变频器原理与维修

1、变频器原理与应用SINAMICS GSINAMICS S变频器原理与应用绪论主要内容：q 变频器的概念和用途变频器的概念和用途q 变频器的发展历程变频器的发展历程q 变频器的应用现状和发展趋势变频器的应用现状和发展趋势q 课程内容及学习要求课程内容及学习要求变频器原理与应用n变频器的概念变频器的概念n变频器的用途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可调可调1.变频器的概念和用途变频器原理与应用n 直流调速系统直流调速系统的优缺点的优缺点2.变频器的发展历程n 交流调速系统交

2、流调速系统的优缺点的优缺点n 变频器的诞生变频器的诞生n 变频器的发展与成熟变频器的发展与成熟变频器原理与应用n起步较晚起步较晚n已进入已进入 “黄金时期黄金时期”n国外品牌国外品牌n国内品牌国内品牌n变频调速的效果变频调速的效果n市场空间市场空间3.我国变频器的应用现状变频器原理与应用n向向专用型专用型方向发展方向发展n向向人性化人性化方向发展方向发展n易用性易用性不断提高不断提高4.变频器的发展趋势n功率结构功率结构模块化模块化n智能化（信息化）智能化（信息化）n优化电网优化电网接口接口变频器原理与应用总结 重点重点：变频器的概念和用途。：变频器的概念和用途。难点难点：变频器的发展趋势。：

3、变频器的发展趋势。绪论n 变频器的概念和用途变频器的概念和用途n 变频器的发展历程、应用现状和发展趋势变频器的发展历程、应用现状和发展趋势变频器原理与应用第1章 基础知识主要内容：1.1 三相异步电动机三相异步电动机1.2 三相异步电动机的起动和制动三相异步电动机的起动和制动1.3 电力电子器件简介电力电子器件简介1.4 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWM）原理）原理1.5 变频器的组成和分类变频器的组成和分类变频器原理与应用1.1 三相异步电动机本节主要内容：q 三相异步电动机结构及工作原理三相异步电动机结构及工作原理q 三相异步电动机的电磁特性三相异步电动机的电磁特性q 三相异步电动

4、机的机械特性三相异步电动机的机械特性q 三相异步电动机的调速方式三相异步电动机的调速方式变频器原理与应用1.三相异步电动机结构及工作原理三相感应三相感应电动机电动机定子定子气隙气隙转子转子机座机座端盖端盖转子铁心转子铁心轴轴转子绕组转子绕组定子铁心定子铁心定子绕组定子绕组鼠笼型鼠笼型绕线型绕线型变频器原理与应用变频器原理与应用变频器原理与应用变频器原理与应用n 鼠笼型转子鼠笼型转子变频器原理与应用n 绕线式转子绕线式转子 变频器原理与应用ABCCBAit1AZBXCY2 3 4 5 6e2, i2n 三相感应式电动机的工作模型三相感应式电动机的工作模型电流从首端流入、末端流出时为正。12345

5、6变频器原理与应用n 旋转磁场旋转磁场旋转磁场的转速（同步速）旋转磁场的转速（同步速）pfn1160变频器原理与应用转差转差定义为：定义为：即转子与旋转磁场之间存在相对运动，是感应电动机即转子与旋转磁场之间存在相对运动，是感应电动机稳定运行的必要条件。稳定运行的必要条件。转差率转差率定义为：定义为： 其大小反映了电机的转速，即其大小反映了电机的转速，即01nnn11/nnnS11nSnn 转差率转差率变频器原理与应用E1=4.44K1N11m=U1+U E11m 将将U忽略，则忽略，则E1U11m 2.三相异步电动机的电磁特性n 感应电动势感应电动势E1n U1/1 =常数常数变频器原理与应用

6、n 机械特性的参数表达式机械特性的参数表达式21222211123/2epU rsTrfrxxs其中：其中：p p为电机极对数；为电机极对数； U1U1为相电压有效值为相电压有效值 r1r1为定子每相绕组的内阻为定子每相绕组的内阻 x1x1为每相漏阻抗为每相漏阻抗 r2r2为折算到定子侧的每相电阻为折算到定子侧的每相电阻 x2x2为折算到定子侧的漏电阻为折算到定子侧的漏电阻电机参数一定，电机参数一定，且且U U1 1，f f1 1不变时，不变时，T T仅与仅与S S有关有关。机械特性曲线机械特性曲线)(nfT )(SfT 3.三相异步电动机的机械特性11/nnnS变频器原理与应用mS1nS01

7、1n21,0,0nn STNNNTTSSnn,NnmmTTSS,QTTSn, 1, 0D理想空载点额定运行点mTB最大转矩点起 动 点NTCAQTn 机械特性中四个关键点机械特性中四个关键点nT0图图1.3 感应电机的机械特性感应电机的机械特性变频器原理与应用n异步电动机的异步电动机的调速原理调速原理)1(60)1(11SpfnSn耗能型有级调速设备费用高4.三相异步电动机的调速方式 变频器原理与应用n 异步电动机的异步电动机的变极调速变极调速A1X1X2A2AXAXAXAXA1X1X2A2AX变频器原理与应用调速原理调速原理fpfn601连续可调连续可调1n、 连续可调连续可调n主要设备主要

8、设备变频器变频器V1V3V5V4V6V22dcU2dcUM逆变逆变可调可调fUabc,整流整流dcUn 异步电动机的异步电动机的变频调速变频调速变频器原理与应用 变频调速时的机械特性变频调速时的机械特性),(11constfUffN同步点同步点最大转矩点最大转矩点：起动点起动点：11fn 2111)(,1fUTfSmm不变不变11211312111)(fffUfUTQ最大转矩对应的转速降：最大转矩对应的转速降：ppffnSnmm1601111mn不变不变Nff 1Um弱磁调速弱磁调速QmTTnT0S11nQTNfmnmn1n1f 1n 1fmT 1nNff 1 mnZTffn:恒功率恒功率调速

9、；调速；变频器原理与应用调压调速调压调速nT0S1mT1nNUmS1U 1UNUUU1 1ZT2knTZ1n1U21UTmmS不变不变21UTQ不变不变nn 异步电动机的异步电动机的改变转差率调速改变转差率调速变频器原理与应用RmTmS不变不变QT1n不变不变nnT0S1mTmS1nQT2r2 RrQTmSZTZT轻载调速轻载调速范围不大范围不大调速前：调速前：1，S1调速后：调速后：2，S2绕线式感应电动机转子串电阻调速（串级调速）绕线式感应电动机转子串电阻调速（串级调速）变频器原理与应用变极调速变极调速变转差率调速变转差率调速变频调速变频调速n 异步电动机的异步电动机的三种三种调速方式的比

10、较调速方式的比较变频器原理与应用1.2 三相异步电动机的起动和制动本节主要内容：q 三相异步电动机的起动方法三相异步电动机的起动方法q 三相异步电动机的制动方法三相异步电动机的制动方法 变频器原理与应用1.三相异步电动机的起动方法 n 要求要求: :有不太大的起动电流有不太大的起动电流足够大的起动转矩足够大的起动转矩动态转矩动态转矩T T很小很小n 起动方法起动方法: :直接起动直接起动降压起动降压起动低频起动低频起动变频器原理与应用变频器原理与应用2.异步电动机的制动方法n电动机的制动状态电动机的制动状态：指电磁转矩指电磁转矩T T与转子转速与转子转速n n方向方向 相反的状态。相反的状态。

11、n制动方式制动方式: :直流制动：直流制动：回馈制动回馈制动反接制动反接制动 变频器原理与应用n直流制动直流制动 制动原理制动原理 制动过程制动过程变频器原理与应用n回馈制动回馈制动 制动原理制动原理 回馈制动的条件：回馈制动的条件：nnnn1 1 变频器原理与应用小结 重点重点：三相异步电动机三相异步电动机的启动和制动方式的启动和制动方式难点难点：各种启动和制动方式的工作原理：各种启动和制动方式的工作原理1.2 三相异步电动机的起动和制动q三相异步电动机的三相异步电动机的起动方起动方式式q三相异步电动机的制动方式三相异步电动机的制动方式直接起动直接起动降压起动降压起动低频起动低频起动直流制动

12、直流制动回馈制动回馈制动反接制动反接制动变频器原理与应用1.3 电力电子器件简介本节主要内容：q 常用电力电子器件的基本特性。常用电力电子器件的基本特性。n电力电子器件是变频技术电力电子器件是变频技术发展的基础。发展的基础。n在定性分析变频电路时，在定性分析变频电路时，可将电力电子器件作为理可将电力电子器件作为理想开关来对待。想开关来对待。变频器原理与应用1.功率二极管（DIODE）n电气符号电气符号n伏安特性伏安特性IOIFUTOUFUn特性特性 单向导电性单向导电性正向正向导通导通反向反向截至截至变频器原理与应用2.晶闸管（SCR）n电气符号电气符号n伏安特性伏安特性n内部结构内部结构变频

13、器原理与应用n开通条件开通条件阳极和阴极间承受正向电压时阳极和阴极间承受正向电压时，在门极和阴极间也在门极和阴极间也加正向电压。加正向电压。当阳极电流上升到当阳极电流上升到擎擎住电流后，门极电压信号即失住电流后，门极电压信号即失去作用，若撤去门极信号，晶闸管可继续导通；去作用，若撤去门极信号，晶闸管可继续导通；（擎（擎住电流是使晶闸管由关断到导通的最小电流住电流是使晶闸管由关断到导通的最小电流）n关断条件关断条件使晶闸管阳极电流使晶闸管阳极电流I IA A小于维持电流小于维持电流I IH H（维持电流维持电流I IH H是保持晶闸管导通的最小电流是保持晶闸管导通的最小电流）变频器原理与应用n电

14、气符号电气符号n内部结构：内部结构：GTOGTO是一种多元功率集是一种多元功率集成器件，它是由十几个甚至数百个成器件，它是由十几个甚至数百个共阳极的小共阳极的小GTOGTO元组成。元组成。n伏安特性：与伏安特性：与SCRSCR的特性相似。的特性相似。n导通与关断条件：导通条件与导通与关断条件：导通条件与SCRSCR相同，但关断时门极需要负脉冲。相同，但关断时门极需要负脉冲。n缺点缺点驱动功率大，驱动电驱动功率大，驱动电路复杂；路复杂；工作频率不够高，一工作频率不够高，一般在般在10KHz10KHz以下。以下。n优点优点电压、电流容量较大，电压、电流容量较大，可达到可达到6000V6000V、6

15、000A6000A。多应用于大功率高压变多应用于大功率高压变频器。频器。3.门极可关断晶闸管（GTO）变频器原理与应用n电气符号电气符号n工作状态：工作状态：GTRGTR作为开作为开关器件，应在截止（关）关器件，应在截止（关）和饱和（开）两种状态之和饱和（开）两种状态之间交替。间交替。n缺点缺点GTRGTR耐冲击能力差，易耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。受二次击穿损坏。目前目前GTRGTR的应用一般被的应用一般被IGBTIGBT所替代。所替代。n内部结构：内部结构：与普通的与普通的双极结型晶体管类似双极结型晶体管类似。4.电力晶体管（GTR）n伏安特性伏安特性变频器原理与应用n电气符号电气符号

16、n伏安特性伏安特性n转移特性转移特性n导通条件：导通条件：u uDSDS加正压，且加正压，且u uGSGSU UGS(th) )GS(th) )( (开启电压开启电压) )n优点：优点：驱动功率小，开驱动功率小，开关速度快关速度快n缺点：电流容量小，耐缺点：电流容量小，耐压低压低5.电力场效应晶体管（MOSFET）变频器原理与应用n电气符号电气符号n等效电路等效电路n输出特性输出特性n导通条件：导通条件：u uCECE加正压，且加正压，且u uGEGEU UGE(th) )GE(th) )( (开启电压开启电压) )n优点：优点：驱动功率小驱动功率小开关速度快开关速度快电流容量大，耐压高电流容

17、量大，耐压高6.绝缘栅双极晶体管（IGBT）变频器原理与应用nIGCTIGCT是是GTOGTO的派生器件，其基本结构在的派生器件，其基本结构在GTOGTO的基础进的基础进行了改进，如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的行了改进，如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的门极驱动电路等等。门极驱动电路等等。n使使IGCTIGCT不仅具有与不仅具有与GTOGTO相当的容量，而且具有优良的相当的容量，而且具有优良的开通和关断能力。开通和关断能力。n目前，目前，4000A4000A、4500V4500V及及5500V5500V的的IGCTIGCT已研制成功。在已研制成功。在大容量变频电路中，大容量变频电路中，

18、IGCTIGCT被广泛应用。被广泛应用。7.集成门极换流晶闸管（IGCT）变频器原理与应用nIPMIPM是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检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测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一种。种。n优点：高度集成化、结构紧凑，避免了由于分布参数优点：高度集成化、结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系列技术难题。、保护延迟所带来的一系列技术难题。适适合逆变器高合逆变器高频化发展方向的需要。频化发展方向的需要。n目前，目前，IPMIPM一般以一般以IGBTIGBT为基本功率开关元件，构成单为基本

19、功率开关元件，构成单相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。中广泛应用。8.智能功率模块（IPM）变频器原理与应用重点重点：常用电力电子器件的基本特性：常用电力电子器件的基本特性难点难点：复合器件复合器件的的特点特点1.3 电力电子器件简介q 常用电力电子器件的基本特性常用电力电子器件的基本特性不控器件：不控器件：DIODEDIODE半控器件：半控器件：SCRSCR，全控器件：全控器件： GTO GTO，GTR, P.MOSFETGTR, P.MOSFET复合器件：复合器件： IGBT IGBT，IGCTIGCT功率集成电路：功率

20、集成电路： IPM IPM小 结 变频器原理与应用1.4 脉冲宽度调制（PWM）原理 n电能变换的类型电能变换的类型图图1.12 1.12 电能变换的类型电能变换的类型变频器原理与应用nAC/DCAC/DC变换器变换器图图1.13 1.13 整流电路整流电路变频器原理与应用nDC/DCDC/DC变换器变换器图图1.14 1.14 直流斩波电路直流斩波电路变频器原理与应用nDC/ACDC/AC变换器变换器图图1.15 1.15 单相逆变电路单相逆变电路变频器原理与应用nAC/ACAC/AC变换器变换器图图1.17 1.17 交交变频器交交变频器图图1.16 1.16 单相交流调压器单相交流调压器

21、变频器原理与应用本节主要内容：q PWMPWM的基本原理，调制方法的基本原理，调制方法q SPWMSPWM逆变电路逆变电路n脉冲宽度调制（缩写为脉冲宽度调制（缩写为PWMPWM）技术）技术 按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行调制，来得到所需要的等效波形。调制，来得到所需要的等效波形。n（交直交）变频器的结构（交直交）变频器的结构图图1.18 1.18 交直交变频器交直交变频器变频器原理与应用n 理论基础理论基础: :面积等效原理面积等效原理 1. PWM技术的基本原理 冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯

22、性的环节上时，其上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同环节的输出响应波形基本相同图图1.19 1.19 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数单位脉冲函数f (t)d d (t)tOa)矩形脉冲矩形脉冲b)三角形脉冲三角形脉冲c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)变频器原理与应用 图图1.21 1.21 冲量相等的冲量相等的各种窄脉冲的响应各种窄脉冲的响应波形波形具体的实例说明具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a a）e e (t)(t)电

23、压窄脉冲，是电压窄脉冲，是电路的输入。电路的输入。 i i (t)(t)输出电流，是输出电流，是电路的响应。电路的响应。 图图1.20 1.20 惯性环节的电路惯性环节的电路变频器原理与应用OutSPWMSPWM波波Out如何用一系列如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波来代替一个正弦半波OutOutSPWM波的特点：脉冲的宽度与正弦波的大小成正比。波的特点：脉冲的宽度与正弦波的大小成正比。N值越高（即脉冲频率越高），值越高（即脉冲频率越高），SPWM越接近正弦波越接近正弦波n正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWMSPWM）将一个正弦波将一个正弦波电压分为电压分为N N等

24、份等份把正弦曲线每一等份所包围把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替等的等幅矩形脉冲来代替等效等效变频器原理与应用OwtUd-Ud 对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWMPWM波波形，因此正弦波一个完整周期的等效形，因此正弦波一个完整周期的等效PWMPWM波为：波为：OwtUd-Ud 根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWMPWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。变频器原理与应用n 调制方法调制方法:

25、 : 利用载波和调制波相比较利用载波和调制波相比较的的方式来确定方式来确定 SPWMSPWM波的波的脉宽和间隔脉宽和间隔。 调制波调制波u ur r: : 所希望生成的正弦波所希望生成的正弦波载波载波u uc c ：等腰三角波或锯齿波：等腰三角波或锯齿波2. 单相SPWM逆变电路图图1.22 1.22 单相桥式单相桥式SPWMSPWM逆变电路逆变电路n 控制方式：按照控制方式：按照调制脉冲的极性关系调制脉冲的极性关系,SPWM,SPWM逆变电路的控逆变电路的控制方式分：制方式分：单极性控制单极性控制双极性控制双极性控制变频器原理与应用n单极性控制单极性控制: :任一时刻载波与调制波的极性相同，

26、在任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期任意半个周期SPWMSPWM波单方向变化波单方向变化 u ur ru uc c时时, ,有脉冲有脉冲u ur ru uc c时，时， 无脉冲无脉冲 图图1.23 1.23 单极性单极性SPWMSPWM变频器原理与应用u ur r u uc c时，时， VT1 VT1，VT3VT3开通开通 输出正脉冲输出正脉冲u ur r u uc c时，时， VT2 VT2，VT4VT4开通开通 负脉冲负脉冲 图图1.24 1.24 双极性双极性SPWMSPWMn双极性控制：载波双方双极性控制：载波双方向变化，在任意半个周向变化，在任意半个周期期SPWMSPWM

27、波双方向变化波双方向变化变频器原理与应用n 电路结构电路结构 3.三相桥式SPWM逆变电路IGBTIGBT图图1.25 1.25 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路变频器原理与应用n调调制制原理原理调制信号调制信号为三相正弦波为三相正弦波载波载波公用公用 控制方式控制方式 双极性双极性 SPWM调频方法：调频方法：改变三相调制改变三相调制信号的频率信号的频率调压方法：调压方法：改变三相调制改变三相调制信号的幅度信号的幅度变频器原理与应用小 结 重点重点：脉宽调制的基本原理：脉宽调制的基本原理难点难点：SPWMSPWM逆变电路的变压变频原理逆变电路的变压变频原理1.4 脉冲宽度调制（PWM）原理q

28、 脉宽调制的基本原理脉宽调制的基本原理 面积等效原理面积等效原理q SPWMSPWM波的生成方法波的生成方法 调制法调制法q 三相桥式三相桥式SPWMSPWM逆变电路逆变电路 SPWM SPWM逆变电路的结构和变压变频原理逆变电路的结构和变压变频原理变频器原理与应用前面学习了前面学习了1.1 三相异步电动机1.2 三相异步电动机的起动和制动1.3 电力电子器件简介1.4 脉冲宽度调制（PWM）原理 本讲将学习本讲将学习1.5 变频器的组成和分类变频器原理与应用本节主要内容：q 变频器的变频器的主主电路电路q 变频器变频器的控制电路的控制电路q 变频器的分类变频器的分类变频器原理与应用n整流电路

29、整流电路 组成：组成：VD1VD1VD6VD6（三相桥式二极管整流器）（三相桥式二极管整流器） 功能：将工频交流电整流为脉动直流电。功能：将工频交流电整流为脉动直流电。n滤波电路滤波电路 组成：组成：C1C1、C2C2、R1R1、R2R2、R3R3 功能：将脉动直流电变为较平滑的直流电。功能：将脉动直流电变为较平滑的直流电。1.变频器的主电路变频器原理与应用n逆变电路逆变电路 组成：组成：VT1VT6、VD7VD12 功能：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电功能：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电n制动单元制动单元 组成：组成：VT7、R5 功能：消耗电动机制动过程中的回馈能量功能：消

30、耗电动机制动过程中的回馈能量变频器原理与应用 制动单元工作原理制动单元工作原理：电动机制动时，回馈电流通过电动机制动时，回馈电流通过VD7VD7VD12VD12给给C1C1、C2C2充电。充电。当电容两端电压升到一定程度时，计算机控制当电容两端电压升到一定程度时，计算机控制VT7 VT7 导通导通。电容通过电容通过R5R5和和VT7VT7放电，电阻发热消耗能量，电放电，电阻发热消耗能量，电容两端电压降低，电动机制动容两端电压降低，电动机制动。变频器原理与应用n输入端子：输入端子：R R、S S、T T，连接电源，连接电源n输出端子：输出端子：U U、V V、W W，连接电动机，连接电动机变频器

31、原理与应用n主控制板：主控制板：核心为核心为单片机，单片机，是是变频器的控制中心变频器的控制中心。由以下各部分组成：由以下各部分组成：n操作面板操作面板: :包括键盘及显示屏等。包括键盘及显示屏等。 键盘：运行操作或程序预置键盘：运行操作或程序预置 其上有：运行键；模式转换键；其上有：运行键；模式转换键；数据增减键；复位键等。数据增减键；复位键等。 显示屏：显示控制板提供的各种显示屏：显示控制板提供的各种显示数据。显示数据。 LEDLED数码显示屏和液晶显示屏。数码显示屏和液晶显示屏。 显示的数据类型：运行数据；功显示的数据类型：运行数据；功能参数码；故障代码等。能参数码；故障代码等。2.变频

32、器的控制电路变频器原理与应用n电源电源 为控制电路提供直流电源为控制电路提供直流电源 该电源具有电压稳定性好该电源具有电压稳定性好，抗干扰能力强等优点，抗干扰能力强等优点 与主电路电气隔离与主电路电气隔离n控制电路的控制电路的输入输入端子端子 模拟量模拟量输入端子：接收输入端子：接收模拟信号调节运行频率模拟信号调节运行频率 开关量开关量输入端子：接收输入端子：接收开关信号进行运行控制开关信号进行运行控制变频器原理与应用n控制电路的控制电路的输出输出端子端子 模拟量输出端子：输出与内部变量成正比的模拟模拟量输出端子：输出与内部变量成正比的模拟信号，用于指示内部数据信号，用于指示内部数据 。 开关

33、量输出端子：输出开关信号用于报警或运行开关量输出端子：输出开关信号用于报警或运行 状态指示。状态指示。变频器原理与应用n通信接口通信接口 用于多个变频器之间用于多个变频器之间 或变频器与计算机之间或变频器与计算机之间进行联网控制。进行联网控制。变频器原理与应用n按变换环节分按变换环节分3.变频器的分类 交交- -直直- -交型：低压变频器通用，调节频率范围较宽交型：低压变频器通用，调节频率范围较宽 交交- -交型：用于低速大容量的调速系统，可调频率范交型：用于低速大容量的调速系统，可调频率范 围窄。围窄。ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=2P=2wt交交- -交型交型交交

34、- -直直- -交型交型变频器原理与应用n按电压等级分按电压等级分 低压变频器：低压变频器：220V220V460V460V，一般为，一般为 中小容量。中小容量。 中压变频器中压变频器：电压等级：电压等级3kV3kV10kV10kV， 大容量。大容量。变频器原理与应用n按用途分按用途分专用型：为具体应用而专用型：为具体应用而 设计，使用面设计，使用面 窄、价格低、窄、价格低、 操作简单。操作简单。通用型：用于机械传动通用型：用于机械传动 调速，功能齐调速，功能齐 全、性能好、全、性能好、 价格贵。价格贵。变频器原理与应用小 结 重点重点：变频器的组成：变频器的组成难点难点：制动单元的功能：制动

35、单元的功能1.5 变频器的组成和分类q 变频器的主电路变频器的主电路 整流、滤波、逆变、制动整流、滤波、逆变、制动 q 变频器的控制电路变频器的控制电路 主控制板、操作面板、电源、输入端子、输出主控制板、操作面板、电源、输入端子、输出端子、通信接口端子、通信接口q 变频器的分类变频器的分类 变换环节、电压等级、用途变换环节、电压等级、用途变频器原理与应用本章小结第1章 基础知识q 三相异步电动机的基础知识：三相异步电动机的基础知识：工作原理和调速方式工作原理和调速方式变频调速方式最为优越。变频调速方式最为优越。变频调速的要求变频调速的要求：电压、频率协调控制。：电压、频率协调控制。q 变频器的

36、基础知识变频器的基础知识变流电路的组成：变流电路的组成：电力电子器件电力电子器件逆变器的控制技术：逆变器的控制技术：脉宽调制技术脉宽调制技术变频器的组成变频器的组成和分类：主电路，控制电路和分类：主电路，控制电路 变频器原理与应用常用变频器故障处理办法变频器原理与应用目录目录变频器变频器1 1、通用变频器的保护功能及软故障处理、通用变频器的保护功能及软故障处理1.11.1、引言、引言1.21.2、检修前注意事项、检修前注意事项1.31.3、过电流保护功能、过电流保护功能1.41.4、过载保护及原因分析、过载保护及原因分析1.51.5、欠电压保护、欠电压保护LULU1.61.6、过电压保护、过电

37、压保护OUDOUD1.71.7、其它保护、其它保护2 2、通用变频器的硬故障、通用变频器的硬故障2.12.1、变频器控制方式、变频器控制方式2.22.2、整流及滤波电路整流及滤波电路2.32.3、逆变电路、逆变电路2.42.4、变频器静态测试、变频器静态测试2.52.5、变频器动态测试、变频器动态测试2.62.6、变频器故障判断、变频器故障判断变频器原理与应用q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。q变频器异常故障分为软故障和硬故障两大类，前者多因操作或参数设置不当造成的，硬故障是由于变频器本身器件损坏造成的，维修起来可能很不便。q在操作及检修变频器时均需

38、阅 读手册。变频器原理与应用1、通用变频器的保护功能及软故障处理 本节阐述变频本节阐述变频器在运行过程中出现器在运行过程中出现的过电流、过载、过的过电流、过载、过电压、欠压等异常故电压、欠压等异常故障显示，针对变频器障显示，针对变频器故障的存储信息，分故障的存储信息，分析其原因，采取有效析其原因，采取有效的处理方法，保证变的处理方法，保证变频器在允许参数下正频器在允许参数下正常运行。常运行。 变频器原理与应用 1.1、引言 变频器本身具有相当丰富的异常故障显示和保护功能。若保护功能变频器本身具有相当丰富的异常故障显示和保护功能。若保护功能动作时，变频器立即跳闸，动作时，变频器立即跳闸，LEDL

39、ED显示故障代码，或者将故障信息存储在显示故障代码，或者将故障信息存储在程序的某个参数内，使电动机处于自由运转状态到停止。程序的某个参数内，使电动机处于自由运转状态到停止。处理故障前应处理故障前应注意查看故障前变频器的运行记录注意查看故障前变频器的运行记录，主要包括电流、转速、绕组及轴承，主要包括电流、转速、绕组及轴承温度等，以便于故障的分析和检查。当出现变频器显示某类故障，但故温度等，以便于故障的分析和检查。当出现变频器显示某类故障，但故障排除过程中却未发生相应故障的情况，此时应仔细检查故障检测元件障排除过程中却未发生相应故障的情况，此时应仔细检查故障检测元件或故障信息处理系统有无问题。或故

40、障信息处理系统有无问题。变频器原理与应用1.2、检修前注意事项 故障检查或维修时，须先切断电源，且等断电故障检查或维修时，须先切断电源，且等断电8min8min电容放电容放电完毕后，方可打开柜门进行维修，切忌停机后立即进行检查。电完毕后，方可打开柜门进行维修，切忌停机后立即进行检查。因变频器额定运行时，其直流母排电压可达到因变频器额定运行时，其直流母排电压可达到1000V1000V左右，滤波左右，滤波所用电解电容器储存了大量的电能，停机后须待电容模块前的所用电解电容器储存了大量的电能，停机后须待电容模块前的电压平衡电阻将其放电，电压降低后电压平衡电阻将其放电，电压降低后( (其放电时间为其放电

41、时间为8min8min视变频视变频器容量而定器容量而定) )， 方可方可开柜进行检查。开柜进行检查。变频器原理与应用1.3、过电流保护功能 变频器中过电流保护的对象主要指带有突变性质的、变频器中过电流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了过电流检测值电流的峰值超过了过电流检测值( (约约额定电流的额定电流的200200) )，变，变频器显示频器显示OCOC表示过电流，由于逆变器件的过载能力较差表示过电流，由于逆变器件的过载能力较差, ,所所以变频器的过电流保护是至关重要的一环。以变频器的过电流保护是至关重要的一环。变频器原理与应用 1.3 过电流原因分析 过流故障可分为过流故障可分为

42、加速、减速、恒速过电流加速、减速、恒速过电流。其可能是由。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查等来解决。如果断开负载变频器还是过流故对线路进行检查等来解决。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路障，说明变频器逆变电路已坏，需要更换变频器。根据已坏，需要更换变频器。根据变频器显示，可从

43、以下几方面变频器显示，可从以下几方面寻找原因：寻找原因：OCOC变频器原理与应用1.3.1、工作中过电流原因 一是电动机遇到冲击负载或传动机构出现一是电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住卡住”现象现象, ,引起电引起电动机电流的突然增加；动机电流的突然增加； 二是变频器输出侧发生短路，如输出端到电动机之间的连接线发二是变频器输出侧发生短路，如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路生相互短路, ,或电动机内部发生短路等、接地（电机烧毁、绝缘劣化、电或电动机内部发生短路等、接地（电机烧毁、绝缘劣化、电缆破损而引起的接触、接地等）；缆破损而引起的接触、接地等）； 三是变频器自身工作不正常三是变频器

44、自身工作不正常, ,如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替的工作过程中出现异常。如环境温度过高，或逆变器元器件在不断交替的工作过程中出现异常。如环境温度过高，或逆变器元器件本身老化等原因，使逆变器的参数发生变化，导致在交替过程中，一件本身老化等原因，使逆变器的参数发生变化，导致在交替过程中，一个器件已经导通、而另一个器件却还未来得及关断，引起同一个桥臂的个器件已经导通、而另一个器件却还未来得及关断，引起同一个桥臂的上、下两个器件的上、下两个器件的“直通直通”，使直流电压的正、负极间处于短路状态。，使直流电压的正、负极间处于短路状态。变频器原理与应用 1.3.2

45、工作中过电流处理方法 起动时一升速就跳闸，这是过电流十分严重的现象，主要起动时一升速就跳闸，这是过电流十分严重的现象，主要检查：检查： 工作机械有没有卡住；工作机械有没有卡住； 负载侧有没有短路负载侧有没有短路, ,用兆欧表检查对地有没有短路；用兆欧表检查对地有没有短路； 变频器功率模块有没有损坏；变频器功率模块有没有损坏； 电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来。电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来。变频器原理与应用1.3.3升速、降速时过电流的原因 当负载的惯性较大，而升速时间或降速时间又设定得太当负载的惯性较大，而升速时间或降速时间又设定得太短时，也会引起过电流短时，也会引起过电流。在

46、升速过程中，变频器工作频率上。在升速过程中，变频器工作频率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大；在降速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大；在降速过程中，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子过程中，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以使转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以使转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。变频器原理与应用1.3.4升速、降速时过电流的处

47、理办法起动时不马上跳闸，而在运行过程中跳闸，主要检查：起动时不马上跳闸，而在运行过程中跳闸，主要检查： 升速时间设定太短，加长加速时间升速时间设定太短，加长加速时间 减速时间设定太短，加长减速时间减速时间设定太短，加长减速时间 转矩补偿（转矩补偿（U/fU/f比）设定太大，引起低频时空载电流过大比）设定太大，引起低频时空载电流过大 电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起变电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起变频器误动作。频器误动作。变频器原理与应用 电动机能够旋转，但运行电流超过了额定值，称为过载。电动机能够旋转，但运行电流超过了额定值，称为过载。过载的基本反映是：电流虽然超

48、过了额定值，但超过的幅度过载的基本反映是：电流虽然超过了额定值，但超过的幅度不大，一般也不形成较大的冲击电流。输出电流超过反时限不大，一般也不形成较大的冲击电流。输出电流超过反时限特性过载电流额定值，保护功能动作，变频器的容量偏小。特性过载电流额定值，保护功能动作，变频器的容量偏小。1.4、过载保护及原因分析变频器原理与应用 （1 1）机械负荷过重：负荷过重的主要特征是电动机发）机械负荷过重：负荷过重的主要特征是电动机发热，并可从显示屏上读取运行电流来发现。主要原因是变频热，并可从显示屏上读取运行电流来发现。主要原因是变频器负载太大，加减速时间、运行周期时间太短；器负载太大，加减速时间、运行周

49、期时间太短；V/FV/F特性的特性的电压太高；变频器功率太小。电压太高；变频器功率太小。 （2 2）三相电压不平衡：引起某相的运行电流过大，导）三相电压不平衡：引起某相的运行电流过大，导致过载跳闸，其特点是电动机发热不均衡，从显示屏上读取致过载跳闸，其特点是电动机发热不均衡，从显示屏上读取运行电流时不一定能发现运行电流时不一定能发现( (因显示屏只显示一相电流因显示屏只显示一相电流) )。 （3 3）误动作：变频器内部的电流检测部分发生故障，）误动作：变频器内部的电流检测部分发生故障，检测出的电流信号偏大，导致跳闸。检测出的电流信号偏大，导致跳闸。1.4.1、过载的主要原因变频器原理与应用（2

50、 2）检查电动机侧三相电压是否平衡）检查电动机侧三相电压是否平衡 若电动机侧的三相电压不平衡，则应再检查变频器输出端的若电动机侧的三相电压不平衡，则应再检查变频器输出端的三相电压是否平衡，如不平衡，问题在变频器内部，应检查变三相电压是否平衡，如不平衡，问题在变频器内部，应检查变频器的逆变模块及其驱动电路；如变频器输出端的电压平衡，频器的逆变模块及其驱动电路；如变频器输出端的电压平衡，则问题出现在从变频器到电动机之间的线路上，应检查所有接则问题出现在从变频器到电动机之间的线路上，应检查所有接线端的螺钉是否都已紧固，如果在变频器和电动机之间有接触线端的螺钉是否都已紧固，如果在变频器和电动机之间有接

51、触器或其他电器，则还应检查有关电器的接线端是否都已紧固，器或其他电器，则还应检查有关电器的接线端是否都已紧固，以及触点的接触状况是否良好等。以及触点的接触状况是否良好等。 如果电动机侧三相电压平衡，则应了解跳闸时的工作频率：如果电动机侧三相电压平衡，则应了解跳闸时的工作频率：如工作频率较低，又未用矢量控制如工作频率较低，又未用矢量控制( (或无矢量控制或无矢量控制) )，则首先降，则首先降低低/ /比，如降低后仍能带动负载，则说明原来预置的比，如降低后仍能带动负载，则说明原来预置的/ /比过高，励磁电流的峰值偏大，可通过降低比过高，励磁电流的峰值偏大，可通过降低/ /比来减小电流；比来减小电流

52、；如果降低后带不动负载了，则应考虑加大变频器的容量；如果如果降低后带不动负载了，则应考虑加大变频器的容量；如果变频器具有矢量控制功能，则应采用矢量控制方式。变频器具有矢量控制功能，则应采用矢量控制方式。1.4.2、过载的检查方法变频器原理与应用（3 3）检查是否误动作）检查是否误动作 经过以上检查，均未找到原因时，应检查是不是误动作。经过以上检查，均未找到原因时，应检查是不是误动作。判断的方法是在轻载或空载的情况下，用电流表测量变频器的判断的方法是在轻载或空载的情况下，用电流表测量变频器的输出电流，与显示屏上显示的运行电流值进行比较，如果显示输出电流，与显示屏上显示的运行电流值进行比较，如果显

53、示屏显示的电流读数比实际测量的电流大得较多，则说明变频器屏显示的电流读数比实际测量的电流大得较多，则说明变频器内部的电流测量部分误差较大，内部的电流测量部分误差较大，“过载过载”跳闸有可能是误动作。跳闸有可能是误动作。1.4.2、过载的检查方法变频器原理与应用 欠压也是我们在使用中经常碰到的问题。电源电压降低后，欠压也是我们在使用中经常碰到的问题。电源电压降低后，主电路直流电压若降到欠电压检测值以下，保护功能动作。另主电路直流电压若降到欠电压检测值以下，保护功能动作。另外，电压若降到不能维持变频器控制电路的工作，则全部保护外，电压若降到不能维持变频器控制电路的工作，则全部保护功能自动复位（检测

54、值：功能自动复位（检测值：DC400VDC400V）。当出现欠压故障时，首先）。当出现欠压故障时，首先应该检查输入电源是否缺相，假如输入电源没有问题，就要检应该检查输入电源是否缺相，假如输入电源没有问题，就要检查整流回路是否有问题，假如都没有问题，那就要看直流检测查整流回路是否有问题，假如都没有问题，那就要看直流检测电路上是否有问题了。如果因为主回路电压太低电路上是否有问题了。如果因为主回路电压太低(380V(380V系列低系列低于于400V)400V)，主要原因是整流桥某一路损坏或晶闸管三相电路中，主要原因是整流桥某一路损坏或晶闸管三相电路中有一相工作不正常，都有可能导致欠压故障的出现，其次

55、主回有一相工作不正常，都有可能导致欠压故障的出现，其次主回路断路器、接触器损坏，导致直流母线电压损耗在充电电阻上路断路器、接触器损坏，导致直流母线电压损耗在充电电阻上面有可能导致欠压。电压检测电路发生故障而出现欠压问题面有可能导致欠压。电压检测电路发生故障而出现欠压问题, ,由于变频器故障或噪声引起的误动作等造成主电路直流端（由于变频器故障或噪声引起的误动作等造成主电路直流端（P P、N N之间）超过了检测值，这就需与厂家联系之间）超过了检测值，这就需与厂家联系1.5、欠电压保护LU变频器原理与应用 电动机的再生电流增加，主电路直流电压若超过电压检测电动机的再生电流增加，主电路直流电压若超过电

56、压检测值，错误施加过高电压时保护功能动作（检测值：值，错误施加过高电压时保护功能动作（检测值：DC750VDC750V）。）。过电压保护主要有三种现象：加速时过电压、减速时过电压、过电压保护主要有三种现象：加速时过电压、减速时过电压、恒速时过电压。过电压报警一般是出现在停机的时候，其主要恒速时过电压。过电压报警一般是出现在停机的时候，其主要原因是减速时间太短或制动电阻及制动单元有问题。原因是减速时间太短或制动电阻及制动单元有问题。 变频器的过电压集中表现在直流母线的电压上。正常情况变频器的过电压集中表现在直流母线的电压上。正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的平均值。若以下，变频器直流电为

57、三相全波整流后的平均值。若以380V380V线电线电压计算，则平均直流电压压计算，则平均直流电压UdUd=1.35UL=1.35UL513V513V。在过电压发生时，。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V760V左右时，变频左右时，变频器过电压保护动作。因此，变频器都有一个正常的工作电压范器过电压保护动作。因此，变频器都有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器。常见的过电压围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器。常见的过电压主要是发电制动时的过电压，这种情况出现的概率较高，主要主要是发电制动时的过电压，这种

58、情况出现的概率较高，主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态，是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态，而变频器又没有安装制动单元，有两起情况可以引起这一故障。而变频器又没有安装制动单元，有两起情况可以引起这一故障。1.6、过电压保护OUd变频器原理与应用（1 1）当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在）当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而由于负载特性本身阻减速过程中，变频器输出的速度比较快，而由于负载特性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力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速

59、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，而变频器没有能量回对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量回馈单元，因而变频器直流回路电压升高，超出保护值，出现故障。馈单元，因而变频器直流回路电压升高，超出保护值，出现故障。处理这种故障可以增加再生制动单元，或者修改变频器参数，把处理这种故障可以增加再生制动单元，或者修改变频器参数，把变频器减速时间设的长一些。增加的再生制动单元有能量消耗型，变频器减速时间设的长一些。增加的再生制动单元有能量消耗型，并联直流母线吸收型、能量回馈型。能量消耗型在变频器直流回并联直流母线吸收型、能量回馈型。能量消耗型在变频器直流回路中并联一个

60、制动电阻，通过检测直流母线电压来控制功率管的路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制功率管的通断。并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统，这种系统往通断。并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统，这种系统往往有一台或几台电机经常工作于发电状态，产生再生能量，这些往有一台或几台电机经常工作于发电状态，产生再生能量，这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收。能量回馈型的变能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收。能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时可逆变流器就将频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时可逆变流器就将再生能量回馈给电网。再生能量回馈给电网。1.6.1、