变 频 器 的 基 本 概 念 刘 允 松 1.

Presentation on theme: "变 频 器 的 基 本 概 念 刘 允 松 1."— Presentation transcript:

1 变 频 器 的 基 本 概 念 刘 允 松 1

2 什么是变频器？ 各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。 把电压和频率固定不变的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）。 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)。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。 用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。 2

3 变频器的英文含义 VVVF： Variable Voltage and Variable Frequency的缩写。 Drive 通用
Frequency Converter 欧州常用 AC Drive 欧美常用 inverter 日本常用

4 变频器有关基本词汇 变流器 converters 整流 rectifying-rectification 整流器 rectifier
逆变 inverting-inversion 逆变器 inverter 转矩脉动 torque pulsation 脉宽调制 (PWM) pulse width modulation 谐波 harmonic 矢量控制 (VC) vector control 直接转矩控制(DTC) direct torque control 四象限运行 Four quadrant operation 再生(制动) Regeneration 直流制动 d.c braking 漏电流 leak current 滤波器 filter 电抗器 reactor 电位器 potentiometer 编码器 encoder, PG (pulse generator) 定子 stator 转子 rotor

5 变频器和软启动器的根本区别 变频器：变频变压。主要作用 调速 节能 软起动 软启动器：仅改变电压。主要作用 降低起动电流 减缓机械冲击
　　软启动器：仅改变电压。主要作用 降低起动电流 减缓机械冲击 减少线路压降

6 电机的转速 变频器所拖动的电机为感应式交流电动机，也称交流异步电动机。 在工业中所使用的大部分电机为交流异步电动机。
异步电动机的旋转速度取决于其定子旋转磁场的转速，即同步转速。 所谓异步，是指其其实际转速与同步转速总是比较接近，但总有一定差别。其差别称为转差。 电动机状态运行时，实际转速略低于同步转速。 发电机或制动状态时，实际转速略高于同步转速。 同步转速n1 = 60f/p，实际转速n=(1-s)n1 =(1-s) 60f/p 　　　　n: 同步速度 　　　　f: 电源频率 p: 电机极对数 s: 转差率，接近于零

7 电机的转速 近似地确决于电机的极数和频率。
由于该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），对于工频50Hz运行的电机，同步转速分别为3000rpm, 1500rpm, 1000rpm。所以电机铭牌上标定的额定转速分别为2970，1475，975rpm等。 由电机的结构和工作原理决定电机的极数是固定不变的。一般不适合通过改变该值来调整电机的速度。 频率能够在电机的前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。　　　 　　

8 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V

9 启动电流和启动转矩 变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动
工频直接起动会产生一个大的起动电流。电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大。 变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机的启动过程中，一直跟踪同步，滑差很小电机起动电流和冲击要小些。 在低频段，开环控制的变频器，尤其是1Hz以下，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。 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。 通过闭环甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。　　

10 额定频率以上的输出特性 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。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。 在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie) 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。　　　　

11 变频器50Hz以上的应用情况 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)
对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的 U,I不变时, E也不变 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.

12 额定频率以下的转矩特性 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.
变频器可以输出的连续转矩由额定电流决定。成为恒转矩特性。 通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力

13 转矩提升 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转矩。
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”。 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。　　

14 磁通矢量控制 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。 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％）。　　 　　　　

15 制动 当电机的转速高于同步速，这时电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机处于发电机运行状态。
负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小)随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。 机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和势能消耗掉。

16 能耗制动 制动时，有一部分能量通过电机的定子和转子以发热的形式消耗掉。
另一部分能量将返回到变频器直流母线侧，向电容充电，使直流侧的电压升高。这些能量可以通过变频器本身的发热消耗，如果不够的化，还需要经过制动单元由制动电阻放电发热消耗。 制动单元的作用是用来控制制动电阻的导通。制动电阻并不是永远有效，只有当直流母线电压上升到某一定值，与其串联的制动单元导通，电容才通过制动电阻放电。 ATV58和ATV31的制动单元内置于变频器内；ATV58和大功率PDL需要另外选购。

17 制动电阻 制动电阻的瞬时放电功率，即制动功率=Vdc**2/Rb。制动电阻的阻值越小，放电电流越大，瞬时制动功率越大。该阻值不能小于规定值。
制动电阻的额定功率指其平均耐受功率，其瞬间功率要大于额定功率。 严格意义上讲，制动电阻的阻值和额定功率，须通过计算获得。 实际上经常通过估算得到。 我们变频器样本上的制动电阻通常功率很小，做一般辅助用。若用在起重场合需要重新计算。

18 回馈制动 制动产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”，即回馈制动。
在实际中，这种应用需要"能量回馈单元"选件。　　

19 直流制动 减速时，变频器对电机定子注入直流电，通过电机的发热来消耗能量， 改善制动效果。
直流制动也可以用于使电机在零速时停的稳一点，防止受外力作用而使电机转动。 直流制动可通过频率判断自动诸如或通过逻辑端子强迫输入。 要注意制动时间和电压不要设的太大，防止电机过热。

20 单相输入的变频器 注意当使用单相（200V）电源给三相200V的变频器供电时，要考虑下面的几点:
　　　　 1. 一般小容量变频器 (<2.2kW)才可以这样做. 　　　　 2. 这时输出电压是3相220V, 因此电机要使用3相220V的. 　　　　 3. 额定输出电流和最大输出电流可能会减小,具体程度不同的变频器可能会不同. 　　　　

21 变频器的散热问题 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，变频器平均使用寿命减半。
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。 通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算: 发热量的近似值＝ 变频器容量（KW）×55 [W] 在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 (过流能力150% * 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。 这时可以用估算: 变频器容量（KW）×60 [W] 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边等。

22 怎样降低控制柜内的发热量 当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。
根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。 如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效，如PDL和ATV71。 还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。

23 关于冷却风扇 一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。 建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。 进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。
注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。 有些盘厂习惯了配电盘不用安装冷却风扇，要更新观念。

24 海拔高度对变频器选型的影响 在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。
由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方，但是周期性负载或短时运行的负载，如电梯，就不必要降容。

25 开关频率对选型的影响 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。 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。