变频器工作原理
变频器 2009-06-04 16:16:10 阅读7977 评论20 字号：大中小 订阅
直流－>振荡电路－>变压器（隔离、变压）－>交流输出
方波信号发生器使直流以50Hz的频率突变，用正弦和准正弦的振荡器，波形类似于长城的垛口，一上一下的方波，突变量约为5V；再经过信号放大器使突变量扩大至12V左右；经变压器升压至220V输出
怎样将直流电转换成交流电？
有三种方法：
1、用直流电源带动直流电动机----机械传动到交流发电机发出交流电；这是一种最古老的方法，但现在仍有人在用，特点是成本低，易维护。目前在大功率转换中还在使用。
2、用振荡器（就是目前市场上的逆变器）；这是比较先进的方法，成本高，多用于小功率变换；
3、机械振子变换器，其原理就是让直流电流断断续续，通过变压器后就能在变压器的次级输出交流电，这是一种比较老的方法，目前基本上已被淘汰。
现在日本发现一种有机物可以转换
2交流电是指电压或电流的幅值在0值附近震荡，也就是有正有负，方向会发生变化，而并不一定是正弦的。
直流电也并不是恒定不变的，它的幅值也是可以变化的，但不会改变方向。也就是说恒为正或恒为负。
在逆变器中不能单独应用可控硅，它仅仅是起一个开关作用，必须要由振荡电路来控制可控硅的开/关状态，得到方波形的交流电，再经变压、滤波，得到较纯的正弦波交流电。
UPS电源(Uninterruptible Power System 不间断电源系统)利用逆变电路，即用直流电驱动一个振荡器，产生交流振荡，一般得到的是方波。如果经过滤波电路去除50Hz的谐波，就能得到比较纯的50Hz交流电。
变频器1
1.1变频技术的概念
1.常用的调速方法 变极调速、定子调压调速、转差离合器调速
2.变频技术的概念 把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电等技术的总称。特点：电能不变，只有频率变。
3.变频技术的发展 应交流电机无级调速的需要而诞生的。 自20世纪60年代以来，电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为发展趋势。电机变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、失去技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到广泛应用。
变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、交换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高电压大电流有关的技术问题，后者要解决控制模块的硬、软件开发问题
4.变频调速的主要发展方向
(1)实现高水平的控制
(2)开发清洁电能的变流器
(3)缩小装置的尺寸
(4)高速度的数字控制
(5)模拟器与计算机辅助设计(CAD)技术
1.2变频技术的类型及用途
1.变频技术的类型主要有以下几种
(1)交-直变频技术(即整流技术) 通过整流元件实现功率转换 。
(2)直-直变频技术(即斩波技术) 通过改变电力电子器件的通断时间即改变脉冲频率或宽度，从而达到调节直流平均电压的目的
(3)直-交变频技术(即逆变技术) 利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电。
(4)交-交变频技术(即移相技术) 通过控制电力电子器件的导通与关断时间，实现交流无触点的开关、调压、调光、调速等的目的
2.变频技术的主要用途
(1)标准50HZ电源 对频率、电压波形和幅值及电网干扰等有较高要求的。
(2)不间断电源(UPS) 停电时，将蓄电池的直流电逆变成50HZ的交流电，对设备临时供电。
(3)中频装置 广泛应用于金属熔炼、感应加热及机械零件的淬火。
(4)变频调速 产生频率、电压可调的电源。
(5)节能降耗
1.3常用电力电子器件简介
1)晶闸管(SCR) 没有自关断能力，逆变时需要另设换流电路，造成电路结构复杂，增加变频器成本。但由于元件容量大，在1000KVA以上的大容量变频器中得到广泛的应用。
2)门极可关断晶闸管(GTO） 可通过门极信号控制导通和关断。它是利用门极反向电流而获得自关断能力，属于全控器件，无需换流电路。已经逐步取代SCR。
3)电力晶体管(GTR) 是一种高反压晶体管，具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。它被广泛用于交直流电机调速、中频电源等电力变流装置中。主要用作开关，工作于高电压大电流的场合，一般为模块化。
4)功率场效应管(MOSFET) 根据门极电压的电场效应进行导通与关断的单极晶体管。具有自关断能力强、驱动功率小、工作速度高、无二次击穿现象、安全工作区宽等。用于小容量变频器中。
3)电力晶体管(GTR) 主要特点：
输出电压 可以采用脉宽调制方式
载波频率 较低（开关时间较长）1.2-1.5KHZ
电流波形 高次谐波成分较大，噪声大。
输出转矩 与工频运行时相比，略有下降
5)绝缘栅双极晶体管(IGBT) 集GTR和P-MOSFET的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点。目前中小容量变频器新产品中都采用它。适于高压的为HV-IGBT。
6)智能功率模块（IPM） 是一种将功率开关器件及其驱动电路、保护电路等集成在同一封装内的集成模块。目前采用较多的是IGBT作为大功率开关器件的模块，器件模块内集成了电流传感器，可以检测过电流及短路电流。具有过电流保护、过载保护以及驱动电流电压不足时的保护功能。
7)集成门极换流晶闸管(IGCT) 是一种中压、大功率半导体开关器件。它是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一体，集GTO和IGBT的优点于一身。
2.1 变频器的基本结构
主要由主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。
整流器 将三相交流电转换成直流电。
中间直流环节 中间直流储能环节，在它和电动机之间进行无功功率的交换。
控制电路 常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路组成。主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等，其控制方法可以采用模拟控制或数字控制。目前许多变频器已经采用微机来进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，靠软件来完成各种功能。
1.主控电路
2.控制电源、采样及驱动电路
3.整流电路和逆变电路
2.1.1 变频器的主控电路
(1)基本任务
1)接受各种信号
2)进行基本运算
3)输出计算结果
(2)其他任务
1)实现各项控制功能
2)实现各项保护功能
2.1.2 变频器的控制电源、采样及驱动电路
(1)控制电源 提供稳压电源
1)主控电路 0~+5V
2)外控电路
(2)采样电路
1)提供控制用数据
2)提供保护采样
(3) 驱动电路
.1.3整流电路和逆变电路
1.整流电路
将交流电转换为直流电，应用最多的是三相桥式整流电路。分为不可控整流和可控整流电路。
2.逆变电路
将直流电转换为交流电，应用最多的也是三相桥式逆变电路。
2.2 变频器的分类
的调制方式分
(1)PAM(脉幅调制) 在整流电路部分对输出电压幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。
(2)PWM(脉宽调制) 保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度，来达到改变等效输出电压的一种方式。
1.按电压
(2)按工作原理分
V/F控制 对变频器的频率和电压同时进行调节
转差频率控制 为V/F控制的改进方式
矢量控制 将交流电机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以控制的方式
直接转矩控制 把转矩作为控制量，直接控制转矩，是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。
(3)按用途分
通用变频器 能与普通的笼式电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供选择功能
高性能专用变频器 对控制要求较高的系统(电梯、风机水泵等)，大多采用矢量控制方式
高频变频器 高速电动机配套使用
(4)按变换环节分
交-交变频器 把频率固定的交流电直接变换成频率和电压连续可调的交流电。无中间环节，效率高，但连续可调的频率范围窄。
交-直-交变频器 先把交流电变成直流电，再把交流电通过电力电子器件逆变成直流电。优势明显，目前广泛采用的方式
(5)按直流环节的储能方式分
电流型 中间环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。再生电能直接回馈到电网。
电压型 中间环节采用大电容作为储能环节，负载的无功功率将由它来缓冲。无功能量很难回馈到交流电网。
2.3变频器的额定值与频率指标
1、输入侧的额定值
主要是电压和相数 小容量有
380V/50HZ，三相，用于国内设备；
230V/50HZ或60HZ，三相，主要用于进口设备；
(200-230V)/50HZ，主要用于家用电器。
2、输出侧的额定值
(1)输出电压最大值UN
(2)输出电流最大值IN 长时间通过
(3)输出容量SN= UNIN
(4)配用电动机容量PN=SNηMcosφ
(5)超载能力 是指输出电流额定值的允许范围和时间。大多数变频器规定为150%IN、60S，180%IN、0.5S
3、频率指标
(1)频率范围 最高频率和最低频率之差。最低0.1~1HZ，最高为120~650HZ
(2)频率精度 指变频器输出频率的准确程度。
(3)频率分辨率 指输出频率的最小改变量。
2.4 变频器的主电路
变频器的主电路主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三部分组成
交-直部分
(1)整流电路 由VD1~VD6组成三相不可控整桥。
(2)滤波电容CF 除滤波外，还有在整流电路与逆变电路之间去耦作用，以消除相互干扰。
(3)限流电阻RL与开关SL 限制CF的充电电流，正常时通过开关短接电阻。
直-交部分
(1)逆变管 VT1~VT6组成逆变桥，是变频器实现变频的环节，是核心部分。
(2)续流二极管VD7~VD12 作用：
电动机为感性负载，无功分量返回直流电源提供“通道”。(频率下降时，再生制动状态)
(3)缓冲电路
由C01~C06，R01~R06及VD01~VD06构成。 R01~R06是限制逆变管在接通瞬间C01~C06的放电电流。而VD01~VD06使得逆变管在判断过程中R01~R06不起作用。
制动电阻和制动单元
制动电阻RB 把再生到直流电路的能量消耗掉
制动单元VTB 控制流经RB的放电电流IB
第三讲 变频器的结构及工作原理(二)
三相交流异步电动机的转速为
可见，在转差率S变化不大的情况下，可以认为，调节电动机定子电源频率时，电动机的转速大致随之成正比变化。若均匀改变电动机电源的频率f，则可以平滑地改变电动机的转速。
将直流电变换为交流电的过程称为逆变，完成逆变功能的装置叫逆变器，它是变频器的重要组成部分
补充：逆变器件的工作条件
1.能承受足够大的电压和电流
电压 U线＝380V，三相全波整流后UL＝513V，UM＝537V。考虑到电感及负载动能反馈能量的效应，开关器件的耐压应在1000V以上。
电流 当PN＝150KW时，IN＝250A，IM＝353A，考虑过载能力，要求开关器件允许承受的电流应大于700A。
2.允许频繁地接通和断开
逆变过程实际上是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件无法做到的，必须依赖无触点开关（即半导体开关器件），而无触点开关要做到承受足够大的电压和电流并非易事。因此，变频器的出现比异步电动机晚了长达百年之久。
3.接通和关断的控制必须十分方便
最基本的控制如频率的上升和下降、改变频率的同时还要改变电压等。
半导体开关器件详见课件第一讲或教材P6-9
2.5调速的基本控制方式
对异步电动机进行调速控制时对主磁通的要求 希望主磁通保持额定值不变
太弱 铁心利用不充分，同样定子电流下电磁转矩小，电动机负载能力下降。
太强 则处于过励磁状态，为防电机过热，负载能力也下降。
1.基频以下的恒磁通变频调速
E1=4.44f1N1Φm
要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=C。而E1难于直接测量和直接控制，当E1和f1较高时，可忽略漏抗，让定子相电压U1和频率f1的比值保持常数.即为V/F控制方式。
当频率较低时，V/F控制需要人为提高定子电压以补偿定子电压降的影响。
2.基频以上的弱磁变频调速
频率由额定值向上增大，但电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变。使主磁通随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况属于近似的恒功率调速方式。
3.异步电动机的变频调速 必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压和频率均可调节的供电电源，实现VVVF调速控制。( 即V/F控制)
VVVF( Variable Voltage Variable Freqency)
2.6 脉宽调制技术
1.概念 对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，其脉冲宽度随正弦规律变化。
2.相控交-直-交型变频电路 为使输出电压和输出频率都得到控制，变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路来改变输出频率。
3. PWM交-直-交型变频电路的组成及电路特点 (1)输出接近正弦波。(2)整流电路采用二极管，cosφ≈1。(3)电路简单。(4)控制输出脉宽来改变输出电压，加快变频过程的动态响应。
4.PWM控制的基本原理 采样控制理论的结论 冲量(窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。
如图1-38PWM波形和正弦半波是等效的。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形(正弦脉宽)。
调制方法 把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。
载波UC 采用等腰三角波，因为它的上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制要求
调制波Ur 为正弦波
经正弦调制后的脉冲系列中，各脉冲的上升沿与下降沿是由正弦波和三角波的交点来决定的。
5.电压型单相桥式逆变电路
负半周VT2通 VT3交替通断 输出为-Ud或0
(1)单极性PWM控制方式
PWM波形只在一个方向变化的控制方式。输出有三种电平(0，± Ud)
(2)双极性PWM控制方式
三角波在每个半周其内，都是在正负两个方向变化。PWM波形也是在两个方向变化。输出只有两种电平。(± Ud)
Ur>UC时开关通
Ur＜UC时开关断
(3)三相逆变电路
6.PWM型逆变电路的控制方式
(1)载波比 载波频率fc与调制信号频率fr之比。N=fc/fr
(2)异步调制 载波信号与调制信号不保持同步关系的调制方式。当调制信号频率变化时，通常保持载波频率固定不变，因此N是变化的。特点：输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称。
在异步调制方式中，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。
(3)同步调制 N=C 在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角载波信号，取N为3的整数倍且为奇数。
第四讲 变频器的选择、安装 与维护
4.1变频器的选择
n 1.容量的选择
n (1)根据电动机电流选择变频器的容量
n 1)连续运行的场合 变频供给电动机的电流是脉动电流，其脉动值比工频供电时的电流要大。应留有适当的余量。IN≥(1.05~1.1)IE或电动机实际运行的最大电流。
n 1.容量的选择
n (1)根据电动机电流选择变频器的容量
n 2)加减速时容量的选定 变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。短时：允许达到130%~150%IN。故将变频器的最大输出电流降低10%后再进行选定。
3) 频繁加减速运转时 根据加减速及恒速等各种运行状态下变频器的电流值来确定额定输出电流。
4)电流变化不规则的场合 使电动机在输出最大转矩时的电流限制在变频器的额定输出电流内进行选择。
n 5)多台电动机共享一台变频器供电
n ①同时起动和运行 按变频器的额定电流大于多台电动机额定电流之和选定
n IN>(1.05~1.1) ∑IMN
n ②分别起动 必须考虑后起动电动机的直接起动电流 IN>{(1.05~1.1) ∑IMN+K1+ ∑IST}/K2
n K1安全系数 取1.2(从停止启动)或1.5~2.0。K2为过载能力，取1.5
n 6)容量选择注意事项
n ①并联追加投入启动
n ②大过载容量
n ③轻载电动机
n (2)输出电压 按电动机的额定电压选定。我国多数为380V，可选用400V系列。一般是变频器的最大输出电压。
n (3)输出频率
n 50HZ/60HZ nN以下进行调速为目的。
n 一般根据使用目的所确定的最高输出频率来选择。
n 7) 电动机的额定电流因磁极对数而异
n 在技术数据中有‘配用电动机容量’一栏，一般要求变频器容量大于或等于电动机的额定电流。实际情况有别：磁极对数越多，则额定电流越大
n （1）2极和4极电动机的额定电流，都小于同容量变频器的额定电流
n （2）6极以上电动机的额定电流往往比同容量变频器的额定电流大
n 8) 变频器的额定电流因载波频率而异
n 随着载波频率的上升，变频器允许的额定电流有较大幅度的下降。
n 9)变频器类别选择
n （1）国产与进口 一般说来，进口变频器的功能比较齐全，故障率也略低一些。但是，在一旦发生故障，需要配置元、器件时，进口变频器部件非但价格较昂贵，并且常常不易买到，耽误生产。所以，没有特殊要求的一般情况下，建议尽量选用国产变频器。
n 9)变频器类别选择
n （2）高性能与普通型 所谓高性能变频器，一般指具有矢量控制功能的变频器，主要用于对转速精度和动态响应能力，或对生产安全要求较高的场合。如起重机械、印刷机械、金属切削机床等。
n 对于二次方律负载，以及一些在低频运行时负载变化不大、对转速精度的要求也不高的负载，应考虑选用比较价廉的普通型变频器。
n 9)变频器类别选择
n （3）专用型与通用型 专用变频器针对各种机械的特殊需要设置一一些专用功能，所以选择专用变频器是比较好的
2.变频器外围设备及其选择 提高变频器的某些性能、对变频器和电动机进行保护以及减小变频器对其他设备的影响。
n (1)电源变压器T
n (2)低压断路器QS
n (3)接触器KM1
n (4)无线电噪声滤波器FIL
n (5)交流电抗器AL和DL
n (6)制动电阻R
n (7)接触器KM2和KM3
n (1)电源变压器T
n 将高压电源变换成通用变频器所需的电压等级。
n 因变频器的输入侧电流含有一定量的高次谐波，功率因数较低。有输入交流电抗器时取0.8-0.85，否则取0.6-0.8。效率可取0.95，输出功率接近电动机的总功率。
n (2) 低压断路器QS
n 控制电源回路的通断。具有多种保护功能。
n (3) 接触器KM1
n 控制变频器电源的通断，具有断电保护功能
n (4) 无线电噪声滤波器FIL
n 提高抗干扰能力（高次谐波）
n (5)交流电抗器AL和DL
n AL用于抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因数。
n DL用于改善变频器输出电流的波形，降低电动机的噪声。
n (6 )制动电阻
n 用于吸收电动机再生制动的再生电能，可以缩短大惯量负载的自由停车时间。
n (7)接触器KM2、KM3
n 用于变频器和工频电网之间的切换运行。
4.2 变频器的安装
n 1.安装环境
n 变频器是一台全晶体管设备，所以对周围环境的要求和其他晶体管设备大致相同。
n 环境温度 大于400C的情况下，每增加50C，其运行功率应下降30%
n 2.安装空间 垂直安装，不可倒置，并有足够距离。工作时，温度有时高达900C，故安装底板必须为耐热材料。
n 3.主电路线径的选择
n (1)电源与变频器之间的导线
n 和同容量普通电动机的电线选择方法相同。宜大不宜小的原则。
n (2)变频器与电动机之间的导线
n 4.控制电路的接线
n (1)模拟量控制线 抗干扰能力较低，必须使用屏蔽线。屏蔽层靠近变频器的一端接COM，另一端悬空。
n (2)开关量(数字)控制线 抗干扰能力较强，距离不远时，可不用屏蔽线。但同一信号的两根线必须互相绞在一起。
n (3)变频器的接地 用较粗的短线接到变频器的专用接地端子E上。当变频器和其他设备，或有多台一起接地时，每台设备应分别和地相接，而不允许将一台设备的接地端和另一 台设备的接地端相接后再接地。
(4)大电感线圈的浪涌电压吸收电路
n 5.主电路连接注意事项 P64
n 6.通电前的检查
n 1)外观、构造检查
n 2)绝缘电阻检查 10MΩ以上合格。控制线路的应该用万用表的高阻挡测量，不能用兆欧表或其他高压仪表。
n 3)电源电压检查
4.3 变频器的日常维护与检查
n 变频器是以半导体元件为核心构成的静止装置，会由于温度、湿度、尘埃、振动等使用环境的影响及零部件老化等原因发生故障。另外，变频器中使用滤波电容器、冷却风扇等消耗性器件。因此，日常检查和定期维护必不可少。使用合理、维护得当能延长变频器的使用寿命，并减少突发故障造成的停产损失。 P64-65
n 问题1：变频器长期不用会发生什么问题？
n 答：1.高压滤波电容器 可能发生电容器盖“鼓包”，甚至内部的电解液溢出等现象。
n 2.低压电解电容器 也可能发生电解液溢出，甚至使印刷电路板受到腐蚀。
n 3.冷却风机 轴承的润滑油可能干涸，将影响其使用寿命。故每隔半年或一年，应通电运行(空转)一天
n 问题2 在哪些情况下，有必要考虑加大变频器的容量？
n 问题3 电动机为132KW，实际使用功率约为50KW，能否配用较小的变频器？
n 答：原则上是可以的，但应注意以下问题
n 1.根据电动机的最大运行电流来选择，并有余量
n 2.注意限制起动电流容量大的电动机，每相绕组的匝数少，电感量小。
n 因此，电流的脉动幅度和起动瞬间的冲击电流大，起动过程中的加速电流也较大。措施：
n 1)在变频器和电动机之间接入输出电抗器，起缓冲作用，保护变频器。
n 2)加速时间和减速时间应预置长一些。若设备要求快速起动和停止，则变频器的容量不宜选得太小。
n 问题4 为什么变频器的输入和输出端绝对不允许接反？
n 答：如果接错，将引起两相间的短路而将逆变管迅速烧坏。交个逆变管经极高的频率不断地交替导通，而变频器从跳闸到切断电源是需要时间的。所以六个逆变管很快地全部损坏。
第六讲 变频器的运行操作
6.1电源、电动机、变频器接线图
第七讲 变频器的外部运行操作
一些注意事项
变频器的单相接法
主电路端子说明
主电路端子排
变频器接地注意事项
控制回路接线说明
三相电源和电机的连接
单相电源和电机的连接
控制回路端子排
能力测试运行曲线
第九讲 变频器的程序运行操作
变频器的程序运行操作
将预先需要运行的曲线及相关参数
按时间的顺序预置到变频器内部，
接通启动信号后自动运行该曲线的一种方法。
变频器的程序运行操作
偶看新闻