变频器基础知识

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0～50Hz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≥10kV时称高压，1-10kV为中压，小于1kV时称低压，与其电压范围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。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，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

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。

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。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：①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。②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：

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，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：

2）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）当输出电压大于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=4.44fwΦ

式中：E-电机电动势，f-定子频率，W-绕组系数，Φ-气隙主磁通。

对异步机调速时，希望主磁通Φ恒定（Φ太小，铁磁材料利用不充分，同样电流产生的转矩小。Φ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，Φ就基本恒定。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。

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：

式中：n -- 电机的实际转速

n

-- 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

0正比于电机的运行频率(n

=60f/p)，由于滑差s一般情况

下比较小（0∽0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n

，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，变频调速技术已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）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(水泵出口阀门)最好处于关闭位置。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，应确认电机已经完全停转，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路板损坏，同时造成变频器绝缘下降。

2、观察孔小，不便于检查。针对一次风机及凝结水泵变频器，加装了绝缘隔板，使得运行中不便于检查旁路柜刀闸触头运行中发热情况，同时在操作时不便于检查触头是否接触完整。

3、设计不合理。1、4号机凝结水泵变频器装设位置不恰当，机组运行中容易有蒸汽漏入变频器柜；变频器柜内动力电缆采用软电缆，在其中穿孔或者靠近金属部位经常发生绝缘老化故障。