低壓變頻器的工作原理及應(yīng)用

1、 1 / 8 （一）交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理： 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。 現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。 變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。 交-直部分 整流電路： 由VD1-VD6六個(gè)整流二極管組成不可控全波整流橋。對(duì)于380V的額定電源，一般二極管反向耐壓值應(yīng)選1200V，二極管的正向電流為電機(jī)額定電流的

2、1.414-2倍。 （二）變頻器元件作用 電容C1： 是吸收電容,整流電路輸出是脈動(dòng)的直流電壓，必須加以濾波， 變壓器是一種常見(jiàn)的電氣設(shè)備，可用來(lái)把某種數(shù)值的交變電壓變換為同頻率的另一數(shù)值的交變電壓，也可以改變交流電的數(shù)值及變換阻抗或改變相位。 壓敏電阻： 有三個(gè)作用,一過(guò)電壓保護(hù),二耐雷擊要求,三安規(guī)測(cè)試需要. 熱敏電阻： 過(guò)熱保護(hù) 2 / 8 xx: 安裝在UVW的其中二相,用于檢測(cè)輸出電流值。選用時(shí)額定電流約為電機(jī)額定電流的2倍左右。 充電電阻： 作用是防止開(kāi)機(jī)上電瞬間電容對(duì)地短路，燒壞儲(chǔ)能電容開(kāi)機(jī)前電容二端的電壓為0V；所以在上電（開(kāi)機(jī)）的瞬間電容對(duì)地為短路狀態(tài)。如果不加充電電阻在整流

3、橋與電解電容之間，則相當(dāng)于380V電源直接對(duì)地短路，瞬間整流橋通過(guò)無(wú)窮大的電流導(dǎo)致整流橋炸掉。一般而言變頻器的功率越大，充電電阻越小。充電電阻的選擇范圍一般為：10-300。 儲(chǔ)能電容： 又叫電解電容，在充電電路中主要作用為儲(chǔ)能和濾波。PN端的電壓工作范圍一般在430VDC700VDC之間，而一般的高壓電容都在400VDC左右，為了滿(mǎn)足耐壓需要就必須是二個(gè)400VDC的電容串起來(lái)作800VDC。容量選擇60uf/A 均壓電阻： 防止由于儲(chǔ)能電容電壓的不均燒壞儲(chǔ)能電容；因?yàn)槎€(gè)電解電容不可能做成完全一致，這樣每個(gè)電容上所承受的電壓就可能不同，承受電壓高的發(fā)熱嚴(yán)重（電容里面有等效串聯(lián)電阻）或超過(guò)耐

4、壓值而損壞。 C2電容; 吸收電容,主要作用為吸收IGBT的過(guò)流與過(guò)壓能量。 （2）直-交部分 VT1-VT6逆變管（IGBT絕緣柵雙極型功率管）： 構(gòu)成逆變電路的主要器件，也是變頻器的核心元件。把直流電逆變頻率，幅值都可調(diào)的交流電。 VT1-VT6是續(xù)流二極： 3 / 8 作用是把在電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中將再生電流返回直流電提供通道并為逆變管VT1-VT6在交替導(dǎo)通和截止的換相過(guò)程中，提供通道。 （3）控制部分: 電源板、驅(qū)動(dòng)板、控制板（CPU板） 電源板： 開(kāi)關(guān)電源電路向操作面板、主控板、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路及風(fēng)扇等提供低壓電源，開(kāi)關(guān)電源提供的低壓電源有： ±5V、±15V、

5、±24V向CPU其附屬電路、控制電路、顯示面板等提供電源。 驅(qū)動(dòng)板： 主要是將CPU生成的PWM脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生符合要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)I(lǐng)GBT輸出電壓。 控制板（CPU板）： 也叫CPU板相當(dāng)人的大腦，處理各種信號(hào)以及控制程序等部分 （三）電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？ *1: r/min 電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度單位： 每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm. 例如：2極電機(jī)50Hz 3000 r/min 4極電機(jī)50Hz 1500 r/min $電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例 感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡(jiǎn)稱(chēng)為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由于該極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例

6、如極數(shù)為2，4， 4 / 8 6），所以一般不適和通過(guò)改變?cè)撝祦?lái)調(diào)整電機(jī)的速度。另外，頻率能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。 因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。 n = 60f/p n: 同步速度 f: 電源頻率 p: 電機(jī)極對(duì)數(shù) $改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法 如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時(shí)會(huì)使電機(jī)出于過(guò)電壓（過(guò)勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。 輸出頻率在額定頻率以上時(shí)，電壓卻不可以繼續(xù)增加，最高只能是等于電機(jī)的額定電壓。 例如： 為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，把變頻器的輸出

7、頻率從50Hz改變到25Hz，這時(shí)變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V （四）起動(dòng)電流 當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器的輸出電流稱(chēng)為起動(dòng)電流。變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動(dòng)。 5 / 8 電機(jī)在工頻電源供電時(shí)起動(dòng)和加速?zèng)_擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)電流。而當(dāng)使用變頻器時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機(jī)上的，所以電機(jī)起動(dòng)電流和沖擊要小些。通常，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p小。 通過(guò)使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。 （五）當(dāng)變頻器調(diào)速到

8、大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低- 通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計(jì)制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個(gè)電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速. (T=Te, P<=Pe) 變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線(xiàn)性關(guān)系下降。 當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運(yùn)行時(shí)，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。 舉例，電機(jī)在100Hz時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的。 因此在額定頻率之上的調(diào)速稱(chēng)為恒功率調(diào)速. (P=Ue*Ie) （六）變頻器50Hz以上的應(yīng)用情況 對(duì)一個(gè)特定的電機(jī)來(lái)說(shuō),其額定電壓和額定電流是不變的。如變頻器

9、和電機(jī)額定值都是:15kW/380V/30A,電機(jī)可以工作在50Hz以上；當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時(shí),變頻器的輸出電壓為380V,電流為 30A.這時(shí)如果增大輸出頻率到60Hz,變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/ 30A.很顯然輸出功率不變.所以我們稱(chēng)之為恒功率調(diào)速. 這時(shí)的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢? 因?yàn)镻=wT (w: 6 / 8 角速度, T: 轉(zhuǎn)矩).因?yàn)镻不變, w增加了,所以轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小.我們還可以再換一個(gè)角度來(lái)看: 電機(jī)的定子電壓U = E + I*R (I為電流, R為電子電阻, E為感應(yīng)電勢(shì))可以看出, U,I不變時(shí), E也不變. 而E = k*f*X, (k: 常數(shù), f: 頻率,

10、 X: 磁通),所以當(dāng)f由50->60Hz時(shí), X會(huì)相應(yīng)減小 對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō),T=K*I*X,(K: 常數(shù),I: 電流,X: 磁通),因此轉(zhuǎn)矩T會(huì)跟著磁通X減小而減小. 同時(shí),小于50Hz時(shí),由于I*R很小,所以U/f=E/f不變時(shí),磁通(X)為常數(shù).轉(zhuǎn)矩T和電流成正比.這也就是為什么通常用變頻器的過(guò)流能力來(lái)描述其過(guò)載(轉(zhuǎn)矩)能力.并稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(額定電流不變->最大轉(zhuǎn)矩不變) 結(jié)論: 當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時(shí),電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)減小。 （七）其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)的因素 發(fā)熱和散熱能力決定變頻器的輸出電流能力，從而影響變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩能力。 載波頻率: 7 / 8 一般變頻

11、器所標(biāo)的額定電流都是以最高載波頻率,最高環(huán)境溫度下能保證持續(xù)輸出的數(shù)值.降低載波頻率,電機(jī)的電流不會(huì)受到影響。但元器件的發(fā)熱會(huì)減小。 環(huán)境溫度： 就象不會(huì)因?yàn)闄z測(cè)到周?chē)鷾囟缺容^低時(shí)就增大變頻器保護(hù)電流值.海拔高度: 海拔高度增加,對(duì)散熱和絕緣性能都有影響.一般1000m以下可以不考慮.以上每1000米降容5%就可以了. （八）關(guān)于冷卻風(fēng)扇 一般功率稍微大一點(diǎn)的變頻器，都帶有冷卻風(fēng)扇。同時(shí)，也建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進(jìn)風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進(jìn)入控制柜。注意控制柜和變頻器上的風(fēng)扇都是要的，不能誰(shuí)替代誰(shuí)。其他關(guān)于散熱的問(wèn)題 1、在海拔高于1000m的地方，因?yàn)榭諝饷芏冉档?，因此?yīng)加大柜子的

12、冷卻風(fēng)量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應(yīng)考慮降容，1000m每-5%。但由于實(shí)際上因?yàn)樵O(shè)計(jì)上變頻器的負(fù)載能力和散熱能力一般比實(shí)際使用的要大，所以也要看具體應(yīng)用。比方說(shuō)在1500m的地方，但是周期性負(fù)載，如電梯，就不必要降容。 2、開(kāi)關(guān)頻率： 變頻器的發(fā)熱主要來(lái)自于IGBT，IGBT的發(fā)熱有集中在開(kāi)和關(guān)的瞬間。因此開(kāi)關(guān)頻率高時(shí)自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。有的廠家宣稱(chēng)降低開(kāi)關(guān)頻率可以擴(kuò)容，就是這個(gè)道理。 （九）變頻器制動(dòng)的情況 1:制動(dòng)的概念 指電能從電機(jī)側(cè)流到變頻器側(cè)（或供電電源側(cè)）,這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速。負(fù)載的能量分為動(dòng)能和勢(shì)能.動(dòng)能(由速度和重量確定其大?。╇S著物體的運(yùn)動(dòng)而累積。當(dāng)動(dòng)能

13、減為零時(shí)，該事物就處在停止?fàn)顟B(tài)。 8 / 8 機(jī)械抱閘裝置的方法是用制動(dòng)裝置把物體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為摩擦和能消耗掉。 對(duì)于變頻器，如果輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低。這時(shí)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)過(guò)程.由制動(dòng)產(chǎn)生的功率將返回到變頻器側(cè)。這些功率可以用電阻發(fā)熱消耗。在用于提升類(lèi)負(fù)載,在下降時(shí),能量(勢(shì)能)也要返回到變頻器(或電源)側(cè),進(jìn)行制動(dòng)。這種操作方法被稱(chēng)作“再生制動(dòng)”，而該方法可應(yīng)用于變頻器制動(dòng)。 在減速期間，產(chǎn)生的功率如果不通過(guò)熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)的方法叫做“功率返回再生方法”。在實(shí)際中，這種應(yīng)用需要“能量回饋單元”選件。 （十)怎樣提高制動(dòng)能力？ 為了用散熱來(lái)消耗再生功率，需要在變頻器側(cè)安裝制動(dòng)電阻。 為了改善制動(dòng)能力，不能期望靠增加變頻器的容量來(lái)解決問(wèn)題。請(qǐng)選用“制動(dòng)電阻”、“制動(dòng)單元”或“功率再生變換器”等選件來(lái)改善變頻器的制動(dòng)容量。 （十一）變頻器類(lèi)型選擇 變頻器可分為通用型和專(zhuān)用型，一般的機(jī)械負(fù)