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带你认识变频器,网上学不到的知识点!

时间:2017-08-07 11:53:16  来源:  作者:

一、内部主电路结构

       采用“交-直-交”结构的低压变频器,其内部主电路由整流和逆变两大部分组成,如图1所示。从R、S、T端输入的三相交流电,经三相整流桥(由二极管D1~D6构成)整流成直流电,电压为UD。电容器C1和C2是滤波电容器。6个IGBT管(绝缘栅双极性晶体管)V1~V6构成三相逆变桥,把直流电逆变成频率和电压任意可调的三相交流电。

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图1 变频器内部主电路

二、均压电阻和限流电阻

       图1中,滤波电容器C1和C2两端各并联了一个电阻,是为了使两只电容器上的电压基本相等,防止电容器在工作中损坏(目前,由于技术的进步,低压(380V)变频器的电解电容大多数可以不需要串联使用了)。在整流桥和滤波电容器之间接有一个电阻R和一对接触器触点KM,其缘由是:变频器刚接通电源时,滤波电容器上的电压为0V,而电源电压为380V时的整流电压峰值是537V,这样在接通电源的瞬间将有很大的充电冲击电流,有可能损坏整流二极管;另外,端电压为0的滤波电容器会使整流电压瞬间降低至0V,形成对电源网络的干扰。为了解决上述问题,在整流桥和滤波电容器之间接入一个限流电阻R,可将滤波电容器的充电电流限制在一个允许范围内。但是,如果限流电阻R始终接在电路内,其电压降将影响变频器的输出电压,也会降低变频器的电能转换效率,因此,滤波电容器充电完毕后,由接触器KM将限流电阻R短接,使之退出运行。

三、主电路的对外连接端子

       各种变频器主电路的对外连接端子大致相同,如图2所示。其中,R、S、T是变频器的电源端子,接至交流三相电源;U、V、W为变频器的输出端子,接至电动机;P+是整流桥输出的+端,出厂时P+端与P端之间用一块截面积足够大的铜片短接,当需要接入直流电抗器DL时,拆去铜片,将DL接在P+和P之间;P、N是滤波后直流电路的+、-端子,可以连接制动单元和制动电阻;PE是接地端子。

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图2 主电路对外连接端子

四、变频系统的共用直流母线

       电动机在制动(发电)状态时,变频器从电动机吸收的能量都会保存在变频器直流环节的电解电容中,并导致变频器中的直流母线电压升高。如果变频器配备制动单元和制动电阻(这两种元件属于选配件),变频器就可以通过短时间接通电阻,使再生电能以热方式消耗掉,称做能耗制动。当然,采取再生能量回馈方案也可解决变频调速系统的再生能量问题,并可达到节约能源的目的。而标准通用PWM变频器没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能。如果将多台变频器的直流环节通过共用直流母线互连,则一台或多台电动机产生的再生能量就可以被其他电动机以电动的方式消耗吸收。或者,在直流母线上设置一组一定容量的制动单元和制动电阻,用以吸收不能被电动状态电动机吸收的再生能量。若共用直流母线与能量回馈单元组合,就可以将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来,从而提高系统的节能效果。综上所述,在具有多台电动机的变频调速系统中,选用共用直流母线方案,配置一组制动单元、制动电阻和能量回馈单元,是一种提高系统性能并节约投资的较好方案。

       图3所示为应用比较广泛的共用直流母线方案,该方案包括以下几个部分。

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图3 变频器的公用直流母线

1.三相交流电源进线

       各变频器的电源输入端并联于同一交流母线上,并保证各变频器的输入端电源相位一致。图3中,断路器QF是每台变频器的进线保护装置。LR是进线电抗器,当多台变频器在同一环境中运行时,相邻变频器会互相干扰,为了消除或减轻这种干扰,同时为了提高变频器输入侧的功率因数,接入LR是必须的。

2.直流母线

       KM是变频器的直流环节与公用直流母线连接的控制开关。FU是半导体快速熔断器,其额定电压可选700V,额定电流必须考虑驱动电动机在电动或制动时的最大电流,一般情况下,可以选择额定负载电流的125%。

3.公共制动单元和(或)能量回馈装置

       回馈到公共直流母线上的再生能量,在不能完全被吸收的情况下,可通过共用的制动电阻消耗未被吸收的再生能量。若采用能量回馈装置,则这部分再生能量将被回馈到电网中,从而提高节能的效率。

4.控制单元

       各变频器根据控制单元的指令,通过KM将其直流环节并联到共用直流母线上,或是在变频器故障后快速地与共用直流母线断开。

02变频器的外接主电路

一、外接主电路结构

       变频器的外接主电路如图4所示。三相交流电源经断路器QF、交流接触器KM与变频器的电源输入端R、S、T连接;变频器的输出端U、V、W则与电动机直接相连,这时电动机的保护由变频器完成。这里的断路器作用有:一是变频器停用或维修时,可通过断路器切断与电源之间的连接;二是断路器具有过电流和欠电压等保护功能,可对变频器起一定的保护作用。而接触器可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电,同时,当变频器或相关控制电路发生故障时可自动切断变频器的电源。

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图4 变频器的外接主电路

二、相关元件的选择

       变频器输出端与电动机之间是否需要配置交流接触器,这要根据具体的应用环境来确定。一般情况下,一台变频器控制一台电动机,且不要求与工频进行切换时,变频器与电动机之间不要使用接触器,如图4所示。而一台变频器驱动多台电动机时,则每台电动机必须有单独控制的接触器,并选配合适的热继电器FR对电动机进行保护,具体电路如图5所示。有时虽然一台变频器仅驱动一台电动机,但有可能在变频与工频之间切换运行,这时也应在变频器与电动机之间配置接触器KM3和热继电器FR。如图6所示。接触器KM3在电动机工频运行时用于切断变频器输出端与电源之间的连接;热继电器FR可在工频运行时对电动机进行保护。

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图5 一台变频器驱动多台电动机

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图6 变频与工频切换

三、变频器与电动机之间的允许距离

       变频器的输出电压宣称是正弦交流电,而实际上输出的是电压脉冲序列,其频率等于载波频率,约几kHz~20kHz,幅值等于直流回路电压平均值,当变频器与电动机之间的连接线很长时,导线的分布电感和线间分布电容的作用将不可忽视,线间分布电容与电动机的漏磁电感之间有可能因接近于谐振点而导致电动机的输入电压偏高,使电动机损坏,或运行时发生振动。因此,变频器与电动机之间的允许距离(允许导线长度)受到了限制。由于各种变频器内部采用了不同的技术方案,所以其允许距离也有区别。表1是几种变频器与电动机之间允许距离规定值。

表1 几种变频器关于电动机导线允许长度的规定

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03变频器中的IGBT与功能模块

一、IGBT简介

1.IGBT的技术特点

       GTO(门极关断晶闸管)和GTR(电力晶体管)是电流驱动器件,具有很强的通流能力,而它们的开关速度较慢,所需驱动功率大,驱动电路复杂。电力MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)是单极型电压驱动器件,它的开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小,驱动电路简单。因此这两种器件各有其优缺点。

       IGBT(绝缘栅双极型晶体管)综合了GTR与MOSFET的优点,是以达林顿结构组成的一种新型电力电子器件,其主体部分与晶体管相同,有集电极C和发射极E,具有通流电流大,驱动功率小,驱动电路简单,开关速度快等良好的特性,自从20世纪80年代开始投入市场,应用领域迅速扩展,目前已经取代GTR和GTO,成为大、中功率电力电子设备的主导器件,该器件的工作电压和电流容量也在逐渐提高。

IGBT是GTR和MOSFET相结合的一种新器件,它的输入端和场效应晶体管相同,是绝缘栅结构,图7所示为IGBT的内部等效电路以及它的图形符号。

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图7 IGBT内部等效电路及图形符号

2.IGBT的技术参数

IGBT的主要技术参数有如下几个:

       1)集电极最大允许电流ICM:IGBT在饱和导通状态下,允许持续通过的最大电流。

       2)栅极驱动电压UGE:施加在栅极与发射极之间的电压。在变频器应用电路中,使IGBT饱和导通的UGE为12V~20V,而当IGBT截止时,UGE为-15V~-5V。

       3)集电极-发射极额定电压UCEX:IGBT的栅极-发射极短路、管子处在截止状态下集电极与发射极之间能承受的最大电压。

       4)开通时间与关断时间:电流从10%ICM上升到90%ICM所需要的时间,称作开通时间,用tON表示;电流从90%ICM下降到到10%ICM所需要的时间,称作关断时间,用tOFF表示。ICM是IGBT集电极最大允许电流值。

       5)集电极-发射极饱和电压UCES:IGBT在饱和导通状态下,集电极与发射极之间的电压降。

       6)漏电流ICEO:IGBT在截止状态下的集电极电流。

3.IGBT的使用注意事项

       随着电子技术及计算机控制技术的发展,IGBT正日益广泛地应用于小体积、低噪声、高性能的电源、通用变频器和电机控制、伺服控制、不间断电源(UPS)等场合。IGBT在使用过程中,应注意如下问题:

       1)一般IGBT的驱动级正向驱动电压UGE应保持在15V~20V,这样可使IGBT的饱和电压较小,损耗降低,避免损坏管子。

       2)关断IGBT的栅极驱动电压-UGE应大于5V,若这个负电压值太小,集电极电压变化率du/dt可能使管子误导通或不能关断。

       3)栅极和驱动信号之间应加一个栅极驱动电阻RG,该电阻的阻值与管子的额定电流有关,可以在IGBT使用手册中查到。如果不加这个电阻,管子导通瞬间,可能产生电流和电压颤动,增加开关损耗。

       4)设备短路时,IC电流会急剧增加,使UGE产生一个尖脉冲,这个尖脉冲会进一步增加IC电流,形成正反馈。为了保护管子,可在栅极—发射极间加一个稳压二极管,钳制G-E电压突然上升。当驱动电压为15V时,稳压管的稳压值可以为16V。

二、变频器中的模块逆变电路

       在变频器中,由IGBT以及相应的驱动控制、保护电路构成完整的逆变电路,实现将直流电逆变为交流电的功能。逆变电路可以由分立元器件或具有各种功能的模块电路构成。随着技术的发展和进步,分立元器件构成的逆变电路已经退出历史舞台。

1.IGBT模块

       在变频器的应用电路中,通常在IGBT的旁边反向并联一个二极管,而且经常做成模块形式,图8所示就是各种结构的IGBT模块。

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图8 几种结构的IGBT模块

2.EXB系列IGBT驱动模块及其应用

       富士EXB系列IGBT驱动模块是目前国内市场应用较多的驱动模块,该系列中一款驱动模块与IGBT的连接电路如图1-11所示,图中方框内的电路就是EXB驱动模块,方框边线上的数字是模块的引脚编号。模块的2脚和9脚是20V的工作电源,2脚为正;3脚是模块的驱动输出端,在模块内连接由晶体管V1、V2组成的推挽电路的中点,对外经栅极电阻RG连接IGBT的栅极;在2脚和9脚之间,电阻R1和稳压管VS稳压一个5V电压,经模块1脚与IGBT管的发射极连接;模块的6脚与IGBT管的集电极连接,用于进行过电流保护。

        CPU的控制信号从15脚和14脚输入。当15脚和14脚之间有输入信号时,该输入信号经隔离、放大器A放大,在a点形成高电位,使V1导通,V2截止,此时2脚的20V电压经V1、3脚、RG连接到IGBT的栅极G,使栅极G的电位为20V,而发射极E与1脚的5V连接,所以IGBT的栅极与发射极之间电压UGE=+20V-5V=+15V,IGBT饱和导通。

       当15脚和14脚之间的输入信号为0时,a点为低电位,此时V1截止,V2导通,模块的3脚经V2与9脚的0V连接,这时的情况相当于IGBT的栅极为0V,发射极为5V,因此UGE=-5V。IGBT截止。

       以上过程实现了驱动模块对IGBT的驱动控制。

3.IGBT的栅极电阻RG

       在图9中,IGBT的栅极接有一个电阻RG,这个电阻的选择非常重要,这是因为IGBT管的栅极G和发射极E之间存在着寄生的结电容CGE,这个电容的充放电将影响到IGBT的工作。RG阻值大,将延长IGBT的开通和关断时间;RG阻值太小,IGBT关断太快,将使IGBT的C、E极电压迅速从饱和导通状态时的低于3V上升到约为500V以上,这将通过集电极和栅极之间的结电容UCG产生反馈电流iCG,对IGBT的关断起到阻碍作用,甚至发生误导通。因此,栅极电阻RG的连接是必须的,不可缺少的。

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图9 富士EXB系列驱动模块与IGBT的连接电路

       栅极电阻的大小应严格按照IGBT的说明书选取。

4.驱动模块输出信号的放大

       IGBT是电压控制型器件,其栅极与发射极之间的输入阻抗很大,吸收信号源的电流和消耗的驱动功率也很小,但由于栅极G与发射极E之间存在着结电容CGE,在驱动信号作用下,也会吸收电流。容量越大的IGBT,CGE也越大,吸收的电流也越大,而驱动模块输出电流有时不足20mA,甚至只有几mA,所以对于在大容量变频器中使用的IGBT,驱动模块输出的驱动信号需要进行放大,如图10所示。

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图10 驱动模块输出驱动信号的放大电路

       在图10中,驱动模块输出端3脚与IGBT栅极之间接入了由V3和V4组成的推挽放大电路,将驱动信号进行再次放大,从而满足大容量IGBT的驱动需求。

5.智能电力模块IPM

       智能电力模块IPM是电力集成电路的一种,有时也称作智能电力集成电路SPIC。

       电力电子器件和配套的控制电路,过去都是分立元器件的电路装置,而今随着半导体技术及其相应工艺技术的成熟,已经可以将电力电子器件及其配套的控制电路集成在一个芯片上,形成所谓的电力集成电路。这种电路能集成电力电子器件、有源或无源器件、完整的控制电路、检测与保护电路,由于它结构紧凑、集成化程度高,从而避免了分布参数、保护延迟等一系列技术问题。

       下面介绍变频器中较常用的以IGBT为主开关器件的IPM。目前几十千瓦以下的变频器已经开始采用这种集成度高、功能强大的器件IPM。富士公司R系列IPM的型号含义如图11所示。

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图11 富士智能电力模块IPM型号含义

       图12所示为富士7MBP100RA060智能电力模块的内部结构图。模块内部包含7个IGBT和7个功率二极管。其中IGBT1~IGBT6构成三相逆变桥,VDF1~VDF6是与6个IGBT反向并联的回馈二极管。动力制动由IGBT7作为开关管,VDW是它的续流二极管。模块的16脚ALM端是报警信号输出端,可对模块的短路、控制电源欠电压、IGBT及VDF过电流、VDW过电流、IGBT芯片过热、外壳过热等各种运行异常实施保护,当ALM端有报警信号输出时,IGBT的电流通路被封锁,IPM受到保护。

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图12 富士7MBP100RA060智能电力模块内部结构图

       由于IPM内部的驱动电路是专门针对内部的IGBT设计的,因此具有最佳的驱动条件。IPM还内含制动电路,即由IGBT7等电路组成,只要在外电路端子P与B之间接入制动电阻,就能实现制动。

        7MBP100RA060智能电力模块的接线端子使用的符号及其含义如表2所示。

表2 7MBP100RA060智能电力模块的接线端子符号及其含义

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        使用IPM模块构成的变频器应用系统如图13所示。图中方框内是IPM模块,模块内的电路见图12。模块IPM右侧画出的是连接电动机、制动电阻的电路,以及整流滤波电路。制动电阻连接在端子P与B之间。模块左侧连接的是控制信号电路和报警输出电路。

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图13 IPM模块在变频器中的应用电路

        图13中的应用系统使用4组相互绝缘的控制电源,即UCC1、UCC2、UCC3和UCC4。其中逆变桥的上桥臂使用3组,下桥臂和制动单元共用1组。这4组控制电源还必须与主电源之间具有良好地绝缘。

        下桥臂控制电源的GND和主电源的GND已经在IPM内连接好,在IPM外部绝对不允许再连接,否则将会产生环流,引起IPM的误动作,甚至可能破坏IPM的输入电路。

04变频器配套使用的电抗器、滤波器

        变频器配套使用的电抗器,通常是由变频器生产厂家、或其它生产厂家生产的变频器专用配套产品,它是变频器产品的选购件。所谓变频器选购件,就是变频器正常销售出厂时并不一定向用户提供的配件,即标配以外的器件。而标配包括可以独立运行的变频器整机、变频器说明书、变频器合格证、包装箱以及一些必要的专用工具等。这些作为选购件的电抗器在变频器运行现场应用很多,可以解决一些运行现场的复杂技术问题。当然有些运行现场可以不使用电抗器。

1.三相输入电抗器

        将三相输入电抗器L接在电源和变频器之间,如图14所示,能限制电网电压突变和操作电压引起的电流冲击,有效地保护变频器并能够改善变频器的功率因数,抑制变频器输入电网的谐波电流。三相输入电抗器的外形如图15所示。

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图14 变频器接入三相输入电抗器

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图15 三相输入电抗器

一般出现如下情况时应使用三相输入电抗器:

        1)一条电源供电线路上有多台变频器同时运行,这时变频器相互之间会有明显的干扰。为了滤除或减轻这种干扰,可使用三相输入电抗器。

       2)电源相间电压不平衡度超过额定电压的1.8% 。

       3)给变频器提供电源的变压器容量较大,数值达到变频器容量的10倍以上时。

       4)其他应该使用输入电抗器的情况。

2.三相输出电抗器

       与输入电抗器一样,三相输出电抗器的结构也是在三相铁心上绕制三相线圈,如图16所示。由于电抗器是长期接入电路的,所以导线截面积应足够大,允许长时间流过变频器的额定电流。电抗器的电感量以基波电流流经电抗器时的电压降不大于额定电压的3%为宜。

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图16 三相输出电抗器

        如果电动机与变频器之间的距离无法减小到规定的数值以内,可以采取在变频器输出侧接入输出电抗器的方法,如图17所示。这时可以适当延长电动机与变频器之间的距离。输出电抗器可以补偿长线分布电容的影响,并能抑制输出谐波电流,提高输出高频阻抗,有效抑制dv/dt.减低高频漏电流,起到保护变频器,减小设备噪声的作用。

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图17 输出电抗器的连接

3.直流电抗器

       直流电抗器又称平波电抗器,主要用于变流器的直流侧,将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值,保持整流电流连续性,减小电流脉动值,改善输入功率因数。一种直流电抗器的外形如图18所示。图19所示是接入变频器电路中的直流电抗器。

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图18 直流电抗器

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图19 直流电抗器接入

4.能量回馈电抗器

       经常工作在发电状态的变频调速系统中,为更好的实现节能,把这部分能量进行并网或直接通过变频器直流母线被其他变频器负载吸收利用,在此过程中电抗器主要起到滤波、降压、防止涌流冲击以及最大限度输出正弦波电压和电流的作用,一般用在电梯、港口吊机、煤矿井架等负载可能具有位能的场合,能量回馈电抗器采用优质冷轧硅刚片和高温导线制作,具有耐动热稳定能力强,电感稳定、噪音小等特点。图20所示为一款回馈电抗器的外形图。

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图20 回馈电抗器

5.输入、输出滤波器

       变频器滤波器是一种无源低通滤波器,它是基于变频器在工作时,对电网及其他数字电子设备产生干扰的频谱分量电磁兼容性特点而专门设计的。能有效抑制沿电源线传播的传导干扰。

       变频器滤波器有输入滤波器和输出滤波器两种。一种常用的输入滤波器内部电路结构如图21所示。由图中可见其主要由线圈、电容器和电阻等构成。一种输入滤波器的外形见图22。输出滤波器的外形与此类似。

图21 输入滤波器内部电路结构图

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图22 输入滤波器外形图

       输出滤波器与输入滤波器有一定的区别,一是线圈的匝数不同,输入滤波器线圈的匝数稍多,这是由于输出电流中的高次谐波分量频率较高,等于载波频率;输入端的谐波是由于二极管整流电路、电容充电电路形成的,电源对变频器的输入电流实际上就是电容器的充电电流,这里的谐波频率略低,因此,绕制输入滤波器线圈的圈数稍多于输出滤波器。两者之间的第二个区别是电路结构不同,各滤波器生产厂商都会在滤波线圈两端加接电容器,但在输出滤波器的电路结构中,靠近变频器的一侧不允许有电容器,在电动机一侧连接的电容器应该串入限流电阻。输出滤波器的内部电路如图23所示。

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图23 输出滤波器内部电路结构图

       输入电抗器、输入滤波器、直流电抗器、变频器、输出滤波器、输出电抗器以及与电动机之间的连接关系如图24所示。当然对于一个具体的变频器应用系统来说,最终使用哪些非标配的选购件应由设计人员根据安装场所的需求决定。

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图24 电抗器、滤波器与变频器的连接关系

05变频器的功能参数设置方法

1.功能参数设置的意义

       变频器是当今先进科技的重要成果之一,其核心控制技术是微电子技术。变频器通常选用国际上档次较高的16位或32位单片机做主控芯片,所以必须要有合理的硬件电路,以及性能优异的控制程序软件。由于变频器面对众多需求各异的用户,所以其程序设计时,某些程序语句的赋值是不确定的,要求用户根据应用需求,从多个赋值中选择一个适合自己项目运行要求的给予确认。这就是变频器应用时必须事先根据项目要求进行功能参数设置的缘由。例如,富士G11S变频器的功能参数F01,其名称是“频率设定”,即由谁来决定变频器运行的频率。变频器给出了0~11共12种选择,根据设计和运行要求,选择0~11中的一个数字,即选择了变频器输出频率变化的依据。这种对变频器功能参数进行赋值选择的过程,就是对变频器功能参数的设置。

变频器的功能参数很多,通常有上百个,甚至几百个。为了调试和设置方便,有的变频器将自己的参数分成几个组,例如,基本功能参数组,辅助功能参数组,高级功能参数组等。每种变频器的参数分组方法、分组数量、分组名称各不相同。详细情况可查阅产品说明书。表3是几种低压变频器的功能参数代码表。

表3 几种变频器功能参数代码表

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2.功能参数设置的方法

       变频器、电动机软起动器以及各种数显仪表,都是以单片机为核心控制单元的智能化设备,使用前均应对其功能参数进行设置,这已成为电子电气技术人员的一项基本功。变频器功能参数的设置,通常通过操作控制面板上的按键来完成。因此应对变频器控制面板上的按键安排及其基本功能有所了解。图25是创世变频器面板上的按键及显示屏排列示意图,表4是面板上的按键名称及功能说明。

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图25 创世变频器面板按键及显示屏排列图

       表4 图25中按键名称及功能说明

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现以创世变频器为例,介绍功能参数的设置方法。上电后变频器进入运行监测模式并显示频率值,然后按以下步骤进行设置:

       1)按一下功能键FUN,进入编程模式,显示屏显示功能码P×××。

       2)用上下键和移位键配合选择所需设定的参数代码号,例如P005,用确认键ENT确认后,显示屏显示内容由参数代码号P005变为P005的参数值。

       3)再用上下键和移位键三键配合修改参数值,修改完毕按确认键ENT键保存,显示屏显示下一个参数代码号。

       4)重复上述2)、3)两项操作,直至将所有需要修改设置的参数设置完毕。

       5)按功能键FUN返回运行监测模式。

参数设置工作结束。

       对于型号各异的变频器,参数设置的方法大同小异。一个基本思想是:首先按一下功能键(有的变频器是按模式键或其他类似功能键,有的是按两下或n下),使变频器进入参数设置状态,显示屏上会显示一个参数代码;接着用上下键和移位键三个键配合修改,使显示的参数代码变成欲修改的代码(这三个键在所有变频器中都有配置),这时按确认键(所有变频器都配置具有确认功能的按键),显示内容变成欲修改代码的参数值;然后用上下键和移位键三个键配合修改代码的参数值;最后确认保存。如此反复操作直至设置完全部参数,并返回运行状态。

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