变频器的原理及其应用

变频器在风机负载和泵类负载中的应用：

风机和泵类负载属于二次方律负载特性(除罗茨风机)：

由此可知二次方律负载遵循如下规律(n：转速)：

流量Q∝n；扬程H∝n ² ；功率P∝n ³

风机的节电率统计举例：

用三台变频器控制三台风机，其中两用一备，电机的功率P=55KW，设计风量为Q。空载损耗为10%，转速1250转/分。若风机正常在970转/分以下连续可调，每天所需的供风量为1.5Q。

（1）一台工频运行，一台变频运行；则全速：

P0=55*10%=5.5KW ；P1=55KW；

由P _L =P0+K _P nL ³ 得：K _P =55-5.5=49.5KW；

P2=5.5+49.5* （50%） ³ =11.7KW；

总消耗的功率为55+11.7=67KW。

（2）两台变频运行时每台的平均供风量为75%Q

P1=P2=5.5+49.5 （75%） ³ =26.4KW；

总消耗的功率为P1+P2=52.8KW。

（3）三台变频运行时，每台的平均供风量为50%Q

P1=P2=P3=5.5+49.5 (50%)3=11.7KW ；

总消耗的功率为P1+P2+P3=35.1KW。

可见三台风机全投入变频运行时效果最好。假定每月工作30天，每天工作24小时，按每度0.7元计，则方案三可以比其他两个方案多节省电费8000元左右。

两台工作时最多可节能　30*24*0.7*(111-52.8)=29332.8元；

三台工作时最多可节能　30*24*0.7*(111-35.4)=38102.4元。

变频器在潜水泵上的应用：

潜水泵起动时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂甚至损坏；

电机起动/停止时需开启/关闭阀门来减小水锤的影响，如此操作一方面工作强度大，且难以满足工艺的需要。

在潜水泵安装变频调速器以后，可以根据工艺的需要，使电机软启/软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下，可以降低泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态，造成电机过早的老化，而且变频的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击。并且具有明显的节电效果。

泵类负载和风机负载都属于二次方律，所以节能效果相同。

使用了变频器以后，不但免去了许多繁琐的人工操作，消除了许多不安全隐患因素，并使系统始终处于一种节能状态下运行，合理地轮换使用电机延长了设备的使用寿命，更好的适应了生产需要。而且变频器丰富的内部控制功能可以很方便地与其他控制系统或设备实现闭环自动控制。这在实现自动控制的同时，提高了控制精度，从而提高了产品质量。在污水处理厂或相似的系统中使用变频器应具有很好的推广价值。

电力电子器件：

电力电子器件（Power Electronic Device）——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

主电路（Main Power Circuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。

按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：

半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。

全控型器件（IGBT，MOSFET)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关   断，又称自关断器件。

不可控器件(Power Diode)——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。

按照驱动电路信号的性质，分为两类：

电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。

电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。

快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。

半控器件—晶闸管：

晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）。

优缺点：SCR属于电流控制型元件，其控制电路复杂、庞大，工作频率低，效率低并且在直流电路内自身不能关断，故主电路与控制电路都较复杂，工作不可靠，性能也不够完善。

SCR 的优势在于电压、电流容量较大，目前仍广泛应用在可控整流和交-交变频等变流电路中。

典型全控型器件：

和普通晶体管一样，GTR也是一种电流放大器件。由于GTR的工作频率较低，一般在5～10KHz。它又属于电流驱动型器件，其驱动功率大，驱动电路复杂，而且GTR耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。所以目前GTR的应用一般被绝缘栅双极晶体管（IGBT）所替代。

绝缘栅双极晶体管：

GTR 和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。

MOSFET 的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。

两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件；

绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolar Transistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。

IGBT 的电气图形符号

三端器件：栅极G、集电极C和发射极E。

IGBT 的输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达到20KHz以上，通态压降比MOSFET低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比MOSFET和GTR提高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。目前，在中小容量变频器电路中，IGBT的应用处于绝对的优势。

功率模块与功率集成电路：

将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated Circuit——PIC）。

智能功率模块（IPM）是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一种。

变频器的结构及原理：

调速原理：

调速方法：改变极对数（有级调速）；改变输入频率（无级调速）——变频器。

交-直-交变频器的主要结构框图：

交-直-交变频器原理图：

变频器主电路图：

整流和滤波电路：

整流电路：

通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380Ⅴ时，整流器件的最大反向电压一般为1200～1600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。

直流滤波电路：

三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。

通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们承受的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻消除离散性的影响。

滤波电路故障：

①滤波电容老化。其容量低于额定值的85％，致使变频器运行时，输出电压低于正常值。

②滤波电容损坏开路，导致变频器运行时输出电压低于正常值。损坏短路，会导致另一只滤波损坏。进而可能损坏限流电路中的继电器、限流电阻、损坏整流模块。

③匀压电阻损坏。匀压电阻损坏后，会由于二个电容受压不均而逐个因超压被损坏。

限流电路：

当变频器刚接入电源的瞬间，电容器两端的电压不能突变，仍然为零。将有一个很大的冲击电流流经整流桥向电容器充电，使整流桥可能因此而损坏。同时，也可能使电源的瞬间电压较大幅度下降，形成对电网的干扰，限流电阻就是为了减小该冲击电流，而串接在整流桥与滤波电容之间的。

限流电路故障：

①继电器触点氧化，接触不良。导致变频器工作时，主回路电流部分或全部流经限流电阻，限流电阻被烧毁。

②继电器触点烧毁，不能恢复常开态。导致开机时，限流电阻不起作用，过大的充电电流损坏整流模块。

③继电器线包损坏不能工作，导致变频器工作时，主回路电流全部流经限流电阻，限流电阻被烧毁。

④限流电阻烧毁，由上述原因所致，再就是限流电阻老化损坏。变频器接通电源，主回路无直流电压输出。因此，也就无低压直流供电。操作盘元显示，高压指示灯不亮。

一些变频器限流电路中，不用继电器，而用可控硅，其故障类似继电器。可能为可控硅损坏后开路、短路和可控硅无触发信号三种情况。

制动电路：

制动电路工作时，可以使变频器在减返过程中，增加电动机的制动转矩。同时吸收制动过程中产生的泵升电压，使主回路的直流电压不至于过高。

制动电路故障：制动控制管损坏。

损坏开路，失去制动功能；

损坏短路，制动电路始终处于工作状态，制动电阻RB会损坏。同时增加整流模块的负荷，整流模块易老化，甚至损坏。

逆变电路的基本结构：

三相逆变桥示意图：

逆变电路作用：

逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意凋节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。

PWM 脉宽调制：

PWM 是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。

正弦脉宽调制（SPWM）：

变频器的控制方法：

变频器的控制方法—恒U/F控制：

1. 恒U/F控制(属于标量控制)

定子电动势有效值为：E=4.44ψF

ψ：电动机气隙磁链；

F ：电动机工作频率。

为避免电动机因频率的变化而导致磁路饱和引起励磁电流增大，功率因数和效率降低，需要维持气隙磁通，所以在调节F时，E也回相应地变化，即：E/F=K(恒定值)。

通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。(磁通不变)

变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降，要防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速 (P=Ue*Ie)。因为P=wT (w：角速度，T：转矩)。因为P不变，w增加了，所以转矩会相应减小。

低频电压补偿：

电压补偿的特性：

负载变动时不能始终工作在最佳状态，即轻载时磁路易饱和，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。这个功能即为转矩提升。转矩提升功能提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。

变频器的控制方法—矢量控制：

控制思想：交流电机等效为直流电机来控制，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制，使用矢量控制，可以使电机在低速，如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。

矢量变换（数学运算）：

此功能对 改善电机低速时温升 也有效。由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

变频调速系统接电抗器的作用：

1. 变频器输出端接入电抗器的场合

输出电抗器作用：抑制变频器电磁幅射干扰；抑制电动机电压谐振。

2. 输入交流电抗器

3. 接入交流电抗器的场合

输入交流电抗器：

输入交流电抗器可抑制变频器输入电流的高次谐波，明显改善功率因数。输入交流电抗器为另购件，在以下情况下应考虑接入交流电抗器：①变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10﹕1以上；② 同一电源上接有晶闸管变流器负载或在电源端带有开关控制调整功率因数的电容器；③三相电源的电压不平衡度较大（≥3%）；④变频器的输入电流中含有许多高次谐波成分，这些高次谐波电流都是无功电流，使变频调速系统的功率因数降低到0.75以下；⑤变频器的功率＞30kW。

常用交流电抗器的规格

无线电噪声滤波器：

滤波器就是用来削弱这些较高频率的谐波电流，以防止变频器对其他设备的干扰。滤波器主要由滤波电抗器和电容器组成。请查阅暖通南社相关课件。

图 无线电噪声滤波器

各相的连接线在同一个磁心上按相同方向绕4圈(输入侧)或3圈(输出侧)构成。需要说明的是：三相的连接线必须按相同方向绕在同一个磁心上，这样，其基波电流的合成磁场为0，因而对基波电流没有影响。

直流电抗器(安装在变频器整流电路后)：

直流电抗器：

直流电抗器除了提高功率因数外，还可削弱在电源刚接通瞬间的冲击电流。

如果同时配用交流电抗器和直流电抗器，则可将变频调速系统的功率因数提高

至0.95以上。

常用直流电抗器规格

变频器的功能与参数：

1. 外接给定端

2. 外接输入控制端子

3. 外接输出控制端子

1 ）故障输出端

2 ）模拟量输出端

3 ）通讯接口

4 ）状态信号输出端

4.V/F 控制设定功能

5. 基本频率＞电机额定频率

6. 基本频率与最大频率

最高频率是变频器-电动机系统可以运行的最高频率。基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线，应按电动机的额定电定电压设定。

7. 上限频率和下限频率

频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。此功能还可作限速使用。

8. 跳跃频率

9. 加速时间与电流

加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间。

起动特性：

启动频率配合转矩提升功能，最佳调整 启动转矩特性，设定值过大，会出现过电流故障。

加速时间设定要求：将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失速而引起变频器跳闸。

10. 升速方式

通常大多选择线性曲线；非线性曲线适用于变转矩负载，如风机等；S曲线适用于恒转矩负载，其加减速变化较为缓慢。

11. 降速时间与直流电压

减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。

加减速时间：

减速时间设定要点是：防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。

加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。

12. 直流制动：

直流制动的特性：

1 ）准确停车

变频器给电动机输入直流电，在电机定子上产生静止恒定磁场，使电机快速停止。

可与能耗制动联合使用，一般≤20Hz时用直流制动。

13. 停机功能

14. 控制电路

15. 脉冲启动

16. 两地控制

17. 频率到达与频率检测

18. 过流保护

由于逆变器的过载能力很差，大多数变频器的过载能力都只有150％，允许迟续时间为1min。

19. 过流故障的原因

20. 其他原因引起的过流

21. 过电压原因

电动机处于再生制动状态，若减速时间设置得太短，或是由于电源系统的浪涌电压都可以引起的过电压。

22. 欠电压原因

当电网电压过低时，会引起变频器中间直流电路的电压下降，从而使变频器的输出电压过低并造成电动机输出转矩不足和过热现象。

23.PID 自动闭环调节

24. 外界PID调节器

变频器的选择：

变频器的拖动对象是电动机，变频器的选择与电动机的结构形式及量有关，还与电动机所带负载的类型特性相关。

笼型电动机：

1. 依据负载电流选择变频器；

2. 考虑低速转矩特性；

3. 考虑短时最大转矩；

4. 考虑容许最高频率范围。

绕线式异步电动机：

绕线式异步电动机采用变频器控制运行，大多是对老设备进行改造，利用已有的电机。改用变频器调速时，可将绕线式异步机的转子短路，去掉电刷和起动器。考虑电机输出时的温度上升的问题，所以要降低容量的10％以上。应选择比通常容量稍大的变频器。

变频器的调试与维护：

通电前的检查：

（1) 外观、构造检查    （2)绝缘电阻的检查

1 ）主电路：用万用表检查，必须用兆欧表时，应按图连接。

图 用兆欧表测试主电路的绝缘电阻 

2 ）控制电路

不能用兆欧表对控制电路进行测试，只能用高阻量程万用表。

① 全部卸开控制电路端子的外部连接。

② 进行对地之间电路测试，测量值若在1MΩ以上，就属正常。

③ 用万用表测试接触器、继电器等控制电路的连接是否正确。

通电检查：

（1）观察显示情况

（2）观察风机

（3）测量进线电压

（4）进行功能预置

（5）观察显示内容

空载试验：

将变频器的输出端与电动机相接，电动机不带负载，主要测试以下项目：

（1）测试电动机的运转

对照说明书在操作面板上进行一些简单的操作，如启动、升速、降速、停止、点动等。观察电动机的旋转方向是否与所要求的一致？控制电路工作是否正常？通过逐渐升高运行频率，观察电动机在运行过程中是否运转灵活，有无杂音？运转时有无振动现象，是否平稳等。

（2）电动机参数的自动检测

对于应用矢量控制功能的变频器，应根据说明书的指导，在电动机的空转状态下测定电动机的参数。有的新型系列变频器也可以在静止状态下进行自动检测。

带负载测试：

将电动机与负载连接起来进行试车。测试的内容如下：

1. 低速运行试验

低速运行是指该生产机械所要求的最低转速。电动机应在该转速下运行1～2小时。测试内容：

(1) 生产机械的运转是否正常?

(2) 电动机在满负荷运行时，温升是否超过额定值?

2. 全速启动试验

将给定频率设定在最大值，按“启动按钮”，使电动机的转速上升至生产机械所要求的最大转速，测试内容：

(1) 启动是否顺利？(2)启动电流是否过大？(3)观察整个启动过程是否平稳？(4)停机状态下是否旋转？

3. 全速停机试验：(1)直流电压是否过高？(2)拖动系统能否停住？

4. 高速运行试验：(1)电动机的带载能力？(2)机械运转是否平稳？

变频器的维护与检查：

维护注意事项

（1）只有受过专业训练的人才能拆卸变频器并进行维修和器件更换。

（2）维修变频器后不要将金属等导电物遗漏在变频器内，否则有可能造成变频器损坏。

（3）进行维修检查前，为防止触电危险，请首先确认以下几项：① 变频器已切断电源；② 主控制板充电指示灯熄灭；③ 用万用表等确认直流母线间的电压已降到安全电压(DC36V以下)。

（4）对长期不使用的变频器，通电时应使用调压器慢慢升高变频器的输入电压直至额定电压，否则有触电和爆炸危险。

在变频器的日常维护项目：

1) 变频器的运行参数是否在规定范围内，电源电压是否正常。

2) 变频器的操作面板显示是否正常，仪表指示是否正确，是否有振动、震荡等现象。

3 ）冷却风扇部分是否运转正常，有无异常声音。

4) 变频器和电机是否有异常噪音、异常振动及过热的迹象。

5 ）变频器及引出电缆是否有过热、变色、变形、异味、噪声等异常情况。

6 ）变频器的周围环境是否符合标准规范，温度和湿度是否正常。

定期检查项目有：

1 ）输入、输出端子和铜排是否过热变色，变形。

2 ）控制回路端子螺钉是否松动，用螺丝刀拧紧。

3 ）输入R、S，T与输出U、V，W端子座是否有损伤。

4 ）R，S、T和U、V、W与铜排连接牢固否，用扳手拧紧。

5 ）主回路和控制回路端子绝缘是否满足要求。

6 ）电力电缆和控制电缆有无损伤和老化变色。

7 ）污损的地方，用抹布沾上中性化学剂擦，除粉尘，保持变频器散热性能良好。

8 ）对长期不使用的变频器，应进行定期充电试验。

9 ）变频器的绝缘测试。

零部件更换：

冷却风扇使用3年应更换。

直流滤波电容器使用5年应更换。

电路板上的电解电容器使用7年应更换。

其化零部件根据情况适时进行更换。

变频器基本检测和测量方法：

由于变频器输入、输出电压或电流中均含有不同程度的谐波分量，用不同类别的测量仪器仪表会测量出不同的结果，并有很大差别，甚至是错误的。因此，在选择测量仪表时应区分不同的测量项目和测试点，选择不同的测试仪表，如表所示。

主电路测量推荐使用仪表

变频器主电路的测量电路如图所示：

图  变频器主电路的测量

变频器常见故障诊断：

1. 过电流故障：故障诊断：可能是短路、接地、过负载、负载突变、加／减速时间设定太短、转矩提升量设定不合理、变频器内部故障或谐波干扰大等。

2. 过电压故障：故障诊断：电源电压过高、制动力矩不足、中间回路直流电压过高、加／减速时间设定的太短、电动机突然甩负载、负载惯性大、载波频率设定不合适等。

3. 欠电压故障：故障诊断：电源电压偏低、电源断相、在同一电源系统中有大起动电流的负载起动、变频器内部故障等。

4. 变频器过热故障：故障诊断：负载过大、环境温度高、散热片吸附灰尘太多、冷却风扇工作不正常或散热片堵塞、变频器内部故障等。

5. 变频器过载、电动机过载故障：故障诊断：负载过大或变频器容量过小、电子热继电器保护设定值太小、变频器内部故障等。

变频器在运行中出现跳闸事故，处理有以下几种方法：

1. 电源故障处理：“欠电压”和“过电压”显示，待电源恢复正常后即可重新起动。

2. 外部故障处理：如输入信号断路，输出线路开路、断相、短路、接地或绝缘电阻很低，电动机故障或过载等，经排除故障后，即可重新启用。

3. 内部故障处理：如内部风扇断路或过热，熔断器断路，器件过热，存储器错误，CPU故障等，可切换至工频运行，不致影响生产；待内部故障排除后，即可恢复变频运行。

4. 功能参数设置不当的处理：修改功能参数，重新起动便可解决。

为什么用离合器连续负载时，变频器的保护功能就动作？

用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。

在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么？

电机起动时将流过和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能（IPE）动作，造成停止运转。

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑于2021年6月17日。