部分，一是参数码，二是参数值。例如：P0840=722.2，P0840是功能码，定义端子切换功能。722.2是定义DI2数字端子的，P0840=722.2的含义是：选择数字端子DI2为运行控制。又如，选择数字端子DI2端子为升速端子，选择数字端子DI3为降速端子，参数设置为P1035=722.2；P1035是功能码，定义升速控制；722.2是定义DI2数字端子的，P1035=722.2的含义是：选择数字端子DI2为升速控制。如果想设置降速控制，则设置：P1036=722.3。P1036是定义升速控制，722.3是DI3的定义参数。②接口功能该6个数字输入控制接口均为多功能接口，功能很丰富。表2-5是端子的部分功能和设置方法。表中，DI0~DI5的定义值分别是r722.0~r0722.5，端子所能控制的功能见表中“功能参数码”，假如选择DI0端子用于起动/停机（ON/OFF1），设置参数为：p0840=r0722.0；又假如选择DI3为强制打开抱闸，设置参数为：p0855=r0722.3。2.模拟输入控制接口

图2-8（a）是模拟输入控制接口在接口板上的位置图。模拟输入接口的功能是用于电动机调速或反馈信号输入。在接口上通过接线端子加上直流模拟电压或模拟电流信号，可进行电动机调速。该接口一共有2个，AI0和AI1，图中是通过电位器给定0~10V控制电压的接线情况。现在模拟控制信号已经标准化，其标准值为±0~10V、±2~10V；±0~20mA，±4~20mA。2.模拟输入控制接口

图2-8（a）是模拟输入控制接口在接口板上的位置图。模拟输入接口的功能是用于电动机调速或反馈信号输入。在接口上通过接线端子加上直流模拟电压或模拟电流信号，可进行电动机调速。该接口一共有2个，AI0和AI1，图中是通过电位器给定0~10V控制电压的接线情况。现在模拟控制信号已经标准化，其标准值为±0~10V、±2~10V；±0~20mA，±4~20mA。（1）接口连接与应用图2-8（b）是输入端子接线图，AI0接口给出应用连接，图中1号接口是变频器提供的10V电压，2号接口是接地端。按图连接上一只4.7kΩ的电位器，改变电位器的动触点，就在AI0+和AI0-之间加上一个0~10V的直流可调电压，电动机就可以在0~50Hz之间调速转动。2-8b输入端子连接图其U-f控制特性线如图2-9（a）所示，由图中可见，控制信号和输出频率保持良好的线性关系。这是非常重要的特性，线性度越好，频率控制精度就越高。图2-9aU-f特性（2）I-U转换AI0和AI1使用方法相同，都是电压控制接口。当给该接口加上0~20mA的电流信号时，必须将I/O板上的DIP开关扳到“电流”端，见图2-9（b），因为接口内部电路不支持电流，开关扳到上端是在电路上并联500Ω的电阻，将0~20mA电流转换为0~10V的电压。（3）选择定义参数AI0和AI1接口在使用前必须设置定义参数：定义参数码为p0756。因为两个模拟接口采用同一个参数码来定义，当同时应用时就采用下标来区分，p0756[0]定义模拟端子1；p0756[1]定义模拟端子2（[0]下标）。该端子可选功能见表2-6。表2-6参数码p0756[0]的参数值与功能2.3.2输出指示端口1.数字输出指示端子（1）数字输出端子选择CU240E-2提供2路继电器输出和1路晶体管输出。图2-10（a）是接口位置图，图2-10（b）是数字输出指示端子的连接应用图。图2-10a接口在端子板上位置图

图2-10b输入端子连接图表2-8是3个数字输出指示端子功能设置。表2-8数字输出指示端子功能表

假如设置DO0接口为故障指示，参数设置为p0730=52.3。DO0接口是继电器输出，工作时继电器触点闭合，220V交流电加在电铃和灯泡上，进行声光报警。

假如DO1接口设置为“运行中”，参数设置为：p0731=52.1。DO1接口是晶体管输出，晶体管是电子器件，需要外加直流电压。当变频器在“运行中”，DO1晶体管导通，继电器KA吸合，HL2灯泡发光指示。当变频器停机，晶体管截止HL2熄灭。（2）端子灵活应用在两台变频器做“主-从”控制时，可以采用“主机”的数字指示端子作为“从机”的运行控制端子。如采用“主机”的DO0端子做“从机”运行控制，参数设置为：p0730=52.1。2.模拟输出指示接口（1）指示接口设置AO0+和AO1+在端子板上的位置见图2-11（a）所示。两个模拟输出指示端口是用0~20mA模拟直流电流，指示变频器工作中的模拟输出量。工作时可外接0~20mA的电流表头进行指示。如果需要0~10V指示电压，在接口两端并联一只500Ω电阻，把电流转换为电压值。图2-11（a）图2-11b表2-9给出了模拟输出指示接口参数码和设定值。假如AO0设置为“实际输出频率”，参数设置为：P0771[0]=24；又假如AO1设置为指示输出电流，参数设置为：P0771[1]=27。表2-9参数P0771的设置（2）指示端子灵活应用模拟输出指示端子的指示电流和被指示量成线性比例关系，二者在电路上是相互绝缘的，指示信号可以作为“独立”的信号源应用。例如两台变频器进行“主-从”控制，可以将主机的“频率指示”信号作为从机的“频率给定”信号，两台变频器同速运行。2.3.3通信接口与通信控制通信控制要采用通信电缆和通信接口，采用不同的网线连接形式和接口形式，称为“网络接口协议”。通信控制采用不同的数字编码方式称为“通信协议”。二者不能混淆。1.交流电流与感抗根据法拉第电磁感应定律，当导线中有电流流过，在导线的周围就产生磁场，电流和磁场的方向由右手定则来判断。图2-12（a）是电流和磁场的方向。

当电流发生变化时磁场也发生变化，磁场的变化总是阻止电流的变化。将磁场阻止电流变化的能力称为自感抗。自感抗和电流的频率成正比，当电流的频率很高时，自感抗阻止电流的流动，电流信号不能远传。为了解决高频电流信号远传衰减问题，人们将电流回路的“去线”和“回线”绞在一起（见图（b）），因为“去线”和“回线”电流反向180°，产生的磁场也反向180°，磁场相互抵消，感抗为0，高频电流可以远传。（a）电流回路

（b）双绞线

图

2-12电流回路与磁场2.网络接口协议（1）通信信号两台通信设备在通信过程中，是有“问”有“答”，主机在“问”时，处于占线状态，从机不能回“答”，当主机停止，电缆空出，从机才能回“答”，即1路双绞线轮流应用，通信速度慢，称为半双工通信。如果再加1条线，加的一条线作为公共线，通信时信号就可以双向同时进行，速度快1倍。但问题来了，因为3条线产生的感抗不能完全抵消掉，信号传递距离很近，只有15m左右。（2）RS-232通信协议在通信控制中，有很多场合是近距离通信，一对一传递，但要求速度快一些，例如，把计算机编制好的通信程序下载到PLC、变频器和HMI近距离通信控制，通信电缆有5m长就足够了。这一类的通信电缆就采用3条导线，RS-232通信电缆就是采用3线传输。（3）RS-485通信协议①通信电缆结构。RS-485通信电缆是远传电缆，要求通信距离达到1km以上，必须采用双绞线结构，图2-13（a）是RS-485通信电缆外形图，将2线绞在一起，外加屏蔽网和护套；图2-13（b）是电缆接头，接头分“孔头”和“针头”，电缆的两端采用“针头”接头，设备端采用“孔头”接头，应用时两个插头对接在一起。（a）RS-485电缆

（b）RS-485接头图2-13RS-485通信电缆与接头②RS-485通信电缆特点。RS-485通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps。RS-485总线一般最大支持32个节点，现在仍然在变频器中广泛应用。（3）RJ-45工业以太网通信协议①工业以太网通信简介。工业以太网（PROFINET）是在以太网技术和TCP/IP技术的基础上开发出来的一种工业网络。以前，以太网是在商业应用中作为办公网络，目前以太网在工业应用中的使用成为热点，将来工业以太网有可能成为工业控制网络结构的主要形式，形成一网到底的局面。要求在技术方面与商用以太网完成兼容，但是在产品设计方面，要满足工业现场操作的各种需求。②RJ-45以太网通信电缆协议。RJ-45工业以太网从技术层面要比RS-485容量大、速度快，传的远。作为通信电缆，通信线必须是“绞线”才能远传；要想速度快，可以绞线并联。图2-14（a）是以太网网线图，采用了8芯4组双绞线。图2-14（b）是RJ-45水晶接头（以太网还有其它形式的接头）。（a）RJ-45以太网网线

（b）RJ-45水晶接头RJ-45工业以太网采用了8芯4组并联，RS-485只有1组，因此，RJ-45工业以太网的通信能力要远大于RS-485，为通信控制提供了更加强大的基础资源。因为智能设备不断更新换代，要求网速越来越高，将来RS-485通讯因为资源小会被淘汰。3.G120变频器接口分类（1）控制单元型号为CU240B-2、CU240E-2和CU240E-2F，当基于RS-485通讯接口，采用USS或ModbusRTU通讯协议通讯控制时，接口定义如图2-15所示。如果此变频器位于网络的最末端，则DIP开关拨到“0N”上，表示已经接入终端电阻；DIP开关拨到“OFF”上，表示未接入终端电阻，未接入终端电阻可能通讯会出现干扰。RS-485接口的2号端子是通信的信号+，3号端子是通信的信号-，4号端子接屏蔽线。图2-15基于RS-485的（2）控制单元型号为CU240B-2DP、CU240E-2DP和CU240E-2DPF，在采用PROFIBUSDP通信协议通信控制时，通信接口定义如图2-16所示。如果此变频器位于网络的最末端，则DIP开关拨到“ON”上，表示已经接人终端电阻；DIP开关拨到“OFF”上，表示未接入终端电阻。图2-16基于RS-485的PROFIBUS-DP通讯接口（3）变频器通信参数设置变频器采用通信控制，要把变频器的地址、允许信号的波特率等参数进行设置。表2-10是变频器USS控制参数设置。表2-10变频器USS通信控制参数设置4.变频器通信协议在变频器通信控制中，有USS通信协议、ModbusRTU通信协议、PROFIBUS-DP通信协议等。这些通信协议有两个不同点，应用中要注意。（1）通信数据的编排顺序不同如USS通信协议是西门子公司为自己的PLC、变频器通信控制的专用协议，有自己的通信数据编排顺序；ModbusRTU通信协议是施耐德公司为自己的PLC和智能设备通信控制的专用协议，也有自己的通信数据编排顺序。因此，通信设备不能同时采用两种不同的通信协议。（2）通信功能不同通信协议都有自己的应用范围，如USS通信协议、ModbusRTU通信协议属于设备之间的通信协议，只有一台主机和从机进行通信控制；PROFIBUS-DP通信协议属于管理层面的通信协议，完成整个车间的通信管理。可以和多台主机进行通信控制，至于主机和从机可以采用其它的通信协议进行通信控制。2.3.4操作板应用1.BOP-2操作面板图2-17是BOP-2操作面板，面板具有操作功能和参数的读、写功能。具有英文显示，功能比BOP操作面板多一些。是变频器参数读写和就地操作常用选件。2.BOP-2操作面板应用BOP-2操作面板有显示界面和功能“键”。（1）显示界面显示界面可以显示物理量符号、指令代码和故障代码，可以通过显示界面进行参数的读写、变频器工作中的电流、频率、电压等物理量查询；变频器出现故障时可以通过显示界面查看故障代码，进行故障排除。

（2）功能键

功能键是变频器运行控制、参数预置的功能键。图中“I”键是运行键、“O”是停机键。“▲”键是加键，“▼”键是减键，用于加速和减速；用于预置参数时“数字量”的加或减。“ESC”和“OK”键是读写参数的专用键。2.3.5接口应用宏选用1.接口应用宏变频器应用之前，要选择控制端子和选择参数，这是一件非常麻烦的事情。G120变频器为满足不同的控制需要，将端子分为了多个不同的“应用宏”（G120变频器有22个不同的应用宏），这些应用宏涵盖了各种应用场景，当选择了和应用场景相吻合的“应用宏”，按照“应用宏”给出的端口进行连接，不用再选参数，使用非常方便。2.常用应用宏

表2-11是常用应用宏，选用时用参数p0015进行选择。如设置p0015=12，即表中“宏编号”中的12号被选中。表2-11G120变频器常用应用宏2.4PM240功率模块功能分析2.4.1PM240模块1.PM240模块功能PM240模块是变频器的功率模块，完成电能的转化控制。图2-18是PM240模块功能框图，CU控制单元将控制信号通过传输接口传输到PM模块的CPU，CPU是PM模块的控制核心，除了接受CU控制单元的控制指令之外，还对功率电路实施控制，产生PWM脉宽调制信号，将直流电逆变为三相可调频的正弦交流电，驱动电动机调速工作。图2-19是输出的三相交流电波形图，该三相交流电是频率和电压均可调整的交流电，通过调整交流电的频率和幅度完成对电动机的控制。图2-18G120-PM240功率模块

图2-19三相交流电波形图2.电动机对三相交流电的调速要求变频器对电动机进行调速控制，要满足电动机的两点要求，一是电动机调速时要保持电流的恒定，可以频繁起动和停机；二是电动机调速时要具有直流电动机的调速特性。这两点要求可以通过“恒压频比控制”模式和“矢量控制”模式来解决。2.4.2变频器U/f=C控制模式1.控制模式概述变频器驱动电动机完成各种工艺过程，这就要求变频器具有相关的工艺功能，这些工艺功能一方面是变频器和电动机相配合需要的功能，另一方面是电动机和负载相互配合需要的功能。这些功能都是为了完成特定的生产工艺，因此称为工艺控制功能或控制模式。变频器U/f=C就是最基本的控制模拟。2.变频器U/f=C控制原理

我国三相交流电频率为50Hz，低压电网电压为380V。工作在三相交流电网上的交流电动机按照50Hz、380V设计生产，50Hz、380V称为电动机的额定值。什么是额定值？就是电动机长期工作不被烧毁的电压、电流、频率等参数值，就称为额定值。变频器是变频工作，频率从0~50Hz可调，从电动机额定值的角度分析，超出了电动机额定值范围，电动机不能正常工作。（1）“恒压频比”控制原理电动机是电感电路，定子线圈可以等效为电感电路，如图2-20所示。

图2-20

电动机等效电路图电感电路的电压、电流用有效值表示时，符合欧姆定律，即或式中，U1为电压有效值，单位为V；I1为电流有效值，单位为A；XL为感抗，单位为Ω。感抗是频率的函数，即XL=2πfL（2-2）式中，f是电源的频率，单位Hz；L是电动机的电感量，单位为H。L为常数。由式中可见，f↓→XL↓，当f=0，XL=0。由（2-1）式可见，XL=0，IL→∞。即当频率很低时，电动机的电流趋近无穷。显然只改变频率调速是不行的。将式（2-1）改写，把电流IL定义为常量，有

式中C为常量，即当改变

f时电压也成比例的变化，可使电流不受影响。该式称为“恒压频比”控制。因为所有变频器都得按照“恒压频比”进行工作，又称“基本恒压频比”控制。变频器将“恒压频比”控制作为基本控制模式，并用参数定义。

例1已知电动机额定电压为380V，额定频率为50Hz，常数C为多少？解380V/50Hz=7.6（2-3）（2）“恒压频比”特性线根据“恒压频比”模式，当变频器的输出频率变化时，输出电压也同时成比例的变化。输出频率上升，输出电压上升，输出频率下降，输出电压下降，如图2-21所示。当频率上升到50Hz，输出电压上升到380V。在电动机起动时，为提高起动转矩，人为的将起动时的电压提高一些，称为低频转矩补偿，见图中虚线所示。图2-21恒压频比特性曲线3.“恒压频比”特性线设置

“恒压频比”特性线是针对电动机“额定值”设置的工作特性线，所以必须将电动机的额定值“预值”到变频器，变频器才能按照预置的“额定值”对电动机进行“恒压频比”控制。变频器需要设置的参数（以G120变频器为例）有：①模式选择参数：P1300=0，“P1300”是模式选择，“0”代表U/f=C控制。②电动机额定电压：P0304=380V，“P0304”是电动机的额定电压参数码，“380V”是电动机的额定电压值。③电动机额定频率：P0311=50Hz，“P0311”是电动机的额定频率参数码，“50Hz”是电动机的额定频率值。变频器根据设置的额定电压和额定电流值，生成恒压频比特性线。4.“恒压频比特性”总结（1）解决了笼型感应电动机的起动问题电动机在工频起动时起动电流是额定值的4~7倍，因此大功率电动机必须进行降压起动。变频器“恒压频比特性”起动是恒流起动，淘汰了降压起动装置，并且可以频繁启停，电动机不过载不过热。（2）解决了电动机工作中的工艺问题变频器控制的一个主要目的就是解决工作中的工艺问题，在调速控制中因为电流恒定，可以任意改变电动机的转速，完成各种复杂的控制工作。

（3）“恒压频比控制”是控制平台

变频器在“恒压频比控制”的基础上，根据工艺要求可以叠加上“矢量控制”、“转矩提升”等控制功能（软件），使变频器的控制功能满足工程需要。5.变频器加减速特性线变频器在工作时是从0Hz起动，起动时要有加速时间，逐渐上升到工作频率。这样起动电动机为恒流起动，不过载不过热；停机时是从工作频率逐渐下降为0Hz，电动机停机平稳。当负载惯性比较大时，还可以停机制动。图2-22是加减速定义图。图中50Hz是速度额定值，频率从0上升到50Hz所用时间t1称为加速时间；频率从50Hz下降到0Hz所用时间t2称为减速时间。加减速时间设置是应用最频繁的2个参数。图2-22加减速定义图2.4.3变频器控制总结1.“控制”和“显示”变频器控制功能，是变频器完成控制任务必须的功能。分为“控制”和“显示”两部分。“控制”是完成工作任务必须的功能，如运行、停机、升速、降速；速度切换、外部故障停机等，都属于“控制”范畴。“显示”是和“控制”捆绑在一起的功能，如果“控制”失去了“显示”，就如同走路失去了方向，是非常危险的。2.需要决定“控制”方式（1）本地控制本地控制就是在变频器的控制柜上进行控制。可以采用变频器“操作面板”进行控制。“操作面板”是最简单、最可靠的控制。多用于长期工作、没有频繁操作的生产设备。（2）频繁操作、需