三垦力达电气（江阴）有限公司

(三垦力达电气（江阴）有限公司)李魁民、王宇、李艳、顾宁、钱夕锋

一、 前言
    由于电力电子器件、微计算机芯片的快速更新，为变频器产品的发展提供了良好的基础，变频器的用途越来越广泛，变频器的体积越来越小、功能越来越强、价格越来越为用户所接受。尤其是小容量的变频器，在性能可靠、功能满足要求的前提下，外型的小型化、低价格显得越来越重要。

    三垦最新迷你型变频器SAMCO-e是针对用户这一需求而开发、研制的高性能、多功能、静音式、迷你型变频器，它具有自动节能功能、标准的RS-485通讯功能、V/f分离功能等多种功能；结构设计合理、主电路采用上进下出的电源配线方式、控制基板采用防湿处理技术，可适应恶劣的环境、操作方便，较好地实现了变频器的小型化特点。

二、 SAMCO-e系列迷你型变频器的主要功能
    SAMCO-e系列迷你型变频器是在三垦变频器SAMCO-Vm05的基础上开发设计的，他对SAMCO-Vm05的功能进行了严格的筛选，保留了主要的实用功能，对小容量变频器用不到的一些功能进行了删减，并增加了操作面板电位器调节功能、内置制动单元等功能，使之更具通用性与实用性。

1、标准内置PID控制功能
    SAMCO-e系列迷你型变频器中标准内置PID控制功能，并提供了两种模拟量信号的给定或反馈通道：VRF（0―5V或0―10V电压给定或反馈信号）、IRF（4―20mA标准电流给定或反馈信号），使闭环控制非常方便。PID结构框图如下图所示，采样周期为10ms。

图1、SAMCO-e的PID控制器结构图

    图中：P为比例增益，可通过Cd122功能码设定；I为积分增益，可通过Cd123功能码设定；D为微分增益，可通过Cd124设定；Ts为采样周期10ms；Tf为反馈滤波时间，可通过Cd125设定。

   PID控制的传递函数如下：G（S）=Fo/Fe=P+1/（S?Ts）+S?Ts?D

2、V/f分离控制功能
    在某些应用场合或对于某些特殊电机（如直线电机或力矩电机）的应用，传统的V/f=常数的控制方式已不能达到控制要求。SAMCO-e系列迷你型变频器在V/f控制的基础上采用V/f分离技术，可以实现V/f比例分离控制及V/f完全分离控制，从而拓宽了通用变频器在特种场合或特种电机上的应用领域。

（1） V/f比例分离控制：V/f比例分离是在通常的V/f图形中通过变频器的外部控制端子VRF输入的模拟电压指令VVRF（0―10V），将对应当前频率的电压指令Vin进行增益，从而给变频器发出输出电压指令，保持频率指令与电压指令的新的比例关系，VRF的控制公式如下式所示：Vout=Vin+(VVRF-5V)/5V?Vin

    式中：Vin为通常V/f控制时的输出电压指令；Vout为调节后的输出电压指令；VVRF为VRF端子输入的模拟电压值（0V―10V）。

（2） V/f完全分离控制：即频率指令与输出电压指令完全独立，不论在什么输出频率下，输出电压完全根据基准电压值通过外部控制端子VRF的模拟输入值VVRF（0―10V）进行控制。VRF端子输入的控制电压与变频器输出电压的关系如下：Vout=Vbase☓VVRF/10V

    式中：Vout为变频器的输出电压指令；Vbase为基准电压值；VVRF为VRF端子输入的模拟电压值。

    此技术实现了在变频器输出频率固定的基础上，输出电压的连续可调节。这对于力矩电机的控制是很有效的。

3、自动节能功能
    采用变频器实现节能控制是变频器的主要应用之一，尤其是在风机、水泵类负载的控制及应用上，运行频率的下降将取得非常良好的节能效果，这已被用户广泛地接受。

    SAMCO-e的节能控制技术，不是指以上通过降低频率运行而实现的节能，它是通过在V/f控制模式下对负载情况的检测，合理地自动调节变频器的输出电压，从而进一步地提高电机的运行效率，达到节能的目的。自动节能控制时的输出电压控制如下图所示：

图2、自动节能控制输出电压自动调节过程

    采用自动节能控制功能，在电机负载率较小时可以取得良好的节能效果。

4、标准RS485通讯功能
    SAMCO-e系列变频器中内置了RS485通讯接口，通过一台计算机可以实现对32台变频器的控制。控制内容可以是变频器的运转、停止、频率设定、监视运转状态、读取功能代码及设定代码等。

5、其它控制功能
（1） 操作面板标准配置调节频率用电位器，可通过操作面板上的电位器直接进行频率设定。
（2） 标准配置连接直流电抗器用端子。
（3） 内置制动单元，在发生电机能量反馈的场合使用更方便。
（4） 具有6路外部输入多功能控制端子及1路模拟量输出控制端子，可以通过设定代码选择各种控制功能。
（5） 数据复制功能：采用SAMCO-Vm05的操作面板可以对SAMCO-e系列变频器进行参数设定，同时可以将设定值存贮在此块操作面板中，将这块操作面板安装在其它SAMCO-e系列变频器上通过设定一个代码即可将所有已设定的数据复制给其它变频器，从而极大地减小了相同参数设定的工作量。
（6） 变更数据查询功能：目前变频器的功能代码越来越多，要在几百个代码中确认已设定的代码值成为一件非常烦琐的事，SAMCO-e系列变频器具有变更数据查询功能，只要设定一个代码就可以查询出所有与出厂值不同的代码及数值。
（7） 多种保护功能：SAMCO-e系列具有过电流、过载、欠压、过压、输入输出缺相等多种保护功能，从而使变频器更可靠。

三、 SAMCO-e系列的结构及硬件设计
    SAMCO-e系列变频器主要由操作面板、控制电路、驱动电路、和主电路构成，外壳及安装结构采用抗油性塑料结构。在器件的选型及安全距离上采用CE标准的要求进行设计。

1、SAMCO-e系列的结构设计
    作为迷你型变频器，结构设计是非常重要的。SAMCO-e采用了3维CAD设计软件（CATIA）对塑料外壳及安装结构的3维立体结构进行同时立体设计，尽量的减少多余的不必要空间及安装螺丝的数量，从而有效地使变频器的体积小型化并有效地减少了生产时的工时。

    变频器的散热采用外部强制风冷的设计方法，根据IPM的温度特性，对铝散热器进行散热仿真，从而进行了散热器的结构优化，采用散热片片距与片高高比例的方法，使之在充分满足散热条件的前提下体积及重量缩小化。

    采用CATIA进行结构设计的略图如下图所示：

                                     图3、SAMCO-e的结构略图
   
2、SAMCO-e的主电路设计
   SAMCO-e的主电路原理框图如图4所示：

      图4、SAMCO-e的主电路框图

    主功率器件采用内含整流、制动单元及逆变桥的小型功率模块。在外部主电路接线的设计上采用上进、下出的方式。所有机种均标准配置有X1、X端子，用于连接改善功率因素用选购件直流电抗器DCL。由于内置制动单元，因此在需要使用制动电阻的场合，只要将制动电阻直接连接至P、PR端子即可。

3、SAMCO-e的控制电路设计
    SAMCO-e的控制电路原理框图如图5所示。它由微处理器CPU、存贮器、通讯控制器件、驱动电路接口、外部输入输出接口电路等组成。

                             图5、SAMCO-e的控制电路框图

    SAMCO-e采用32位80PIN的小型封装RISC芯片作为CPU，主时钟采用7.1MHZ晶振。此RISC具有强大的功能，可直接产生PWM控制波形而无需专用的LSI，从而实现了控制电路的精减化及小型化。

4、操作面板的电路设计
    操作面板电路原理框图如图6所示。它由调节频率用电位器、按钮开关电路、四个7段LED显示电路及二个8位的移位寄存器组成。

                            图6、操作面板电路原理框图

    操作面板中不含CPU，其数据、指令的发送及读取均是通过主控板的CPU来完成的。操作面板与主控板的连接采用8PIN的RJ45接口，操作回路的控制采用时钟同步式串行通讯方式实现。

    操作面板上的电位器可直接进行频率控制的设定。同时也可以将操作面板通过延长线引出或采用SAMCO-Vm05系列变频器的操作面板进行参数设定及控制。

四、 小结
    SAMCO-e系列变频器是在SAMCO-Vm05高性能通用型变频器基础上由日本三垦电气株式会社最新开发研制的新一代迷你型变频器，其在功能上继承了SAMCO-Vm05的实用性，在结构及电路设计上采用三维立体设计技术及新型小型电力电子器件及CPU，从而使结构紧凑、电路简捷、可靠性高，较好地实现了变频器的外型小型化。

参考文献：
[1]《高性能迷你型变频器SAMCO-e使用说明书》，三垦力达电气（江阴）有限公司。
[2]Soga Yasunori, Seiichiro Sato etc. “Small General Purpose Inverter SAMCO-e” ，日本三垦电气株式会社技报，2003。