变频器工作原理

变频器工作原理35条 来源：网络     时间：2009-03-02 变频器工作原理 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。 1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ *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：2极电机 50Hz 3000 [r/min] 4极电机 50Hz 1500 [r/min] 结论：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，在工业中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）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该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），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。 另外，频率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: 电机极对数 结论：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，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V 2. 当电机的旋转速度（频率）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 电机在工频电源供电时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。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。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，所以电机起动电流和冲击要小些。 通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。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。 3. 当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低 通常的电机是按50Hz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50Hz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50Hz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) 4. 变频器50Hz以上的应用情况 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 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(50HZ以上的调速只增加频率，电压无法变化，功率也不变，故称为恒功率调速). 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: 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 UI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--60Hz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)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变--最大转矩不变) 结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时 电机的输出转矩会减小. 5. 其他和输出转矩有关的因素 发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。 载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。 环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值. 海拔高度: 海拔高度增加 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了. 6. 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？ *1: 转矩提升 此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，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。 个人理解：降低频率时，为了不损坏电机，实行V/f控制，试V随f成比例下降，但是这时使得输出转矩不足，因而要使输出电压提高 一些以便获得一定地起动转矩这种补偿称增强起动。 1、什么是变频器？ 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 2、PWM和PAM的不同点是什么？ 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。 3、电压型与电流型有什么不同？ 变频器的主电路大体上可分为两类：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。 4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？ 异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，那么磁通就过大，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。这种控制方式多用于 风机、泵类节能型变频器。 5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？ 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。 6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？ 采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，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；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。 7、V/f模式是什么意思？ 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 8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？ 频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于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 9、在#说明#上写着变速范围60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗？ 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. 10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？ 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量的选择。 11、所谓开环是什么意思？ 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. 12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办？ 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。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于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）。 13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？ 具有ＰＧ反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取决于ＰＧ本身的精度和变频器输出频率的分辨率。 14、失速防止功能是什么意思？ 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）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。 15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？ 加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。 16、什么是再生制动？ 电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。 17、是否能得到更大的制动力？ 从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于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%。 18、请说明变频器的保护功能? 保护功能可分为以下两类： （1） 检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。 （2） 检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。 19、为什么用离合器连续负载时，变频器的保护功能就动作？ 用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。 20、在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么？ 电机起动时将流过和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能（IPE）动作，造成停止运转。 21、什么是变频分辨率？有什么意义？ 对于数字控制的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。 变频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0 Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为 1r/min 以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。 22、装设变频器时安装方向是否有限制。 变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。 23、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以？ 在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于变频器切断过电流，电机不能起动。 24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题？ 超过60Hz运转时应注意以下事项 (1)机械和装置在该速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）。 (2)电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维持工作（风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）。 (3) 产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。 (4)对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。 25、变频器可以传动齿轮电机吗？ 根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。 26、变频器能用来驱动单相电机吗？可以使用单相电源吗？ 机基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁 辅助绕组；对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。 27、变频器本身消耗的功率有多少？ 它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。 28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用？ 一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。 29、使用带制动器的电机时应注意什么？ 制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。 30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，清说明原因 变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流(OCT)所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。 31、变频器的寿命有多久？ 变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。 32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何？风扇若是坏了会怎样？ 对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护 33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命？ 作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品额定容量的85%时为基准来判断寿命。 34、装设变频器时安装方向是否有限制。 应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。其措施有： （1）盘的设计要针对实际装置所需要的散热； （2）利用铝散热片、翼片冷却剂等增加冷却面积； （3） 采用热导管。 此外，已开发出变频器背面可以外露的型式。 35、想提高原有输送带的速度，以80Hz运转，变频器的容量该怎样选择？ 设基准速度为50Hz50Hz以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩特性负载增速时，容量 需要增大为80/50≈1.6倍。电机容量也像变频器一样增大。 36、 Auto Tuning(自动调校) ........12 　常见于磁束向量型变频器的一种技术，能自动监测(找出)马达的参数，如转差频率/场电流/转矩电流/定子阻抗/转子阻抗/定子感抗/转子感抗等.有了这些参数后才能作[专据估算]及[转差(滑差)补偿].也因为此技术，在无编码器的运 转下仍能获得良好的运转精度. 7、无编码器运转 ...........13 　在速度控制上，与旧式 variable frenquency 变频器的开回路比较，磁束向量型变频器内部由速度观测计算功能达成闭回路.马达侧不用装编码器也能达到 良好的速度精度.无编码器运转有如下好处： 　　1) 配线精省; 　　2) 不必担心 RF 杂讯对编码器低电压信号的影响; 　　3) 在多震动的场合不用担心编码器的高故障率. 38、变频器的矢量控制 ...13 　　在 AC 马达中，转子由定子绕组感应电流产生磁场.定子电流含两部分.一部 分影响磁场，另一部分影响马达输出转矩.要使用 AC 马达在需要速度与转矩控 制的场合，必须能够把影响转矩的电流分离控制，而磁束矢量控制就能够分离这两部分进行独立控制.(具有大小及方向的物理量称为矢量) 39、Field Weakening ...13 　Field Weakening 线路可用以减弱马达的场电流，改变与磁场的平衡关系，使马达高于基本转速运转. 40、定转矩应用 13 所需转矩大小不因速度而变的场合，常用到[定转矩应用].如传送带等负载.[定转矩应用]通常需要较大的起动转矩.[定转矩应用]在低速运转时易有马达发热问题，解决的方法：最好(1)加大马达功率;(2)使用装有定速冷却的变频器专用马达(即马达的冷却方式为强制风冷). 41、变转矩应用 13 　多见于离心式负载，例如泵/风机/风扇等，其使用变频器的目的一般为节能. 比如当风扇以 50%转速运转时，其所需转矩小于全速运转所需.可变转矩变频器能够仅给与马达所需转矩，达到节能效果.次应用中短暂的巅峰负载通常无需给与马达额外的能量.故变转矩变频器的过载能力可以适用于大部分用途. *定转矩变频器的过载(电流)能力须为额定值 150%/1minute，而可变转矩变频器所需过载(电流)能力仅需额120%/1minute.因为离心式机械用途中很少会超出额定电流.另外，变转矩用途所需起动转矩也较定转矩用途小 42、变频器专用马达 .......14 1)分离式它力通风(它力风冷) 　　2) 10Hz-60Hz 为定转矩输出 　　3) 高起动转矩 　　4) 低噪音 　　5) 马达装有编码器 　　*但并非所有称之为变频器专用马达的马达都具有上列特征 43、关于调速： 14 　　1)调速：根据工况需要调整设备运行速度，以达到节能降耗、减少磨损、 按需生产等目的。 　　2)直流调速(DC Controler/motor)：由直流控制器调节直流电机以达 　　到调整速度的目的。 　　3)交流变频调速(AC inverter/motor)：由变频器输出频率变化的三相交流电流从而控制交流电机的转速。 　　4)矢量变频调速(AC vector inverter)：通过复杂的计算变换，使交流变频器按照直流电机的控制方式去控制交流电机，从而达到精确速度控制、转矩控制、提高输出扭矩等特性。 　　5)伺服控制系统(Servo control system)：在运动系统中引入速度反馈或位置反馈元件，通过负反馈的作用达到极其精密的的速度控制、定位控制以及 高动态响应。 44、几个常见工业元件： 14 1)测速发电机(Tacho-generator)：一种转速测量元件，有交流、直流之分。 　　2)旋转变压器(Resolver)：一种经济、准确地转速和角位移测量元件。 　3)光电编码器(Encoder)：一种精密的角位移、转速测量元件，适合在 　　位置控制系统中作为反馈元件。 　　4)PLC：工业用计算、控制装置，实现逻辑、时序、计算等控制功能，一 般作为整个自动化控制系统的上位主机。 　　5)HMI(Human-Machine Interface)：人-机界面。 　　6)现场总线(Field-Bus System)：应用于工业控制现场的串行通讯总线系统，大幅度降低接线成本，提高控制的抗干扰能力。 　　7)分布式控制(Distributed control)：区别于传统的集中式控制，强调 　　各个节点设备的智能化，一般由现场总线系统将各子设备连接起来。极大地提高系统应用的灵活性、可靠性，降低上位机的运算负担。 45、关于电机的三个术语： ...........15 1)防护等级(Protection Code)： 　　(IP**)考察一个设备防止异物进入和防水的能力，使 IEC 之一。其两个数字分别代表防异物和防水的能力，数值越高表明可以防止更细小的物体进入 以及经受更强烈的水流冲击。一般为 IP54(防尘，防泼洒水滴)以上防护等级的设备可以直接应用于露天。 　　2)绝缘等级(Insulation Grade)：考察一个电气设备(一般针对电机)在保证良好绝缘特性的前提下所能承受 　　的极限温升能力，是 IEC 标准之一。一般有 B 级(85 度)、F 级(105 度)、 　　H 级(125 度)。 　　3)工作制。(略) 变频器维修检测常用方法 ..... 16 　在变频器日常维护过程中，经常遇到各种各样的问题，如外围线路问题，参数设定不良或机械故障。如果是变频器出现故障，如何去判断是哪一部分问题，在这里略作介绍。 1、静态测试 ......16 　　1.1、测试整流电路 　　找到变频器内部直流电源的 P 端和 N 端，将万用表调到电阻 X10 档，红表棒接到 P，黑表棒分别依到 R、S、T，应该有大约几十欧的阻值，且基本平衡。相反将黑表棒接到 P 端，红表棒依次接到 R、S、T，有一个接近于无穷大的阻值。将红表棒接到 N 端，重复以上步骤，都应得到相同结果。如果有以下结果，可以判定电路已出现异常，A.阻值三相不平衡，可以说明整流桥故障。B.红表棒 　　接 P 端时，电阻无穷大，可以断定整流桥故障或起动电阻出现故障。 　　1.2、测试逆变电路 　　将红表棒接到 P 端，黑表棒分别接 U、V、W 上，应该有几十欧的阻值，且 各相阻值基本相同，反相应该为无穷大。将黑表棒接到 N 端，重复以上步骤应 　　得到相同结果，否则可确定逆变模块故障 2、动态测试 ......16 在静态测试结果正常以后，才可进行动态测试，即上电试机。在上电前后必 须注意以下几点： 　　2.1、上电之前，须确认输入电压是否有误，将 380V 电源接入 220V 级变频器之中会出现炸机(炸电容、压敏电阻、模块等)。 　　2.2、检查变频器各接播口是否已正确连接，连接是否有松动，连接异常有时可能导致变频器出现故障，严重时会出现炸机等情况。 　　2.3、上电后检测故障显示内容，并初步断定故障及原因。 2.4、如未显示故障，首先检查参数是否有异常，并将参数复归后，进行空载(不接电机)情况下启动变频器，并测试 U、V、W 三相输出电压值。如出现缺相、三相不平衡等情况，则模块或驱动板等有故障。 2.5、在输出电压正常(无缺相、三相平衡)的情况下，带载测试。测试时，最好是满负载测试。 3、故障判断 ......17 　3.1、整流模块损坏 一般是由于电网电压或内部短路引起。在排除内部短路情况下，更换整流桥。 在现场处理故障时，应重点检查用户电网情况，如电网电压，有无电焊机等对电 网有污染的设备等。　 　3.2、逆变模块损坏一般是由于电机或电缆损坏及驱动电路故障引起。在修复驱动电路之后，测驱动波形良好状态下，更换模块。在现场服务中更换驱动板之后，还必须注意检查马达及连接电缆。在确定无任何故障下，运行变频器。 　　3.3、上电无显示 一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起，如启 　　动电阻损坏，也有可能是面板损坏。 　　3.4、上电后显示过电压或欠电压 一般由于输入缺相，电路老化及电路板受潮引起。找出其电压检测电路及检 　　测点，更换损坏的器件。 　　3.5、上电后显示过电流或接地短路 一般是由于电流检测电路损坏。如霍尔元件、运放等。 　　3.6、启动显示过电流 一般是由于驱动电路或逆变模块损坏引起。 　　3.7、空载输出电压正常，带载后显示过载或过电流 该种情况一般是由于参数设置不当或驱动电路老化，模块损伤引起。 变频器运行中存在的问题及对策 ........ 18 　随着变频技术的提高，交流电动机的应用越来越广泛，采用变频调速可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的自动化，是交流拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显著的节能效果。 1、变频器的应用 .............18 　　我国的电动机用电量占全国发电量的 60%~70%，风机、水泵设备年耗电 量占全国电力消耗的 1/3。造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。由于风机、水泵类大多为平房转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量，应用变频器节电率为 20%~50%，效益显著。 　　许多机械由于工艺需要，要求电动机能够调速。过去由于交流电动机调速困难，调速性能要求高的场合都采用直流调速，而直流电冬季结构复杂，体积大，维修困难，因此随着变频调速技术的成熟，交流调速正逐步取代直流调速，往往需要进行是量和直接转矩控制，来满足各种工艺要求。 　　利用变频器拖动电动机，起动电流小，可以实现软起动和无级调速，方便的进行加减速控制，是电动机获得高性能，大幅度地节约电能，因而变频器在工业 生产和生活中得到了越来越广泛的应用。 2、存在的问题及对策 .....18 　随着变频器应用范围的扩大，运行中出现的问题也越来越多，主要表现为：高次谐波、噪声与振动、负载匹配、发热等问题。本文针对以上问题进行分析并提出相应措施。 3、谐波问题及对策 .........19 　通用变频器的主电路形式一般由整流、逆变和滤波三部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，中间滤波部分采用大电容作为滤波器，逆变部分为 IGBT 三项桥式逆变器，且输入为 PWM 波形。输出电压中含有除基波以外的其它谐波，较低次谐波通常对电动机负载影响较大，引起转矩脉动;而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加，使电动机出力不足，因此变频器输出的高低次谐波都 必须抑制，可以采用以下方法抑制谐波。 　　(1) 增加变频器供电电源内阻抗通常电源设备的内阻抗可以器到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作 　　用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择 　　变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器。 　　(2) 安装电抗器在变频器的输入端与输出端串接合适的电抗器，或安装谐波滤波器，滤波器 　　的组成为 LC 型，吸收谐波和增大电源或负载阻抗，达到抑制目的。 　　(3) 采用变压器多项运行通用变频器为六脉波整流器，因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运 　　行，使相位角互差 30°，如 Y-△、△-△组合的变压器构成 12 脉波的效果，可 　　减小低次谐波电流，很好的抑制了谐波。 　　(4) 设置专用谐波设置专用滤波器用来检测变频器和相位，并产生一个与谐波电流的幅值相同 　　且相位正好相反的电流，通到变频器中，从而可以有效的吸收谐波电流。 4、噪声和振动问题及对策 .............19 　采用变频器调速，将产生噪声和振动，这是变频器输出波形中含有高次谐波分量所产生的影响。随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量都在大范围内变化，很可能引起与电动机的各个部分产生谐振等。 (1) 噪声问题及对策 　　用变频器传动电动机时，由于输出电压电流中含有高次谐波分量，气隙的高次谐波磁通增加，故噪声增大。电磁噪声由以下特征：由于变频器输出中的低次谐波分量与转子固有机械频率谐振，则转子固有频率附近的噪声增大。变频器输出中的高次谐波分量与铁心机壳轴承架等谐振，在这些部件的各自固有频率附近处的噪声增大。 　　变频器传动电动机产生的噪声特别是刺耳的噪声与 PWM 控制的开关频率有关，尤其在低频区更为显著。一般采用以下措施平抑和减小噪声：在变频器输出侧连接交流电抗器。如果电磁转矩有余量，可将 U / f 定小些。采用特殊电动 机在较低频的噪声音量较严重时，要检查与轴系统(含负载)固有频率的谐振。 　　(2) 振动问题及对策变频器工作时，输出波形中的高次谐波引起的磁场对许多机械部件产生电磁 　　策动力，策动力的频率总能与这些机械部件的固有频率相近或重合，造成电磁原 　　因导致的振动。对振动影响大的高次谐波主要是较低次的谐波分量，在 PAM 方 式和方波 PWM 方式时有较大的影响。但采用正弦波 PWM 方式时，低次的谐 波分量小，影响变小。 　　减弱或消除振动的方法，可以在变频器输出侧接入交流电抗器以吸收变频器 输出电流中的高次谐波电流成分。使用 PAM 方式或方波 PWM 方式变频器时， 可改用正弦波 PWM 方式变频器，以减小脉动转矩。从电动机与负载相连而成的机械系统，为防止振动，必须使整个系统不与电动机产生的电磁力谐波。 5、负载匹配及对策 .........20 　负载的类型 　　生产机械的种类繁多，性能和工艺要求各异，其转矩特性不同，因此应用变频器前首先要搞清电动机所带负载的性质，即负载特性，然后再选择变频器和电动机。负载有三种类型：恒转矩负载、风机泵类负载和恒功率负载。不同的负载类型，应选不同类型的变频器。 　　(1) 恒转矩负载 恒转矩负载又分为摩擦类负载和位能式负载。 　　摩擦类负载的起动转矩一般要求额定转矩的 150%左右，制动转矩一般要求 额定转矩的 100%左右，所以变频器应选择具有恒定转矩特性，而且起动和制动 转矩都比较大，过载时间和过载能力大的变频器，如 FR-A540 系列。 　　位能负载一般要求大的起动转矩和能量回馈功能，能够快速实现正反转，变 频器应选择具有四象限运行能力的变频器，如 FR-A241 系列。 (2) 风机泵类负载 风机泵类负载是典型的平方转矩负载，低速下负载非常小，并与转速平方成 　　正比，通用变频器与标准电动机的组合最合适。这类负载对变频器的性能要求不 　　高，只要求经济性和可靠性，所以选择具有 U/f=const 控制模式的变频器即可， 　　如 FR-A540(L)。如果将变频器输出频率提高到工频以上时，功率急剧增加，有时超过电动机变频器的容量，导致电动机过热或不能运转，故对这类负载转矩，不要轻易将频率提高到工频以上。 (3) 恒功率负载 恒功率负载指转矩与转速成反比，但功率保持恒定的负载，如卷取机、机床等。对恒功率特性的负载配用变频器时，应注意的问题：在工频以上频率范围内 　　变频器输出电压为定值控制，，所以电动机产生的转矩为恒功率特性，使用标准电动机与通用变频器的组合没有问题。而在工频以下频率范围内为 U/f 定值控制，电动机产生的转矩与负载转矩又相反倾向，标准电动机与通用变频器的组合 难以适应，因此要专门设计。 6、发热问题及对策 .........21 　变频器发热是由于内部的损耗而产生的，以主电路为主，约占 98%，控制 电路占 2%。为保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热。主要方法有： 　　(1) 采用风扇散热：变频器的内装风扇可将变频器箱体内部散热带走。 　　(2) 环境温度：变频器是电子装置，内含电子元件机电解电容等，所以温度对其寿命影响较大。通用变频器的环境运行温度一般要求-10℃~+50℃，如果能降低变频器运行温度，就延长了变频器的使用寿命，性能也稳定。 变频器的控制方式及应用选型 ............ 22 　1、引言 　　变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪 60 年代以后，电力电子器件经历了 SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、 SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS 控制晶体管)、MCT(MOS 控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管) 的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20 世纪 70 年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。 　　20 世纪 80 年代，作为变频技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。20 世纪 80 年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的 VVVF 变频器已投入市场并获得了广泛应用。 　　2、变频器控制方式 　　低压通用变频输出电压为 380～650V，输出功率为 0.75～400kW，工作频 率为 0～400Hz，它的主电路都采用交 直 交电路。其控制方式经历了以下四 代。 　　2.1 U/f=C 的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一 　　般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方 　　式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态 　　调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。2.2 电压空间矢量(SVPWM)控制方式 　　它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 　　2.3 矢量控制(VC)方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia、 　　Ib、Ic、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再 　　通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1 　　(Im1 相当于直流电动机的励磁电流;It1 相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 　　2.4 直接转矩控制(DTC)方式 　　1985 年，德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 　　直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 　2.5 矩阵式交—交控制方式 　　VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是： 　　——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式; 　　——自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别; 　　——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制; 　　——实现 Band Band 控制按磁链和转矩的 Band-Band 控制产生 PWM 信号，对逆变器开关状态进行控制。 　　矩阵式交 交变频具有快速的转矩响应(<2ms)，很高的速度精度(±2 　　%，无 PG 反馈)，高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时(包括 0 速度时)，可输出 150%～200%转矩。 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n ＝ 60 f(1 － s)/p (1) 式中 n——— 异步电动机的转速； f——— 异步电动机的频率； s——— 电动机转差率； p——— 电动机极对数。 由式 (1) 可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 0 ～ 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 2 变频器控制方式 低压通用变频输出电压为 380 ～ 650V ，输出功率为 0.75 ～ 400kW ，工作频率为 0 ～ 400Hz ，它的主电路都采用交 — 直 — 交电路。其控制方式经历了以下四代。 2.1U/f=C 的正弦脉宽调制（ SPWM ）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 2.2 电压空间矢量（ SVPWM ）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 2.3 矢量控制（ VC ）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia 、 Ib 、 Ic 、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1 ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1 、 It1 （ Im1 相当于直流电动机的励磁电流； It1 相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。