变频器与应用

1、变频器原理与应用一、 三相异步电动机电动机工作原理二、 三相异步电动机的调速方法 1、变极对数调速方法   这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：1、  具有较硬的机械特性，稳定性良好；   2、  无转差损耗，效率高；   3、  接线简单、控制方便、价格低；   4、  有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；   5 、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起

2、重设备、风机、水泵等。 （二）电磁转差离合器： 1 组成： 、 电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，它们之间无机械联系，可自由转动只在磁路上通过气隙形成一体。 2 工作原理： 励磁绕组不通过直流励磁电流时，磁极不会转动，相当于接在从动轴上的生产机械与主动轴“分离”；一旦通上电流，磁极就会转动，相当于生产机械与主动轴“结合”，起到离合器的作用，此作用通过电磁作用产生。磁极与电枢之间必须有转差才能产生电流和转矩，因此称为“电磁转差离合器”。其作用原理和感应电动机相似，所以又常把它和拖动它的感应电动机一起称为“滑差电机”。 异步电动机带着主动轴及电枢以 n1 的速度旋转； 当励磁绕组有励磁时，磁极

3、与电枢之间出现磁场； 电枢运动切割磁力线，电磁感应产生涡流，涡流的磁场与磁极相互吸引，使得磁极沿着电枢的旋转方向转动； 磁极带着从动轴。 电磁转差离合器调速系统，由作为原动机的笼型异步电动机、作为调速装置的电磁转差离合器、及控制装置组成。为改善运行特性，常加上测速反馈形成闭环控制系统。 3、变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：   1、  效率高，调速过程中没有附加损耗；  

4、2、  应用范围广，可用于笼型异步电动机；   3、  调速范围大，特性硬，精度高； 4、  技术复杂，造价高，维护检修困难。     本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 三、 变频器的类型变频器是对交流电动机实现变频调速的装置，将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，对电动机实现无级调速。 交 - 交变频器：电网交流电被直接变成可调频调压的交流电，无明显的中间滤波环节，又称为直接变频器。 交 - 直 - 交变频器：先把电网交流电转换为直流电，经过中间滤波环节后，进行逆变而转换为变频变压的交流电，又称为间接变频器。 根

5、据中间滤波环节，又分为： 电压型交 - 直 - 交变频器：电容滤波 电流型交 - 直 - 交变频器：电感滤波 以上三图都属于交 - 直 - 交电压型变频器：c)图，因为电压幅值不可变，逆变器的调压靠改变电压输出脉冲的宽度来完成，就输出波形划分，属于脉冲宽度调制（ PWM ）。 a)图和b)图都有专门的调压装置调节输出电压的幅值，就输出波形划分，属于脉冲幅度调制方式（ PAM ）。 下图属交 - 直 - 交电流型变频器： 因为采用电感滤波，所以输出电流比较规则。 变频器的输出电力控制方法有PAM方式与PWM方式两种。  PAM(Pulse Amplitude Mod

6、ulation)脉幅调制，由电源电压变换振幅而进行控制输出功率的方式，所以在变频器部位，只控制频率，变流器控制输出电压。如图 1.1所示依PAM电压调整时之输出电压波形，电压高和电压低的情形。                                  

7、图 1.1 PAM电压调整    PWM脉宽调制 (Pulse-width Modulation)，在输出波形中作成多次之切割，经由改变电压脉冲宽度而达到输出电压之改变，如图1.2所示。依PWM变频器的电压调整原理，图(A)为三角载波与正弦波型的信号波。图(B)和图(C)为所对应之脉宽调制波形及输出信号波之振幅。振幅相同、脉波宽度不同。如信号波为正弦波则可获得调整变化之正弦波的输出波形。  四、交-直-交变频器的构成与工作原理交直交型变频器的工作原理是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经过二极管整流成直流电

8、，再由电力电子器件把直流电逆变为频率可调的交流电源。其工作原理如下图所示。交直交型变频器原理图    由图可知，变频器由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。各部分的功能如下：    整流器 它的作用是把三相(或单相)交流电源整流成直流电。在SPWM变频器中，大多采用全波整流电路。大多数中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或者二极管模块。逆变器 它的作用与整流器相反，是将直流电逆变为电压和频率可变的交流电，以实现交流电机变频调速。逆变电路由开关器件构成，大多采用桥式电路，常称逆变桥。在SPWM变频器

9、中，开关器件接受控制电路中SPWM调制信号的控制，将直流电逆变成三相交流电。   控制电路 这部分电路由运算电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成，一般均采用大规模集成电路。1、主电路变频器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“滤波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1） 整流器：最大量使用的是二极管的变流器，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，可以进行再生运转。（2）滤波回路：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

10、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滤波回路。 （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。主电路说明如下：1 交-直部分 整流管。VD1 VD6 组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。如电源的线电压为UL，则三相全波整流后平均直流电压的大小是1.35UL，我国三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压是513V。 滤波电容器。 其功能是：a. 滤平全

11、波整流后的电压纹波；b. 当负载变化时，使直流电压保持平稳。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如上图。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组和的电容量常不能完全相等，这将使它们承受的电压和不相等。为了使和相等，在电容器组和旁各并联一个阻值相等的均压电阻。 限流电阻与开关。 当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是很大的。过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，三相工频交流电 经过VD1 VD6 整流后， 正

12、极送入到缓冲电阻RL中，电路内串入限流电阻，其作用是将电容器的充电电流限制在允许范围以内。开关的功能是：当充电到一定程度时，令SL接通，将RL短路掉。许多新系列的变频器里，已由晶闸管代替，如图中虚线所示。 电源指示HL。 HL除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器上的电荷是否已经释放完毕。由于的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于电容上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。2 直-交部分 逆变管

13、组成逆变桥，把整流所得的直流电再“逆变”成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。直流电压加在了大功率晶体管VB的集电极与发射极之间，VB的导通由控制电路控制。当前常用的逆变管有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力晶体管（GTR）、门极关断（GTO）晶闸管以及电力MOS场效应晶体管（MOSFET）等。 续流二极管 其主要功能有：a 电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。为无功电流返回直流电源时提供“通道”。b 当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过整流后返回给直流电路。c 进行逆变的基本工作过程是，同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和

14、截至的状态。在这交替导通和截至的换相过程中，也不时地需要提供通路。（3）制动电阻和制动单元制动电阻 其作用是a.由于电机的绕组是感性负载，在启动和停止的瞬间都会产生一个较大的反向电动势，这个反向电压的能量会通过续流二极管VD7VD12使直流母线上的电压升高，这个电压高到一定程度会击穿逆变管V1V6 和整流管VD1VD6。当有反向电压产生时，控制回路控制VB导通，电压就会通过VB在电阻RB释放掉。当电机较大时，还可并联外接电阻。b.电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，

15、使保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。 制动单元 VB制动单元由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其功能是为放电电流流经提供通路。一般情况下“+”端和P1端是由一个短路片短接上的，如果断开，这里可以接外加的支流电抗器，直流电抗器的作用是改善电路的功率因数。 变频器主电路引出端子 控制电路说明如下：三菱变频器视频讲解 - 变频器应用技术 （1）1 变频器的结构和工作原理2 变频器和外围设备接线3 变频器的操作和运行4 变频器的参数设置5 变频器的应用案例1 变频器的工作原理变频器分为 1 交-交型 输入是交流，输出也是交流 将工频交流电直接转换成频率、电压均可控制的交流，又称 直

16、接式变频器 2 交直-交型 输入是交流，变成直流 再变成交流输出 将工频交流电通过整流变成直流电，然后再把直流电变成频率、电压、均可控的交流电 又称为间接变频器。多数情况都是交直交型的变频器。2 变频器的组成由主电路和控制电路组成主电路 由整流器 中间直流环节 逆变器 组成先看主电路原理图三相工频交流电 经过VD1 VD6 整流后， 正极送入到缓冲电阻RL中，RL的作用是防止电流忽然变大。经过一段时间电流趋于稳定后，晶闸管或继电器的触点会导通短路掉缓冲电阻RL ，这时的直流电压加在了滤波电容CF1、CF2 上，这两个电容可以把脉动的直流电波形变得平滑一些。由于一个电容的耐压有限，所以把两个电容

17、串起来用。耐压就提高了一倍。又因为两个电容的容量不一样的话，分压会不同，所以给两个电容分别并联了一个均压电阻R1、R2 ，这样，CF1 和CF2 上的电压就一样了。 继续往下看，HL 是主电路的电源指示灯，串联了一个限流电阻接在了正负电压之间，这样三相电源一加进来，HL就会发光，指示电源送入。接着，直流电压加在了大功率晶体管VB的集电极与发射极之间，VB的导通由控制电路控制，VB上还串联了变频器的制动电阻RB，组成了变频器制动回路。我们知道，由于电极的绕组是感性负载，在启动和停止的瞬间都会产生一个较大的反向电动势，这个反向电压的能量会通过续流二极管VD7VD12使直流母线上的电压升高，这个电压

18、高到一定程度会击穿逆变管V1V6 和整流管VD1VD6。当有反向电压产生时，控制回路控制VB导通，电压就会通过VB在电阻RB释放掉。当电机较大时，还可并联外接电阻。 一般情况下“+”端和P1端是由一个短路片短接上的，如果断开，这里可以接外加的支流电抗器，直流电抗器的作用是改善电路的功率因数。 直流母线电压加到V1V6 六个逆变管上，这六个大功率晶体管叫IGBT ，基极由控制电路控制。控制电路控制某三个管子的导通给电机绕组内提供电流，产生磁场使电机运转。例如：某一时刻，V1 V2 V6 受基极控制导通，电流经U相流入电机绕组，经V W 相流入负极。下一时刻同理，只要不断的切换，就把直流电变成了交

19、流电，供电机运转。 为了保护IGBT，在每一个IGBT上都并联了一个续流二极管，还有一些阻容吸收回路。主要的功能是保护IGBT，有了续流二极管的回路，反向电压会从该回路加到直流母线上，通过放电电阻释放掉。 变频器主电路引出端子控制电路说明如下上图就是变频器控制电路的原理示意图。上半部为主电路，下半部为控制电路。主要由控制核心CPU、输入信号、输出信号和面板操作指示信号、存储器、LSI电路组成。外接电位器的模拟信号经模数转换将信号送入CPU，达到调速的目的。外接的开关量信号也经由与非门送入控制CPU。 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电

20、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”组成。 （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。 （3）驱动电路：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。&#

21、160;（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。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。    （一）交-直部分整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。（二）变频器元件作用电容C1：是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波，变压器是一种常见的电气

22、设备， 可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。压敏电阻：有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安全测试需要.霍尔热敏电阻：过热保护:安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。充电电阻：作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为 0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电

23、电阻的选择范围一般为：10-300。储能电容：又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在 430VDC700VDC 之间，而一般的高压电容都在 400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择60uf/A均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏 。C2电容;吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。（2）直-交部分VT1

24、-VT6逆变管（IGBT绝缘栅双极型功率管）：构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。VT1-VT6是续流二极：作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT6在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。（3）控制部分:电源板、驱动板、控制板（CPU板）电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源， 开关电源提供的低压电源有：±5V、±15V 、±24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲

25、经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。控制板（CPU板）：也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分     五、几点说明1、 VVVF含义现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们

26、所说的变压变频。改变频率和电压是最优的电机控制方法       如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。       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

27、的输出电压就需要从400V改变到约200V2、恒转矩运行若变频的基频是50Hz，那么，50Hz以下的是恒转矩运行，即输出转矩是一定的，随着频率的下降，输出转速也下降，那么输出转矩一定，则输出功率变小，所以，变频是可以省电的，所以，22kw的普通电机和50基频以下频率的变频电机的输出转矩是一样的，T=9550P/n ， T为输出转矩，P为功率，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50H

28、z），电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。 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。 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

29、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”。3、恒功率调速 大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的.       如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以工作在50Hz以上       当转速为50Hz时, 变频器的输出电压为380V, 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz, 

30、;变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.       这时的转矩情况怎样呢?       因为P=wT (w:角速度, T:转矩). 因为P不变, w增加了, 所以转矩会相应减小.       我们还可以再换一个角度来看:   

31、    电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为电子电阻, E为感应电势)       可以看出, U,I不变时, E也不变.       而E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 所以当f由50>60

32、Hz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.       同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不变时, 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)

33、能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变>最大转矩不变)。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) 。       结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时, 电机以恒功率运行，电机的输出转矩会减小.。4、软启动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

34、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。 六、变频器的额定值和频率指标 输入侧的额定值 主要是电压和相数。在我国，中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种（均为线电压）： 380V，3相 这是绝大多数（CT变频器为380V480V±10）。 220V，3相 主要用于某些进口设备中。 220V，单相 主要用于家用小容量变频器中。此外，对输入侧电源电压的频率也都作了

35、规定，通常都是工频50Hz或60Hz。 输出侧的额定值 输出电压 由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等的。 输出电流 是指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。 输出容量 取决于和的乘积。 配用电动机容量 对于变频器说明书中规定的配用电动机容量，需说明如下：a. 它是根据下式估算的结果：式中 电动机的效率电动机的功率因数由于电动机容量的标称值是比较统一的，而和值却很不一致，所以配用电动机容量相同的不同品牌的变频器的容量却常常不相同。b. 说明书中的配用电动机容量，仅对长期连续负载才是适合的，对于各种变动负载来说，则不适用。 过载能力 变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为150、1min。 频率指标 频率范围 即变频器输出的最高频率和最低频率。各种变频器规定的频率范围不尽一致。通常，最低工作频率约为0.11Hz；最高工作频率约为200500Hz。 频率精度 指变频器输出频率的准确精度。由变频器的实际输出频率与给定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。例如，用户给定的最高工作频率为，频率精度为0.01，则最大误差为