變頻器原理和維護

變頻器原理和維護第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日本講座主要有以下四個方面的內容:一、電機調速方法和原理分析二、變頻器的工作原理和結構組成三、變頻器的分類及選型四、變頻器的日常維護和常見故障第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日目前電機常用三種調速方法：1、滑差調速：實際上是離合調速，由異步電機和電磁轉差離合器（磁力偶合器），也就是電磁力強一點，偶合就緊一點。2、變極調速：即改變電機的磁極對數（2、4、6、8、10等非連續(xù)）。3、變頻調速：改變電壓和頻率。（恒功率和恒轉矩）第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日電機調速原理：

根據電機原理,三相異步電動機調速的基本原理基于如下轉速公式：

n=60f/p

n:同步速度f:定子電源頻率p:電機磁極對數.

電機的轉速旋轉速度近似地確決于電機的極數和頻率。

第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日電機調速原理：一般異步電機轉速n與同步轉速n1存在一個滑差關系

式(2)中:n—異步電機轉速(r/min);

S—異步電機轉差率。

由(2)式可知，調速的方法可改變f1、P、S其中任意一種達到，對異步電機最好的方法是改變頻率f1，實現(xiàn)調速控制。

第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日提示:

如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時會使電機出現(xiàn)過電壓（過勵磁），導致電機可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓，改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日電機調速狀態(tài)下兩種工作模式分析:1、恒轉矩調速模式：在頻率低于供電的額定電源頻率時屬于恒轉矩調速。2、恒功率調速模式：在頻率高于定子供電的額定電源頻率時屬于恒功率調速由電機理論，三相異步電機每相電勢的有效值與下式有關。

式(3)中:E1—定子每相電勢有效值(V);

f1—定子供電電源頻率(Hz);

N1—定子繞組有效匝數;

Фm—定子磁通(Wb)。

第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日恒轉矩調速：要維持電機輸出轉矩不變，必須維持每極氣隙磁通Фm不變，從(3)式可知，也就是要使E1/f1=常數。如忽略定子漏阻抗壓降，可以認為供給電機的電壓U1與頻率f1按相同比例變化，即U1/f1=常數。即V/F特性：

第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日恒功率調速：在頻率高于定子供電的額定電源頻率（50Hz）時屬于恒功率調速。

此時變頻器的輸出頻率f1提高，但變頻器的電源電壓由電網電壓決定，不能繼續(xù)提高。根據公式(3)，E1不能變，f1提高必然使Фm下降，由于Фm與電流或轉矩成正比，因此也就使轉矩下降，轉矩雖然下降了，但因轉速升高了，所以它們兩的乘積并未變，轉矩與轉速的乘積表征著功率。因此這時候電機處在恒功率輸出的狀態(tài)下運行。

第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日由以上分析可知通用變頻器對異步電機調速時，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調速(VVVF)。而在額定頻率以上，電壓并不變，只改變頻率。實際上多數變頻調速場合是用于額定頻率以下，低頻時采用的補償都是為了解決低頻轉矩的下降，其采用的方式多種多樣。有矢量控制技術，直接轉矩控制技術以及擬超導技術等等。第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器原理和結構什么是變頻器：變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(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整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

變頻器主要是由主電路、控制電路組成。第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的結構變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。原理圖如下:第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日各部分的功能分別是:

1—整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?

2—濾波部分，把脈動較大的交流電進行濾波變成比較平滑的直流電;

3—逆變部分，把直流電又轉換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關元件按照控制電路的驅動、輸出脈沖寬度被調制的PWM波，或者正弦脈寬調制SPWM波，當這種波形的電壓加到負載上時，由于負載電感作用，使電流連續(xù)化，變成接近正弦形波的電流波形;

4—控制電路是用來產生輸出逆變橋所需要的各驅動信號，這些信號是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、外部通斷控制以及變頻器內部各種各樣的保護和反饋信號的綜合控制等。第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的分類變頻器的分類方法有多種：1、按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；2、按照開關方式分類，可以分為PAM（脈沖幅度調制）控制變頻器、PWM（脈沖寬度調制）控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；3、按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；通用型變頻器大多為V/f控制變頻器4、按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的分類電壓型變頻器：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波采用電容濾波。電流型變頻器：電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感濾波。第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的選型選擇變頻器：主要考慮以下兩個方面的問題

一、根據負載類型特性選取適當控制方式的變頻器：異步電動機變頻控制選用不同的控制方法，就可以得到不同性能特點的調速特性。做到電壓匹配、電流匹配和轉矩匹配.

二、根據安裝環(huán)境選取變頻器的防護結構：變頻器的防護結構要與其安裝環(huán)境相適應，這就要考慮環(huán)境溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素，這與變頻器能否長期、安全、可靠運行關系重大。

第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日常用的設備負載按其特性分如下三類：恒轉矩負載恒功率負載水泵風機類等流體負載第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日恒轉矩負載特性：在這類負載中，負載轉矩TL與轉速n無關，任何轉速下TL總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進給機構等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載，都屬于恒轉矩負載。

變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速時的輸出轉矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時穩(wěn)速運行，應該考慮標準籠型異步電動機的散熱能力，避免電動機溫升過高。

第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日恒功率負載特性：這類負載的特點是需求轉矩TL與轉速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產線中的卷取機、開卷機等，都屬于恒功率負載。負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉變?yōu)楹戕D矩性質。負載的恒功率區(qū)和恒轉矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時，最大允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大允許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍相一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日流體類負載特性：這類負載的轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。各種風機、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負載。流體類負載通過變頻器調速來調節(jié)風量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類負載在高速時的需求功率增長過快，與負載轉速的三次方成正比，所以不應使這類負載超工頻運行。第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器外圍設備（標準配置）

FIL1—進線側無線電干擾抑制電抗器，用于減少變頻器對外界的無線電干擾；

1ACL—電源側交流電抗器，用于改善輸入電流波形、提高整流器和電解濾波電容壽命、減少不良輸入電流波形對外界電網的干擾、協(xié)調同一電源網上有晶閘管等變換器造成的波形影響、減少功率切換和三相不平衡的影響，因此也叫電源協(xié)調電抗器，在要求高的場合該電抗器便進一步改為較復雜的電力質量濾波單元；

DCL—直流電抗器，用于改善電容濾波(當前電壓型變頻調速器主要濾波方式是電容濾波)造成的輸入電流波形畸變和改善功率因數、減少和防止因沖擊電流造成整流橋損壞和電容過熱

BD—制動單元，當變頻器降低頻率使電機急劇減速、或重力負載使電機處于發(fā)電運行時，電機制動的反饋能量使變頻器直流母線電壓升高到一定程度就會開啟該制動單元，使能量消耗在制動電阻上；

DBR—制動電阻，消耗制動時電機能量的電阻；

2ACL—輸出側交流電抗器，變頻器存在豐富的諧波，這些諧波有害于電機和負載的壽命(典型的是電機繞阻匝間瞬變電壓dv/dt過高，造成匝間擊穿)，以及對周圍電器干擾。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的抗干擾1、

外界對變頻器的干擾

主要來源于電源進線。當電源系統(tǒng)投入其它設備（如電容器）或由于其它設備的運行（如晶閘管等換相設備）時，容易造成電源的畸變，而損壞變頻器的開關管。在變頻器的輸入電路中串入交流電抗器可有效抑制來源于進線的干擾。

變頻器的電壓、電流波形圖第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的抗干擾2、

變頻器對外界的干擾（三種方式）

電路耦合方式即通過電源網絡傳播。這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式

感應耦合方式 （１）電磁感應方式這是電流干擾信號的主要傳播方式（２）靜電感應方式這是電壓干擾信號的主要傳播方式

空中幅射方式：即以電磁波的方式向空中幅射第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的抗干擾措施A變頻器側

1.感應方式傳播的干擾信號，通過正確的布線和采用屏蔽線來消弱

2.線路傳播的干擾信號，可以在線路中串入小電感來消弱

3.輻射傳播的干擾信號，通過吸收方法來消弱（無線電抗干擾濾波器）

4.在變頻器輸出側和電機間串入濾波電抗器，可以不僅起到抗干擾作用，還可以消弱由于高次諧波引起的附加轉矩，改善電動機的運行特性。

5.在變頻器的輸出側，絕對不允許用電容器來吸收諧波電流。B儀器儀表側

電源隔離法儀器電源側接入隔離變壓器

信號隔離法信號側用光電耦合器隔離第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的常見故障和日常維護變頻器的常見故障有:1、過載故障2、過壓故障3、過流故障4、欠壓故障5、過熱故障，主要引起原因變頻器內部散熱不好。我們可以檢查散熱風扇及通風通道。第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日過壓故障及措施：造成過電壓的原因主要有兩種：電源過電壓和再生過電壓。

1、電源過電壓是指因電源電壓過高而使直流母線電壓超過額定值。而現(xiàn)在大部分變頻器的輸入電壓最高可達460V，因此，電源引起的過電壓極為少見。

2、再生過電壓的防止措施：

（1）自由停車由于過電壓產生的原因不同，因而采取的對策也不相同。對于在停車過程中產生的過電壓現(xiàn)象，如果對停車時間或位置無特殊要求，那么可以采用延長變頻器減速時間或自由停車的方法來解決。所謂自由停車即變頻器將主開關器件斷開，讓電機自由滑行停止

（2）再生制動：對由于再生制動所謂變頻器的過電壓，集中表現(xiàn)在變頻器直流母線的直流電壓上。目前都采取制動電阻消能方法。當變頻器的三相電源波動較大，頻繁出現(xiàn)欠壓、過壓故障時，可適當調整“欠壓動作點設置”“過壓動作點設置”這兩個參數。

第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日

過載故障：過載故障包括變頻過載和電機過載。其可能是加速時間太短，電網電壓太低、負載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時間、延長制動時間、檢查電網電壓等。負載過重，所選的電機和變頻器不能拖動該負載，也可能是由于機械潤滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機和變頻器；如后者則要對生產機械進行檢修。第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日過流故障：最為常見，過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由于變頻器的加減速時間太短、負載發(fā)生突變、負荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時一般可通過延長加減速時間、減少負荷的突變、外加能耗制動元件、進行負荷分配設計、對線路進行檢查。如果斷開負載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路已環(huán)，需要更換變頻器。欠壓故障：說明變頻器電源輸入部分有問題，需檢查后才可以運行。過熱故障：主要引起原因變頻器內部散熱不好。可以檢查散熱風扇及通風通道。第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日變頻器的日常維護變頻器日常維護主要作好三個方面：1、日常檢查2、定期保養(yǎng)3、備件定期更換第二十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日一、日常檢查事項：變頻器上電之前應先檢查周圍環(huán)境的溫度及濕度，溫度過高會導致變頻器過熱報警，嚴重的會直接導致變頻器功率器件損壞、電路短路；空氣過于潮濕會導致變頻器內部直接短路。在變頻器運行時要注意其冷卻系統(tǒng)是否正常，如：風道排風是否流暢，風機是否有異常聲音。一般防護等級比較高的變頻器如：IP20以上的變頻器可直接敞開安裝，IP20以下的變頻器一般應是柜式安裝，所以變頻柜散熱效果如何將直接影響變頻器的正常運行，變頻器的排風系統(tǒng)如風扇旋轉是否流暢，進風口是否有灰塵及堵塞物都是我們日常檢查不可忽略的地方。電動機電抗器、變壓器等是否過熱，有異味；變頻器及馬達是否有異常響聲；變頻器面板電流顯示是否偏大或電流變化幅度太大，輸出UVW三相電壓與電流是否平衡等等。第三十頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、定期保養(yǎng)：清掃空氣過濾器冷卻風道及內部灰塵。檢查螺絲釘、螺栓以及即插件等是否松動，輸入輸出電抗器的對地及相間電阻是否有短路現(xiàn)象，正常應大于幾十兆歐。導體及絕緣體是否有腐蝕現(xiàn)象，如有要及時用酒精擦試干