变频器的发展应用及维护基础-职业学院机电一体化毕业论文

1 毕 业 设 计 论 文 2 山东化工职业学院 毕业设计（论文） 题目：变频器的发展应用及维护基础变频器的发展应用及维护基础 年级专业： 2009 级机电一体化技术专业二班级机电一体化技术专业二班 学生姓名：张张雪雪学 号：200902010040 指导教师：于于 志志 平平职 称：讲师讲师 导师单位：山东化工职业学院机电工程系山东化工职业学院机电工程系 山东化工职业学院机电工程系 论文完成时间：2012年3月30日 3 山东化工职业学院 毕业设计（论文）任务书 发给学生张张 雪雪 1设计(论文)题目：变频器的发展应用及维护基础变频器的发展应用及维护基础 2学生完成设计(论文)期限：2012年5月30日 3设计(论文)课题要求： （1）所选题目应体现本专业基本训练内容，有利于巩固、深化和扩 充所学知识； （2）论文观点要正确，论述要充分，结构要合理，层次要清晰； （3）论文应能充分分析工作现实中存在的问题，并有针对性地提出 具体的解决措施，要有自己的独到见解，不能套用和抄袭他人成果； （4）论文字数应不少于 5000 字； （5）论文写作格式按山东化工职业学院机电工程系毕业设计（论文） 规定写作格式书写； （6）论文写作中要大量查阅资料，以加深对理论知识的理解，提高 解决实际工作问题的能力； （7）严格按时间控制点完成。 4实验（上机、调研）部分要求内容： 通过实地调查和访谈，获得相关课题具体、翔实的第一手资料。 试验的方法和数据要真实可靠，调研的单位要有代表性，能够切实反 4 映大多数企业的情况。 5文献查阅要求： 通过查阅书籍、杂志，上网浏览等措施，切实了解当前相关课 题研究的最新成果。阅读中外文与课题有关的资料应不少于两万字。 6发出日期：2012年01月05日 7学生完成日期：2012年03月30日 指导教师签名： 学 生 签 名： 附注： 1、任务书应附于完成的设计（论文）中，并与设计（论文）一并提交答辩委员 会； 2、任务书须由指导教师填写。 审批意见： 系主任签名： 年月日 5 摘摘 要要 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速 发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气 传动技术面临着一场历史革命， 即交流调速取代直流调速和计算机数 字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。 电机交流变频调速技 术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术 进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效 率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国 内外公认为最有发展前途的调速方式。 众所周知，变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。 其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件， 在控制上则采 用的是 PWM 控制方式，这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除 了基波之外，还含有许多的高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引 起电网电压波形的畸变，产生无线电干扰电波，它们对周边的设备、 包括变频器的驱动对象-电动机带来不良的影响。所以，深入了解交 流传动与控制技术的走向，对我们的学习工作具有十分积极的意义 关键词： 变频器工作原理发展前景故障处理 6 目目 录录 前言前言1 第一章第一章 变频器的发展、组成及原理变频器的发展、组成及原理2 2 1 11 1 变频器的概述变频器的概述2 2 1.1.2 2 直流电动机与交流电动机的比较直流电动机与交流电动机的比较3 3 1.1.3 3 通用变频器的发展通用变频器的发展3 3 1.41.4、变频器的组成与分类、变频器的组成与分类5 5 1 1、5 5 变频器的基本分类变频器的基本分类7 7 1 1、6 6 变频器的基本原理变频器的基本原理1 10 0 1 1、7 7 变频器的前景展望变频器的前景展望 1313 1 1、8 8 本章小结本章小结2020 第二章第二章变频器工程中的选用变频器工程中的选用2020 2.12.1变频器的选变频器的选 择择2121 2 2、2 2变频器的安变频器的安 装装2121. . 2 2、3 3 工作环境的要求工作环境的要求2222 2 2、4 4 本章小结本章小结2222 第三章第三章变频器的维护变频器的维护2323 3.13.1变频器外部引起的故变频器外部引起的故 障障2323 3.23.2变频器内部引起的故变频器内部引起的故 7 障障2424 3 3、3 3 本章小结本章小结2424 第四章第四章变频器过电压故障原因分析及对策变频器过电压故障原因分析及对策2 25 5 4 4、1 1 变频器过电压的危害变频器过电压的危害2 25 5 4 4、2 2 产生变频器过电压的原因产生变频器过电压的原因 2 25 5 4 4、 3 3 过电压故障处理对策过电压故障处理对策 2 28 8 第五章第五章变频器常见干扰故障分析及对策变频器常见干扰故障分析及对策3030 5 5、 1 1 外界对变频器的干扰外界对变频器的干扰3131 5 5、 2 2 变频器对周边设备的干扰及对策变频器对周边设备的干扰及对策3232 结论结论3636 致致谢谢3737 参参 考考 文文 献献3838 8 1 前前言言 1 1 变频器的发展起步变频器的发展起步 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。 电力电子器件的更新促使 电力变换技术的不断发展。起初,变频技术只局限于变频不能变压。20 世纪 70 年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20 世纪 80 年代,作为变频技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣, 并得出诸多优化模式,如:调制波纵向分割法、同相位载波 PWM 技术、移相载波 PWM 技术、载波调制波同时移相 PWM 技术等。 VVVF 变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平 滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时, 由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。 2 2 矩阵式交矩阵式交交变频交变频器产生的背景器产生的背景 矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流 Ia、Ib、Ic 通过三相二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Iml、Itl, 然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变 换,实现对异步电动机的控制。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机 的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋 转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简 化交流电动机的数学模型。 2 VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一 种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生 能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交交变频应运而 生。 第一章第一章变频器的发展、组成及原理变频器的发展、组成及原理 1.11.1、变频器的概述、变频器的概述 直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标，因此，在过去很长时期 内，调速传动领域大多为直流电动机调速系统。 如今，由于全控型电力电子器件（如 BJT、IGBT）的发展、SWPM 专用集 成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算机的应用，使得 交流调速的性能获得极大的提高，在许多方面已经可以取代直流调速系统，特别 是各类通用变频器的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流 人们所说的交流调速传动， 主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的 变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压 调速、 转差离合器调速等， 虽然仍在特定场合有一定的应用， 但由于其性能较差， 终将会被变频调速所取代。 交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速， 和如下一些关键性技术的突 3 破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、 基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩 控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集 成电路为基础的全数字化控制技术等。 1.21.2 直流电动机与交流电动机的比较直流电动机与交流电动机的比较 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个 历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。 直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主 要是机械式换向器带来的弊端。 交流电动机的优点 容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；结构简单、 造价低；坚固耐用，事故率低，容易维护。 1.31.3 通用变频器的发展通用变频器的发展 60 年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调 速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型 或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统 （包括不属变频方案的绕线转 子异步电动机的串级调速系统）等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流 调速的主流 此后的 20 多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变 频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。 1.3.11.3.1 变频器的快速发展变频器的快速发展： （1）变频装置的大容量化 对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值， 4 采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。 为了适应大容量的高压电动机， 采用直接高压型 PWM 变频器来控制高压电 动机，发展较迅速。 （2）主开关器件的自关断化 近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速，其中“门极关断晶 闸管（GTO）、双极晶体管（BJT）/电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）”的发展最快，实用化的程度也最高。 采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，既可以减小装 置体积，又降低了开关损耗提高了效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可 采用 PWM 控制，既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功 率因数。优点是很多的。据统计，目前变频器中的开关器件，容量为 1500kW 以 下的采用 IGBT；10007500kW 的采用 GTO。 （3）变频装置的高性能化 早期的变频调速系统，基本上是采用 U/F 控制，无法得到快速的转矩响应， 低速特性也不好（负载能力差）。 1971 年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。一改过去传统方式 中仅对交流电量的量值（电压、电流、频率的量值）进行控制的方法，实现了在 控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标变换的办法，实现定子电 流的磁场分量和转矩分量的解耦控制， 可以使交流电动机像直流电动机一样具有 良好的调速性能。 （4）PWM 技术的应用PWM：（Pulse Width Modulation）脉宽调制技 术。 自关断器件的发展为 PWM 技术铺平了道路。 目前几乎所有的变频调速装置 5 都采用这一技术。 PWM 技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的 谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提 高了系统的动态响应性能。 PWM 技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制。PWM 整流器现 已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为 1。人们称 PWM 整流器是对电网无污染的“绿色”交流器。 1.41.4、变频器的组成与分类、变频器的组成与分类 1 1、4 4、1 1 变频器的主回路变频器的主回路 电压型变频器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分 组，交-直-交型变频器结构见附图 1 1）整流电路： VD1VD6 组成三相不可控整流桥，220V 系列采用单相全 波整流桥电路；380V 系列采用桥式全波整流电路。 2）中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容 CF 除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素，由 于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充 分放电后才可进行操作。 3）限流电路：由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在 上电瞬间滤波电容 CF 的充电电流很大，过大的电流会损坏整流桥二极管，为保 护整流桥上电瞬间将充电电阻 RL 串入直流母线中以限制充电电流，当 CF 充电 到一定程度时由开关 SL 将 RL 短路。 4）逆变电路： 逆变管 V1V6 组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可 调的交流电，是变频器的核心部分。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、 6 IGCT 等，一般都采用模块化结构有 2 单元、4 单元、6 单元 5）续流二极管 D1D6：其主要作用为： （1）电机绕组为感性具有无功分量，VD1VD7 为无功电流返回到直流电 源提供通道 （2）当电机处于制动状态时，再生电流通过 VD1VD7 返回直流电路。 （3）V1V6 进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止， 在换相过程中也需要 D1D6 提供通路。 6）缓冲电路 由于逆变管 V1V6 每次由导通切换到截止状态的瞬间， C 极和 E 极间的 电压将由近乎 0V 上升到直流电压值 UD，这过高的电压增长率可能会损坏逆变 管，吸收电容的作用便是降低 V1V6 关断时的电压增长率。 7）制动单元 电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再 生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电 容两端）电压 UD 不断上升（即所说的泵升电压），这样变频器将会产生过压保 护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这 部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经 RB 的 放电电流 IB 7 1 1、5 5 变频器的基本分类变频器的基本分类 变频器总体分为“交-交变频器”与“交-直-交变频器”两种： 交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环 节”、或“中间滤波环节”），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可 调的交流电，所以称为直接式变频器。 交-直-交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电 变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调 的交流电，故又称为间接式变频器。 1 1、5 5、1 1 交交- -直直- -交变频器（间接式变频器）分类交变频器（间接式变频器）分类 （一）、按直流电源的性质分类 交-直-交变频器中间直流环节是电容性还是电感性，可以将其划分为电压 （源）型或电流（源）型。 当逆变器输出侧的负载为交流电动机时， 在负载和直流电源之间将有无功功 率的交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感， 8 据此，变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。 1 1、5 5、2 2 电流型变频器电流型变频器 电流型变频器主电路的典型构成方式如图。 其特点是中间直流环节采用大电 感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。 图 电流型变频器的主电路 （1） “电流型变频器”的名称由来： 由于电感的作用，直流电流 Id 趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯 波，电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流 源型变频器或电流型变频器。 （2）电流型变频器优点： 电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈 到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网， 不需在主电路内附加任何设备， 只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角 a900）即可。 （3） 应用场合： 电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、 泵类节能调速中也有应用。 1 1、5 5、3 3 电压型变频器电压型变频器 电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图所示。 其中用于逆变器晶闸管 的换相电路未画出。 变频器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个不控器件（二极管）反 9 并联组成。晶闸管 VT1VT6 称为主开关器件，VD1VD6 称为回馈二极管。 (1)电路的特点是，中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率 将由它来缓冲。 图电压型变频器的主电路 (2)“电压型变频器”的名称由来： 由于大电容的作用，主电路直流电压 Ed 比较平稳，电动机端的电压为方波 或阶梯波， 电流波形与负载的阻抗角有关。 直流电源内阻比较小， 相当于电压源， 故称为电压源型变频器或电压型变频器。 (3)按输出电压调节方式分类 变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通 的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式： PAM：脉冲幅值调节（Pulse Amplitude Modulation） PWM：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation） 脉冲幅值调节方式是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。 在 PAM 变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压的调节则由相 控整流器或直流斩波器通过调节直流电压 Ed 去实现。 10 图采用直流斩波器的 PAM 方式 1 1、6 6 变频器的基本原理变频器的基本原理 变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路， 主电路中的整流器将交 流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电 再转换为所需频率和电压的交流电， 部分变频器还会在电路内加入 CPU 等部件， 来进行必要的转矩运算。 交一直一交变频器主电路 11 1 1、6 6、1 1 单项桥式逆变器基本的工作原理单项桥式逆变器基本的工作原理 S1S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 S1、S4 闭合，S2、S3 断开时，负载电压 uo 为正。 S1、S4 断开，S2、S3 闭合时，负载电压 uo 为负。 逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流 电频率 电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，io 相位滞后于 uo，波形也不同。 图逆变电路及其波形举例 12 换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断： 全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断 。 1 1、6 6、2 2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路； 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路,应用最广的是三相桥式逆变 电路 图三相电压型桥式逆变电路 基本工作方式180导电方式 每桥臂导电 180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 120 。 任一瞬间有三个桥臂同时导通。 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。 13 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 1 1、7 7变频器的前景展望变频器的前景展望 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流 传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一， 电气传动技术面临着一场历 史革命， 即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成 为发展趋势。电机交流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、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动 性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国 内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具 有十分积极的意义 14 1 1、7 7、1 1 变频器调速运行的节能原理变频器调速运行的节能原理 实现变频调速的装置称为变频器。 变频器一般由整流器、 滤波器、 驱动电路、 保护电路以及控制器（MCUDSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过 整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变 器功率元件的通断控制， 使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。 在这里， 通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率， 从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对 Uf 协调 控制的要求。PWM 的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交 变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。 采用 PWM 控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般 不超过 7000rrain。而采用 PAM 控制方式的压缩机转速可提高 15 倍左右， 这样大大提高了快速增速和减速能力。同时，由于 PAM 在调整电压时具有对电流 波形的整形作用，因而可以获得比 PWM 更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着 PWM 无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。采用该控 制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降 64 ，电源频率降低 30 ，出 胶压力降低 57 。由电机理论可知，异步电机的转速可表示为： n=60f 8（18）p f s 为电机定子频率（也即是电网频率） ，P 电机定子的绕组极对数，s 为转差率。 由上式可知，只要转差率不太大，可以近似认为转速 n 与 f s 成正比，这就意味 着连续平滑的改变电源频率，就可以实现交流电动机大范围的连续平滑调速。例 15 如一个额定转速 3000 转分的电动机，由变频器供电，若启动频率设定为 5HZ， 那么变频器可以运行在 550HZ 之间的任一频率上，则电动机可以运行在 30o3000 转分之间的任一转速上电动机由市电启动，启动平衡，力矩大 又节能。 50HZ380V 的市电经过整流滤波环节后成为直流电，再经过逆变环节变成了 频率和幅度都可调的交流电。在变频器主回路中电能经过了交流 直流 交流的变换，所以这类变频器称作交 直 交类变频器。 1 1、7 7、2 2 我国变频器技术的发展及应用概况我国变频器技术的发展及应用概况 （一）变频器的发展 随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器 的存，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。 人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步 电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从 20 世纪 30 年代开始，人们致 力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以 其优异的性能统治着电气传动领域。20 世纪 60 年代以后，特别是 70 年代以来， 电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直 流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。 （二）我国变频器的应用 16 变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的 交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频 器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上 世纪 80 年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重 要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。 、变频器与节能 变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能 耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在 2003 年的中国电力消耗中， 6070为动力电， 而在总容量为 5 8 亿千瓦的电动机总容量中， 只有不到 2000 万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力 的电机至少有 18 亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调 速技术。 应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运 行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所 需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的 节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机 的容量， 故设计裕量偏大。 而在实际运行中， 轻载运行的时间所占比例却非常高。 如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，变动负载的节能潜 力巨大。 17 作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。以电力行业为例，由于中国大面积缺 电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求， 降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力， 尤其是高压变频器和大功率变频器。 、变频器与工艺控制（速度控制） 目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高， 因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、 动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升 工艺质量和生产效率的显著作用。 、变频家电 除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等 受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。带有 变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提 高控制精度等方面有很大的优势。 20 世纪 70 年代,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁烹任器、变频照明器 具、 变频空调、 变频微波炉、 变频电冰箱、 IH(感应加热)饭堡、 变频洗衣机等4。 20 世纪末期期,家用电器则依托变频技术,主要瞄准高功能和省电。 18 首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速 运行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的噪声,节能效果更加明显。其次,空调 器使用变频后,扩大了压缩机的工作范围,不需要压缩机在断续状态下运行就可 实现冷、 暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。 近年来, 新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化,而且利用高速运行能实现快速 冷冻。 在洗衣机方面,过去使用变频实现可变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣 机除了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容;电磁 烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和电加热的炽热部分,因此 不但安全,还大幅度提高加热效率,其工作频率高于听觉之上,从而消除了饭锅振 动引起的噪声。 1 1、7 7、3 3 国内变频技术的现状和发展前景国内变频技术的现状和发展前景 国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是 VF 控制和电压空 间矢量控制变频器， 使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。 工业应用中绝大部分都是这种负载， 变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠 性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。VF 控制 和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多， 由于国 内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性 和稳定性难以保证。同样是 VF 控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质 19 要好，这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业， 至今在国内这仍是一个空白。 变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家 有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用， 在技术开发及技术改造方面给予 了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术 作为风机、 水泵节能技改专项的重点投资方向， 同时鼓励单位开展同贷同还方式， 抓开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨 询和培训。 19951997 年， 3 年间我国风机、 水泵变频调速技术改造投入资金 3 5 亿元，改造总容量达 100 万千瓦，可年节电 7 亿度，平均投资回收期约 2 年。据 有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿 元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于 RS 一 485 网络的多机控制，与计算机和 PLC 联网组成复杂的控制系统。在大型综合 自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高 速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是 电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完 全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发 出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使 变频器的应用技术提高到一个新的水平。 1 1、8 8 本章小结本章小结 变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。它的节能、省力、易于构成自 20 控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。 尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨 大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。 第二章第二章变频器工程中的选用变频器工程中的选用 2 2、1 1变频器的选择变频器的选择 品牌的选择目前，国内市场上的变频器品牌多达上百种，应根据项目 的预算，项目要求和个人熟悉程度等多种因素综合考虑品牌和型号。就市场占有 量来说，日本的东芝、三菱、富士、松下等大公司是世界上重要的变频器生产厂 家，在我国有较大的市场份额；ABB、西门子、施耐德等欧美品牌也相继进入中 国；LG、三星、现代重工等韩国的后起之秀也在争夺中国市场；当然，国内的台 达、台安、时代、康沃等公司也占有一席之地。总体而言，欧美国家的产品以性 能先进、环境适应能力强而著称；日本产品以外型小巧、功能丰富而闻名；我国 港澳台的产品以功能简单实用而流行；大陆产品则以价格低廉、功能专用、简单 而广泛应用。 2 2、1 1、1 1类型的选择类型的选择工业中使用的变频器可以分为通用变频器 和专用变频器两大类，主要技术指标有：控制方式、启动转矩、转矩和转速控制 精度、控制信号种类、速度控制方式、通信借口等等。变频器的操作方式灵活， 接口易和上位机通信，从实际应用角度看，中小型容量的变频器以 U/f 控制方式 为主，属于通用型变频器，还有一类具有矢量控制功能的变频器，性能好、价格 高， 但价格也比 U/f 控制的要贵的多； 而直接转矩控制方式的变频器动态性能好， 21 转矩控制精度高，代表了当代变频器技术的最高水平。 2 2、1.21.2 其它应考虑的问题其它应考虑的问题 （1）选择合适的容量：应以电动机的额定电流和负载特性为依据，总的 负载电流不超过变频器的额定电流，频繁工作或重载时可增大容量。 (2)考虑负载的类型：根据实际负载，存在恒功率负载、恒转矩负载、 降转矩负载三种类型。风机类、泵类负载属于降转矩负载特性，一般宜采用具有 U/f 恒压频比控制的变频器；提升机、吊车、注塑机、运输机、传送带、搅拌机 等摩擦类负载和位能负载基本属于恒转矩负载， 采用具有转矩控制功能的高功能 型变频器是比较理想的；金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的 卷取机、开卷机等都属于恒功率负载，可采用变极电动机与变频器相结合或者机 械变速与变频器结合的方法实现。 (3)专用变频器：注塑机、抽油机、纺织机械、电梯、风机、水泵、空 调、矿山机械等领域，可选择在本行业有应用特长的专用变频器，往往有意想不 到的效果。 2 2、2 2变频器的安装变频器的安装 (1)墙挂式安装：变频器与周围物体之间的距离应满足两个条件：两 侧100mm 上下150mm。 (2)柜式安装：单台变频器安装应尽量采用柜外冷却方式（环境比较 洁净，尘埃少时）；单台变频器采用柜内冷却方式时，应在柜顶安装抽风式冷却 风扇，并尽量装在变频器的正上方；多台变频器安装应尽量并列安装，如必须采 用纵向方式安装，应在两台变频器间加装隔板，不论哪种方式，变频器应垂直安 装。 2 2、3 3工作环境的要求工作环境的要求：为了保证安全可靠，使用时应留 22 有余地。一般，变频器的工作温度应控制在 040；运行中的环境温度允许值 多为-1050；周围环境的湿度推荐为 40%90%；安装场所的海拔高度为 1000m 以下，海拔越高，冷却效果越差，由 1500m 开始，每超过 100m，容许温升就下 降 1%。此外，还应注意周围用电设备的电磁干扰和因雷击等自然因素引起的环 境问题。 2 2、4 4 本章小结本章小结 据统计，工业用电中 60%70%的电量被电动机所消耗，而这些电中，又有约 90%被三相交流异步电动机所消耗，可见电动机用量之大。变频器的出现，使得 交流电动机调速困难、 交变速设备结构复杂且效率和可靠性不尽人意的缺点得以 改善。在我国，变频器已在各行各业得到推广应用，基于变频器的交流电机变频 调速系统具有调速方便、体积小、噪声小、能耗低、保护功能完善、组态灵活、 可靠性强、智能化、数字化、网络化、易维护等特点，每年以 20%的递增量在发 展。因此，合理的使用和维护变频器对自动化工程人员来说至关重要。 第三章第三章 变频器的变频器的 维护维护 变频器由许多集成芯片，电子元器件等组成，装置较为复杂，寿命一 般小于 10 年，使用过程中不可避免的会出现各种故障，正确的维护，简单的检 修可保证生产生活的正常进 23 行 3.13.1变频器外部引起的故障变频器外部引起的故障 1 变频器的工作环境。 温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素， 可安装散热装置并避免日光 直射以避免温度过高；振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，可安装在振 动冲击较小的部位或者采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等会造成 电子器件生锈、 接触不良、 绝缘降低而形成短路， 可对控制柜进行防腐防尘处理， 并采用封闭式结构。 2 外部的电磁感应干扰。 外部的电磁感应干扰可能会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。可采用以下方法抑制噪声干扰: 采用屏蔽线回路接 地端子单独使用；缩短控制回路的配线距离周围的继电器、接触器线圈上加 装 RC 吸收器；输入端安装噪声滤波器。 3 电源异常。 为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也有相应的要求。如果附近有直 接起动电动机和电磁炉等设备，应和变频器供电系统分离，减小相互影响。对于 要求瞬时停电后仍能继续运行的场合，除选择合适价格的变频器外，还应预先考 虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式，当电压回复 后， 通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流。对于要求不能停 止运行的设备，要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。 4 雷击、感应雷电。雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损 坏。此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，断路器开闭也能产生较高的冲 击电压。变压器一次侧真空断路器断开时，通过耦合在二次侧形成很高的电压冲 24 击尖峰。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，保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。当 使用真空断路器时，应尽量采用冲击形成追加 RC 浪涌吸收器。如变压器一次侧 有真空断路器，因在控制顺序上应在真空断路器动作前先将变频器断开。 3.23.2变频器内部引起的故障变频器内部引起的故障 3.2.13.2.1参数设置引起的故障参数设置引起的故障。应多注意电动机参数、变频器控制 方式和启动方式的设定等，若发生参数设置故障，可根据故障代码或产品说明书 进行参数修改，必要时可恢复出厂值，重新设置。 3.2.23.2.2过电流和过载过电流和过载。如果变频器一上电就报过流故障，可能是整 流桥或逆变管损坏，需予以更换；若去掉电动机不再报警，可能是变频器和电机 间存在断路；若运行中，出现机械卡死、重载、加速时间设置过短或负载突变也 有可能引起过流，应从上述可能性逐一排查。 3.2.33.2.3过电压和欠电压过电压和欠电压。过电压主要体现为电机拖动大惯性负载 或多电机拖动同一负载时由于负荷分配不均引起； 欠电压主要由电源电压过低或 缺相、 一个直流母线上的电压过低或欠压检测元件出现问题引起，可检查供电电 压是否正常，更换故障元件或维修相应检测电路 3.2.43.2.4过热故障过热故障。应注意变频器的环境温度，尽量通风，检查变频 器风扇等。 3 3、4 4本章小结本章小结 不同厂家对变频器的操作方法设定略有差异， 但就其工作模式主要有面 板操作模式和外部操作模式。要合理使用变频器，应多参考变频器厂家提供的使 用手册，在实际应用中多积累经验。 本文后面将具体分析几个故障。 25 第四章第四章 变频器过电压故障原因分析及变频器过电压故障原因分析及 对策对策 4 4、1 1 变频器过电压的危害变频器过电压的危害 变频器过电压主要是指其中间直流回路过电压， 中间直流回路过电压主要危 害在于：（1）引起电动机磁路饱和。对于电动机来说，电压主过高必然使电机 铁芯磁通增加， 可能导致磁路饱和， 励磁电流过大， 从面引起电机温升过高； （2） 损害电动机绝缘。中间直流回路电压升高后，变频器输出电压的脉冲幅度过大， 对电机绝缘寿命有很大的影响；（3）对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影 响， 严重时会引起电容器爆裂。因而变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限 定在 DC800V 左右，一旦其电压超过限定值，变频器将按限定要求跳闸保护。 4 4、2 2 产生变频器过电压的原因产生变频器过电压的原因 4 4、2 2、1.1.过电压的原因过电压的原因 一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面： （1）来自电源输入侧的过电压 通常情况下的电源电压为 380V，允许误差为-5%-+10%，经三相桥式全波整 26 流后中间直流的峰值为 591V，个别情况下电源线电压达到 450V，其峰值电压也 只有 636V，并不算很高，一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。电源输入 侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压，如雷电引起的过电压、补偿电容在合 闸或断开时形成的过电压等，主要特点是电压变化率 dv/dt 和幅值都很大。 （2）来自负载侧的过电压 主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时， 即电机处于实际转速 比变频频率决定的同步转速高的状态， 负载的传动系统中所储存的机械能经电动 机转换成电能，通过逆变器的 6 个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。 此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些能量的措施，这些能 量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升。达到限值即行跳闸。 4 4、2 2、2.2.变频器负载侧引起过电压的情况及主要原因变频器负载侧引起过电压的情况及主要原因 从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因如下： （1）变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理 功能。当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设定的比较小，在减速过程中， 变频器输出频率下降的速度比较快， 而负载惯性比较大， 靠本身阻力减速比较慢， 使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高， 电动机处于 发电状态，而变频器没有能量处理单元或其作用有限，因而导致变频器中间直流 回路电压升高，超出保护值，就会出现过电压跳闸故障。 大多数变频器为了避免跳闸，专门设置了减速过电压的自处理功能，如果在 减速过程中， 直流电压超过了设定的电压上限值， 变频器的输出频率将不再下降， 暂缓减速，待直流电压下降到设定值以下后再继续减速。如果减速时间设定不合 适，又没有利用减速过电压的自处理功能，就可能出现此类故障。 （2）工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行。工艺流程限定了 27 负载的减速时间，合理设定相关参数也不能减缓这一故障，系统也没有采取处理 多余能量的措施，必然会引发过压跳闸故障。 （3）当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将处于再生发电制动状态。 位能负载下降过快， 过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能 力，过电压故障也会发生。 （4）变频器负载突降。变频器负载突降会使负载的转速明显上升，使负载 电机进入再生发电状态，从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量，短时间内能 量的