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关于变频器的若干知识

作者:za时间:2024-05-11 13:42:47 次浏览

信息摘要:

变频器工作原理概述  主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,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

变频器工作原理

概述

  主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,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,其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成,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“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

整流器

  最近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。

关于变频器的若干知识(图1)

平波回路

  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平波回路。

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。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

  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。

  (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。

变频器的作用

  变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术,得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值,因而改变其运动磁场的周期,达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现,使得复杂的调速控制简单化,用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作,缩小了体积,降低了维修率,使传动技术发展到新阶段。

变频器的组成

  变频器通常分为4部分:整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。

  □ 整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。

  □ 高容量电容存储转换后的电能。

  □ 逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关,将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

  □ 控制器按设定的程序工作,控制输出方波的幅度与脉宽,使叠加为近似正弦波的交流电,驱动交流电动机。

变频器的历史

  变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。

  □ 20世纪60年代以后,电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。

  □ 20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究得到突破,20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。

  □ 20世纪80年代中后期,美、日、德、英等发达国家的 VVVF变频器技术实用化,商品投入市场,得到了广泛应用。最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势,高端产品迅速抢占市场。

  □步入21世纪后,国产变频器逐步崛起,现已逐渐抢占高端市场

变频器的分类

按变换的环节分类

  (1)交-直-交变频器,则是先把工频交流通过整流器变成直流,然后再把直流变换成频率电压可调的交流,又称间接式变频器,是目前广泛应用的通用型变频器。

  (2)可分为交-交变频器,即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流,又称直接式变频器;

按直流电源性质分类

  (1)电压型变频器

  电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容,负载的无功功率将由它来缓冲,直流电压比较平稳,直流电源内阻较小,相当于电压源,故称电压型变频器,常选用于负载电压变化较大的场合。

  (2)电流型变频器

  电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节,缓冲无功功率,即扼制电流的变化,使电压接近正弦波,由于该直流内阻较大,故称电流源型变频器(电流型)。电流型变频器的特点(优点)是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。

按主电路工作方法

  电压型变频器、电流型变频器

按照工作原理分类

  可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;

按照开关方式分类

  可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;

按照用途分类

  可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外,变频器还可以按输出电压调节方式分类,按控制方式分类,按主开关元器件分类,按输入电压高低分类。

按变频器调压方法

  PAM变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。

  PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个 脉冲波个脉冲,其等值电压为正弦波,波形较平滑。

按工作原理分

  U/f控制变频器(VVVF控制)、SF控制变频器(转差频率控制)、VC控制变频器(Vectory Control 矢量控制)

按电压等级分类

  高压变频器、中压变频器、低压变频器

变频器节能效果

  变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费。风机、泵类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,且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时,如果流量要求减小,通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

  由流体力学可知,P(功率)=Q(流量)×H(压力),流量Q与转速N的一次方成正比,压力H与转速N的平方成正比,功率P与转速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q减少时,可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时,电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低,比调节挡板、阀门节能40%一50%,从而达到节电的目的。

  2、功率因数补偿节能

  无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗在线路当中,设备使用效率低下,浪费严重,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。

  3、软启动节能

  电机硬启动对电网造成严重的冲击,而且还会对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大,对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

关于变频器的若干知识(图2)

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,能实现对交流异

变频器

步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。

  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,其直流回路滤波是电感。

  4、为什么变频器的电压与频率成比例的改变?

  任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果,电流是不允许超过额定值的,否则将引起电动机的发热。因此,如果磁通减小,电磁转矩也必减小,导致带载能力降低。

  由公式E=4.44*K*F*N*Φ 可以看出,在变频调速时,电动机的磁路随着运行频率fX是在相当大的范围内变化,它极容易使电动机的磁路严重饱和,导致励磁电流的波形严重畸变,产生峰值很高的尖峰电流。

  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,起动电流为额定电流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、在说明书上写着变速范围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.无速度传感器闭环控制方式是根据建立的数学模型根据磁通推算电机的实际速度,相当于用一个虚拟的速度传感器形成闭环控制。

  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。但速度精度的值取决于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?

   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,请说明原因。

  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?

  输送带消耗的功率与转速成正比,因此若想以80HZ运行,变频器和电机的功率都要按照比例增加为80HZ/50HZ,即提高60%容量。

  维护和检查时的注意事项有:

  (1) 在关掉输入电源后,至少等5分钟才可以开始检查(还要正式充电发光二极管已经熄灭)否则会引起触电。

  (2) 维修、检查和部件更换必须由胜任人员进行。(开始工作前,取下所有金属物品(手表、手镯等),使用带绝缘保护的工具)

  (3) 不要擅自改装频频器,否则易引起触电和损坏产品。

  (4) 变频器维修之前,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)。

  变频器主要由半导体元件构成,因此,必须进行日常的检查,防止不利的工作环境,如温度、湿度、粉尘和振动的影响,并防止因部件使用寿命所引起的其它故障。

  检查项目:

  (1) 日常检查:检查变频器是否按要求工作。用电压表在变频器工作时,检查其输入和输出电压。

  (2) 定期检查:检查所有只能当变频器停机时才能检查的地方。

  (3) 部件更换:部件的寿命很大程度上与安装条件有关。


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