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变频器基础

第一节变频器原理

目前使用最多的是交——直——交变频器。交流变直流的过程非常简单，通过二极管整流桥，电容滤波，就可将工频交流电变为直流电。变频器的难点是直流电变为可变频率的交流电。为了使大家方便地看懂其原理，先做如下叙述。

一、变频器如何把直流电变为正弦交流电

1、直流电变为交流电

由图1—1可看出，直流电源为U，负载为灯泡，K1、K2、K3、K4为开关。K1、K3与K2、K4交替闭合和打开。

当K2、K4打开，K1、K3闭合时，灯中电流由左向右流动。

当K1、K3打开，K2、K4闭合时，灯中电流由右向左流动。

如此交替进行，灯中电流就是矩形交流电。

图1—1直流电变为交流电

2、直流电变为正弦交流电的正半波

在矩形波中占空比是指脉冲与整个周期的比值，一般是脉冲电源中用来衡量开关管导通或截止状况。是在连续的脉冲频率（载波频率）或周期不变的前提下定义的,用来测开关管的导通和关断的比例的。如占空比为50%,则指开与关的时间比是1:1。占空比是指高低电平所占的时间的比率。占空比越大，电路导通时间就越长，输出等效电压就越高。相反，占空比越小，电路导通时间就越短，输出等效电压就越低。

由图1—2可看出，当K1、K3闭合时间短、打开时间长，然后逐渐增加闭合时间、缩短打开时间，最后再逐渐缩短闭合时间、增加打开时间。灯中的电流等效为由小到大、又由大到小的变化。这就是等效为正弦交流电的正半波。

图1—2直流电变为正弦交流电的正半波

3、直流电变为正弦交流电的负半波

由图1—3可看出，当K2、K4闭合时间短、打开时间长，然后逐渐增加闭合时间、缩短

打开时间，最后再逐渐缩短闭合时间、增加打开时间。灯中的电流等效为由小到大、又由大到小的变化。这就是等效为正弦交流电的负半波。

图1—3直流电变为正弦交流电的负半波

4、直流电变为正弦交流电

由图1—4可看出，重复上述二和三的步骤，就可得到等效的正弦交流电。

K1、K3与K2、K4交替的时间间隔长，交流电的频率就低。相反，K1、K3与K2、K4交替的时间间隔短，交流电的频率就高。变频器就是改变交替导通的时间间隔，实现变频的。

图1—4直流电变为等效正弦交流电

二、变频器是如何改变频率的

变频器是用IGBT作为高速开关管，IGBT可用K1、K2、K3、K4来等效。开关闭合等效IGBT 导通，开关打开等效IGBT关断。变频器等效电路如下图1—5。

图1—5变频器等效图

1、10 Hz交流电的由来。

10Hz波形示意图如下图1—6，黑色是实际的波形——矩形波，浅色是等效波形。

图1—6 等效的10Hz交流电波形示意图

每次闭合时间较短（占空比小），等效的幅值就较低（电压低）。闭合时间较长（占空比大），等效的幅值就较高（电压高）。

10 Hz波形的周期是0.1秒，半个周期的时间就是0.05秒。

由K1、K3导通变为K2、K4导通，就实现了交流电流的换向。由K1、K3导通变为K2、K4导通，需要0.05秒。

2、20 Hz交流电的由来。

20Hz波形示意图如下图1—7，黑色是实际的波形——矩形波，浅色是等效波形。

图1—7 等效的20Hz交流电波形示意图

每次闭合时间较短（占空比小），等效的幅值就较低（电压低）。闭合时间较长（占空比大），等效的幅值就较高（电压高）。

20 Hz波形的周期是0.05秒，半个周期的时间就是0.025秒。

由K1、K3导通变为K2、K4导通，就实现了交流电流的换向。由K1、K3导通变为K2、K4导通，需要0.025秒。

3、50Hz交流电的由来。

50Hz波形示意图如下图1—8，黑色是实际的波形——矩形波，浅色是等效波形。

图1—8 等效的50Hz交流电波形示意图

50 Hz波形的周期是0.02秒，半个周期的时间就是0.01秒。

由K1、K3导通变为K2、K4导通，就实现了交流电流的换向。由K1、K3导通变为K2、K4导通，需要0.01秒。

对比图1—6、图1—7、图1—8，可以看出，图1—8的每个矩形较宽（导通时间较长），所以等效波形就较高，电压较高。图1—6的等效电压低于图1—7、图1—8的。50Hz时，等效的正弦波最大值与直流电压相等。还可以看出，图1—6中K1、K3导通次数较多，时间长了才改变为K2、K4导通，所以频率较低。图1—6的频率低于图1—7、图1—8的。也就是说，频率在增高的时候，输出电压也在增高；频率在降低的时候，输出电压也在降低。

变频器的载波频率，就是IGBT的每秒钟的开关次数，相当于K1、K3或K2、K4的闭合与打开的次数。变频器的载波频率与输出功率成反比，调整好以后就不再轻易改变了。比如400kw 的皮带运输机变频器的载波频率较小，一般为1kHz，采煤机变频器的载波频率比较高。

上述的图是简单的，能够说明问题就行了。实际上在每个等效的正弦波形内，至少有几百、几千个矩形。

第二节变频器的共性

目前煤矿使用的变频器种类有带式输送机变频器、电牵引采煤机专用变频器、局部通风机专用变频器。它们都是由通用变频器改造得来，都具有一定的共性。

一、PLC

所有变频器都和PLC配合。所有变频器都有键盘。变频器的参数，通过键盘修改。PLC 的程序，通过笔记本电脑修改。变频器在正常情况下，都是由外接端子经过PLC操作。但是变频器在维修时，都可通过键盘操作（在确保安全的前提下）。变频器具体到由端子操作还是由键盘操作，由键盘的参数设置决定。键盘设置为端子操作时，即使去掉键盘，也不影响端子操作。

PLC也称电控装置，变频器几乎都通过PLC来控制。

1、皮带变频器PLC电控：①选择运行方式（变频运行、工频运行、变频启动转工频运行，共三种）。②变频运行与工频运行的互锁。③实现变频启动转工频运行的切换。④实现本身操作与远控操作（操作箱）的切换。⑤实现多台变频器的互锁——只要有一台报故障，则全部停机。

2、采煤机PLC电控：①来电自保。②操作二启真空接触器。③给变频器送电。④瓦斯超限停机。⑤具备遥控器操作。⑥具备两端头操作。⑦实现电控液——按钮操作滚筒升降。⑧截割电机电流达到1.1——1.3倍额定电流时，控制变频器停止牵引，然后反向牵引5秒钟，再继续向前牵引。⑨截割电机电流超1.3倍额定电流时，控制变频器停止牵引。