机电一体化毕业论文-变频器的作用及原理

1、0 河南科技大学 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 专专 业：机电一体化技术业：机电一体化技术 班班 级：级： 姓姓 名：名： 学学 号号: : 指导老师：指导老师： 1 变频器的作用及原理 近年来随着电力电子技术、功率半导体器件及变频控制理论 的发展，变频器作为一种智能控制电源已被广泛应用于各行业，90 年代初期主要以进口品牌为主如富士、三菱、西门子、abb 等，90 年代中期国产变频器日渐出现在市场上，主要以通用型变频器为主。 目前国产变频器技术已逐渐成熟，国产变频器市场占有率也逐渐提 高，本文主要讲述变频器通用型在应用中的工作原理及其作用。 2 目 录 1 变频器工作原理基础.4 2

2、变频器的作用.11 3 通用型变频器主电路 .18 结束语. .19 参考文献.20 3 1 变频器工作原理基础 1 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）的缩写。 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

3、器”。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） 。 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、

4、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 4 （1) r/min 电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为 rpm。例如：4 极电机 60hz 1,800 r/min，4 极电机 50hz 1,500 r/min，电机的旋转速度同频率成比例。 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） 的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。电机的极数是固定 不变的。由于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） ，所以不适合改变极对数来调节电机的速度。另 外，频率是电机供电电源的

5、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。 n = 60f/p，n: 同步速度，f: 电源频率 ，p: 电机极数，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 200v 改变到约 100v。例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器 的

6、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 200v 改变到约 100v。 3 关于散热的问题 5 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

7、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

8、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， 6 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。 另外，散热问题

9、还要注意以下两个问题： （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。 4 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

10、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 7 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（*1） 。转矩提升功能是提高变 频器

11、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。 5 变频器制动的有关问题 （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，

12、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 8 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

13、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 6 当电机的旋转速度改变时，其输出转矩会怎样 （1）： 工频电源由电网提供的动力电源（商用电源） （2）： 起动电流当电机开始运转时，变频器的输出电流变频器 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。 我们经常听到下面的说法：电机在工频电源供电时（*1） 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 (*2) ）

14、 。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 9 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 60hz 频率时，电机的输出转矩将降低。 通常的电机是按 50hz(60hz)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 50h

15、z 频率时，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 60hz 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。因此在额定频率之上的调 速称为恒功率调速(p=ue*ie)。 10 2 变频器的作用 1 控制电机的启动电流 当电机通过工频直接启动时，它将会产生 7 到 8 倍的电机额定 电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而 降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动(也可适当加 转矩提升)。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照 v/

16、f 或 矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电 流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进 一步降低、电机的寿命则相应增加。 2 降低电力线路电压波动 在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动， 电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电 压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异 常，如 pc 机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采 用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能最大程度上消 除电压下降。 3 启动时需要的功率更低 电机功率与电流和电压的乘积成正比, 那么通过工频直接启动 的电机消耗的功

17、率将大大高于变频启动所需要的功率。在一些工况 11 下其配电系统已经达到了最高极限，其直接工频启动电机所产生的 电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响, 从而将受到电网运 行商的警告, 甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停, 就不会产生 类似的问题。 4 可控的加速功能 变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行均匀地加速，而 且其加速曲线也可以选择(直线加速、s 形加速或者自动加速)。而通 过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振 动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机 的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒 翻或损坏。 5 可调的运

18、行速度 运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变， 还能通过远控 plc 或其他控制器来实现速度变化。 6 可调的转矩极限 通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损 坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术 使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到 35左 右。在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制， 而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。 7 受控的停止方式 如同可控的加速一样, 在变频调速中, 停止方式可以受控，并且 12 有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车直流 制动)，同样它能减少对机械部件和

19、电机的冲击，从而使整个系统更 加可靠，寿命也会相应增加。 8 节能 离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十 几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速 成立方比，所以采用变频后投资回报就更快。 9 可逆运行控制 在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装 置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节 省安装空间。 10 减少机械传动部件 由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输 出, 从而节省齿轮箱等机械传动部件, 最终构成直接变频传动系统。 从而就能降低成本和空间, 提高稳定性。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工

20、频电源|稳压器变换为 另一频率的电能控制装置。可分为交交变频器，交直 交变频器。交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变 的交流电；交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流 成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的 交流电。 13 pwm 是英文 pulse width modulation(脉冲宽度调制)缩写，按 一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值 方式。pam 是英文 pulse amplitude modulation(脉冲幅度调制)缩 写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形 的一种调制方式。变频器的主电路大体上可分为两类

21、:电压型是将电 压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是 将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波石电感。 非同步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互 作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那麽 磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压 要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动 机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式 多用於风机、泵类节能型变频器。 频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一 定的条件下,电流几乎不变。 采用变频器运转，随著电机的加速相应提高频率和

22、电压，起动 电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%-200%)。 用工频电源直接起动时，起动电流为6-7倍，因此，将产生机械电气 上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动 电流为额定电流的1.2-1.5倍，起动转矩为70%-120%额定转矩；对 於带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带 14 全负载起动。 频率下降时电压 v 也成比例下降，这个问题已在回答4说明。v 与 f 的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的 存储装置(rom)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。 频率下降时完全成比例地降低电压，那麽由於

23、交流阻抗变小而 直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在 低频时给定 v/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这 种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选 择 v/f 模式或调整电位器等方法。 在6hz 以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小 等条件，最低使用频率取6hz 左右，此时电动机可输出额定转矩而 不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机 种为0.5-3hz. 通常情况下时不可以的。在60hz 以上(也有50hz 以上的模式) 电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注 意电机与变频器容

24、量的选择。 给所使用的电机装置设速度检出器(pg)，将实际转速反馈给控 制装置进行控制的，称为“闭环”，不用 pg 运转的就叫作“开环”。 通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行 pg 反馈。 15 开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电 机的转速在额定转差率的范围内(1%-5%)变动。对於要求调速精度 比较高，即使负载变动也要求在近於给定速度下运转的场合，可采 用具有 pg 反馈功能的变频器(选用件)。 具有反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取 决于本身的精度和变频器输出频率的解析度。 如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转 速(电角频率)

25、的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止， 这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大 小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也 是如此。两者结合起来就是失速功能。 加减速可以分别给定的机种，对於短时间加速、缓慢减速场合，或 者对於小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对 於风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以 共同给定。 电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为非同步发电 机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。 从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由於电 容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩 的10%-20%。如采用选用件制动单元，可以达到50%-100%。自控 16 系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化，控制工艺 指标，如在烟草行业的糖料、香料工序，可由皮带称的流量信号来 控制变频器频率，使泵的转速随流量信号自动变化，调节加料量， 均匀地加入香精、糖料。也可利用生产线起停信号通过正、反端子 控制变频器的起、停及正、反转，成为自动流水线的一部分。此外 在流水生产线上，当前方设备有故障时後方设备应自动停机。变频 器的紧急停止端可以实现这一功能。在 sanken、mf、fut 和 fvt 系列变频器中