(三墾力達(dá)電氣（江陰）有限公司)李魁民、王宇、李艷、顧寧、錢夕鋒

一、 前言
    由于電力電子器件、微計(jì)算機(jī)芯片的快速更新，為變頻器產(chǎn)品的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)，變頻器的用途越來(lái)越廣泛，變頻器的體積越來(lái)越小、功能越來(lái)越強(qiáng)、價(jià)格越來(lái)越為用戶所接受。尤其是小容量的變頻器，在性能可靠、功能滿足要求的前提下，外型的小型化、低價(jià)格顯得越來(lái)越重要。

    三墾最新迷你型變頻器SAMCO-e是針對(duì)用戶這一需求而開(kāi)發(fā)、研制的高性能、多功能、靜音式、迷你型變頻器，它具有自動(dòng)節(jié)能功能、標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通訊功能、V/f分離功能等多種功能；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、主電路采用上進(jìn)下出的電源配線方式、控制基板采用防濕處理技術(shù)，可適應(yīng)惡劣的環(huán)境、操作方便，較好地實(shí)現(xiàn)了變頻器的小型化特點(diǎn)。

二、 SAMCO-e系列迷你型變頻器的主要功能
    SAMCO-e系列迷你型變頻器是在三墾變頻器SAMCO-Vm05的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，他對(duì)SAMCO-Vm05的功能進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，保留了主要的實(shí)用功能，對(duì)小容量變頻器用不到的一些功能進(jìn)行了刪減，并增加了操作面板電位器調(diào)節(jié)功能、內(nèi)置制動(dòng)單元等功能，使之更具通用性與實(shí)用性。

1、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置PID控制功能
    SAMCO-e系列迷你型變頻器中標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置PID控制功能，并提供了兩種模擬量信號(hào)的給定或反饋通道：VRF（0―5V或0―10V電壓給定或反饋信號(hào)）、IRF（4―20mA標(biāo)準(zhǔn)電流給定或反饋信號(hào)），使閉環(huán)控制非常方便。PID結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，采樣周期為10ms。

圖1、SAMCO-e的PID控制器結(jié)構(gòu)圖

    圖中：P為比例增益，可通過(guò)Cd122功能碼設(shè)定；I為積分增益，可通過(guò)Cd123功能碼設(shè)定；D為微分增益，可通過(guò)Cd124設(shè)定；Ts為采樣周期10ms；Tf為反饋濾波時(shí)間，可通過(guò)Cd125設(shè)定。

   PID控制的傳遞函數(shù)如下：G（S）=Fo/Fe=P+1/（S?Ts）+S?Ts?D

2、V/f分離控制功能
    在某些應(yīng)用場(chǎng)合或?qū)τ谀承┨厥怆姍C(jī)（如直線電機(jī)或力矩電機(jī)）的應(yīng)用，傳統(tǒng)的V/f=常數(shù)的控制方式已不能達(dá)到控制要求。SAMCO-e系列迷你型變頻器在V/f控制的基礎(chǔ)上采用V/f分離技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)V/f比例分離控制及V/f完全分離控制，從而拓寬了通用變頻器在特種場(chǎng)合或特種電機(jī)上的應(yīng)用領(lǐng)域。

（1） V/f比例分離控制：V/f比例分離是在通常的V/f圖形中通過(guò)變頻器的外部控制端子VRF輸入的模擬電壓指令VVRF（0―10V），將對(duì)應(yīng)當(dāng)前頻率的電壓指令Vin進(jìn)行增益，從而給變頻器發(fā)出輸出電壓指令，保持頻率指令與電壓指令的新的比例關(guān)系，VRF的控制公式如下式所示：Vout=Vin+(VVRF-5V)/5V?Vin

    式中：Vin為通常V/f控制時(shí)的輸出電壓指令；Vout為調(diào)節(jié)后的輸出電壓指令；VVRF為VRF端子輸入的模擬電壓值（0V―10V）。

（2） V/f完全分離控制：即頻率指令與輸出電壓指令完全獨(dú)立，不論在什么輸出頻率下，輸出電壓完全根據(jù)基準(zhǔn)電壓值通過(guò)外部控制端子VRF的模擬輸入值VVRF（0―10V）進(jìn)行控制。VRF端子輸入的控制電壓與變頻器輸出電壓的關(guān)系如下：Vout=Vbase☓VVRF/10V

    式中：Vout為變頻器的輸出電壓指令；Vbase為基準(zhǔn)電壓值；VVRF為VRF端子輸入的模擬電壓值。

    此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在變頻器輸出頻率固定的基礎(chǔ)上，輸出電壓的連續(xù)可調(diào)節(jié)。這對(duì)于力矩電機(jī)的控制是很有效的。

3、自動(dòng)節(jié)能功能
    采用變頻器實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制是變頻器的主要應(yīng)用之一，尤其是在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的控制及應(yīng)用上，運(yùn)行頻率的下降將取得非常良好的節(jié)能效果，這已被用戶廣泛地接受。

    SAMCO-e的節(jié)能控制技術(shù)，不是指以上通過(guò)降低頻率運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)的節(jié)能，它是通過(guò)在V/f控制模式下對(duì)負(fù)載情況的檢測(cè)，合理地自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓，從而進(jìn)一步地提高電機(jī)的運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。自動(dòng)節(jié)能控制時(shí)的輸出電壓控制如下圖所示：

圖2、自動(dòng)節(jié)能控制輸出電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程

    采用自動(dòng)節(jié)能控制功能，在電機(jī)負(fù)載率較小時(shí)可以取得良好的節(jié)能效果。

4、標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊功能
    SAMCO-e系列變頻器中內(nèi)置了RS485通訊接口，通過(guò)一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)32臺(tái)變頻器的控制?？刂苾?nèi)容可以是變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)、停止、頻率設(shè)定、監(jiān)視運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、讀取功能代碼及設(shè)定代碼等。

5、其它控制功能
（1） 操作面板標(biāo)準(zhǔn)配置調(diào)節(jié)頻率用電位器，可通過(guò)操作面板上的電位器直接進(jìn)行頻率設(shè)定。
（2） 標(biāo)準(zhǔn)配置連接直流電抗器用端子。
（3） 內(nèi)置制動(dòng)單元，在發(fā)生電機(jī)能量反饋的場(chǎng)合使用更方便。
（4） 具有6路外部輸入多功能控制端子及1路模擬量輸出控制端子，可以通過(guò)設(shè)定代碼選擇各種控制功能。
（5） 數(shù)據(jù)復(fù)制功能：采用SAMCO-Vm05的操作面板可以對(duì)SAMCO-e系列變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，同時(shí)可以將設(shè)定值存貯在此塊操作面板中，將這塊操作面板安裝在其它SAMCO-e系列變頻器上通過(guò)設(shè)定一個(gè)代碼即可將所有已設(shè)定的數(shù)據(jù)復(fù)制給其它變頻器，從而極大地減小了相同參數(shù)設(shè)定的工作量。
（6） 變更數(shù)據(jù)查詢功能：目前變頻器的功能代碼越來(lái)越多，要在幾百個(gè)代碼中確認(rèn)已設(shè)定的代碼值成為一件非常煩瑣的事，SAMCO-e系列變頻器具有變更數(shù)據(jù)查詢功能，只要設(shè)定一個(gè)代碼就可以查詢出所有與出廠值不同的代碼及數(shù)值。
（7） 多種保護(hù)功能：SAMCO-e系列具有過(guò)電流、過(guò)載、欠壓、過(guò)壓、輸入輸出缺相等多種保護(hù)功能，從而使變頻器更可靠。

三、 SAMCO-e系列的結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)
    SAMCO-e系列變頻器主要由操作面板、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、和主電路構(gòu)成，外殼及安裝結(jié)構(gòu)采用抗油性塑料結(jié)構(gòu)。在器件的選型及安全距離上采用CE標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1、SAMCO-e系列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    作為迷你型變頻器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的。SAMCO-e采用了3維CAD設(shè)計(jì)軟件（CATIA）對(duì)塑料外殼及安裝結(jié)構(gòu)的3維立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行同時(shí)立體設(shè)計(jì)，盡量的減少多余的不必要空間及安裝螺絲的數(shù)量，從而有效地使變頻器的體積小型化并有效地減少了生產(chǎn)時(shí)的工時(shí)。

    變頻器的散熱采用外部強(qiáng)制風(fēng)冷的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)IPM的溫度特性，對(duì)鋁散熱器進(jìn)行散熱仿真，從而進(jìn)行了散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用散熱片片距與片高高比例的方法，使之在充分滿足散熱條件的前提下體積及重量縮小化。

    采用CATIA進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的略圖如下圖所示：

                                     圖3、SAMCO-e的結(jié)構(gòu)略圖
   
2、SAMCO-e的主電路設(shè)計(jì)
   SAMCO-e的主電路原理框圖如圖4所示：

      圖4、SAMCO-e的主電路框圖

    主功率器件采用內(nèi)含整流、制動(dòng)單元及逆變橋的小型功率模塊。在外部主電路接線的設(shè)計(jì)上采用上進(jìn)、下出的方式。所有機(jī)種均標(biāo)準(zhǔn)配置有X1、X端子，用于連接改善功率因素用選購(gòu)件直流電抗器DCL。由于內(nèi)置制動(dòng)單元，因此在需要使用制動(dòng)電阻的場(chǎng)合，只要將制動(dòng)電阻直接連接至P、PR端子即可。

3、SAMCO-e的控制電路設(shè)計(jì)
    SAMCO-e的控制電路原理框圖如圖5所示。它由微處理器CPU、存貯器、通訊控制器件、驅(qū)動(dòng)電路接口、外部輸入輸出接口電路等組成。

                             圖5、SAMCO-e的控制電路框圖

    SAMCO-e采用32位80PIN的小型封裝RISC芯片作為CPU，主時(shí)鐘采用7.1MHZ晶振。此RISC具有強(qiáng)大的功能，可直接產(chǎn)生PWM控制波形而無(wú)需專用的LSI，從而實(shí)現(xiàn)了控制電路的精減化及小型化。

4、操作面板的電路設(shè)計(jì)
    操作面板電路原理框圖如圖6所示。它由調(diào)節(jié)頻率用電位器、按鈕開(kāi)關(guān)電路、四個(gè)7段LED顯示電路及二個(gè)8位的移位寄存器組成。

                            圖6、操作面板電路原理框圖

    操作面板中不含CPU，其數(shù)據(jù)、指令的發(fā)送及讀取均是通過(guò)主控板的CPU來(lái)完成的。操作面板與主控板的連接采用8PIN的RJ45接口，操作回路的控制采用時(shí)鐘同步式串行通訊方式實(shí)現(xiàn)。

    操作面板上的電位器可直接進(jìn)行頻率控制的設(shè)定。同時(shí)也可以將操作面板通過(guò)延長(zhǎng)線引出或采用SAMCO-Vm05系列變頻器的操作面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及控制。

四、 小結(jié)
    SAMCO-e系列變頻器是在SAMCO-Vm05高性能通用型變頻器基礎(chǔ)上由日本三墾電氣株式會(huì)社最新開(kāi)發(fā)研制的新一代迷你型變頻器，其在功能上繼承了SAMCO-Vm05的實(shí)用性，在結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)上采用三維立體設(shè)計(jì)技術(shù)及新型小型電力電子器件及CPU，從而使結(jié)構(gòu)緊湊、電路簡(jiǎn)捷、可靠性高，較好地實(shí)現(xiàn)了變頻器的外型小型化。

參考文獻(xiàn)：
[1]《高性能迷你型變頻器SAMCO-e使用說(shuō)明書(shū)》，三墾力達(dá)電氣（江陰）有限公司。
[2]Soga Yasunori, Seiichiro Sato etc. “Small General Purpose Inverter SAMCO-e” ，日本三墾電氣株式會(huì)社技報(bào)，2003。