梦见在清澈的水里游泳:变频器原理以及基本知识

变频器原理以及基本知识 　　1、什么是变频器？
　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
　　2、PWM和PAM的不同点是什么？
　　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。
　　PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅度调制) 缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。
　　3、电压型与电流型有什么不同？
　　变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
　　4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？
　　异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
　　5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？
　　频率下降（低速）时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。
　　6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？
　　采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%~200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。
　　7、V/f模式是什么意思？
　　频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择
　　8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？
　　频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法
　　9、在说明书上写着变速范围60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗？
　　在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率（起动频率）根据机种为0.5~3Hz.
　　10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？
　　通常情况下时不可以的。在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）电压不变，大体为恒功率特性，在 高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。
　　11、所谓开环是什么意思？
　　给所使用的电机装置设速度检出器（PG），将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环 ”，不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈.
　　12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办？
　　开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内（1%~5%）变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器（选用件）。
　　13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？
　　具有ＰＧ反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取决于ＰＧ本身的精度和变频器输出频率的分辨率。
　　14、失速防止功能是什么意思？
　　如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速（电角频率）的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。
　　15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？
　　加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。
　　16、什么是再生制动？
　　电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。
　　17、是否能得到更大的制动力？
　　从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。如采用选用件制动单元，可以达到50%~100%。
　　18、请说明变频器的保护功能?
　　保护功能可分为以下两类：
　　（1） 检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。
　　（2） 检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。
　　19、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。
　　20、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。
　　21、什么是变频分辨率？有什么意义？
　　对于数字控制的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。
　　变频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0 Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为1r/min 以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。
　　22、装设变频器时安装方向是否有限制。
　　变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。
　　23、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以？
　　在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于变频器切断过电流，电机不能起动。
　　24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题？
　　超过60Hz运转时应注意以下事项
　　(1)机械和装置在该速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）。
　　（2） 电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维持工作（风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）。
　　(3) 产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。
　　（4） 对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。
　　25、变频器可以传动齿轮电机吗？
　　根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。
　　26、变频器能用来驱动单相电机吗？可以使用单相电源吗？
　　基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁辅助绕组；对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。
　　27、变频器本身消耗的功率有多少？
　　它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。
　　28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用？
　　一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。
　　29、使用带制动器的电机时应注意什么？
　　制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。
　　30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，请说明原因。
　　变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流(OCT),所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。
　　31、变频器的寿命有多久？
　　变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。
　　32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何？风扇若是坏了会怎样？
　　对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护
　　33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命？
　　作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品额定容量的85%时为基准来判断寿命。
　　34、装设变频器时安装方向是否有限制。
　　应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。其措施有：
　　（1）盘的设计要针对实际装置所需要的散热；
　　（2）利用铝散热片、翼片冷却剂等增加冷却面积；
　　（3） 采用热导管。
　　此外，已开发出变频器背面可以外露的型式。
　　35、想提高原有输送带的速度，以80Hz运转，变频器的容量该怎样选择？
　　设基准速度为50Hz,50Hz以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩特性负载增速时，容量 需要增大为80/50≈1.6倍。电机容量也像变频器一样增大

[编辑本段]变频器的故障原因及预防措施

　　变频器由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误操作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析尤为重要。
　　

1.1 主回路常见故障分析

　　
　　主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。电解电容器会直接影响到变频器的使用寿命，一般温度每上升10 ℃，寿命减半。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度，另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。
　　在电容器维护时，通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于额定值的80%，绝缘阻抗在5 MΩ以下时，应考虑更换电解电容器。
　　

1.2 主回路典型故障分析

　　
　　故障现象：变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。
　　首先应区分是由于负载原因，还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障，可通过历史记录查询在跳闸时的电流，超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否有过载或突变，如电机堵转等。在负载惯性较大时，可适当延长加速时间，此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流，在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内，可判断是IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W， 分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻，来判断IPM模块是否损坏。如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸，一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障；而加速时IPM模块过流，则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障，发生这些故障的原因，多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。
　　

1.3 控制回路故障分析

　　
　　控制回路影响变频器寿命的是电源部分，是平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器，其原理与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流，是基本不受主回路负载影响的定值，故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上，通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难，一般根据电容器环境温度以及使用时间，来推算是否接近其使用寿命。
　　电源电路板给控制回路、IPM驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压，通过开关电源再分别整流而得到的。因此，某一路电源短路，除了本路的整流电路受损外，还可能影响其他部分的电源，如由于误操作而使控制电源与公共接地短接，致使电源电路板上开关电源部分损坏，风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。
　　逻辑控制电路板是变频器的核心，它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大规模集成电路，具有很高的可靠性，本身出现故障的概率很小，但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合，导致变频器出现EEPROM故障，这只要对EEPROM重新复位就可以了。
　　IPM电路板包含驱动和缓冲电路，以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号，通过光耦合将电压驱动信号输入IPM模块，因而在检测模快的同时，还应测量IPM模块上的光耦。
　　

1.4 冷却系统

　　
　　冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短，临近使用寿命时，风扇产生震动，噪声增大最后停转，变频器出现IPM过热跳闸。冷却风扇的寿命受限于轴承，大约为10000～35000 h。当变频器连续运转时，需要2～3年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的寿命，一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。
　　

1.5 外部的电磁感应干扰

　　
　　如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。减少噪声干扰的具体方法有：变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上，加装防止冲击电压的吸收装置，如RC浪涌吸收器，其接线不能超过20 cm；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主回路分离；变频器控制回路配线绞合节距离应在15 mm以上，与主回路保持10 cm以上的间距；变频器距离电动机很远时（超过100 m），这时一方面可加大导线截面面积，保证线路压降在2%以内，同时应加装变频器输出电抗器，用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。变频器接地端子应按规定进行接地，必须在专用接地点可靠接地，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装无线电噪声滤波器，减少输入高次谐波，从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响；同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器，以降低其输出端的线路噪声。
　　

1.6 安装环境

　　
　　变频器属于电子器件装置，对安装环境要求比较严格，在其说明书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件锈蚀、接触不良、绝缘降低而形成短路，作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。
　　除上述几点外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正常工作，应采取设置空气加热器等必要措施。
　　

1.7 电源异常

　　
　　电源异常大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混合形式。这些异常现象的主要原因，多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外，有些电网或自行发电的单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。
　　如果附近有直接启动的电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，其电源应和变频器的电源分离，减小相互影响。
　　对于要求瞬时停电后仍能继续运行的设备，除选择合适价格的变频器外，还应预先考虑电机负载的降速比例。当变频器和外部控制回路都采用瞬间停电补偿方式时，失压回复后，通过测速电机测速来防止在加速中的过电流。
　　对于要求必须连续运行的设备，应对变频器加装自动切换的不停电电源装置。像带有二极管输入及使用单相控制电源的变频器，虽然在缺相状态，但也能继续工作，但整流器中个别器件电流过大，及电容器的脉冲电流过大，若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响，应及早检查处理。
　　

1.8 雷击、感应雷电

　　
　　雷击或感应雷击形成的冲击电压，有时也会造成变频器的损坏。此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，短路开闭会产生较高的冲击电压。为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件。真空断路器应增加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器，应在控制时序上，保证真空断路器动作前先将变频器断开。
　　

2 变频器本身的故障自诊断及预防功能

　　
　　老型号的晶体管变频器主要有以下缺点：容易跳闸、不容易再启动、过负载能力低。由于IGBT及CPU的迅速发展，变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能，大幅度提高了变频器的可靠性。
　　如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”，其中的“启动转矩不足”、“环境条件变化造成出力下降”等故障原因，将得到很好的克服。该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算，计算出当前时刻所需要的转矩，迅速对输出电压进行修正和补偿，以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。
　　此外，由于变频器的软件开发更加完善，可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施，并使故障化解后，仍能保持继续运行，例如：对自由停车过程中的电机进行再启动；对内部故障自动复位并保持连续运行；负载转矩过大时，能自动调整运行曲线，能够对机械系统的异常转矩进行检测。
　　造成变频器故障的原因是多方面的，只有在实践中，不断摸索总结，才能及时消除各种各样的故障