低压变频器基础知识

一、变频技术的发展

电力电子器件是变频器发展的基础，计算机技术和自动控制理论是变频器发展的支柱。电力电子器件由最初的半控器件SCR，发展为全控器件GTO晶闸管、GTR、MOSFET、IGBT,到今年研制出的IPM，单个器件的电压值和电流值的定额越来越大，工作速度越来越高，驱动功率和管耗越来越小。变频技术的核心控制由单片机完成，这些新技术和自动控制理论使变频器的容量越来越大，功能越来越强。

市场需求也是变频器发展的动力，来自国家节能中心的数据：

在全国总的电能消耗中：各种电机的耗电量占：50％!其中风机泵的耗电量：50％!

即：全国的发电量中1/4被风机、泵消耗了！

最新数据：各种风机、泵耗电量占全国发电量的1/3!

据测算我国潜在变频器市场是巨大的。

变频器技术的发展趋势是：智能化，专门化，一体化，环保低噪

变频技术已被公认为最理想，最有发展前途的调速方式之一，它主要应用在节能，自动化系统及提高工艺水平和产品质量等方面。

二、变频调速的实现及分类

1.交-交调速

50Hz

+

-

-

+

50Hz Z

U

交-交调速只有一个变换环节，将恒压恒频的交流电源转换成变压变频的电源，因此又称为直接

变频器，它主要应用于大功率的三相异步电动机和同步电机的低速变频调速优点：原理简单，方便

缺点：①结构庞大，笨重；②谐波成分大；③频率最高不会大于30Hz 因而其应用范围受到限制

2. 交-直-交调速

整

流

中

间

逆

变

U

V

W

R

S

T

交-直-交调速主要由三部分组成：整流电路，中间电路，和逆变电路

优点：①调速范围广；②具有良好的动静态特性

用可控硅实现VV，用IGBT逆变来实现VF

我公司使用的是交-直-交变频调速，整流部分采用二极管进行整流，逆变部分采用功率器件IGBT 来实现。

下面简单谈一下IGBT

IGBT全名绝缘栅极晶体管，它具有MOS和BJT双重功效。从输入上看，IGBT具有MOSFET的输入特性：输入阻抗高，属电压控制元件，因而驱动简单。从输出侧看，它具有BJT的输出特性：饱和压降低，耐压有1200V,1700V,3300V级，电流可达几百安，上千安，开关频率十几K,这些技术指标均可满足我公司变频器的要求。

三、变频调速的原理

变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。

我公司选用的是VVVF(Variable Voltage Variable Frequency )调速

异步电动机的转速)

1(

60

s

p

f

n-

=

n

n

n

s

-

= P:电动机极对数 n0:同步转速

调节n ，由三种方法：

1. 变p,只可跳变，不能连续调速，有局限性

2. 变s,调速范围越宽，系统效率越低 1，2均为改造电机。

3. 变f,可连续大范围调速，转差率小，效率高

n 与f 成正比，通过改变f 即可改变电动机的转速，当f 在0-50hz 范围变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。 但仅改变频率，电机将被烧坏，尤其当频率降低时，问题更突出。 三相异步电动机每相绕组的反电动势公式：

F

V f u f E c f k K N f E m m

m m =∝⋅

=⇒⋅⋅=⋅⋅=φφφ44.4

其中： E ：为每相定子绕组的反电动势

N ：为每相定子绕组的匝数 K ：为系数 为了保持磁通m φ不变，故必须保持V/F 恒比。

如果磁通太弱就等于没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流会使绕组过热而损坏电动机。

为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变f 的同时，也改变U. 故为VVVF 由式

m m K N f E φ⋅⋅=44.4可分成两种情况分析:

(1) 在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速。

变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通Фm 不变，从公式可知，也就是要使E1/f1=常数。这是在忽略定子漏阻抗压降的前提下，可以认为供给电机的电压U1与频率f1按相同比例变化，即U1/f1=常数。

但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，从而导致主磁通Фm 和输出转矩下降，因此要人为地提高定子电压U ，以作漏抗压降的补偿，维持E1/f1≈常数,保证主磁通Фm 基本不变。因此这种方法被称为电压补偿（转矩提升）。此时变频器输出U1/f1关系如图1中的曲线2，而不再是曲线1。

多数变频器在频率低于电机额定频率时, 输出的电压U1和频率f1类似图1中曲线2, 并且随着设置不同, 可改变补偿曲线的形状，试用者要根据实际电机运行情况调整。

(2) 在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速。

此时变频器的输出频率f1提高，但变频器的电源电压由电网电压决定，不能继续提高。根据公式(3)，E1不能变，f1提高必然使Фm下降，由于Фm与电流或转矩成正比，因此也就使转矩下降，转矩虽然下降了，但因转速升高了，所以它们两的乘积并未变，转矩与转速的乘积表征着功率。因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行。

由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速(VVVF)。

而在额定频率以上，电压并不变，只改变频率。

四、变频器基础知识

概述

交-直-交变频器的主回路

先把工频交流电通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的的交流电源，进而驱动电机。变频器主电路一般由整流、中间直流环节，逆变几部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流电路，逆变部分为IGBT三相逆变器，输出为PWM波形，中间直流环节为滤波，直流储能和缓冲无功功率.