变频器基础知识

变频器基础知识
一、变频器的定义
通常所说的变频器,是指将频率固定的电源如50Hz三相交流电变成频率可变的电源如在0～50Hz之间随意变换的转换设备;如果原有电源的频率为0即为直流电源供电,则变频器可以
省去直流变换环节,退化成单一的逆变器DC→AC;
二、变频器的分类
从不同的角度,可以对变频器进行不同的分类;
1、按电压等级不同,变频器可分为：高压变频器、中压变频器、低压变频器
按照国际惯例,电压≥10kV时称高压,1-10kV为中压,小于1kV时称低压,与其电压范围相
对应的变频器分别称为高压变频器、中压变频器、低压变频器;
在我国,习惯上把10KV、6kV或3kV的电机称为高压电机,相应的电压为10KV、6kV或3kV
的变频器均称高压变频器;平常所说的“高-高”、“高-低-高”、“高-低”只是变频器的不同应
用形式;
2、按主回路结构不同,变频器可分为：交-直-交变频器,交-交变频器;交-直-交变频器
1交-直-交变频器先将电网交流电用整流电路整成直流电,再用逆变电路将直流电转换为
频率可变的交流电;整流电路、直流回路、逆变电路是交-直-交变频器的三个基本组成部分;
整流电路可以是不控的二极管全波整流、也可以是可控的,如果是可控整流,则它也能工作
在逆变状态,将直流回路的能量逆变回电网;
逆变电路肯定是可控的,主要功能是将直流回路电能变成交流电输出给电机;如果电机工作在发电工况时比如制动场合, 逆变电路工作在整流状态,将电机的能量送到直流回路;
交-交变频器
2交-交变频器没有直流回路,每相都由两个相互反并联的整流电路组成,正桥提供正向相电流,反桥提供负向相电流;
3、按储能方式不同,变频器可分为：电流源型、电压源型;
电流源型变频器
1电流源型：
电流源变频器输入采用可控整流,控制电流的大小;中间采用大电感,对电流进行平滑;逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电流,供给交流电机;在电流源变频器中,直接受控量是电流;整流桥控制电流大小,逆变桥控制电流频率,电机侧得到的是幅值和频率可变的方波电流;
特点：①电流源变频器具有很好的抗过流能力,甚至负载短路都不会导致变频器损坏;②由于整流桥输出电压可以为负,从而进入逆变状态工作,实现能量由变频器向电网的回馈,可用于频繁正反转或需要制动的场合;
缺点：其网侧功率因数不高,电流谐波较大;
2电压源型：
电压源变频器输入一般不控,大多采用二极管进行全波整流;中间采用大电容滤波,对电压进行平滑;逆变桥采用PWM控制技术,既控制电压输出波形中交流基波的幅值大小,也控制交流基波电压的频率;
在电压源变频器中,直流回路的电压大小基本是不变的;逆变桥直接对直流电压进行PWM 控制,不直接控制电流;电机侧得到的是幅值恒定、占空比和频率可变的方波电压;电机的电流实际上是其在变频器输出电压控制下运行所产生的,为正弦波;
优点：网侧功率因数较高,并且不随输出频率而变;
缺点：由于整流桥不控,输出电压和电流的方向均确定不变,不能实现能量回馈;不适用于频繁正反转或需要制动的场合;
4、按电平数不同,变频器可分为：两电平、三电平、多电平
1两电平变频器典型电路结构及输出波形如下：
2三电平PWM电压型变频器采用12只可关断功率器件IGCT或高压IGBT,与箝位二极管构成带中性点的逆变电路NPC;与二电平PWM变频器相比,输出电压的电平数增加,易于实现谐波的相互补偿,输出波形有所改善;三电平变频器典型电路结构及输出波形如下：3当输出电压大于6-10kv时,一般采用多电平电路型式CMSL,它是由若干个低压PWM变频功率单元,以输出电压串联方式功率单元为三相输入、单相输出来实现直接高压输出的方法;
5、按控制方式不同,变频器可分为：压频比控制、矢量控制、直接转矩控制
1压频比控制
交流电机成立以下电磁关系式：E=Φ
式中：E-电机电动势,f-定子频率,W-绕组系数,Φ-气隙主磁通;
对异步机调速时,希望主磁通Φ恒定Φ太小,铁磁材料利用不充分,同样电流产生的转矩小;Φ太大,由于铁磁材料的饱和特性,定子电流中激磁电流分量加大,同样电流负荷情况下,相应转矩电流分量将减小,电机负载能力也下降;由式中看出,只要保持E/f为常数,Φ就基本恒定;同样电流情况下,就能产生相同的转矩,实现恒转矩调速;
压频比控制属于标量控制只控制大小,不控制方向,性能一般,但不依赖电机参数,适合于多电机传动;
2矢量控制：
把交流电机模拟成直流电机进行控制,它是以转子磁场定向,采用矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦;
矢量控制技术调速精度高,动态响应快,可实现四象限运行,在高速和低速都有比较好的控制性能;
矢量控制技术对转子磁场观测的准确性受电机参数影响较大,需要输入准确的电机参数,不太适合一台变频器控制多台电机的情形;
3直接转矩控制
直接在电机定子坐标系下分析电机的数学模型,采用定子磁场定向,直接控制电动机的磁链和转矩;
直接转矩控制受电机转子参数影响较小,动态响应好,在电机加、减速或负载突变的动态过程中,可获得快速的转矩响应,控制算法和系统结构简单,但低速性能比矢量控制略差;
三、变频器功用
目前,除一些为特殊用途设计的特殊变频器比如：几百赫兹的中频变频器,用于中频感应加热炉外,常规变频器最常见的用途还是用于交流电机的调速;按照电机学的基本原理,交流异步电机的转速满足如下的关系式：
式中：n -- 电机的实际转速
n
-- 电机的同步转速
p -- 电机的极对数
f -- 电机当前的运行频率
s -- 电机的滑差
从式中看出,电机的同步转速n
0正比于电机的运行频率n
=60f/p,由于滑差s一般情况下
比较小0∽,电机的实际转速n约等于电机的同步转速n
,所以调节了电机的供电频率f,就能改变电机的实际转速;
四、变频器的应用范围
目前,变频调速技术已应用到在我国国民经济的许多领域,
电力工业：锅炉给水泵、送风机、引风机、循环水泵、凝结泵等;
五、变频器启动操作
１、操作及其注意事项
1检查所有的线路连接情况；
2送电前,拆掉所有接地保护线；
3关好并锁上变频器的柜门,方可合上隔离刀闸；
4最后合上断路器;
2、启动操作
1如果变频器处于断电状态,启动时应先加上控制电源；
2变频器自检正常后,给出“高压合闸允许”信号,方可给变频器送高压电;
3如果现场高压开关或控制系统没有得到变频器提供的“高压合闸允许”信号,请确认变频器控制电源是否加上,变频器本身是否处于故障状态；
4隔离开关处在变频位置时,用户高压真空开关合闸只相当于给变频器送电,电机并不启动,需要启动电机,还必须给变频器发启动指令;这一点和用户原来的操作习惯有所区别；
5变频器启动前,风机挡板水泵出口阀门最好处于关闭位置;并确认电机没有因为其它风机水泵的运行而反转,否则容易引起变频器启动时过流;
6电机需要启动时,如果电机刚停机不久,应确认电机已经完全停转,否则容易引起变频器启动时单元过电压或者变频器过电流;
7现场控制系统只有在得到变频器的“变频器就绪”信号后,才能给变频器发启动指令,正常启动变频器；
8给变频器的启动指令必须在高压合闸6秒后发出,持续时间应不小于3秒;
9变频器启动后,必须提供合适的转速给定;如果转速给定为0,变频器虽然启动,电机仍然不会转动;
10在闭环运行的情况下,如果给定值不合理,电机也可能运行在非用户期望的状态下；
11电机通过变频器启动,对风机、水泵、电机、开关及电网的冲击都很小,只要满足以上条件,启动次数及时间间隔没有限制;
12工频旁路情况下,要启动电机,直接将高压真空开关合闸即可;
六、我厂变频器存在问题
1、环境差,腐蚀性气体、粉尘大;对变频器设备存在较大安全隐患,腐蚀性气体对变频器开关腐蚀影响：开关触头触指上弹簧腐蚀,造成弹簧断裂,在运行中开关触头触指上弹簧断裂,会使得接触不良发生接地从而发展成为相间故障；对开关二次部分腐蚀,造成开关分合闸回路不好,开关不能分合闸；对变频器功率模块电路板造成损坏,变频器不能运行;粉尘大主要是对变频器电路板损坏,同时造成变频器绝缘下降;
2、观察孔小,不便于检查;针对一次风机及凝结水泵变频器,加装了绝缘隔板,使得运行中不便于检查旁路柜刀闸触头运行中发热情况,同时在操作时不便于检查触头是否接触完整;
3、设计不合理;1、4号机凝结水泵变频器装设位置不恰当,机组运行中容易有蒸汽漏入变
频器柜；变频器柜内动力电缆采用软电缆,在其中穿孔或者靠近金属部位经常发生绝缘老化故障;。