变频器工作原理及应用[行业知识]

1、电工培训班 课堂须知： 1、请将手机关机或置于静音状态； 2、上课期间自觉遵守纪律； 1向阳课件 本次讲课的内容主要分为4个方面： 一、变频器的概念和用途；变频器的概念和用途； 二、变频器及电器传动的基础知识；二、变频器及电器传动的基础知识； 三、变频器的应用现状和发展趋势三、变频器的应用现状和发展趋势 四、四、变频器使用注意事项 2向阳课件 模块一、模块一、 变频器的概念和用途变频器的概念和用途 3向阳课件 n变频器的概念 n变频器的用途 三相交流电网三相交流电网 3 AC, 400V, 50 Hz 开关或接触器开关或接触器 变频器变频器 异步电动机异步电动机 转速可调转速可调 050Hz可

2、调可调 一、变频器的概念和用途 4向阳课件 变频器的概念 变频器（变频器（Variable-frequency Drive， VFD）是应用变频技术与微电子技）是应用变频技术与微电子技 术，通过改变术，通过改变电机电机工作电源工作电源频率频率方方 式来控制交流电动机的电力控制设式来控制交流电动机的电力控制设 备。备。 5向阳课件 变频器的概念 基本概念 （1） VVVF 改变电压、改变频率 （Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写。 （2） CVCF 恒电压、恒频率 （Constant Voltage and Constant Frequency

3、）的缩写。 6向阳课件 各国使用的交流供电电源，无论是 用于家庭还是用于工厂，其电压和 频率均200V/60Hz（50Hz）或 100V/60Hz（50Hz）。通常，把电 压和频率固定不变的交流电变换为 电压或频率可变的交流电的装置称 作“变频器”。 7向阳课件 变频器的组成 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、 再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动 单元、检测单元微处理单元等组成。单元、检测单元微处理单元等组成。 8向阳课件 通过改变电源的频率来达到改变电源电通过改变电源的频率来达到改变电源电 压的目的，根据电机

4、的实际需要来提供其所压的目的，根据电机的实际需要来提供其所 需要的电源电压，进而达到节能、调速的目需要的电源电压，进而达到节能、调速的目 的。的。 9向阳课件 变频器的保护功能 变频器还有很多的保护功能，如过流、过变频器还有很多的保护功能，如过流、过 压、过载保护等等。随着工业自动化程度的压、过载保护等等。随着工业自动化程度的 不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。 10向阳课件 变频器保护功能 由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等， 要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。 超出条件则必须立刻或

5、延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重 新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。 保护类型原因 缺相 输入缺相输入电压值相差超过允许值 输出缺相输出电流三相不平衡 过流 加速/减速/恒 速 超过变频器允许的最大电流（2倍额 定） 过载超过变频器允许的过载范围 过压 加速/减速/恒 速 直流母线电压超过允许值 过热散热器温度超过允许值 欠压电网电压过低 11向阳课件 变频器的保护功能 现在通用变频器不但在产品性能上有很大提高，而且现在通用变频器不但在产品性能上有很大提高，而且 自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，熟悉这些自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，熟悉这些

6、 功能对于正确使用变频器极其重要。功能对于正确使用变频器极其重要。 过电流过电流 逆变器过载逆变器过载 过电压过电压 熔断器烧断熔断器烧断 欠电压欠电压 存储器出错存储器出错 散热板过热散热板过热 通讯出错通讯出错 外部报警输入外部报警输入 CPU出错出错 变器过热变器过热 自整定出错自整定出错 动机过载动机过载 12向阳课件 为了产生可变的电压和频率，该设备首先要 把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。 然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交 流电（AC），我们把实现这种转换的装置称 为“变频器”（inverter）。 13向阳课件 变频器选型选型原则 考虑变频器运行的经济性和安全性，变

7、频器选型保留适当的余量是必要的。 要准确选型，必须要把握以下几个原则： l充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要 求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可 l了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型 l了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。 14向阳课件 变频器选型选型原则 l确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该 电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素， 如 选用的是通用变频器，则可以选择P型机 l以下情况要考虑容量放大一档： 1、长期高温大负荷 2、异常或故障停

8、机会出现灾难性后果的现场 3、目标负载波动大 4、现场电网长期偏低而负载接近额定 5、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上） 15向阳课件 变频器选型选型原则 充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。 对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则： l以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器 民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上 电网品质恶劣或容量偏小的场合 如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机 l以下情况要选用交流输出电抗器 变频器到电机线路超过100米（一般原则） l以下情况一般要选用制动单元和制动电阻 提升负载 频繁快速加减速 大惯量（自由停车

9、需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备） 16向阳课件 变频器选型选型原则 使用通用变频器的行业和设备使用矢量变频器的行业和设备 纺织绝大多数设备纺织有张力控制场合需使用 冶金辅助风机水泵、辊道、高炉卷扬冶金各种主轧线、飞剪 石化用风机、泵、空压机 电梯门机、起重行走电梯、起重提升 供水 油田用风机、水泵、抽油机、空压机 电厂风机水泵、传送带 市政锅炉、污水处理 部分拉丝机牵引拉丝机的收放卷 凹版印刷 水泥、陶瓷、玻璃生产线全线 传送带矿山风机泵矿山提升机 卷烟制丝卷烟成型包装 低速造纸及配套风机水泵、制浆高速造纸、切纸机、复卷机 17向阳课件 变频器的用途比较广泛，无论是在生产还是

10、 咱们的日常生活中，都有所应用。 变频器在公司生产中得到广泛的应用： 例1、生产、生活中的恒压泵供水系统； 例2、高炉上料小车的控制； 例3、球团厂的回转窑旋转控制； 例4：炼钢连铸机的引锭杆的控制； 例5：炼钢厂转炉的倾动控制等等； 18向阳课件 变频器可用于家电产品： 例1、公共场所使用的中央空调； 例2、家庭中还有荧光灯等产品。用于电机控 制的变频器，既可以改变电压，又可以改变 频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节 电源供电的频率。 19向阳课件 下面就简单举几个例子对变频器的应用进行 讲解。 20向阳课件 例例1 .1 . 水泵节能恒压供水水泵节能恒压供水 图图10101 1 供水系

11、统示意图供水系统示意图 压力变送器压力变送器 生生 活活 小小 区区 21向阳课件 操操 作作 室室 420mA 回回 转转 窑窑 出料口出料口 R S T U V W 进进 料料 口口 减速箱减速箱 F U I t 例例2 . 2 . 球团回转窑主驱动变频调速示意图球团回转窑主驱动变频调速示意图 22向阳课件 UF1 UF2 UF3 UF4 UF UF5 UF6 P L C计算机计算机 四台拉矫机变频器四台拉矫机变频器 结结 晶晶 器器 变变 频频 器器 连连 铸铸 钢钢 锭锭 切断机切断机 喷喷 水水 系系 统统 冷却水冷却水 钢水钢水 浇铸钢包浇铸钢包 钢钢 锭锭 连连 铸铸 示示 意意

12、 图图 结晶器结晶器 输送辊道变频器输送辊道变频器 液液 压压 系系 统统 例例3 3 ： 23向阳课件 例4. 双泵双变频器双泵双变频器 PID PID 调节调节 U V W R S T P I D 调节器 R S T U V W RP微调 V+V-VI2GNDIIGNDII + - 4 20mA 电动机 电动机 压力传感器 水 泵 水 泵 U FU F 24向阳课件 例5：中央空调冷却水循环系统工艺图 水 泵 电动机 制 冷 机 组 冷 却 塔 温度变送器 冷却风扇 U V W R S T GNDIIV+VI1 RP 4 20mA Q Q Q U F 25向阳课件 模块二、模块二、 变频器

13、的基础知识变频器的基础知识 26向阳课件 变频器基础知识简要工作原理 整流部分储能环节逆变部分 M 控制系统 交流 交流低压交直交通用变频器系统框图交流低压交直交通用变频器系统框图 直流直流交流 整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波 逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦 27向阳课件 变频器基础知识简要工作原理 单相逆变电路工作原理单相逆变电路工作原理 S1 S4 S2 S3 Ed U1 S1,S3导通 S2,S4导通 S1,S3导通 S2,S4导通 S1,S3导通 S2,S4导通 f1

14、f2 Ed U1 逆变器的功能： l通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率 l通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序 28向阳课件 变频器基础知识简要工作原理 S1 S4 S5 S2 S3 S6 U V Ed W 561 UUV UVW UVW 612 123 234 345 456 561 612 三相逆变电路三相逆变电路 Ed 缺点： l输出电压的谐波分量太大 l电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机 l转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳 l直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题 电机 29向阳课件 变频器基础知识简要工作原理 SPWM调制 载波 PWMPWM（Pul

15、se Width ModurationPulse Width Moduration）调制）调制 lPWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频 率可变的电压脉冲列。 lSPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得 到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获 得理想的控制效果：输出电流近似正弦 l载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同 lGTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题 30向阳课件 电气传动基础知识电气传动系统概述 定义定义 以交流（直流）电动机为动力

16、拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流） 电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统 构成构成 中间传动机构 交流电源 输入 终端机械 交流 电机 直流 调速 装置 直流输出 皮带轮、齿轮箱等风机、泵等 直流 电机 交流 调速 装置 交流输出 执行机构 变频 器 31向阳课件 电气传动基础知识电气传动的目的和意义 序 号 意义有代表意义的行业或设备 1节能风机、水泵、注塑机 2提高产品质量机床、印刷、包装等生产线 3改善工作环境电梯、中央空调 目的目的 根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输 出转矩 意义意义 注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能

17、32向阳课件 电气传动基础知识电气传动系统基本工作原理 电力传动系统运动方程式电力传动系统运动方程式 lT电机转矩T负载转矩加速运行 T电机转矩T*时，T0=0，磁场不变，电 动机转子因惯性使n减小，转矩 减小。 75向阳课件 矢量控制与直接转矩控制 76向阳课件 负载 恒转矩负载 恒功率负载 风机泵类负载 77向阳课件 普通异步电动机与变频电机区普通异步电动机与变频电机区 别别 一、普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变 频调速的要求。以下为变频器对电机的影响 1、电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压 和电流，使电动机在非正弦电压、电

18、流下运行。拒资料介绍，以 目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零 ，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1（u为 调制比）。 高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附 加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机 是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波 电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。 除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都 会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相 异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般 要增加10%20%。 78向阳课件

19、普通异步电动机与变频电机区普通异步电动机与变频电机区 别别 2、电动机绝缘强度问题 目前中小型变频器，不少是采用PWM的控 制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫， 这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上 升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电 压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验 。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击 电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对 地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击 下会加速老化。 79向阳课件 普通异步电动机与变频电机区别？普通异步电动机与变频电机区别？ 。 3、谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风 等因素

20、所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各 次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各 种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率 一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工 作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开 电动机的各构件的固有震动频率。 4、电动机对频繁启动、制动的适应能力 由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以 无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进 行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的 机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝 缘结构带来疲劳和

21、加速老化问题。 80向阳课件 电机的极数对其选用有何影响电机的极数对其选用有何影响 ？ 电机的极对数越多，电机的转速就越低，但它 的扭距就越大；在选用电机时，您要考虑负载 需要多大的起动扭距，比如象带负载起动的就 比空载起动的需要扭距就大，如果是大功率大 负载起动，还要考虑降压启动（或星三角启动 ）；至于在决定了电机极对数后和负载的转速 匹配问题，则可考虑用不同直径的皮带轮来传 动或用变速齿轮（齿轮箱）来匹配。如果由于 决定了电机极对数后经过皮带或齿轮传动后达 不到负载的功率要求，那就要考虑电机的使用 功率问题了。 81向阳课件 变频器能否调至变频器能否调至1Hz1Hz吗，最高可吗，最高可 以调多少以调多少HZHZ使用？使用？ 有的品牌变频器最低频率可以调至0.1HZ,最高 频率可以调至3000HZ. 如果变频器用在一般的交流异步电机上，变频 器调至1Hz时已经接近直流，是绝对不可以的 ，电机将运行在变频器限制内的最大电流下工 作，电机将会发热严重，很有可能烧毁电机。 如果超过50Hz运行会增大电机的铁损，对电机 也是不利的，一般最好不要超过60Hz，（短时 间内超过是允许的）否则也会影响电机使用寿 命。 82向阳课件 使用变频器时，电机温升为什么使用变频器时，电机温升为什么 比工频时高呢比工频时高呢？ 因为变频器输出电压波形不是正弦波， 而是畸形波，在额定扭矩下的电机电流