变频器世界

稳压管稳压电路

小孙按照张老师的嘱咐，在家里对直流稳压电源进行了复习。所以，又到张老师家去时，就主动地向张老师讲述自己对稳压电源的了解，以便求得张老师的指正。他首先拿出了如图7－4（a）所示的稳压管稳压电路。然后说：

最简单的直流稳压电路莫过于由稳压管构成的稳压电路了。

稳压管VS实际上是二极管处于反向击穿状态的特殊应用，其电流－电压特性如图7－4（b）所示。特点是，电压只有很微小的变化ΔUD，可导致电流从IVS1上升至IVS2，变化幅度很大。

稳压电路的最终目的，便是保持输出电压UD2的稳定。导致UD2发生变化的原因有两个方面：一是电源电压变化；二是负载电阻变化。分别说明如下：

（1）电源侧电压变化

以电压升高为例，当输入电压UD1升高，引起输出电压UD2也升高时，稳压管吸收的电流IVS迅速增大，使流过电阻RS的电流IS增大，RS上的压降ΔU增加，从而阻止了UD2的升高，实现了稳压。

（2）负载侧电阻变化

以负载电阻RL减小为例，当RL减小时，电流IL和IS都增大，压降US也增大，导致输出电压UD2下降，稳压管吸收的电流IVS迅速减小，使流过电阻RS的电流IS减小，RS上的压降ΔU也减小，阻止了UD2的下降，实现了稳压。”

小孙说完，抬头望了望张老师，意思是，有没有需要补充的？张老师点了点头，但却说：“这里，需要补充两件事情：

第一件，你方才的解释，着眼于得到稳定的直流电源，说得很好，但它还有另外的用途。”

“稳压管只能起稳压作用，还能有什么用途呢？”小孙感到新奇。

“从你方才的说明中，可以看出，当电压UD2发生变化时，流过稳压管的电流将发生显著的变化。因此，当需要控制某处的电压时，把被控制的电压作为输入信号，而把稳压管电路内的电流作为输出信号，则该稳压管将是一个十分灵敏的捕捉电压变化的器件。后面我们将看到，在变频器里，常有这样的用法。

第二件，有一种集成稳压器件，其特点如图7－5（a）中之PC所示，它有三个接线端：正极K、负极A和控制极C。

当通过电位器改变C极的电位uC时，K、A间输出的稳定电压可以在（2.5～36）V之间进行调节，如图7－5（b）所示。当电位器的滑动端滑动到最上端，使C极和K极等电位时，输出电压稳定在2.5V。降低C极电位，将使输出电压升高。

如果输入电压UD1不变，则：

uC↓→IPC↓→IS↓

→ΔU↓→UD2↑

可见，改变C极电位uC的大小，也就改变了稳压管吸收电流IS的大小。uC越低，IS越小。这个特点，变频器中也是常用的。我补充完了，你接着说吧。”

线性稳压电源和三端集成稳压器

小孙又拿出了图7－6，然后说：“图（a）所示，是晶体管串联稳压电源的电路，其原理是：

直流电压UD1通过晶体管VT调整后得到稳定的输出电压UD2。其稳压过程是：

当输出电压UD2减小时，运算放大器A的反相端电位下降，输出电位上升，晶体管VT的基极电流IB增加，VT的管压降减小，使输出电压UD2得以稳定。

图（b）所示，是三端集成稳压器的电路，它的使用方法比较简单，稳压效果也较好。”

“说得很好，下面，我们就言归正传，看看开关电源是怎么回事。”

开关电源的原理与优点

张老师拿出了图7－7，然后说：“把线性稳压电源里的晶体管VT从放大状态改变成开关状态，由一个脉宽调制（PWM）电路进行控制。脉冲的频率可以从10kHz到100kHz，甚至更高。要改变其输出电压，不是靠改变VT的管压降来得到，而是使VT处于开关状态，由脉冲系列控制VT的导通和截止，并且靠改变脉冲的占空比D来调节其输出电压，如图7－7（a）的所示：

当输出电压偏低时，加大占空比；而当输出电压偏高时，则减小占空比。

在这里，占空比的定义是：

D＝（7－1）

式中，D—脉冲的占空比；

tP—脉冲宽度，s；

tC—脉冲周期，s。

这样做有什么好处呢？

首先说变压器T。根据变压器的设计原理，与铁心截面积有关的因素是：

A＝K （7－2）

式中，A—铁心的截面积，mm2；

K—系数；

P—变压器的输出功率，kW；

f—频率，Hz；

Bm—最大磁通密度，Wb／mm2。

由式（7－2）可知，频率越高，变压器的体积越小，重量也越轻。

其次，要比较一下电路和功耗，你来分析一下。”

小孙思考了一会儿，画出了图7－8，然后说：“在线性稳压电源里，输入电压必须比输出电压略高，如图7－8（a）所示：

UD2＝UD1－ΔU（7－2）

式中，UD2—稳压电源的输出电压，V；

UD1—稳压电源的输入电压，V；

ΔU—稳压电源的电压降，V。

晶体管VT1处于放大状态，存在着较大的功率损耗：

ΔP＝ΔUIL（7－3）

式中，ΔP—稳压器件的功耗，W；

IL—负载电流，A。

在开关电源里，晶体管VT2工作在开关状态，是截止状态和饱和导通状态不断交替的工作状态，如图7－8（b）所示。在截止状态，功耗几乎为0，而在饱和导通状态，功耗也很小。所以，开关电源的功耗较小，这是开关电源的又一个优点。对不对？”

张老师微笑着点了点头，说：“分析得很好，但既然说是电源的功耗，就还需要补充一点。低频变压器的铁心用的是硅钢片，其涡流损失和磁滞损失相对较大，而高频变压器的铁心主要采用软磁铁氧体，其涡流损失和磁滞损失较小。”

小孙的手机来短信了，张老师风趣地说：“下课铃响了，下一次我们将正式讨论开关电源的工况，你先准备一下吧。”

小 孙 的 笔 记

1．稳压管稳压和晶体管线性稳压都是依靠调节电压降来保持输出电压的稳定的。它们存在着两大缺点：一是体积大，重量重；二是稳压过程中功率损耗大。

2．开关电源是通过改变脉冲的占空比来保持输出电压的稳定的。因为采用了高频脉冲控制，故变压器的体积和重量都大为减小，又因为晶体管工作在开关状态，运行过程中的功耗也小。

3．脉冲变压器的一次电压是单极性的脉冲波，但它的二次电压却是交变的。

4．脉冲变压器的一次绕组是一个大电感，当电路断开时，也必须有续流电路。但它的续流电流应该按指数规律下降，以便二次绕组得到负的方波。当在一次回路中串联电流的采样电阻时，采样电压的波形是锯齿波。

5．高频交变脉冲只需半波整流和电容器滤波，就足以得到十分平稳的直流电压了。这是因为：充电时，电路内并无阻碍电流上升的电感元件，放电时，又因为脉冲间的时间间隔太短而来不及衰减。

往期回顾

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提示：

西门子MM440变频器的工作原理和其它牌子变频器的工作原理并没有太大的区别，只是他们采用电子元件的型号和电路结构不同而已，小编向大家简要讲述西门子MM440变频器结构组成，这一节就和大家讲讲西门子MM440变频器的工作原理想了解更多工业电路板、电梯电路板、变频器相关知识请关注“从零开始学维修”。

西门子变频器

要想知道西门子MM440变频器的工作原理，首先我们要清楚一个问题，就是变频器是做什么用的？变频器是用来控制电动机速度的一个器件，它可以实现无极调速，被广泛用在自动化控制设备中。那么变频器是怎样进行调速的呢？把这个问题搞清楚也就懂得西门子MM440变频器的工作原理了。

西门子变频器驱动电路

西门子MM440变频器的工作原理是这样的。380VAC的交流电压经过VUB120-12No1整流三相整流进行整流，然后经过六个容量为560UF耐压400的电解电容组成滤波电路，把整流之后的脉动直流电转换成平滑的的直流电，然后再通过变频器的主电路板发出六路控制脉冲输给电压电流放大电路板，变频器维修界俗称这块电路板为驱动电路，驱动电路板将主电路板发出的六路脉冲进行电压及电流放大后，送给逆变电路板，通过逆变电路板中的IGBT模块6MBI75-120-02把直流电逆变成交流电，在逆变过程中主电路板又对逆变脉冲进行调制，从而实现电压在0～380V之间可调，频率在0HZ～50HZ之间可调，通过改变供给电动机的供电电压及频率，从而实现电动机无极调速的目的。

对于更详细的西门子MM440变频器的工作原理，朋友们有兴趣的话可以小编进行详细讨论，将会以图、文、实物相结合的方式向您系统的传授西门子MM440变频器的工作原理。想了解更多工业电路板、电梯电路板、变频器相关知识请关注“从零开始学维修”。

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提示：

8.2 变频调速系统调试

8.2.1 变频器的静态调试

（1）静态调试前检查

静态调试前检查的主要项目有：

①盘柜的外观检查：在送电之前，先目测观察控制柜外表有无撞击痕迹，柜内一次、二次设备元器件有无人为损坏、连接正确性、各元器件之间的电缆连接是否牢靠、控制线路接头是否松动。各个电动机电缆连接是否牢靠，各相对地绝缘是否满足标准要求。

②盘柜内及盘柜间二次回路接线检查。

③通电前应进行系统的模拟测试。

④与厂家配合进行通电前对开关柜、电缆、变压器、变频器电动机整个系统的检查确认。

（2）通电及参数设置

在完成上述静态检查无误后，按变频调速系统的调试方案的步骤送电至变频器；通电后，先检测三相电源是否缺相，电源是否稳定，应在允许范围内，观察显示器，并按产品使用手册变更显示内容，检查有否异常。听看风机运转否，有的变频器使用温控风机，一开机不一定转，等机内温度升高后风机才转。

进行变频器带电后的调试，技术参数的测试及设置。设置前先读懂产品使用手册，电动机能脱离负载的先脱离负载。变频器在出厂时设置的功能不一定符合实际使用要求，因此需进行符合现场所需功能的设置。对矢量控制的变频器，要按手册设置或自动检测。并在检查设置完毕后进行验证和储存。

8.2.2 变频器空载运行

变频器带机(即接上电动机)空载(即电动机不带负载)调试，下列几步至关重要。

（1）设置电动机的功率、极对数，以及确定变频器的工作电流。

（2）压/频(U/F)工作方式的选择包括最高工作频率、基本工作频率(即基底频率)和转矩类型等项目。

（3）按照变频器使用说明书对其电子热继电器功能进行设置。

（4）将变频器设置为自带键盘操作模式，按变频器自带的键盘的运行键、停止键，观察电动机是否能正常地启动、停止。将电动机所带的负载脱离或减轻，作以下空载运行检查：

①检查进线和出线电压，听电动机运转声音是否正常，检查电动机转向反了没有，反了首先要更换电动机接线校正。

②改变不同的运行频率进行观察，注意检查电动机温升情况及加减速是否平滑等。加速时间、减速时间的设置应满足设备运行速度控制的要求，同时不应在正常加速、减速过程中出现变频器过流过压等跳闸现象。不能满足升速要求应考虑加大变频器容量；降速出现问题时，应选用制动单元。

③各频率点有否异常震动、共震、声音不正常，如有共震应使用变频器跳频功能，避开该点。

④按设置的程序从头到尾试一遍进行确认。

⑤模拟日常会发生的操作，将各种可能操作做一遍确认无误

⑥听电动机因调制频率产生的震动噪声是否在允许范围内，如不合适可更改调制频率，频率选高了震动噪音减小，但变频器温升增加，电动机输出力矩有所下降，可能的话，调制频率低一些为好。

⑦测量输出电压和电流对称程度，对电动机而言不得有10%以上不平衡。

8.2.3 变频器负载试运行

变频器负载(即变频器接上电动机并且电动机带上负载)运行调试的检查项目有：

（1）手动操作变频器面板的运行停止键，观察电动机运行停止过程及变频器的显示窗，看是否有异常现象。对于低速重负荷的恒转矩负载，启动时变频器时常出现电流保护动作或位能负载出现溜车现象，均为启动力矩不够。解决的方法是提高低频时的启动力矩。应适当加大转矩的提升值（实际为低频电压补偿），提升转矩过大会加剧电动机低速铁芯过饱和引起电动机发热。如果变频器运行故障还是发生，应更换更大一级功率的变频器。如果变频器带动电动机在启动过程中达不到预设速度，可能有两种情况：

①系统发生机电共震，可从电动机运转的声音进行判断。采用设置频率跳跃值的方法，可以避开共震点。一般变频器能设置三级跳跃点。

②电动机的转矩输出能力不够，不同品牌的变频器出厂参数设置不同，在相同的条件下，带载能力不同，也可能因变频器控制方法不同，造成电动机的带载能力不同；或因系统的输出效率不同，造成带载能力会有所差异。对于这种情况，可以增加转矩提升量的值。如果达不到，可用手动转矩提升功能，不要设置过大，电动机这时的温升会增加。如果仍然解决不了问题，应改用新的控制方法，比如日立变频器采用U/F比值恒定的方法，启动达不到要求时，改用无速度传感器空间矢量控制方法，它具有更大的转矩输出能力。对于风机和泵类负载，应减少降转矩的曲线值。

（2）按正常负载运行，用钳型电流表测各相输出电流是否在预定值之内(观察变频器自显示电流也可，两者略有差别)。

（3）对有转速反馈的闭环系统要测量转速反馈是否有效，做一下人为断开和接入转速反馈，看一看对电动机电压电流转速的影响程度。

（4）检查电动机旋转平稳性，加负载运行到稳定温升(一般3h以上)时，电动机和变频器的温度有否太高，如有太高应调整，调整可从改变以下参数着手：负载、频率、U/F曲线、外部通风冷却、变频器调制频率等。

（5）试验电动机的升降速时间有否过快过慢，不适合应重新设置。检查此项设置是否合理的方法是先按经验选定加、减速时间进行设置，若在启动过程中出现过流，则可适当延长加速时间；若在制动过程中出现过压，则适当延长减速时间。

（6）试验各类保护显示的有效性，在允许范围内尽量多做一些非破坏性的各种保护的确认。如果变频器在限定的时间内保护仍然动作，应改变启动/停止的运行曲线，从直线改为S形、半S形线或反S形、反半S形线。电动机负载惯性较大时，应该采用更长的启动停止时间，并且根据其负载特性设置运行曲线类型。

如果变频器仍然存在运行故障，应尝试增加最大电流的保护值，但是不能取消保护，应留有至少10%～20%的保护余量。

（7）按现场工艺要求试运行24小时，随时监控，并做好记录作为今后工况数据对照。

在手动负载调试完成后，如果系统中有上位机，将变频器的控制线直接与上位机控制线相连，并将变频器的操作模式改为端子控制。根据上位机系统的需要，进行系统调试。

8.2.4 低压变频器的调试

（1）空载检查及参数予置

低压变频器可以在不接通主电源，而只接控制电源的情况下，检查变频器。小功率变频器可以把主接线端子排上的短路片去掉，输入380V电源，大功率变频器一般都有控制电压输入端子，可用一电缆接人380V电源检查变频器（注意：接之前应将两端子上与三相输入相连的两根线去掉），参照说明书，熟悉各个键盘的使用方法，即了解键盘上各键的功能，进行试操作，并观察显示的变化情况。按说明书要求进行“启动”、“停止”等基本操作，观察变频器的工作情况是否正常，同时进一步熟悉键盘的操作。

上述模拟操作完成后，变频器开机，频率升至50Hz,，用万用表（最好用指针式）测量三相输出电压应平衡。按照说明书介绍的方法对主要参数进行予置，较易观察的项目如升速和降速时间、点动频率、多档转速时的各档频率等，检查变频器的执行情况是否与予置的相符合。

模拟操作和检查完成后，变频器停电，小功率的将拆下的短路片上回原处（注意上之前主回路上短路片的两个端子要放电）。大功率的应将控制端子的两根外接线去掉，并将原来的接线恢复。

（2）空载运行

检查变频器外接控制线接线是否正确和牢固可靠，变频器的三相输出先不接电动机线，给变频器的三相输入380V电源，启动变频器运行，检查和测试变频器空载运行情况。

（3）负载运行

经空载运行检查和测试，证明变频器是正常的，即可以带负载运行了。变频器的负载运行包括轻载试运行和重载运行，即正常运行。

试运行前一般都应检测一下电动机的绝缘，绝缘电阻不能低于规范要求值。将变频器的输出接上电动机线，变频器送电，由键盘启动变频器作以下试运行及试验：

（1）点动或在低频下试运转。观察电动机的正反转方向，若是反转，可利用变频器的正反转端子调整，或停电后调整变频器的输出接线进行调整。有的机械可能不允许反转，这时就应当将电动机与机械的联轴器拆开，点动电动机空转，调整好转向后再将联轴器联结好。

（2）起转试验。使工作频率从0Hz开始漫漫增大，观察拖动系统能否起转。在多大频率下起转，如起转比较困难，应设法加大启动转矩。具体方法有：加大启动频率，加大U/F比，以及采用矢量控制等。

（3）启动试验。将给定信号加至最大，观察启动电流的变化；整个拖动系统在升速系统中，运行是否平稳。如因启动电流过大而跳闸，则应适当延长升速时间。如在某一速度段启动电流偏大，则设法通过改变启动方式（S形、半S形等）来解决。

（4）停机试验。将运行频率调至最高工作频率，按停止键，观察拖动系统的停机过程。停机过程中是否出现因过电压或过电流而跳闸，如有，则应适当延长降速时间。当输出频率为0Hz时，拖动系统是否有爬行现象，如有，则应加入直流制动。

（5）拖动系统的负载试验。负载试验的主要内容有：

①如fmax>fN，则应进行最高频率时的带载能力试验，也就是在正常负载下能否带得动。

②在负载的最低工作频率下，应考察电动机的发热情况。使拖动系统工作在负载所要求的最低转速下，施加该转速下的最大负载，按负载所要求的连续运行时间进行低速运行试验，观察电动机的发热情况。

③过载试验可按负载可能出现的过载情况及持续时间进行试验，观察拖动系统能否继续工作。

调整完后，变频器正式负载运行，一般应观察24小时以上。

8.2.5 高压变频器的调试

高压变频器的调试步骤如下：

（1）将柜门上的隔离开关拉下，并将柜门上的“变频启动”按扭旋开，使其呈断开状态。送电后，用万用表的高压挡“2500V”档测量三相输入电压（一定注意安全），应在规定的范围内，并三相平衡，若不正确，应停电检查供电电源。

（2）电源正常后，合上隔离开关闸刀，用万用表检测控制电源的220V电压（测量里面的接线插盒即可）是否在规定的范围内（220V±20%），若超出此范围，应拉下高压隔离开关的闸刀，调整控制变压器的接头，直至满足要求为止。

（3）用一个单相插头取一根线接在控制端子排的“C”端子上，另一头的两相插在接线盒上（老机型一根线接在“C”上，另一根线接在“D”上），合上隔离开关闸刀，变频器应能送上控制电，面板上显示“43.21”过几秒钟“PRO”灯亮（新机型），或只有“PRO”灯亮（老机型），若不显示可将插头反过来重新插入。

（4）面板显示正常后，可检查变频器的控制功能是否正常。用万用表检测延时可控硅两端的电压（即延时电阻上的电压），应在１.00Ｖ左右。将变频器的“开/停机”开关打在“开机”位置，变频器应能开机，调节“频率调节”旋扭，变频器频率应从“2.00”升至“50.00”。用万用表测量变频器的三相输出端子（这时应从变频器一侧测量，因柜子并没有接通主电，变频器的主接触器没有吸合），三相电压应相互平衡，对中线也应相互平衡。电压大致是2300V等级的三相电压为15V左右，对中线为10V左右；1140V等级的三相电压为9V左右，对中线为5V左右。若不平衡，应检查柜子在运输过程中有无掉线或其他问题。

（5）运行参数的设置。这包括变频器参数和电动机保护仪参数的设置两步：

①变频器参数的设置。因变频器出厂时一般是按2300V/125kW或1140V/75kW而设计的，因此应根据现场负载的要求重新设置，包括额定电流、过载保护电流，其他参数一般不需要修改。

②电动机保护仪的参数设置。电动机保护仪的参数包括欠载电流、过载电流、欠压设置、过压设置等。

参数的设置方法可参照相应的说明书进行，主要有两种，BK-3型和BK-J1型。BK-3型的方法是在显示器显示“Ｐ”（刚送电或按四次“上档”键）时，可对参数值进行修改。根据需要的数值，按相应的数字键，再按“上档”或“下档”键，最后按相应的功能键，即可完成参数值的修改。

BK-JI型的方法是在就绪画面（刚送电或按四次“上档”键）状态下，按一次“上档”键，再按一次“整定值”键，屏幕显示整定值操作画面。画面上有光标闪烁，在光标闪烁位置可输入相应的数据。按“移动”键，光标可上下移动，屏幕右上角的箭头（“↑”或“↓”）指出当前的移动方向。按“上档”、“方向”键可以改变箭头的方向。输入完毕后，应按四次“上挡”键保存修改结果。

（6）带载运行。参数设置好后，就可将插盒上的插头拔下，并将外接的“Ｃ”（或者“C”、“D”两点）点上的线拆掉，就可以带载运行。

将柜门上的“变频启动”按扭按下，待设置的延时时间到后，机内接触器吸合，变频器显示“43.21”并且“PRO”亮（新机型）或只有“PRO”亮（老机型），将变频器上的“开停机”开关打在“开机”位置，变频器即可从最低频率逐渐上升，调节“频率调节”旋扭，使频率先升至30Hz，用钳形电流表测量三相输出电流，应基本平衡，不平衡度不应超过20%。然后再升至用户要求的频率。再用钳形电流表测量输入、输出电流，三相都应基本平衡。

若在调节过程中出现频率不上升的情况，即调整频率调节旋扭时，频率不上升，输出电流持续增大，呈限速保护状态，直至过流保护，这可能是低频补偿不足造成，可调节主控板上的补偿电位器（老机型）或通过设置变频器的参数“低频补偿”（新机型）予以解决。调整时注意只要输出电流下来，频率能升上去即可，也不可调整过大，以免过补偿，在运行过程中电流过大而使电动机及变频器超电流而不正常运行。

正常运行后，可根据运行电流对电动机保护仪的参数重新调整一下，以达到可靠保护又能正常运行的状态。调整完后，系统可进行变频运行，正常后，启动电动机保护仪，保护仪显示正常后，旋开“变频启动”旋扭（投入电动机保护仪保护，不旋开不起作用），柜子上的各种仪表指示都正常，调试即完毕。

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