变频器基础及结构(兴发集团)

变频器的基本概念

刘频器的基本结构变频器的选型基础变频器的节能原理变频器的基本概念

什么是变频器？

各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。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”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。变频器的英文含义VVVF：VariableVoltageandVariableFrequency的缩写。Drive通用FrequencyConverter欧州常用ACDrive欧美常用inverter日本常用变频器有关基本词汇变流器converters整流rectifying-rectification整流器rectifier逆变inverting-inversion逆变器inverter转矩脉动torquepulsation脉宽调制(PWM)pulsewidthmodulation谐波harmonic矢量控制(VC)vectorcontrol直接转矩控制(DTC)directtorquecontrol四象限运行Fourquadrantoperation再生(制动)Regeneration直流制动d.cbraking漏电流leakcurrent滤波器filter电抗器reactor电位器potentiometer编码器encoder,PG(pulsegenerator)定子stator转子rotor变频器和软启动器的根本区别基本原理面积等效原理削波原理结构交-直-交晶闸管输出波形矩形脉冲有缺口的正弦波启动电流0.1Ie3-4Ie启动转矩0.7-2.2Tn0.4Tn调节参数n=n0x(1-s)=60xfx(1-s)/p变频器：变频&变压。主要作用调速节能软起动软启动器：仅改变电压。主要作用降低起动电流减缓机械冲击减少线路压降电机的转速变频器所拖动的电机为感应式交流电动机，也称交流异步电动机。在工业中所使用的大部分电机为交流异步电动机。异步电动机的旋转速度取决于其定子旋转磁场的转速，即同步转速。所谓异步，是指其实际转速与同步转速总是比较接近，但总有一定差别。其差别称为转差。电动机状态运行时，实际转速略低于同步转速。发电机或制动状态时，实际转速略高于同步转速。同步转速n1=60f/p，实际转速n=(1-s)n1=(1-s)60f/pn:同步速度

f:电源频率

p:电机极对数

s:转差率，接近于零电机的转速近似地取决于电机的极数和频率。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），对于工频50Hz运行的电机，同步转速分别为3000rpm,1500rpm,1000rpm。所以电机铭牌上标定的额定转速分别为2970，1475，975rpm等。由电机的结构和工作原理决定电机的极数是固定不变的。一般不适合通过改变该值来调整电机的速度。频率能够在电机的前面调节后再供给电机这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。改变频率和电压是最优的电机控制方法

输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V启动电流和启动转矩变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动工频直接起动会产生一个大的起动电流。电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大。变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机的启动过程中，一直跟踪同步，滑差很小电机起动电流和冲击要小些。在低频段，开环控制的变频器，尤其是1Hz以下，电机产生的转矩会随频率的减小而减小。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足。通过闭环甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

额定频率以上的输出特性通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。在额定频率之下的调速称为恒转矩调速.(T=Te,P<=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的关系下降。在额定频率之上的调速称为恒功率调速.(P=Ue*Ie)当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。变频器50Hz以上的应用情况

电机的定子电压U=E+I*RI为电流R为电子电阻E为感应电势对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的U,I不变时,E也不变E=k*f*X,(k:常数,f:频率,X:磁通),所以当f由50-->60Hz时,X会相应减小对于电机来说,T=K*I*X,(K:常数,I:电流,X:磁通),因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.转矩提升

对于常规的V/F控制，低频低压下极易导致励磁的不足。而使电机不能获得足够的转矩。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做“转矩提升”。此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。制动当电机的转速高于同步速，这时电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机处于发电机运行状态。负载的能量分为动能和势能.动能(由速度和重量确定其大小)随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和势能消耗掉。能耗制动制动时，有一部分能量通过电机的定子和转子以发热的形式消耗掉。另一部分能量将返回到变频器直流母线侧，向电容充电，使直流侧的电压升高。这些能量可以通过变频器本身的发热消耗，如果不够，还需要经过制动单元由制动电阻放电发热消耗。制动单元的作用是用来控制制动电阻的导通。制动电阻并不是永远有效，只有当直流母线电压上升到某一定值，与其串联的制动单元导通，电容才通过制动电阻放电。单相输入的变频器注意当使用单相（200V）电源给三相200V的变频器供电时，要考虑下面的几点:

1.一般小容量变频器(<2.2kW)才可以这样做.2.这时输出电压是3相220V,因此电机要使用3相220V的.3.额定输出电流和最大输出电流可能会减小,具体程度不同的变频器可能会不同.变频器的散热问题变频器的故障率随温度升高而成指数的上升，使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器平均使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的,变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少.可以用以下公式估算:发热量的近似值＝变频器容量（KW）×55[W]在这里,如果变频器容量是以恒转矩负载为准的(过载能力150%*60s)如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器,并且也在柜子里面,这时发热量会更大一些。电抗器安装在变频器侧面或侧上方比较好。这时可以用估算:变频器容量（KW）×60[W]如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大，因此最好安装位置和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。怎样降低控制柜内的发热量当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效，还可以用隔离板把本体和散热器隔开,使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。关于冷却风扇一般的变频器，都带有冷却风扇。无基座变频器除外。建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。冷却风扇的设计寿命远大于变频器本体（10-16年），良好的使用环境和规范的维护能大大增加变频器的使用寿命。海拔高度对变频器选型的影响在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，每升高100m降低1%。由于变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大，所以也要看具体应用。比方说在1500m的地方，但是周期性负载或短时运行的负载，如电梯，就不必要降容。开关频率对选型的影响变频器的发热主要来自于IGBTIGBT的发热有集中在开和关的瞬间。开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。所谓静音型变频器也是利用提升开关频率得以实现。但带载能力会有所降低。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容。变频器的基本结构

变频器的主回路进线端子EMC滤波器整流桥储能电容预充电回路制动晶体管制动电阻及其保护逆变桥电流互感器出线端子变频器的主回路－－进线变频器的进线电源可以是三相380-690V，或三相200－240V，也可以是单相200－240V。电源电压在690V以下称为低压变频器。进线电源的相序不影响电机的转向。变频器的主回路－－EMC滤波器变频器普遍标配进线EMC滤波器，用来抑制变频器对周围设备的射频干扰。在变频器通电时，EMC滤波器通过接地电容产生对地电流，尤其是上电瞬间会产生较大的漏电流。应用于民用配电场合时，有时无安全接地，而采用漏电开关(RCD)，有时会因此发生RCD误脱扣，这是正常的。解决的办法是将图中的接地断开。变频器的主回路－－整流桥大多数变频器采取三相全波整流，整流器件为功率二极管。三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的1.414倍，例如电网电压为400V，则这时直流母线电压为540V左右。但随着负载的波动，直流母线电压也会波动。整流桥获得的电压波形每个周波有六个波头，称为六波头整流或六脉冲整流。特殊场合应用到12脉整流。变频器的主回路－－12脉冲整流为了抑制电流谐波，可以采用两套整流桥，分别连接到一个三绕组变压器的输出的两个绕组，该变压器的两个绕组的输出电压有效值相等，相位互差30度。两套整流桥串联，电压相加。这时的电压波形每个周期有12个波头，称为十二波头整流或十二脉冲整流。变频器和配电回路的成本大大增加，用于大功率应用和特殊场合。变频器的主回路－－预充电电阻和预充电接触器上电瞬间，整流桥输出端将产生峰值1.414U的电压，对储能电容快速充电。为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻。在变频器上电时，整流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后（如直流母线电压上升到额定电压的70%）以上后，需要用接触器将该电阻旁路掉。在整个运行过程中，该电阻不起作用。该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器。如果电网电压不稳定导致瞬间大幅度跌落，会引起预充电回路频繁动作，导致其损坏。变频器的主回路－－储能电容变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证。该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联。当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低；处于发电（制动）过程中，瞬间会升高直流母线电压，若太高变频器则停止输出。有些应用中，为了提高变频器的动态能力，或者在断电瞬间保持变频器斜坡停车，需要外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。直流电抗器直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈,因其通过的电流为直流电流,故亦成为直流扼流圈.直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波,从而减少对电网的污染.通常采用适当大小的直流电抗器,即可使变频器的谐波污染减少到符合标准,这是一种低成本的方案.如果要将谐波抑制到更低,需要配合无源滤波器.直流电抗器对进线浪涌电压没有抑制作用.交流电抗器交流电抗器安装在变频器的进线侧,也称为进线电抗器.交流电抗器与直流电抗器作用大致相同。在对电流谐波产生相同的抑制作用时,交流电抗器产生的线路压降比直流电抗器略大,从而会产生略大的输出转矩损失.在下列情况下推荐使用交流电抗器:多台变频器并联使用线路电源有来自其他负荷的明显扰动变频器由阻抗非常低的线路供电制动单元和制动电阻制动单元是一个或一组晶体管,与制动电阻串联之后,接在直流母线上.当直流母线电压超过某规定电压时,制动晶体管导通,直流母线电容和电机向制动电阻释放能量.使直流母线电压降低,降低到另一规定电压后,制动晶体管截止.所以制动电阻的作用是能耗制动.当变频器驱动负载需要克服惯性快速减速或停车时,或位能性负载持续下降时,需要进行能耗制动.变频器的主回路–逆变桥逆变桥是变频器的核心部分,其作用是将直流电压通过6个桥臂可控硅的反复轮流通断形成所需要的幅值和频率变化的三相交流输出电压.逆变桥的桥臂的可控硅的类型主要是IGBT—绝缘珊双极型晶体管.通过逆变桥,直流电压被斩波成为高频率的脉冲电压,由于它是由逆变管反复开关形成,所以其频率称为开关频率.变频器的选型基础

负载分类变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性人们在实践中常将生产机械负载分为三种类型:恒转矩负载恒功率负载风机、水泵负载。负载转矩与转速无关，任何转速下总保持恒定或基本恒定例如：传送带、搅拌机、挤压机等摩擦类负载；例如：吊车、提升机等位能负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。对长期需要在低速下满负荷运行的情况，需要安装独立强冷风扇对电机进行冷却。对位能性应用应配置制动单元和制动电阻，以及设置安全制动逻辑。恒转矩负载有些应用须在高速下运行，转矩大体与转速成反比，就是所谓的恒功率负载。机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷等当速度很低时，受机械强度的限制，不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。恒功率负载

在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。流量Q∝n扬程H∝n2功率P∝n3当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。一般的风机泵类专用和声称为HVAC专用型变频器的低速性能都很差，所以不适于恒转矩应用，即使功率放大也不够用。风机、泵类负载选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变差。在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。额定值的选型依据变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。变频器与