变频器工作原理及应用

一、变频器的定义CVCF是ConstantVoltageandConstantFrequency的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频。我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95%左右。无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为220V，三相交流电线电压为380V，频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电二、变频器的结构与分类简介变频器的基本结构变频器是把工频电源（50HZ或则60HZ）变换成各种频率的交通电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应电路。变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式份类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关式分类，可以分为PAM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/F控制变频器、转差变频控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、专用变频器、高频变频器单相变频器等。三、变频器的组成单元变频器的组成变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。如下图：电路分析与元器件作用（1）、交-直部分整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。电容C1：是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波，变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。压敏电阻：有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要.热敏电阻：过热保护霍尔:安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。充电电阻：作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300Ω。储能电容：又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在430VDC～700VDC之间，而一般的高压电容都在400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择≥60uf/A均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。C2电容;吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。（2）、直-交部分VT1-VT6逆变管（IGBT绝缘栅双极型功率管）：构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。VT1-VT6是续流二极：作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT6在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。（3）、控制部分:电源板、驱动板、控制板（CPU板）电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源，开关电源提供的低压电源有：±5V、±15V、±24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。控制板（CPU板）：也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分四、变频器调速原理（1)r/min电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm。例如：4极电机60Hz1,800[r/min]，4极电机50Hz1,500[r/min]，电机的旋转速度同频率成比例。本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。电机的极数是固定不变的。由于极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适合改变极对数来调节电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。n=60f/p，n:同步速度，f:电源频率，p:电机极数，改变频率和电压是最优的电机控制方法。如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。?例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。五、变频器转矩变频器输出转矩（1).当电机开始运转时，变频器的输出电流电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。(2).转矩与输出频率的关系当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低-通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速.(T=Te,P=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速.(P=Ue*Ie)变频器50Hz以上的应用情况大家知道,对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。如变频器和电机额定值都是:15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。当转速为50Hz时,变频器的输出电压为380V,电流为30A.这时如果增大输出频率到60Hz,变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A.很显然输出功率不变.所以我们称之为恒功率调速.因为P=wT(w:角速度,T:转矩).由于P不变,w增加了,所以转矩会相应减小。我们还可以再换一个角度来看:电机的定子电压U=E+I*R(I为电流,R为电子电阻,E为感应电势)可以看出,U,I不变时,E也不变.而E=k*f*X,(k:常数,f:频率,X:磁通),所以当f由50--60Hz时,X会相应减小对于电机来说,T=K*I*X,(K:常数,I:电流,X:磁通),因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.同时,小于50Hz时,由于I*R很小,所以U/f=E/f不变时,磁通(X)为常数.转矩T和电流成正比.这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力.并称为恒转矩调速(额定电流不变--最大转矩不变)结论:当变频器输出频率从50Hz以上增加时,电机的输出转矩会减小.(3).其他和输出转矩有关的因素发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。载波频率:一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率,最高环境温度下能保证持续输出的数值.降低载波频率,电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.海拔高度:海拔高度增加,对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑.以上每1000米降容5%就可以了转矩提升此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。$改善电机低速输出转矩不足的技术使用矢量控制，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150%）。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做转矩提升（*1）。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。六、变频器散热的问题散热的重要性：变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。因此，我们要重视散热问题啊！变频器的发热主要来自于IGBT，IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容，就是这个道理。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的,变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响变频器安装在控制机柜中散热的方法通常，变频器安装在控制柜中。我们