變頻器講座教材

歡迎各位參加變頻器技術

培訓班

江南大學信控學院

E-mail:jdynzzf@163.com李自先原則:輕理論、重基本概念、旨在解決實際問題內容:變頻器的基本原理、應用技術、維護修理要求:多提問題:聽課時的問題、工作中遇到的問題一.異步電動機變頻調速的基本原理定子轉子鼠籠式1.結構繞線式:三相轉子繞組可串電阻定子繞組、鐵芯、機座2.旋轉磁場:

當三相對稱的電流流入三相定子繞組后，電動機內便會產生旋轉磁場.

方向:相序決定大小:電流決定轉速:

f1=50P1234

工頻n0=300015001000750(亦稱同步轉速)3.異步電動機的旋轉通入三相電源→產生旋轉磁場→轉子導條切割磁場→產生感應電動勢(電流)帶電導體在磁場中→產生電磁力→對軸心產生二個方向相反、大小相等的電磁轉矩→轉子旋轉4.轉速轉子與旋轉磁場有相對運動是電動機旋轉的原因5.調速方法（1）.改變極對數P調速電機（2）.改變轉差率S

滑差電機（3）.改變頻率f1

變頻調速(稱異步電動機)輸出三相50Hz三相0-50(200)Hzn-380V等效正弦波實際PWM波輸入正弦波380V6.異步電動機變頻調速(實際應用)二變頻器的基本結構所有變頻器其基本結構相同，但具體電路各有差異。

A.主電路(主回路)

①整流電路：將三相交流電變成脈動直流電。②濾波電路：使脈動直流電成為較平滑的直流電電容器電壓型變頻器電感器電流型變頻器③限流電路：限止剛接通電源時的充電電流，以保護整流二極管。④制動電路：吸收泵生電壓和增大電機制動轉矩。⑤逆變電路：在驅動電路的控制，將直流電變成交流電。

B.控制電路

①保護電路：由取樣、放大、處理三部分電路組成。②驅動電路：把CPU送出的PWM信號進行電壓和功率放大，控制逆變電路中六個開關器件。③I/O電路：處理變頻器對外輸入和輸出相關信號的電路。④操作面板:

一是用于顯示，另外作為操作鍵盤。⑤CPU:

變頻器的核心電路，按照相關信號控制變頻器的工作。⑥開關電源:

向控制電路提供所需的直流工作電壓。變頻器實物操作面板內部整體結構主控部分(CPU通訊)電路主體結構驅動電路部分檢測電路部分主電路三.變頻器的控制方式變頻器的輸出電壓必須與輸出頻率按比例變化。忽略定子繞組漏阻抗,每相定子繞組上的電動勢則

U1≈E1=4.44K1w1f1φm=Kf1φm

設U1=C不變則φm∝1/f1

f1↑→φm↓→

Tm↓

電動機功率變小定子電流增大渦流嚴重所以必須使φm=C要求U1/f1=C

f1↓→φm↑→磁飽和發(fā)熱1.U1/f1=C控制方式因為U1=Z1I1+E1

f1較高時U1較大Z1I1影響較小

f1較低時U1較低Z1I1影響較大

對于風機水泵型負載能滿使用中發(fā)現節(jié)能效果顯著,同時控制也方便，廣泛應用于電力拖動(恒轉矩或恒功率負載)。

（1）.采用低頻補償,將Z1I1補上（2）.E1/f1=C控制方式2.矢量控制方式目的:達到直流調速的性能方法:仿直流調速勵磁電流——控制磁場電樞電流——控制轉矩①交流電動機轉換成直流電動機勵磁電流分量轉矩電流分量直流調速②交流電流分解（一）交流電動機轉換成直流電動機

（2）構思框圖

3.直接轉矩控制方式對于拖動系統而言TM＞TL

n↑TM＜TL

n↓TM=TL

n不變TM—電機轉矩TL—負載轉矩

n—電機轉速電機的電磁轉矩TM決定于電機的定子磁鏈和轉子磁鏈。通過檢測到的定子電壓和電流直接在定子坐標下可計算出電動機的電磁轉矩。轉速和轉矩的測量值與給定值進行比較，通過磁通調節(jié)器和轉速調節(jié)器控制逆變器的開關狀態(tài)，獲取相應的空間電壓矢量，由空間電壓矢量直接控制電機的轉速和電磁轉矩，達到調速的目的。四.變頻器的應用1.變頻器的選擇

U/f

控制方式一般性能的調速矢量直接轉矩高性能的調速風機水泵型伺服型高壓型專用設備型通用變頻器

專用變頻器

2.變頻器容量的選擇①一拖一：一般與電動機的功率相同以下情況需要高一檔次:六極八極電機，加減速時間較短，啟動轉矩要大。

同時啟動同時停止

不同時啟動不同時停止②一拖幾3.變頻器功能參數的設置①無特殊要求默認“出廠設置”，按要求重新設置。②主要功能參數名詞解釋

(1)基本頻率—電動機電源的額定頻率。

(2)最高頻率—指給定信號為最大值時變頻器的輸出頻率。

(3)上、下限頻率—變頻器的輸出頻率被限制在這兩個頻率之間。既當X≤XL

fx=fL,，X≥XH

fx=fH操作面板控制，效果相同

(4)回避頻率—能使調速系統產生共振或震動較大的輸出頻率。(5)點動頻率—調試點動時的輸出頻率，一般較低。

(6)上升時間—指變頻器啟動到輸出最高頻率所需的時間。

(7)下降時間—變頻器從最高頻率下降到零頻率需的時間。(8)上升，下降方式線性方式

S型方式(反)

半S型方式(反)正常(停止)—停止時輸出頻率逐漸下降自由滑行—停止時變頻器停止輸出

(9)停止方式離線：輸入相關電機參數在線：可以隨溫度變化而自動修正參數，使運行保持穩(wěn)定(10)自整定4.變頻器輸出頻率的幾種控制方法①操作面板控制②電壓控制：

0-5V(0-10V、0-15V)③電流控制：4-20mA(0-20mA)④通訊控制：通過通訊接口⑤智能端多速段控制⑥脈沖控制5.變頻器調速的問與答①如何選擇變頻器的載波頻率?

答：所謂載波頻率是指變頻器輸出的PWM信號的頻率。一般0.5-12KHz之間可通過功能參數設定。載波頻率較高時，噪音可以減小，電機發(fā)熱和對外干擾會增強。②使用變頻器調速后，是否還需要減速機？

答：一般不需要，但長期工作頻率在低頻時，加減速機后效果更好。③變頻器的輸出電流為什么會大于輸入電？

答：測量誤差。輸出頻率低于基本頻率時，

ViIi=VoIoVi=C

因為Vo下降所以Io上升。

④變頻器驅動電機，電機為何易發(fā)熱？

答：高頻和高次諧波使電機定子繞組發(fā)熱、渦流現象比較嚴重，冷卻風機與定子同軸，低速時，風量減小，二者導致電機發(fā)熱。可以降低載波頻率，外加冷卻風機和輸出電抗器等方法減小發(fā)熱程度。⑤變頻調速系統中，漏電斷路器為什么易跳閘？

答：高頻和高次諧波干擾所致。可以適當調高

設定值或更換具有防干擾功能的斷路器。⑥變頻器驅動防爆電機時應注意什么？

答：應選用防爆變頻器，通用變頻器無防爆功能，必須置于安全的環(huán)境，電纜較長時應考慮線經是否滿足要求。⑦為什么變頻器運行（減速）時或停止時主電路PN之間電壓較靜態(tài)時高？

答：泵生電壓迭加所致。

⑧變頻器選擇矢量控制方式，不帶電機為何不能啟動？

答：變頻器獲取不到電機的相關信息無法運算作出判斷，無法發(fā)出輸出信息。

⑨變頻器輸入端與輸出端相互接錯有什么后果？

答：肯定燒毀功率模塊。⑩變頻器停機時直接斷開電源會有什么后果？

答：可能會燒毀功率模塊。答：變頻器濾波電容長期未充放電容易老化，

變頻器不使用時應定期通電，否則使用時應逐

步增高通電電壓。11變頻器長期保管后再次使用需要注意什么？五.變頻器的實際應用

開環(huán)控制系統閉環(huán)控制系統—恒量控制1.恒壓供水系統所謂恒壓供水系統是指不管用水量如何變化水管的供水壓力始終保持設定值。變頻調速系統

XE=XD-XF

通過PID調節(jié)

XE>0XG上升f上升

XE<0XG下降f下降

XE=0XG=Cf

不變恒壓控制的過程當用水量Q0上升→XF下降→XE=X0-XF>0，經PID調節(jié)，XG上升→f上升→供水量Qi上升→XF上升，直至XE=XD-XF=0，水壓回升到設定值恒壓供水，此時，XG、f

、Qi

保持不變。

當用水量Q0下降→XF上升→XE=XD-XF<0，經PID調節(jié)，XG下降→f下降→供水量Qi下降→XF下降，直至XE=X0-XF=0，水壓回升到設定值恒壓供水，此時，XG，f

，Qi

保持不變。

可見，供水系統在任何情況下，經過恒壓供水系統，其水壓始終恒定在設定狀態(tài)。

恒壓供水系統常見組合①一泵一變頻器②多泵多變頻器③多泵一變頻器⑴一泵由變頻器調速，其他泵軟啟動工頻供電。⑵多泵均由變頻器軟啟動調速或切換到工頻供電。⑶多泵循環(huán)均勻工作。2恒張力控制系統（收卷機恒張力控制）

張力由重力F決定，由反饋信號XF反映當調節(jié)輥與支點平衡時，XD=XF

調節(jié)輥下垂時XF下降調節(jié)輥上升時XF上升恒張力調節(jié)的物理過程同上述的恒壓供水情況。3變頻器同步控制系統①同步同速控制⑴同一控制信號控制—一般性能⑵同步控制器控制—高性能同步②同步比例控制⑴同步控制器—分別調速度比⑵可編程控制器—編程實現速度比⑶反饋板控制器—設定電子齒輪比實現速度比。六變頻器的維護1.變頻器需要維護不良環(huán)境和元器件老化都會使變頻器發(fā)生故障，維護能有效地減小故障，延長使用壽命。2.變頻器日常檢查的內容（運行時經常檢查）①檢查變頻器的操作面板顯示是否缺損，閃爍或變淺等現象。②檢測變頻器的輸入輸出電壓，直流高壓是否正常。③檢查變頻器的輸入輸出電纜，接線端子是否正常。④冷卻風機的風量是否正常。⑤散熱板是否溫度過熱。⑥有無異味，震動是否正常。3.定期檢修利用停產間隙時間進行，每年1—2次①清洗②主電路檢測濾波電容、限流電阻、繼電器觸點、絕緣電阻③保護電路取樣元件檢查④冷卻風機的檢查⑤控制電路，開關電源元件、印刷電路、小電解電容⑥加固緊固部件檢修后一定要進行試運行。七.變頻器的功率模塊整流模塊逆變模塊功率模塊二單元六單元1.整流模塊主要參數:①耐壓1600V(1200V)②電流2.逆變模塊:GTO、GTR、MOSFET、IGBTIGBT絕緣柵雙極型晶體管。①結構及符號②特點：

(1)輸入MOSFET、輸出雙極型晶體管輸入高阻抗輸出低阻抗要求驅動功率小輸出功率大二者優(yōu)勢互補：

(2)內存寄生電路，導通后產生正反饋效應柵極失去控制信號后、仍保持導通狀態(tài)—無自關斷能力（近似普通可控硅）③.對驅動電路的要求（1）脈沖陡峭、具有一定的功率過高損壞IGBT

過低內部壓降大負電壓-10V—-5V----盡快吸收存儲電荷（3）驅動輸入加隔離措施、防止高壓串入控制電路（4）六組驅動電路需四組獨立電源（2）驅動正電壓15-20V④.驅動電路實例（1）分立電路隔離放大電路限幅電路放大電路穩(wěn)壓電路（2）組合電路

（3）集成電路

3.智能模塊（組合集成模塊）（1）逆變電路+驅動電路

+保護取樣電路（2）整流電流+限流電路可控硅+制動電路+熱敏元件（3）①+②4.變頻器專用電動機專為滿足變頻器調速需要而設計，其特點：（1）磁飽和程度較低，鐵芯齒槽深（2）繞組漏阻抗低，導線線經不產生趨膚現象為原則（3）提高了電機熱容量和絕緣等級（4）另外設置了冷卻風機專用電動機所具有的優(yōu)點：（1）具有很好的轉矩特性（2）解決了低速散熱和高速動態(tài)平衡及軸承承受能力（3）允許在基頻的基礎上作較大范圍的變化5.功率模塊的簡易檢測方法（1）整流模塊

Ⅰ.正反向電阻檢測方法

D1—D3的檢測紅筆（-）接P黑筆接R.S.T電阻阻值應在幾十Ω黑筆（+）接P紅筆接R.S.T電阻阻值應在幾百KΩ實測值偏離參數較大，即損壞。Ⅱ.電阻相近法

R.S.T三個端點，測任意二個端點結構相同，所測出的電阻值應基本相同，否則管子損壞。（2）逆變模塊

Ⅰ.可用上述方法進行初測

Ⅱ.精確測量方法

指針式萬用表選×10K檔

黑筆（＋）接C

紅筆（－

）接E

B手指連接G與C—電阻值應大幅減小

C手指連接G與E—電阻值恢復幾百KΩ

為此種情況，IGBT正常，否則已損壞。A電阻值應幾百KΩ

Ⅱ.精確測量方法指針式萬用表選×10K檔

B手指連接G與C—電阻值應大幅減小

C手指連接G與E—電阻值恢復幾百KΩ為此種情況，IGBT正常，否則已損壞。A

電阻值應幾百KΩ

黑筆（＋）接C

紅筆（－）接E6.開關電源電路輸出直流電壓

Ton—開關管導通時間

Toff—開關管截止時間

調節(jié)Ton

/Toff便可調節(jié)輸出電壓開關電源的限壓功能八.變頻器的修理1.修理的基本條件①修理人員必須掌握了解變頻器基本工作原理，熟悉基本結構，掌握常見電路的原理作用；思路敏捷，動手能力強，堅韌的個性。②基本工具：指針式萬用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器、信號發(fā)生器、頻率計、自制工具，電機等。2.修理的通常方法①逐步縮小法：通過分析、檢測將故障范圍逐步縮小，直至故障點。②順藤摸瓜法：按電路電信號傳輸的途徑進行檢測，判斷故障所在。3.修理的步驟好轉下一步壞轉第③步②通電檢測，初查故障問題③拆卸清洗（年久更換所有小電解電容）④故障診斷⑤故障處理，更換器件原則：盡量相同靈活取代正常轉下一步存在問題回第④步⑦填寫修理記錄①靜態(tài)檢測功率模塊⑥試運行4.變頻器常見故障分析與處理①整流模塊的損壞損壞的四大原因：過流、過壓、高溫、老化過流（1）限流電路繼電器觸點燒結在一起（可控硅損壞短路）（2）濾波電容損壞短路或嚴重漏電現象（3）制動電路開關管損壞短路；控制電路異常，開關管長期導通（4）逆變電路損壞，一個橫臂短路（5）負載過載：

Ⅰ.負載轉矩增大

Ⅱ.電動機損壞過流過壓（1）制動電路損壞不工作開關管損壞開路控制電路不發(fā)驅動信號（2）減速時間過短，又未裝設制動電路（3）電源串入高壓高溫（1）冷卻風機未工作或是風量不足（2）散熱板進風受阻（3）現場環(huán)境溫度偏高②.逆變模塊的損壞過流（1）驅動電路損壞，輸出保持高電平（2）負載過載（同整流電路）高溫、過壓等原因同整流電路③.假故障顯示由保護電路故障所致，絕大多數是取樣器件或取樣電路變值或損壞（1）電壓取樣電壓分壓法電阻電流法電壓互感器（交流）

V2

決定光耦發(fā)光二極管電流

R1變大欠壓R1變小過壓

R2變大過壓R1變小欠壓光耦損壞,過壓或是欠壓

R變值