变频器基础原理知识.docx
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变频器基础原理知识
变频器基础原理知识
1:
VVVF是VariableVoltageandVariableFrequency的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。
2:
CVCF是ConstantVoltageandConstantFrequency的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频。
我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。
交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95％左右。
无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为220V，三相交流电线电压为380V，频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。
通常，把电压和频率固定不变的工频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），这个过程叫整流。
把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为逆变。
一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。
对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。
变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。
对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。
一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。
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”，即：
变频器。
变频器也可用于家电产品。
使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），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。
汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。
变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。
例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。
2.电机的旋转速度为什么能够自由地改变？
n=60f/p（1-s） n:
电机的转速f:
电源频率p:
电机磁极对数s：
电机的转差率
电机的转速=60（秒）＊频率（Hz）/电机的磁极对数-电机的转差率
电机旋转速度单位：
每分钟旋转次数，rpm/min也可表示为rpm
电机的旋转速度同频率成比例同步电机的转差矩为0,同步电机的转速=60（秒）*频率（Hz）／电机的磁极对数
异步的转速比同步电机的转速低。
例如：
4极三相异步电机60Hz时低于1,800[r/min]4极三相异步电机50Hz时低于1,500[r/min]
本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。
感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极对数和频率。
由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定不变的。
由于电机的磁极对数1个磁极对数等于2极，电机的极数不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。
另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外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
如果仅改变频率，电机将被烧坏。
特别是当频率降低时，该问题就非常突出。
为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。
例如：
为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从400V改变到约200V。
如果要正确的使用变频器,必须认真地考虑散热的问题。
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，变频器使用寿命减半。
因此，我们要重视散热问题啊！
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（过流能力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测上方比较好。
这时可以用估算:
变频器容量（KW）×60[W]因为各变频器厂家的硬件都差不多,所以上式可以针对各品牌的产品.注意：
如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大，因此最好安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。
那么,怎样采能降低控制柜内的发热量呢?
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。
变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的!
关于冷却风扇
一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。
同时，也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。
注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。
其他关于散热的问题
1、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，1000m每-5%。
但由于实际上因为设计上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，如电梯，就不必要降容。
2、开关频率：
变频器的发热主要来自于IGBT，IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。
因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。
有的厂家宣称降低开关频率可以扩容，就是这个道理。
矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的？
1:
转矩提升
此功能增加变频器的输出电压，以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，从而改善电机的输出转矩。
改善电机低速输出转矩不足的技术
使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。
对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。
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”。
转矩提升功能是提高变频器的输出电压。
然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。
因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。
“矢量控制”把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。
"矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。
此功能对改善电机低速时温升也有效。
变频器制动的情况
1:
制动的概念
指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速。
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能消耗掉。
对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。
这时会产生制动过程.由制动产生的功率将返回到变频器侧。
这些功率可以用电阻发热消耗。
在用于提升类负载,在下降时,能量（势能）也要返回到变频器（或电源）侧,进行制动。
这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。
在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。
在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。
2：
怎样提高制动能力？
为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。
为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。
请选用“制动电阻”、“制动单元”或“功率再生变换器”等选件来改善变频器的制动容量。
3.当电机的旋转速度改变时，其输出转矩会怎样？
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时的起动转矩和最大转矩。
我们经常听到下面的说法：
“电机在工频电源供电时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些”。
如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流）。
而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。
所以变频器驱动的电机起动电流要小些。
通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减些减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。
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，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。
当变频器调速到大于额定频率20％时，电机的输出转矩将降低
通常的电机是按照额定频率电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。
因此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额定频率时（如我国的电机大于50Hz），电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
当电机以大于额定频率20％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，额定频率为50Hz的电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。
因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速.（P=Ue*Ie）
变频器故障十大现象
1过流（OC）
过流是变频器报警最为频繁的现象
1.1现象
（1）重新启动时，一升速就跳闸。
这是过电流十分严重的现象。
主要原因有负载短路，机械部位有卡住;逆变模块损坏;电动机的转矩过小等现象引起。
（2）上电就跳，这种现象一般不能复位，主要原因有模块坏、驱动电路坏、电流检测电路坏。
（3）重新启动时并不立即跳闸而是在加速时，主要原因有加速时间设置太短、电流上限设置太小、转矩补偿（VF）设定较高。
1.2实例
（1）一台LG-IS3-43.7kW变频器一启动就跳“OC”
分析与维修打开机盖没有发现任何烧坏的迹象，在线测量IGBT（7MBR25NF-120）基本判断没有问题，为进一步判断问题，把IGBT拆下后测量7个单元的大功率晶体管开通与关闭都很好。
在测量上半桥的驱动电路时发现有一路与其他两路有明显区别，经仔细检查发现一只光耦A3120输出脚与电源负极短路，更换后三路基本一样。
模块装上上电运行一切良好。
（2）一台BELTRO-VERT2.2kW变频通电就跳“OC”且不能复位。
分析与维修首先检查逆变模块没有发现问题。
其次检查驱动电路也没有异常现象，估计问题不在这一块，可能出在过流信号处理这一部位，将其电路传感器拆掉后上电，显示一切正常，故认为传感器已坏，找一新品换上后带负载实验一切正常。
二、过压（OU）
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。
（1）实例
一台台安N2系列3.7kW变频器在停机时跳“OU”。
分析与维修在修这台机器之前，首先要搞清楚“OU”报警的原因何在，这是因为变频器在减速时，电动机转子绕组切割旋转磁场的速度加快，转子的电动势和电流增大，使电机处于发电状态，回馈的能量通过逆变环节中与大功率开关管并联的二极管流向直流环节，使直流母线电压升高所致，所以我们应该着重检查制动回路，测量放电电阻没有问题，在测量制动管（ET191）时发现已击穿，更换后上电运行，且快速停车都没有问题。
三、欠压（Uu）
欠压也是我们在使用中经常碰到的问题。
主要是因为主回路电压太低（220V系列低于200V，380V系列低于400V），主要原因整流桥某一路损坏或可控硅三路中有工作不正常的都有可能导致欠压故障的出现，其次主回路接触器损坏，导致直流母线电压损耗在充电电阻上面有可能导致欠压.还有就是电压检测电路发生故障而出现欠压问题。
3.1举例
（1）一台CT18.5kW变频器上电跳“Uu”。
分析与维修经检查这台变频器的整流桥充电电阻都是好的，但是上电后没有听到接触器动作，因为这台变频器的充电回路不是利用可控硅而是靠接触器的吸合来完成充电过程的，因此认为故障可能出在接触器或控制回路以及电源部分，拆掉接触器单独加24V直流电接触器工作正常。
继而检查24V直流电源，经仔细检查该电压是经过LM7824稳压管稳压后输出的，测量该稳压管已损坏，找一新品更换后上电工作正常。
（2）一台DANFOSSVLT5004变频器，上电显示正常，但是加负载后跳“DCLINKUNDERVOLT”（直流回路电压低）。
分析与维修这台变频器从现象上看比较特别，但是你如果仔细分析一下问题也就不是那么复杂，该变频器同样也是通过充电回路，接触器来完成充电过程的，上电时没有发现任何异常现象，估计是加负载时直流回路的电压下降所引起，而直流回路的电压又是通过整流桥全波整流,然后由电容平波后提供的，所以应着重检查整流桥，经测量发现该整流桥有一路桥臂开路，更换新品后问题解决。
四、过热（OH）
过热也是一种比较常见的故障，主要原因周围温度过高，风机堵转，温度传感器性能不良，马达过热。
举例
一台ABBACS50022kW变频器客户反映在运行半小时左右跳“OH”。
分析与维修因为是在运行一段时间后才有故障，所以温度传感器坏的可能性不大，可能变频器的温度确实太高，通电后发现风机转动缓慢，防护罩里面堵满了很多棉絮（因该变频器是用在纺织行业），经打扫后开机风机运行良好，运行数小时后没有再跳此故障。
五、输出不平衡
输出不平衡一般表现为马达抖动，转速不稳，主要原因模块坏，驱动电路坏，电抗器坏等。
5.1举例
一台富士G9S11KW变频器，输出电压相差100V左右。
分析与维修打开机器初步在线检查逆变模块（6MBI50N-120）没发现问题，测量6路驱动电路也没发现故障，将其模块拆下测量发现有一路上桥大功率晶体管不能正常导通和关闭，该模块已经损坏，经确认驱动电路无故障后更换新品后一切正常。
六、过载
过载也是变频器跳动比较频繁的故障之一，平时看到过载现象我们其实首先应该分析一下到底是马达过载还是变频器自身过载,一般来讲马达由于过载能力较强,只要变频器参数表的电机参数设置得当,一般不大会出现马达过载.而变频器本身由于过载能力较差很容易出现过载报警.我们可以检测变频器输出电压。
七、开关电源损坏
这是众多变频器最常见的故障，通常是由于开关电源的负载发生短路造成的，丹佛斯变频器采用了新型脉宽集成控制器UC2844来调整开关电源的输出，同时UC2844还带有电流检测，电压反馈等功能，当发生无显示，控制端子无电压，DC12V,24V风扇不运转等现象时我们首先应该考虑是否开关电源损坏了。
八、SC故障
SC故障是安川变频器较常见的故障。
IGBT模块损坏，这是引起SC故障报警的原因之一。
此外驱动电路损坏也容易导致SC故障报警。
安川在驱动电路的设计上，上桥使用了驱动光耦PC923，这是专用于驱动IGBT模块的带有放大电路的一款光耦，安川的下桥驱动电路则是采用了光耦PC929，这是一款内部带有放大电路，及检测电路的光耦。
此外电机抖动，三相电流，电压不平衡，有频率显示却无电压输出，这些现象都有可能是IGBT模块损坏。
IGBT模块损坏的原因有多种，首先是外部负载发生故障而导致IGBT模块的损坏如负载发生短路，堵转等。
其次驱动电路老化也有可能导致驱动波形失真，或驱动电压波动太大而导致IGBT损坏,从而导致SC故障报警。
九、GF—接地故障
接地故障也是平时会碰到的故障，在排除电机接地存在问题的原因外，最可能发生故障的部分就是霍尔传感器了，霍尔传感器由于受温度，湿度等环境因数的影响，工作点很容易发生飘移，导致GF报警。
十、限流运行
在平时运行中我们可能会碰到变频器提示电流极限。
对于一般的变频器在限流报警出现时不能正常平滑的工作，电压（频率）首先要降下来，直到电流下降到允许的范围，一旦电流低于允许值，电压（频率）会再次上升，从而导致系统的不稳定。
丹佛斯变频器采用内部斜率控制，在不超过预定限流值的情况下寻找工作点，并控制电机平稳地运行在工作点，并将警告信号反馈客户，依据警告信息我们再去检查负载和电机是否有问题。
变频器的构成
一、主电路
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。
图1示出了典型的电压逆变器的例子。
其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。
图1典型的电压型逆变器一例
1.整流器最近大量使用的是二极管的变流器，如图1所示，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运原文位置 2.平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
3.逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
图2以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。
图2电压型逆变器的输出电压
4.制动回路异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。
一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。
5.异步电动机的四象限运行根据负载种类，所需要的异步电动机旋转方向和转矩方向是不同的，必须根据负载构成适当的主电路。
图3所示，为采用电压型逆变器传动的异步机四象限运转与主电路构成的关系。
在Ⅰ、Ⅲ象限异步电动机的转矩方向与旋转方向一致，为电动状态。
Ⅰ象限是正转的电动运转，Ⅲ象限是反转的电动运转。
在Ⅱ、Ⅳ象限其转矩方向与旋转方向相反，为再生状态。
Ⅱ象限为正转的再生运转，Ⅳ象限为反转的再生运转。
只需要图a的电动运转时，则只需由电源向异步电动机供给功率，可使用不可逆变流器。
像图b那样，对于减速时需要制动力的负载，功率就必须从异步电动机向逆变器流传，可附加制动回路以便能在Ⅱ、Ⅳ象限使用。
另外，对于需要急加减速并且加减速频繁的场合（例如电梯），或者对于制动为主要目的的场合，可以采用可逆变流器，实现Ⅰ～Ⅳ的四象限运转。
此时，能量向电源反馈而节能。
图3采用电压型逆变器的四象限运转
a）为不可逆变流器时b）带制动回路时c）为可逆变流器时
原文位置
以上，以电压型逆变器为例说明了主电路的构成。
对于电流型逆变器，如前章所述，用不可逆整流器也能实现四象限运转。
二、控制电路原文
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。
如图4所示，控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。
图4变频器的构成
在图4点划线内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。
在控制电路B部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行更精确的闭环控制。
（1）运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路与主回路电位隔离检测电压、电流等。
原
（3）驱动电路为驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路以装在异步电动机轴机上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
逆变器控制电路中的保护电路，可分为逆变器保护和异步电动机保护两种，表1为保护功能一览。
表1保护功能一览
原文位置
1.逆变器保护原
（1）瞬时过电流保护由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。
变流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。
（2）过载保护逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、电线等损坏要停止运转。
恰当的保护需要反时限特性，采用特继电器或者电子热保护（使用电子电路）。
过负载是由于负载的GD2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生。
（3）再生过电压保护采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。
可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。
（4）瞬时停电保护对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。
但瞬时停电如果达数10ms以上时，通常不仅控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。
（5）接地过电流保护逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器有时要有接地过电流保护功能。
但为了确保人身安全，需要装设漏电断路器。
（6）冷却风机异常有冷却风机的装置，当风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。
在温度上升很小对运转无防碍的场合，可以省略。
2.异步电动机的保护
（1）过载保护过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度检出器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热。
动作频繁时，可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。
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