变频器基础知识

1、变频器基础知识The manuscript was revised on the evening of 2021变频器基础知识一、变频器的定义通常所说的变频器，是指将频率固定的电源（如50Hz三相交流 电）变成频率可变的电源（如在050Hz之间随意变换）的转换设备。 如果原有电源的频率为0 （即为直流电源供电），则变频器可以省去直 流变换环节，退化成单一的逆变器（DC-AC）。二、变频器的分类从不同的角度，可以对变频器进行不同的分类。1、按电压等级不同，变频器可分为：高压变频器、中压变频器、 低压变频器按照国际惯例，电压210kV时称高压，1-lOkV为中压，小于lkV 时称低压，与其电压范围

2、相对应的变频器分别称为高压变频器、中压 变频器、低压变频器。在我国，习惯上把10KV、6kV或3kV的电机称为高压电机，相应 的电压为10KV、6kV或3kV的变频器均称高压变频器。平常所说的 “高-高”、“高-低-高”、“高-低”只是变频器的不同应用形式。2、按主回路结构不同，变频器可分为：交-直-交变频器，交-交 变频器。整流回路（可挖或不控逆变电路交-直-交变频器1）交-直-交变频器先将电网交流电用整流电路整成直流电，再用 逆变电路将直流电转换为频率可变的交流电。整流电路、直流回路、 逆变电路是交-直-交变频器的三个基本组成部分。整流电路可以是不控的（二极管全波整流）、也可以是可控的，

3、如果是可控整流，则它也能工作在逆变状态，将直流回路的能量逆变 回电网。逆变电路肯定是可控的，主要功能是将直流回路电能变成交流电 输出给电机。如果电机工作在发电工况时（比如制动场合），逆变电 路工作在整流状态，将电机的能量送到直流回路。交-交变频器亠工卞壬亠丁2）交-交变频器没有直流回路，每相都由两个相互反并联的整流 电路组成，正桥提供正向相电流，反桥提供负向相电流。3、按储能方式不同，变频器可分为：电流源型、电压源型。相交流T T T T -/、宀 / = 丿7 7T T T T T T电流源型变频器1）电流源型：电流源变频器输入采用可控整流，控制电流的大小。中间采用大 电感，对电流进行平滑。

4、逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电 流，供给交流电机。在电流源变频器中，直接受控量是电流。整流桥 控制电流大小，逆变桥控制电流频率，电机侧得到的是幅值和频率可 变的方波电流。特点：电流源变频器具有很好的抗过流能力，甚至负载短路都 不会导致变频器损坏。由于整流桥输出电压可以为负，从而进入逆 变状态工作，实现能量由变频器向电网的回馈，可用于频繁正反转或 需要制动的场合。缺点：其网侧功率因数不高，电流谐波较大。2）电压源型：丄丄丄占占占 .交流3相t t T50Hz一 字/丄丄丄上占T|h "T 丁 丁丨 尸尸尸电压源变频器输入一般不控，大多采用二极管进行全波整流。中 间采用大电容滤波

5、，对电压进行平滑。逆变桥采用PWM控制技术，既 控制电压输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波电压的频 率。在电压源变频器中，直流回路的电压大小基本是不变的。逆变桥 直接对直流电压进行PWM控制，不直接控制电流。电机侧得到的是幅 值恒定、占空比和频率可变的方波电压。电机的电流实际上是其在变 频器输出电压控制下运行所产生的，为正弦波。优点：网侧功率因数较高，并且不随输出频率而变。缺点：由于整流桥不控，输出电压和电流的方向均确定不变，不 能实现能量回馈。不适用于频繁正反转或需要制动的场合。4、按电平数不同，变频器可分为：两电平、三电平、多电平1）两电平变频器典型电路结构及输出波形如下：兀K兀

6、1忏恬恬亞a兀t毕背*I 2D2）三电平PWM电压型变频器采用12只可关断功率器件（IGCT或 高压IGBT）,与箝位二极管构成带中性点的逆变电路（NPC）。与二电 平PWM变频器相比，输出电压的电平数增加，易于实现谐波的相互补 偿，输出波形有所改善。三电平变频器典型电路结构及输出波形如 下：3）当输岀电压大于6-10kv时，一般采用多电平电路型式 （CMSL）,它是由若干个低压PWM变频功率单元，以输出电压串联方 式（功率单元为三相输入、单相输出）来实现直接高压输出的方法。5、按控制方式不同，变频器可分为：压频比控制、矢量控制、直接转矩控制1）压频比控制交流电机成立以下电磁关系式：E二式中：

7、E-电机电动势，f-定子频率，W-绕组系数，-气隙主磁 通。对异步机调速时，希望主磁通恒定（太小，铁磁材料利用不 充分，同样电流产生的转矩小。太大，由于铁磁材料的饱和特性， 定子电流中激磁电流分量加大，同样电流负荷情况下，相应转矩电流 分量将减小，电机负载能力也下降）。由式中看出，只要保持E/f为 常数，就基木恒定。同样电流情况下，就能产生相同的转矩，实现 恒转矩调速。压频比控制属于标量控制（只控制大小，不控制方向），性能一 般，但不依赖电机参数，适合于多电机传动。2）矢量控制：把交流电机模拟成直流电机进行控制，它是以转子磁场定向，采用 矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。

8、矢量控制技术调速精度高，动态响应快，可实现四象限运行，在 高速和低速都有比较好的控制性能。矢量控制技术对转子磁场观测的准确性受电机参数影响较大，需 要输入准确的电机参数，不太适合一台变频器控制多台电机的情形。3）直接转矩控制直接在电机定子坐标系下分析电机的数学模型，采用定子磁场定 向，直接控制电动机的磁链和转矩。直接转矩控制受电机转子参数影响较小，动态响应好，在电机 加、减速或负载突变的动态过程中，可获得快速的转矩响应，控制算 法和系统结构简单，但低速性能比矢量控制略差。三、变频器功用目前，除一些为特殊用途设计的特殊变频器（比如：几百赫兹的中 频变频器，用于中频感应加热炉）外，常规变频器最常见

9、的用途还是用 于交流电机的调速。按照电机学的基本原理，交流异步电机的转速满 足如下的关系式：W =字（1_巧=卅0（1_巧式中：n -电机的实际转速no 电机的同步转速P -电机的极对数f 电机当前的运行频率s -电机的滑差从式中看出，电机的同步转速n。正比于电机的运行频率（no=6Of/p）,由于滑差s般情况下比较小（Os）,电机的实际转速 n约等于电机的同步转速皿 所以调节了电机的供电频率f,就能改变 电机的实际转速。四、变频器的应用范围目前，变频调速技术己应用到在我国国民经济的许多领域，电力工业：锅炉给水泵、送风机、引风机、循环水泵、凝结泵 等。五、变频器启动操作1、操作及其注意事项1）

10、检查所有的线路连接情况；2）送电前，拆掉所有接地保护线；3）关好并锁上变频器的柜门，方可合上隔离刀闸；4）最后合上断路器。2、启动操作1）如果变频器处于断电状态，启动时应先加上控制电源；2）变频器自检正常后，给出“高压合闸允许”信号，方可给变频 器送高压电。3）如果现场高压开关或控制系统没有得到变频器提供的“高压合 闸允许”信号，请确认变频器控制电源是否加上，变频器本身是否处 于故障状态；4）隔离开关处在变频位置时，用户高压真空开关合闸只相当于给 变频器送电，电机并不启动，需要启动电机，还必须给变频器发启动 指令。这一点和用户原来的操作习惯有所区别；5）变频器启动前，风机挡板（水泵岀口阀门）最

11、好处于关闭位置。并确认电机没有因为其它风机（水泵）的运行而反转，否则容易引起 变频器启动时过流。6）电机需要启动时，如果电机刚停机不久，应确认电机己经完全 停转，否则容易引起变频器启动时单元过电压或者变频器过电流。7）现场控制系统只有在得到变频器的“变频器就绪”信号后，才 能给变频器发启动指令，正常启动变频器；8）给变频器的启动指令必须在高压合闸6秒后发出，持续时间应不 小于3秒。9）变频器启动后，必须提供合适的转速给定。如果转速给定为0, 变频器虽然启动，电机仍然不会转动。10）在闭环运行的情况下，如果给定值不合理，电机也可能运行在 非用户期望的状态下；11）电机通过变频器启动，对风机、水泵、电机、开关及电网的冲 击都很小，只要满足以上条件，启动次数及时间间隔没有限制。12）工频旁路情况下，要启动电机，直接将高压真空开关合闸即 可。六、我厂变频器存在问题1、环境差，腐蚀性气体、粉尘大。对变频器设备存在较大安全隐 患，腐蚀性气体对变频器开关腐蚀影响：开关触头触指上弹簧腐蚀， 造成弹簧断裂，在运行中开关触头触指上弹簧断裂，会使得接触不良 发生接地从而发展成为相间故障；对开关二次部分腐蚀，造成开关分 合闸回路不好，开关不能分合闸；对变频器功率模块电路板造成损 坏，变频器不能运行。粉尘大主要是对变频器电