變頻器基礎(chǔ) 精品課件

1、變頻器基礎(chǔ) 第1頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二什么是變頻器？各國使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均為400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC）。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語為“inverter”(逆變器)。由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter。用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓

2、，又可以改變頻率。第2頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二變頻器的英文含義VVVF： Variable Voltage and Variable Frequency的縮寫。Drive 通用Frequency Converter 歐州常用AC Drive 歐美常用inverter 日本常用第3頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二變頻器有關(guān)基本詞匯變流器 converters整流 rectifying-rectification整流器 rectifier逆變 inverting-inversion逆變器 inverter 轉(zhuǎn)矩脈動 torque pulsat

3、ion脈寬調(diào)制 (PWM) pulse width modulation 諧波 harmonic矢量控制 (VC) vector control 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC) direct torque control 四象限運行 Four quadrant operation再生(制動) Regeneration 直流制動 d.c braking漏電流 leak current 濾波器 filter電抗器 reactor 電位器 potentiometer編碼器 encoder, PG (pulse generator)定子 stator 轉(zhuǎn)子 rotor 第4頁，共25頁，2022年，5月20日

4、，5點47分，星期二變頻器和軟啟動器的根本區(qū)別變頻器：變頻變壓。主要作用調(diào)速節(jié)能軟起動軟啟動器：僅改變電壓。主要作用降低起動電流減緩機械沖擊減少線路壓降第5頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二電機的轉(zhuǎn)速變頻器所拖動的電機為感應(yīng)式交流電動機，也稱交流異步電動機。在工業(yè)中所使用的大部分電機為交流異步電動機。異步電動機的旋轉(zhuǎn)速度取決于其定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。所謂異步，是指其其實際轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速總是比較接近，但總有一定差別。其差別稱為轉(zhuǎn)差。電動機狀態(tài)運行時，實際轉(zhuǎn)速略低于同步轉(zhuǎn)速。發(fā)電機或制動狀態(tài)時，實際轉(zhuǎn)速略高于同步轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速n1 = 60f/p，實際轉(zhuǎn)速n=(1-

5、s)n1 =(1-s) 60f/pn: 同步速度f: 電源頻率 p: 電機極對數(shù) s: 轉(zhuǎn)差率，接近于零第6頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二電機的轉(zhuǎn)速近似地確決于電機的極數(shù)和頻率。由于該極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），對于工頻50Hz運行的電機，同步轉(zhuǎn)速分別為3000rpm, 1500rpm, 1000rpm。所以電機銘牌上標(biāo)定的額定轉(zhuǎn)速分別為2970，1475，975rpm等。由電機的結(jié)構(gòu)和工作原理決定電機的極數(shù)是固定不變的。一般不適合通過改變該值來調(diào)整電機的速度。頻率能夠在電機的前面調(diào)節(jié)后再供給電機這樣電機的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。

6、 因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。 第7頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時會使電機出于過電壓（過勵磁），導(dǎo)致電機可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時，電壓卻不可以繼續(xù)增加，最高只能是等于電機的額定電壓。例如：為了使電機的旋轉(zhuǎn)速度減半，把變頻器的輸出頻率從50Hz改變到25Hz，這時變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V第8頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩

7、和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動工頻直接起動會產(chǎn)生一個大的起動電流。電機在工頻電源供電時起動和加速沖擊很大。變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的，所以電機的啟動過程中，一直跟蹤同步，滑差很小電機起動電流和沖擊要小些。在低頻段，開環(huán)控制的變頻器，尤其是1Hz以下，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小（速度降低）而減小。 通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足。通過閉環(huán)甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。第9頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二額定頻率以上的輸出特性通常的電機是按50Hz電壓設(shè)計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。在額定頻率之下的調(diào)速稱

8、為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速. (T=Te, P60Hz時, X會相應(yīng)減小 對于電機來說, T=K*I*X, (K:常數(shù), I:電流, X:磁通), 因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小而減小.第11頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二額定頻率以下的轉(zhuǎn)矩特性小于50Hz時, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不變時, 磁通(X)為常數(shù). 轉(zhuǎn)矩T和電流成正比. 變頻器可以輸出的連續(xù)轉(zhuǎn)矩由額定電流決定。成為恒轉(zhuǎn)矩特性。通常用變頻器的過流能力來描述其過載(轉(zhuǎn)矩)能力第12頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二轉(zhuǎn)矩提升對于常規(guī)的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導(dǎo)

9、致由于勵磁不足。而使電機不能獲得足夠的轉(zhuǎn)矩。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做“轉(zhuǎn)矩提升”。 此功能增加變頻器的輸出電壓（主要是低頻時），以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩損失，從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩。第13頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二磁通矢量控制轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應(yīng)的提高。 因為電機電流包含電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵磁分量）。 矢量控制把電機的電流值進行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數(shù)值

10、。 矢量控制可以通過對電機端的電壓降的響應(yīng)，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。使用矢量控制，可以使電機在低速,如(無速度傳感器時)1Hz（對4極電機，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150）。 第14頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二制動當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速高于同步速，這時電能從電機側(cè)流到變頻器側(cè)（或供電電源側(cè)）,這時電機處于發(fā)電機運行狀態(tài)。 負載的能量分為動能和勢能. 動能(由速度和重量確定其大小)隨著物體的運動而累積。當(dāng)動能減為零時，該事物就處在停止?fàn)顟B(tài)。

11、機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉(zhuǎn)換為摩擦和勢能消耗掉。第15頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二能耗制動制動時，有一部分能量通過電機的定子和轉(zhuǎn)子以發(fā)熱的形式消耗掉。另一部分能量將返回到變頻器直流母線側(cè)，向電容充電，使直流側(cè)的電壓升高。這些能量可以通過變頻器本身的發(fā)熱消耗，如果不夠的化，還需要經(jīng)過制動單元由制動電阻放電發(fā)熱消耗。制動單元的作用是用來控制制動電阻的導(dǎo)通。制動電阻并不是永遠有效，只有當(dāng)直流母線電壓上升到某一定值，與其串聯(lián)的制動單元導(dǎo)通，電容才通過制動電阻放電。ATV58和ATV31的制動單元內(nèi)置于變頻器內(nèi)；ATV58和大功率PDL需要另外選購。第16頁，

12、共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二制動電阻制動電阻的瞬時放電功率，即制動功率=Vdc*2/Rb。制動電阻的阻值越小，放電電流越大，瞬時制動功率越大。該阻值不能小于規(guī)定值。制動電阻的額定功率指其平均耐受功率，其瞬間功率要大于額定功率。嚴(yán)格意義上講，制動電阻的阻值和額定功率，須通過計算獲得。實際上經(jīng)常通過估算得到。我們變頻器樣本上的制動電阻通常功率很小，做一般輔助用。若用在起重場合需要重新計算。第17頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二回饋制動制動產(chǎn)生的功率如果不通過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”，即回饋制動。

13、在實際中，這種應(yīng)用需要能量回饋單元選件。第18頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二直流制動減速時，變頻器對電機定子注入直流電，通過電機的發(fā)熱來消耗能量， 改善制動效果。直流制動也可以用于使電機在零速時停的穩(wěn)一點，防止受外力作用而使電機轉(zhuǎn)動。直流制動可通過頻率判斷自動諸如或通過邏輯端子強迫輸入。要注意制動時間和電壓不要設(shè)的太大，防止電機過熱。第19頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二單相輸入的變頻器注意當(dāng)使用單相（200V）電源給三相200V的變頻器供電時，要考慮下面的幾點: 1. 一般小容量變頻器 (2.2kW)才可以這樣做. 2. 這時輸出電壓是3相2

14、20V, 因此電機要使用3相220V的. 3. 額定輸出電流和最大輸出電流可能會減小,具體程度不同的變頻器可能會不同. 第20頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二變頻器的散熱問題變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)的上升，使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)的下降。環(huán)境溫度升高10度，變頻器平均使用壽命減半。在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響。 通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發(fā)熱量大概是多少. 可以用以下公式估算: 發(fā)熱量的近似值 變頻器容量（KW）55 W 在這里, 如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負載為準(zhǔn)的

15、 (過流能力150% * 60s)如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面, 這時發(fā)熱量會更大一些。 電抗器安裝在變頻器側(cè)面或測上方比較好。這時可以用估算: 變頻器容量（KW）60 W 如果有制動電阻的話，因為制動電阻的散熱量很大， 因此最好安裝位置最好和變頻器隔離開， 如裝在柜子上面或旁邊等。第21頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二怎樣降低控制柜內(nèi)的發(fā)熱量當(dāng)變頻器安裝在控制機柜中時，要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。根據(jù)機柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當(dāng)?shù)卦黾訖C柜的尺寸。因此，要使控制機柜的尺寸盡量減小，就必須要使機柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時，

16、把變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面，將會使變頻器有70的發(fā)熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量，所以對大容量變頻器更加有效，如PDL和ATV71。還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。這樣效果也很好。第22頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二關(guān)于冷卻風(fēng)扇一般功率稍微大一點的變頻器， 都帶有冷卻風(fēng)扇。建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進入控制柜。 注意控制柜和變頻器上的風(fēng)扇都是要的，不能誰替代誰。有些盤廠習(xí)慣了配電盤不用安裝冷卻風(fēng)扇，要更新觀念。第23頁，共25頁，2022年，5月20日，5點47分，星期二海拔高度對變頻器選型的影響在海拔高于1000m的地方，因為空氣密度降低，因此應(yīng)加大柜子的冷卻風(fēng)量以改善冷卻效果