变频器基本知识

变频器基础知识

一、三相异步电动机变频调速原理

由电机拖动原理知，三相异步电动机的转速表达式为：

n=60f1（1-s）/ p （1-1）式中n——异步电动机的转速；

f1——异步电动机定子绕组上交流电源的频率；

s——异步电动机转差率；

p——异步电动机极对数。

由式（1-1）知，当转差率s变化不大时，转速n基本与电源频率f1成正比。连续调节f1，就可以调节转速n，这就是变频调速的基本原理。

由电机学原理知，三相异步电动机定子绕组的反电动势E的表达式为：

E1=4.44f1N1K w1Φm（1-2）式中E1——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；

N1——每相定子绕组的匝数；

K w1——与绕组结构有关的常数；

Φm——电机每极气隙磁通。

根据三相异步电动机的等效电路，由于4.44N1K w1均为常数，不计定子漏阻抗时有:

U1≈E1 ∝f1Φm（1-3）式中U1——电机定子电压。

由（1-3）可知，保持U1不变，当f1由基频f N向下调节时，将会引起主磁通Φm的增加。由于额定工作时电机的磁通已经接近饱和，Φm的继续增大，将会使电动机磁路过分饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，因此，为了使电机保持较好的运行性能，在向下调节f1的时候，Φm必须保持不变，即保持U1/ f1不变。通过以上分析可知：在基频以下调频时，调频的同时也要调压。将这种变频调速方式称为恒磁通（恒转矩）变频调速，也即变压变频（VVVF）调速控制。

由于电机受额定电压U N的限制不能持续升高，f1从基频f N向上调节时，主磁通Φm将减少，铁芯利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩T下降，电机负载能力下降。这种控制方式下，转速越高，

转矩越低，但输出功率基本不变。所以，基频以上调速属于弱磁恒功率调速。

二、变频器基本知识

1.变频器基本结构

1.1变频器基本原理（主电路）

变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器，其基本原理（主电路）图构成如下：

图2.1 变频器基本原理（主电路）图

变流器大量使用的是二极管/晶闸管桥整流器，它把工频电源变换为直流电源。

平波回路抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时，可以省去电感。

逆变器逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。

制动回路电动机在转差率为负时，再生能量可用制动回路(开关和电阻)消耗。

1.2控制电路

控制电路是给系统电路提供控制信号的回路，具有设定和显示运行参数、信号检测、系统保护、计算与控制、驱动逆变管等作用。

（1）主控电路：变频器控制的核心是由单片机构成的中央处理单元组成，包括控制程序、控制方式等。外部的控制信号、内部的检测信号、用户的参数设定等送到CPU，经CPU处理后，对变频器进行相关控制。

（2）驱动电路：主要包括PWM信号分配电路、输出信号电路等。主要作用是产生符合系统控制要求的驱动信号。

（3）保护及报警单元：变频器通常都有故障自诊断功能和自保护功能。当变频器出现故障或输入、输出信号异常时，能使变频器停止工作或抑制电压、电流值。

（4）参数设定和监视单元：该单元主要由操作面板组成，用于对变频器的参数设定和监视变频器当前工作状态，并显示故障代码。

（5）检测电路：包括电压、电流、以及温度的信息采样，将采样信息送至主控电路。

2. 变频器的控制方式

（1）U/f控制。逆变器采用IGBT元件组成,用PWM方式进行控制。逆变器的脉冲发生器同时受控于频率指令和电压指令，而U与f 之间的关系是由曲线发生器（模式形成）决定的。这样以PWM控制之后，变频器的输出频率、输出电压之间的关系就是曲线发生器所确定的关系。

转速的改变是靠改变频率的设定值来实现的，电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大小来决定。负载变化时，在不变条件下，电机转速将随负载转矩变化而变化，故它常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。

转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可能是通用的标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

（2）转差频率控制。由于U/f控制没有转矩控制功能，为了提高静态稳定性、加大调速范围、改善启动性能，并避免不必要的过电流跳闸，就提出了转差频率控制方式。

根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。但是该控制方式结果复杂，通用性较差。

（3）矢量控制。U/f控制思想建立在异步电动机的静态数学模型上，动态性能指标不高。对于对动态性能要求较高的场合，可以采用矢量控制。

采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机控制方式，对电动机磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。

在矢量控制方式中，磁场电流和转矩电流可以根据可测定的电动

机定子电压、电流的实际值经计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行必要的校正。矢量控制的主要优点如下：

1)良好的速度追踪性能；

2)速度控制可低至零速；

3)负载变化对调速精度影响小。

(4)直接转矩控制方式。它是利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得转矩的高动态性能。它是一种控制结构简单、控制手段直接，具有高静态、动态性能的交流调速方法。

三、变频器常见故障的原因及处理方法

当变频器出现故障时，一般将检修的重点放在主电路和微处理器后的接口电路，而微处理系统由于与其他电路可靠隔离，它的故障率极低，即使有故障，也难以用常规的方法检测出来。变频器常见故障的原因及处理方法如下：

1. 过电流故障

过流故障可能是由于加减速时间太短、输出端短路、负荷分配不均、负载发生突变等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、对线路进行检查、进行负荷分配调整、减少负载突变或外加能耗制动元件进行处理。如果断开负载还是过电流故障，则说明变频器逆变电路已坏，需更换变频器。

2. 过电压故障

过电压故障可能是由于减速时间太短、出现负负载（由负载带动旋转）电源电压过高等原因引起的。此时可以通过延长减速时间、调整负载情况、切断电源等方法进行处理。如果延长减速时间仍不能解决问题，选用制动电阻（单元）。

3. 过载故障

过载故障包括变频器过载和电机过载，其可能是加速时间太短、直流制动量过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等方法处理。如果是负载过重，可能是所选电机和变频器不能拖动该负载，也可能是机械润滑不好引起的，若是前者，则必须更换大功率电机或变频器，若是后者，则要对生产机械进行检修。

4. 对地短路故障

对地短路故障可能是电机绝缘老化、负载侧接触不良等原因引起