變頻器原理和維護(hù)

1、變頻器原理和維護(hù)第1頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二本講座主要有以下四個(gè)方面的內(nèi)容:一、電機(jī)調(diào)速方法和原理分析二、變頻器的工作原理和結(jié)構(gòu)組成三、變頻器的分類(lèi)及選型四、變頻器的日常維護(hù)和常見(jiàn)故障第2頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二目前電機(jī)常用三種調(diào)速方法：1、滑差調(diào)速：實(shí)際上是離合調(diào)速，由異步電機(jī)和電磁轉(zhuǎn)差離合器（磁力偶合器），也就是電磁力強(qiáng)一點(diǎn)，偶合就緊一點(diǎn)。 2、變極調(diào)速：即改變電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)（2、4、6、8、10等非連續(xù)）。3、變頻調(diào)速：改變電壓和頻率。（恒功率和恒轉(zhuǎn)矩）第3頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二電機(jī)調(diào)速原理

2、： 根據(jù)電機(jī)原理,三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本原理基于如下轉(zhuǎn)速公式： n = 60f/p n: 同步速度f(wàn): 定子電源頻率p: 電機(jī)磁極對(duì)數(shù). 電機(jī)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。第4頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二電機(jī)調(diào)速原理：一般異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個(gè)滑差關(guān)系 式(2)中: n異步電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);S異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。由(2)式可知，調(diào)速的方法可改變f1、P、S其中任意一種達(dá)到，對(duì)異步電機(jī)最好的方法是改變頻率f1，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。第5頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二提示: 如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時(shí)會(huì)使電機(jī)

3、出現(xiàn)過(guò)電壓（過(guò)勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓，改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法第6頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二電機(jī)調(diào)速狀態(tài)下兩種工作模式分析:1、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速模式：在頻率低于供電的額定電源頻率時(shí)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 2、恒功率調(diào)速模式：在頻率高于定子供電的額定電源頻率時(shí)屬于恒功率調(diào)速 由電機(jī)理論，三相異步電機(jī)每相電勢(shì)的有效值與下式有關(guān)。式(3)中: E1定子每相電勢(shì)有效值(V);f1定子供電電源頻率(Hz);N1定子繞組有效匝數(shù);m定子磁通(Wb)。第7頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：要維持電

4、機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，必須維持每極氣隙磁通m不變，從(3)式可知，也就是要使E1/f1=常數(shù)。如忽略定子漏阻抗壓降，可以認(rèn)為供給電機(jī)的電壓U1與頻率f1按相同比例變化，即U1/f1=常數(shù)。即V/F特性：第8頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二恒功率調(diào)速：在頻率高于定子供電的額定電源頻率（50Hz）時(shí)屬于恒功率調(diào)速。此時(shí)變頻器的輸出頻率f1提高，但變頻器的電源電壓由電網(wǎng)電壓決定，不能繼續(xù)提高。根據(jù)公式(3)，E1不能變，f1提高必然使m下降，由于m與電流或轉(zhuǎn)矩成正比，因此也就使轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)矩雖然下降了，但因轉(zhuǎn)速升高了，所以它們兩的乘積并未變，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積表征著功率。因此這時(shí)候電

5、機(jī)處在恒功率輸出的狀態(tài)下運(yùn)行。第9頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二由以上分析可知通用變頻器對(duì)異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調(diào)速(VVVF)。而在額定頻率以上，電壓并不變，只改變頻率。 實(shí)際上多數(shù)變頻調(diào)速場(chǎng)合是用于額定頻率以下，低頻時(shí)采用的補(bǔ)償都是為了解決低頻轉(zhuǎn)矩的下降，其采用的方式多種多樣。有矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及擬超導(dǎo)技術(shù)等等。 第10頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變 頻 器 原 理 和 結(jié) 構(gòu)什么是變頻器： 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作

6、用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。 變頻器主要是由主電路、控制電路組成。 第11頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器的結(jié)構(gòu) 變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。原理圖如下: 第12頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二各部分的功能分別是:1整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?2濾波部分，把脈動(dòng)較大的交流電進(jìn)行濾波變成比較平滑的直流電;3逆變部分

7、，把直流電又轉(zhuǎn)換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開(kāi)關(guān)元件按照控制電路的驅(qū)動(dòng)、輸出脈沖寬度被調(diào)制的PWM波，或者正弦脈寬調(diào)制SPWM波，當(dāng)這種波形的電壓加到負(fù)載上時(shí)，由于負(fù)載電感作用，使電流連續(xù)化，變成接近正弦形波的電流波形;4控制電路是用來(lái)產(chǎn)生輸出逆變橋所需要的各驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、外部通斷控制以及變頻器內(nèi)部各種各樣的保護(hù)和反饋信號(hào)的綜合控制等。 第13頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器的分類(lèi)變頻器的分類(lèi)方法有多種：1、按照主電路工作方式分類(lèi)，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；2、按照開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)，可以分為PAM

8、 （脈沖幅度調(diào)制）控制變頻器、PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；3、按照工作原理分類(lèi)，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；通用型變頻器大多為V/f控制變頻器4、按照用途分類(lèi)，可以分為通用變頻器、高性能專(zhuān)用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等第14頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器的分類(lèi)電壓型變頻器：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波采用電容濾波。電流型變頻器：電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感濾波。 第15頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星

9、期二變頻器的選型選擇變頻器：主要考慮以下兩個(gè)方面的問(wèn)題 一、根據(jù)負(fù)載類(lèi)型特性選取適當(dāng)控制方式的變頻器 ：異步電動(dòng)機(jī)變頻控制選用不同的控制方法，就可以得到不同性能特點(diǎn)的調(diào)速特性。做到電壓匹配、電流匹配和轉(zhuǎn)矩匹配. 二、根據(jù)安裝環(huán)境選取變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu) ：變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)要與其安裝環(huán)境相適應(yīng)，這就要考慮環(huán)境溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素，這與變頻器能否長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行關(guān)系重大。 第16頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二常用的設(shè)備負(fù)載按其特性分如下三類(lèi)：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率負(fù)載水泵風(fēng)機(jī)類(lèi)等流體負(fù)載第17頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二恒轉(zhuǎn)矩負(fù)

10、載特性： 在這類(lèi)負(fù)載中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無(wú)關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定，負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)和機(jī)械設(shè)備的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等摩擦類(lèi)負(fù)載以及起重機(jī)、提升機(jī)、電梯等重力負(fù)載，都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 變頻器拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時(shí)，低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且要有足夠的過(guò)載能力。如果需要在低速下長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)速運(yùn)行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力，避免電動(dòng)機(jī)溫升過(guò)高。 第18頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二恒功率負(fù)載 特性：這類(lèi)負(fù)載的特點(diǎn)是需求轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機(jī)床的主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、薄

11、膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開(kāi)卷機(jī)等，都屬于恒功率負(fù)載。 負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，TL不可能無(wú)限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對(duì)傳動(dòng)方案的選擇有很大的影響。電動(dòng)機(jī)在恒磁通調(diào)速時(shí)，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時(shí)，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時(shí)，即所謂“匹配”的情況下，電動(dòng)機(jī)的容量和變頻器的容量均最小。第19頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二流體類(lèi)負(fù)載特性 ：這類(lèi)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，

12、功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。各種風(fēng)機(jī)、水泵和油泵，都屬于典型的流體類(lèi)負(fù)載。 流體類(lèi)負(fù)載通過(guò)變頻器調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類(lèi)負(fù)載在高速時(shí)的需求功率增長(zhǎng)過(guò)快，與負(fù)載轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以不應(yīng)使這類(lèi)負(fù)載超工頻運(yùn)行。第20頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器外圍設(shè)備（標(biāo)準(zhǔn)配置） FIL1進(jìn)線側(cè)無(wú)線電干擾抑制電抗器，用于減少變頻器對(duì)外界的無(wú)線電干擾； 1ACL電源側(cè)交流電抗器，用于改善輸入電流波形、提高整流器和電解濾波電容壽命、減少不良輸入電流波形對(duì)外界電網(wǎng)的干擾、協(xié)調(diào)同一電源網(wǎng)上有晶閘管等變換器造成的波形影響、減少功率切換和三相不平衡的影響，因此也叫

13、電源協(xié)調(diào)電抗器，在要求高的場(chǎng)合該電抗器便進(jìn)一步改為較復(fù)雜的電力質(zhì)量濾波單元； DCL直流電抗器，用于改善電容濾波(當(dāng)前電壓型變頻調(diào)速器主要濾波方式是電容濾波)造成的輸入電流波形畸變和改善功率因數(shù)、減少和防止因沖擊電流造成整流橋損壞和電容過(guò)熱 BD制動(dòng)單元，當(dāng)變頻器降低頻率使電機(jī)急劇減速、或重力負(fù)載使電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電機(jī)制動(dòng)的反饋能量使變頻器直流母線電壓升高到一定程度就會(huì)開(kāi)啟該制動(dòng)單元，使能量消耗在制動(dòng)電阻上； DBR制動(dòng)電阻，消耗制動(dòng)時(shí)電機(jī)能量的電阻； 2ACL輸出側(cè)交流電抗器，變頻器存在豐富的諧波，這些諧波有害于電機(jī)和負(fù)載的壽命(典型的是電機(jī)繞阻匝間瞬變電壓dv/dt過(guò)高，造成匝間擊穿)

14、，以及對(duì)周?chē)娖鞲蓴_。 第21頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器的抗干擾1、外界對(duì)變頻器的干擾主要來(lái)源于電源進(jìn)線。當(dāng)電源系統(tǒng)投入其它設(shè)備（如電容器）或由于其它設(shè)備的運(yùn)行（如晶閘管等換相設(shè)備）時(shí)，容易造成電源的畸變，而損壞變頻器的開(kāi)關(guān)管。在變頻器的輸入電路中串入交流電抗器可有效抑制來(lái)源于進(jìn)線的干擾。變頻器的電壓、電流波形圖第22頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器的抗干擾2、變頻器對(duì)外界的干擾（三種方式）電路耦合方式即通過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)傳播。這是變頻器輸入電流干擾信號(hào)的主要傳播方式 感應(yīng)耦合方式 （）電磁感應(yīng)方式 這是電流干擾信號(hào)的主要傳播方式（）

15、靜電感應(yīng)方式 這是電壓干擾信號(hào)的主要傳播方式 空中幅射方式：即以電磁波的方式向空中幅射 第23頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器的抗干擾措施A變頻器側(cè)1.感應(yīng)方式傳播的干擾信號(hào)，通過(guò)正確的布線和采用屏蔽線來(lái)消弱2.線路傳播的干擾信號(hào)，可以在線路中串入小電感來(lái)消弱3.輻射傳播的干擾信號(hào)，通過(guò)吸收方法來(lái)消弱（無(wú)線電抗干擾濾波器）4.在變頻器輸出側(cè)和電機(jī)間串入濾波電抗器，可以不僅起到抗干擾作用，還可以消弱由于 高次諧波引起的附加轉(zhuǎn)矩，改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。5.在變頻器的輸出側(cè)，絕對(duì)不允許用電容器來(lái)吸收諧波電流。B 儀器儀表側(cè)電源隔離法儀器電源側(cè)接入隔離變壓器信號(hào)隔離法信號(hào)

16、側(cè)用光電耦合器隔離第24頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器的常見(jiàn)故障和日常維護(hù)變頻器的常見(jiàn)故障有:1、過(guò)載故障2、過(guò)壓故障3、過(guò)流故障4、欠壓故障5、過(guò)熱故障，主要引起原因變頻器內(nèi)部散熱不好。我們可以檢查散熱風(fēng)扇及通風(fēng)通道。第25頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二過(guò)壓故障及措施：造成過(guò)電壓的原因主要有兩種：電源過(guò)電壓和再生過(guò)電壓。 1、電源過(guò)電壓是指因電源電壓過(guò)高而使直流母線電壓超過(guò)額定值。而現(xiàn)在大部分變頻器的輸入電壓最高可達(dá)460V，因此，電源引起的過(guò)電壓極為少見(jiàn)。 2、再生過(guò)電壓的防止措施： （1）自由停車(chē) 由于過(guò)電壓產(chǎn)生的原因不同，因而采

17、取的對(duì)策也不相同。對(duì)于在停車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓現(xiàn)象，如果對(duì)停車(chē)時(shí)間或位置無(wú)特殊要求，那么可以采用延長(zhǎng)變頻器減速時(shí)間或自由停車(chē)的方法來(lái)解決。所謂自由停車(chē)即變頻器將主開(kāi)關(guān)器件斷開(kāi)，讓電機(jī)自由滑行停止 （2）再生制動(dòng)：對(duì)由于再生制動(dòng)所謂變頻器的過(guò)電壓，集中表現(xiàn)在變頻器直流母線的直流電壓上。目前都采取制動(dòng)電阻消能方法。當(dāng)變頻器的三相電源波動(dòng)較大，頻繁出現(xiàn)欠壓、過(guò)壓故障時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整“欠壓動(dòng)作點(diǎn)設(shè)置”“過(guò)壓動(dòng)作點(diǎn)設(shè)置”這兩個(gè)參數(shù)。 第26頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二 過(guò)載故障：過(guò)載故障包括變頻過(guò)載和電機(jī)過(guò)載。其可能是加速時(shí)間太短，電網(wǎng)電壓太低、負(fù)載過(guò)重等原因引起的。一般可通過(guò)

18、延長(zhǎng)加速時(shí)間、延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間、檢查電網(wǎng)電壓等。負(fù)載過(guò)重，所選的電機(jī)和變頻器不能拖動(dòng)該負(fù)載，也可能是由于機(jī)械潤(rùn)滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機(jī)和變頻器；如后者則要對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行檢修。 第27頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二過(guò)流故障：最為常見(jiàn)，過(guò)流故障可分為加速、減速、恒速過(guò)電流。其可能是由于變頻器的加減速時(shí)間太短、負(fù)載發(fā)生突變、負(fù)荷分配不均，輸出短路等原因引起的。 這時(shí)一般可通過(guò)延長(zhǎng)加減速時(shí)間、減少負(fù)荷的突變、外加能耗制動(dòng)元件、進(jìn)行負(fù)荷分配設(shè)計(jì)、對(duì)線路進(jìn)行檢查。如果斷開(kāi)負(fù)載變頻器還是過(guò)流故障，說(shuō)明變頻器逆變電路已環(huán)，需要更換變頻器。 欠壓故障：說(shuō)明變頻器電源輸入部分

19、有問(wèn)題，需檢查后才可以運(yùn)行。 過(guò)熱故障：主要引起原因變頻器內(nèi)部散熱不好?？梢詸z查散熱風(fēng)扇及通風(fēng)通道。第28頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二變頻器的日常維護(hù)變頻器日常維護(hù)主要作好三個(gè)方面：1、日常檢查2、定期保養(yǎng)3、備件定期更換第29頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二一、日常檢查事項(xiàng)：變頻器上電之前應(yīng)先檢查周?chē)h(huán)境的溫度及濕度，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致變頻器過(guò)熱報(bào)警，嚴(yán)重的會(huì)直接導(dǎo)致變頻器功率器件損壞、電路短路；空氣過(guò)于潮濕會(huì)導(dǎo)致變頻器內(nèi)部直接短路。在變頻器運(yùn)行時(shí)要注意其冷卻系統(tǒng)是否正常，如：風(fēng)道排風(fēng)是否流暢，風(fēng)機(jī)是否有異常聲音。一般防護(hù)等級(jí)比較高的變頻器如：

20、IP20以上的變頻器可直接敞開(kāi)安裝，IP20以下的變頻器一般應(yīng)是柜式安裝，所以變頻柜散熱效果如何將直接影響變頻器的正常運(yùn)行，變頻器的排風(fēng)系統(tǒng)如風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)是否流暢，進(jìn)風(fēng)口是否有灰塵及堵塞物都是我們?nèi)粘z查不可忽略的地方。電動(dòng)機(jī)電抗器、變壓器等是否過(guò)熱，有異味；變頻器及馬達(dá)是否有異常響聲；變頻器面板電流顯示是否偏大或電流變化幅度太大，輸出UVW三相電壓與電流是否平衡等等。第30頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)46分，星期二二、定期保養(yǎng)：清掃空氣過(guò)濾器冷卻風(fēng)道及內(nèi)部灰塵。檢查螺絲釘、螺栓以及即插件等是否松動(dòng)，輸入輸出電抗器的對(duì)地及相間電阻是否有短路現(xiàn)象，正常應(yīng)大于幾十兆歐。導(dǎo)體及絕緣體是否有腐蝕現(xiàn)象，如有要及時(shí)用酒精擦試干凈。如條件允許的情況下，