浅谈变频器的原理及其应用Word格式文档下载.docx
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Abstract
Inverterpowersemiconductordevicesbycontrollingtheon-offfrequencywillbeconvertedtoanotherfrequencyelectricpowercontroldevice.WenowusethedrivemainlyuseAC-DC-ACmode,firstfrequencyalternatingcurrentthroughtherectifier,filteringconvertedintoDC,thenDCandthenconvertedtofrequencyandvoltagecanbecontrolledACpowertothemotor.AC-DCTheprocessisverysimple,throughthediodebridgerectifierandcapacitivefiltering,itcanbefrequencyalternatingcurrentintodirectcurrent.ThedifficultyisthedirectcurrentintotheinvertervariablefrequencyAC.Thisarticlefromtheprincipleofthedrive,designrequirementsandcommonfailureanalysis,andseveralotheraspectsofthedrive.
Keywords:
converter;
frequency;
failureanalysis
1绪论
随着电力电子技术、计算机技术，自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为现代电气传动的主要发展方向之一，而异步电动机交流变频调速技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段，它以其优越的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和显著的节电效果而广泛应用于风机、水泵等的大、中型笼型感应电动机，它被公认为最有发展前途的调速方式。
变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。
变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。
变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。
近些年来，变频器越来越多的应用于煤矿等一些企业，如采煤机和提升机等。
它以它极其优越的特点，大大的提高了效率，降低了成本，并且它易于保养和维修，将来变频器的使用必将越来越广泛。
2变频器的原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电给电动机供电。
通用变频器的主回路一般由整流部分、滤波电路、限流电路、逆变电路、续流电路和能耗制动电路几个部分组成。
通用变频器的主要形式是交------直------交电压型变频器，其电路图如图2-1所示。
2.1三相桥式整流电路
三相桥式整流电路又叫全波整流电路，在变频器中，通常采用此电路。
VD1—VD6通常采用电力整流二极管或整流模块。
R、S、T（即L1、L2、L3或者A、B、C）为电源输入端。
这款电源的整流桥部分采用了一体式的整流桥，整流桥的作用就是能够通过二极管的单向导通的特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电。
它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。
三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。
网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。
2.2滤波电路
滤波电路通常用若干只电容器并联成CF1以增大电容后，再串联相同容量的电容器CF2组合而成。
由于CF1和CF2所采用的是电解电容器，具有较大的离散型，所以CF1不等于CF2，使得其承受的电压值也不完全相等。
为了解决这个问题，在CF1和CF2旁个并联一只阻值相当的均压电阻器RC1和RC2。
消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。
滤波电容并联与串联适用于不同用途,并联通常用于消除特定频率的波形,串联通常用于通过特定频率的波形,对于供电电路来说,大容量电解电容起到把整流出来的正弦波转化为较为平直的直流电。
2.3限流电路
限流电路由电阻器RS和开关S并联构成。
变频器在接入电源之前，滤波电容器CF上的直流电压UD=0，因此，在变频器通电瞬间，会有一个很大的冲击电流经三相桥式整流器加至CF两端，使VD1—VD6有可能损坏；
与此同时，还可能使电源造成瞬间电压下降明显，形成干扰信号。
而设置RS，则消弱了该冲击电流。
RS如果自始至终长期串入电路，既影响直流电压UD，又会影响变频器的输出电压。
设置了短路开关S，当UD增大到一定程度时，令S接通，则把RS设为旁路，以确保变频器的输出不受影响。
在图2-1中，RS与S之间另并联一只晶闸管，通常S是由晶闸管充当。
在容量较小的变频器中，S则有继电器的敞开触头充当。
2.4逆变电路
逆变电路由电力电子器件V1—V6构成，常称逆变桥，它们接受控制电路中的SPWM调制信号的命令，将直流电逆变成三相交流电，有U、V、W三个输出端输出，供给交流异步电动机。
2.5续流电路
VD7—VD12构成续流电路，其作用有三点：
（1）为三相异步电动机绕组无功电流返回直流电路，提供了通路。
（2）当频率下降引起电动机同步转速下降时，VD7—VD12为绕组的再生电源反馈至直流电路提供续流。
（3）为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供续流通路。
2.6能耗制动电路
在变频调速中，电动机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的。
在频率刚刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的作用，转子转速未变。
当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变180度，电动机此时处于发电机状态；
于此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，因此，认为此时的电动机处于再生制动状态。
电动机再生的电能经续流电路VD7—VD12做全波整流后，反馈到直流电路。
由于直流电路电压UD无法回输给电网，仅仅依靠CF1和CF2吸收，尽管各部分电路还在继续消耗电能，但CF1和CF2上仍有短时间的电荷堆积。
使直流电压UD升高。
过高的直流电压将危机各部分电路的电力电子器件。
所以，在直流电压UD超过一定值时，就要求提供一条“放电回路”，把再生的电能消耗掉。
此时是通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。
用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。
RB是能耗制动电路中最为重要的元件，它把电动机的再生电能转换成热能消耗掉。
RB的阻值一般以使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，其功率取决于电动机的容量和状况。
除了制动电流RB外，电路中还有一个十分重要的制动部件BV，如图2-2所示。
图2-2BV部件电路图
这里的VB，即图中2-1中的VB。
BV的作用是当直接回路电压UD超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回路经过RB释放能量。
VB是电力功率管，用于接通或关断能耗电路，是制动电路BV的核心部件。
“采样比较”即为电压取样与比较电路，这是由于VB的驱动电路是低压电路，所以只能按比例取出UD的一部分作为采样电压，与基准电压进行比较，加至VB的基极从而实现控制目的。
电力功放管VB常用器件是GBT或IGBT，其选择指标主要是击穿电压Ucex。
3变频器的设计要求
3.1变频器的线路要求
信号线与动力线必须分开走线：
使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少来自变频器和其它设备对模拟量信号的干扰，必须将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线，线距应在30cm以上，即使在控制柜内，也保持此线距，该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。
信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：
如果不把连接PLC和变频器的信号线放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰，这样做是为屏蔽干扰信号；
同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线及易对外产生强电磁干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线传输信号的稳定。
3.2变频器的使用要求
（1）所有变频器输入端的外侧明显部位都标注有“电源”，输出端的外侧明显部位都标注有“电动机”，严禁接反，输出端一旦接上电源，马上就会烧坏变频器。
（2）严禁使用摇表测量变频器绝缘。
测量电动机，电缆绝缘前，必须与变频器脱离（断开隔离开关或者从变频器侧解下电缆）。
（3）不准长时间在10Hz频率以下运行。
（4）内部有大电容存着电，防止触电，严禁直接放电。
变频器停电后的一段时间内，电容上的电压不会消失。
（5）必须单独接地，不准采用串联方式接地。
3.3变频器的相关参数的要求
变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。
电机参数：
变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
控制方式：
即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。
采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
3.4变频器的抗干扰
形成电磁干扰须具备三要素:
电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。
为防止干扰，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的藕合通道、降低系统干扰信号的敏感性。
具体措施在工程上可采用以下几点方法。
（1）变频器的输出端不允许接入电容器，以免在逆变管导通（关断）瞬间，产生峰值很大的充电（或放电）电流，损害逆变管；
（2）屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。
通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏;
输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路线（AC380V）及控制线（AC220V）完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。
（3）变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声的重要手段。
变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。
变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。
信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。
变频器与控制柜之间电气相通。
（4）合理布线，对于通过感应方式传播的干扰信号，可以通过合理布线的方式来削弱。
具体方法有：
1）设备的电源线和信号线应量远离变频器的输入、输出线；
2）其他设备的电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行；
4常见故障及分析
随着工业的快速发展，现在煤矿使用的采煤机基本上都是采用变频器电牵引式，因此掌握变
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