变频器的基础知识原理及应用

变频器的组成

变频器(Frequency Converter)是利用电力电子半导体器件的通断作用把

电压、频率固定不变的交流电转变成电压、频率都可调的交流电。现在使用的变

频器主要采用交-直-交的工作方式，先把工频交流电整流成直流电，再把直流电

逆变为频率、电压均可控制的交流电。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要用

于电动机的调速，又叫变频调速器。

变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理

一、交流-直流部分(整流部分)：

?

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，二极管反向耐压值一般应选1200V 。二极管的正向电流为电

机额定电流的1.414~2倍。

? 吸收电容C 1：整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波。

?

压敏电阻：过电压保护与耐雷击要求。 ?

热敏电阻：过热保护。 ? 霍尔:安装在U 、V 、W 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。

? 电解电容：又叫储能电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN 两端

的电压工作范围一般在 430VDC ～700VDC 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 。

? 充电电阻：防止开机(上电)瞬间的涌浪电流烧坏电解电容。因为开机(上电)

前电容两端的电压为 0V ，在开机(上电)的瞬间电容相当于短路状态。如果

整流桥与电解电容之间没有充电电阻，相当于电源直接短路，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。充电电阻的选择范围一般为10~300Ω。

? 均压电阻：防止电解电容的电压不均从而烧坏电解电容。因为两个电解电容

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

高的电容严重发热或因超过耐压值而损坏。

? 吸收电容C 2：主要作用是吸收IGBT 的过流与过压能量。

二、直流-交流部分(逆变部分):

? VT1-VT6逆变管(IGBT)：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。

? 续流二极管：①保护IGBT ，防止IGBT 在工作时被反电动势损坏。②变频

器的负载是电机，而电机是一种感性负载，

所以它必然要向电源侧返送能量，

也就是所说的无功功率(其实就是电感中储存的能量）。所以在设计逆变系统时，必须给无功功率返回电网提供回路，这样才不会烧毁逆变桥上的IGBT 等器件。没有续流二极管，IGBT就会被反向击穿。

三、控制部分

?电源板：开关电源电路向CPU及其附属电路、控制电路、显示面板、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。

?驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲信号通过驱动电路产生符合要求的驱动信号，以此来激励IGBT输出电压。

?控制板：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。

变频器基本原理和知识

一、电机调速的原理

这里提到的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率：n=60f/p( n:-电机旋转磁场的同步转速；f-电源频率；p-电机的极对数)

电机极数的数值并不是一个连续的数值(为2的倍数，例如极数为2，4，6)，所以一般通过改变电机的极数或极对数来改变电机转速的方式为有级调速。而频率能够在被调节后再“供给”电机，这样电机的转速就可以被自由地调节，这种调速方式属于无级调速。因此以控制频率为目的的变频器，是电机调速的优选设备，其中同时改变变频器的输出频率和电压是最优的电机调速方法。如果仅仅改变变频器的输出频率而不改变其输出电压，频率降低时会使电机出现过励磁(磁通增加)，导致电机铁芯过热并且可能被烧坏。因此变频器在改变输出频率的同时必须要相应地改变其输出电压。当变频器的输出频率在额定频率以上时，由于

电压不可以继续增加(最高也只能是电机的额定电压)，磁通会随着频率的增加而相应的减少。

?VVVF是Variable Voltage and Variable Frequency的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是所说的变压变频。

?CVCF是Constant Voltage and Constant Frequency的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是所说的恒压恒频。

对一个特定的电机来说, 其额定的功率、电压和电流是不变的。例如某个变频器和电机额定值都是:15kW/380V/30A，且电机可以工作在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，变频器的最大输出电压/电流也只能是380V/30A，很显然输出功率不变，所以称之为恒功率调速。此时电机输出功率P=w*T (w-角速度；T-电机电磁转矩)，P不变，w增加了(w=2πf)，所以转矩T会相应地减小。再换一个角度来分析：电机的定子电压U=E+I*R[I-电机定子电枢电流；R-电机定子电枢电阻；E-电机定子感应电势，其中E=C E*f*X (C E-电机电势常数；f-频率；X-磁通)]，当U、I不变时, E也不变。所以当f由50Hz升高到60Hz时，X会相应减小。电机输出转矩T=C T*I*X(C T-电机的转矩常数；I-电机定子电枢电流；X-磁通), 因此电机输出转矩T会随着磁通X的减小而减小。当变频器输出频率小于50Hz时, 由于I*R很小，可以忽略不计，所以在U/f≈E/f不变时，磁通X为常数，转矩T和电流I成正比，这也是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力，并称为恒转矩调速(额定电流不变即最大转矩不变)。因此：?在额定频率之下的调速称为恒转矩调速(T=Tr，Po≤Pr)。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

的输出电压就需要从380V改变到约190V。

?变频器输出频率大于电机的额定频率时，电机的输出转矩将降低，且输出转矩以和频率成反比的线性关系下降。在额定频率之上的调速称为恒功率调速(P=Ur*Ir)。例如：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。

?通常的电机是按额定电压和频率来设计制造的，其额定转矩也是在这个电压频率范围内给出的。当电机以大于其额定转速的转速运行时，要必须考虑电机负载的大小，以防止电机输出转矩不足而使电机产生堵转，并可能烧毁电机。

二、电机直接启动和用变频器启动时的区别

变频器驱动电机起动时的输出电流、起动转矩和最大转矩要比直接通过工频电源起动时的数值小。电机在工频电源下起动时，起动电流和加速冲击很大；电机通过变频器起动时，因为变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机的起动电流和冲击要小些。

通常电机的输出转矩要随着频率下降(转速降低)而减小，减小的实际数据在各变频器厂家的手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善在低速时电机输出转矩不足的情况，甚至在低速时也会使电机输出足够的转矩。

三、变频器如何改善电机的输出转矩

?转矩提升：常规的V/F控制，电机定子上的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致电机励磁不足而不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器需要提供一个补偿电压，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转矩提升，通过增加变频器的输出电压(主要在低频时)，

以补偿定子电阻上的电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。

矢量控制：即使通过转矩提升功能来提高变频器的输出电压，电机的输出转矩也并不能与其电流相对应地提高，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)。矢量控制方式则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的数值。矢量控制可以通过对电机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。

四、变频器的发热和散热

要正确地使用变频器, 必须认真地考虑其散热问题。变频器的故障率随着温度的升高成指数的上升，使用寿命随着温度的升高成指数的下降。环境温度升高10℃，变频器使用寿命减半。

变频器的发热量大概可以用以下公式来估算: 发热量≈变频器容量(KW)×55。如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且这些电抗器与变频器安装在同一个控制柜里面, 那么发热量会更大。电抗器的安装位置在变频器侧面或侧上方比较好。此时变频器的发热量≈变频器容量(KW)×60。

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。如果装有制动电阻，最好将制动电阻和变频器隔开，如安装在柜子上面或旁边等，因为制动电阻的散热量很大。

一般功率稍微大一点的变频器都带有冷却风扇。如果变频器安装在控制柜里，建议在控制柜上方出风口处安装冷却风扇。同时进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。

其他关于散热的问题：

?在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加控制柜的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，海拔每升高1000m，变频器降容5%，但是也要看具体的应用，因为变频器设计的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大，

?开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT，IGBT的发热主要集中在“开”

和“关”的瞬间。IGTB开关频率高时，变频器的发热量就自然变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容就是这个道理。

五、变频器制动的情况

变频器的制动是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。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。对于变频器制动，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。在用于提升类负载时，负载下降时能量(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。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，不能只期望通过增加变频器的容量来解决问题。可以选用“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。

六、变频是否省电

如果变频的基频是50Hz，那么50Hz以下为恒转矩运行，即输出转矩一定。

随着变频器输出频率的下降，电机转速也下降，输出转矩不变，则电机输出功率

变小，所以变频是可以省电的。T=9550P/n(T-电机电磁转矩；P-电机功率；n-

电机转速)。如果变频器输出频率高于电机额定频率，则电机输出功率不变，但

是电机输出转矩会减少。

制动电路：又叫制动斩波器，和制动电阻一起配套工作，都是变频器的选件。电动机在工作频率下降的过程中，将处于再生制动的状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流汇流排上的电压不断升高，甚至达到危险的地步。因此必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使直流电压保持在允许的范围之内。一般变频器是通过直流制动电阻来消耗这部分能量，AFE是将该能量直接反馈到电网（AEF有两套逆变器）。