变频器的使用及维修毕业设计Word格式.docx
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目
录
第一章
调速传动的历史及逆变器的发展
6
1-1
调速传动的变迁
1-1-1机械式调速传动
1-1-2变速联轴节
1-1-3调速电动机
7
1-2逆变器
第二章
变频器原理
9
2-1
异步电动机调速运行原理
2-2
变频器的基本动作原理及特点
10
2-3
逆变器的构成与功能
14
2-3-1主电路
2-3-2控制电路
17
第三章
使用变频器的目的和优点
21
3-1
变频器的功能和用途
3-2
使用变频器的优点
3-3常见机械及其负载特性
25
第四章
变频器的选型
26
4-1
4-1-1变频器选型时要确定以下几点：
第五章
逆变器的安装与接线
27
5-1
变频器的安装环境
5-2
变频器和电机的距离确定电缆和布线方法
5-3
变频器的接地
28
5-4
变频器接线规范
第六章
变频器的维修
29
6-1
日常的维护与检查
6-2
故障处理与恢复运行（以车载逆变器最常见的故障及处理方法为例）29
第七章
变频器的运行和相关参数的设置及常见故障分析
30
7-1
变频器的运行和相关参数的设置：
7-2
常见故障分析：
第八章
结论
32
参考文献:
33
致
谢
34
概述
动力的历史，始于1766年瓦特的蒸汽机发明，经过1871年交流发电机的发明、1885年多相异步电动机的发明，进入以电动机为中心的时代，电动机有以下优点，是一种使用更方便的动力。
电力可以集中，也可以分散。
可以选择容量与负载相适应的电动机，高效运转，设备计划经济。
维修、操作简单，等等。
另一方面，随着产业的发展，为了提高生产率和质量，调速传动在各个领域内的必要性增大了。
调速传动的历史也始于机械式。
1960年以后，由于电力电子技术、微电子技术的急速发展，电动机直接调速的传动才成为主流。
特别是采用逆变器的鼠笼式异步电动机调速传动，由于使用方便，随着其经济型的提高逐步推广起来。
1.1调速传动的变迁
1.1.1机械式调速传动
调速传动的分类如表1-1所示。
表1-1调速传动方式的分类
调速传动
机械式调速传动
蒸汽动力
蒸汽机
蒸汽轮机
内燃机
容积式
速度式
电动机式调速传动
定速电动机+调速联轴节
调速电动机
1.1.2变速联轴节
变速联轴节就是在以定速运转的电动机轴上装设可调速的联轴节，用以改变负载装置的输入转速。
这种方式的典型代表如表1-2示。
表1-2变速联轴节
定数电动机+变速联轴节
机械式变速机
变间距皮带轮与挠性带
圆锥摩擦轮
金属环
球面摩擦轮
行星锥与环
油压式变速机
液压联轴节
液压变矩器
油压离合器
电气式变速机
点此转差离合器
1.1.3调速电动机
在调速传动中，常常强烈要求将所用的电动机直接调速运转。
这种调速电动机，以前只是一小部分被采用，现在由于电力电子及微电子技术的进步，调速传动已成为主流。
1.2逆变器
采用逆变器的调速传动，从家用空调到数MW级的产业用设备被广泛的采用着。
其原因如下：
与逆变器配合使用的电动机为通用的鼠笼式异步电动机。
不需要机械式的附属装置。
制造厂家的技术和价格同用户的要求相一致。
1.2.1逆变器的发展
（1）电力电子技术的发展
晶闸管的真正开始生产是在晶闸管供电的直流电动机系统被采用之后。
1970年晶闸管被用作逆变器主回路中的高速开关元件。
1972年电压型逆变器被纺织厂实际采用，其后电流型逆变器、多重电压型逆变器、多重电流型逆变器等晶闸管逆变器依次实用化。
另外，1975年电力晶体管、1980年电力晶体管模块及真正的GTO（可关断晶闸管）的生产开始，1981年取得了急速的发展，使实际通用型逆变器得以完成。
现在1200V、300A以下的晶体管已模块化，GTO元件最大达4500V、3000A。
（2）微电子技术的发展
电子学近几十年的历史可以看作是逐渐小型化的历史，推动电子产品朝小型化过渡的主要动力是元器件和集成电路IC的微型化。
随着微电子技术的发展，器件的速度和延迟时间等性能对器件之间的互连提出了更高的要求，由于互连信号延迟、串扰噪声、电感电容耦合以及电磁辐射等影响越来越大，由高密度封装的IC和其他电路元件构成的功能电路已不能满足高性能的要求。
人们已深刻认识到，无论是分立元件还是IC，封装已成为限制其性能提高的主要因素之一。
目前电子封装的趋势正朝着小尺寸、高性能、高可靠性和低成本方面发展。
（3）控制技术的发展
逆变器的控制始于电压与频率成比例改变的异步电动机调速传动。
这种控制在电动机的解析技术、仿真技术及控制理论等控制技术方面也取得了很大的进步。
这种进步同电力电子与微电子技术的发展相结合，实现了矢量控制等快速响应和高功能。
上述技术进步同用户的下述社会要求相结合构筑了逆变器时代。
要求节能。
要求用精密、快速响应手段提高产品质量。
要求自动化。
要求改善维修性。
变频器原理
2-1异步电动机调速运行原理
由转速n二60f（1一、）/p可知，异步电动机调速有以下几个方法。
（1）改变磁极对数p（变极调速）
定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。
所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。
通常，一套绕组只能换接成两种磁极对数。
变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高，既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；
缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。
（2）改变转差率：
（变转差率调速）
以改变转差率为目的的调速方法有定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速及串极调速等。
①定子调压调速。
当负载转矩一定时，随着电动机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率，增大，转速减小，从而达到速度调节的目的；
同理，定子电压升高，转速增加。
调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽；
缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。
调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。
分体机上的室内风机就是利用定子电压调速的方法进行调速的。
根据风机速度的反馈信号，控制晶闸管SCR导通的相角，从而控制风机定子的输人电压，以控制风机的风速。
在空间位置上互差27r/3rad电度角的三相绕组通以在时间上互差27c/3rad相位角（或1/3周期）的三相交变电流可产生旋转磁场。
同样，在空间位置上互差二/2rad电度角的两相绕组通以在时间上互差7c/2rad相位角（或1/2周期）的两相交变电流也可产生旋转磁场，电容C的作用就是把一相电流移相，以产生两相在时间上互差二/2rad相位角（或112周期）的交变电流。
在空间位置上互差n/2rad电度角的两相绕组是由风机的内部结构来保证的。
②转子变电阻调速。
当定子电压一定时，电动机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受到的电磁力增大，转差率减小，转速降低；
同理，增大定子电阻，转速增加。
转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，但其机械特性较软，调速范围受到一定的限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。
目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。
③电磁转差离合器调速。
异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。
电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋转。
离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。
电磁转差离合器的工作原理是：
如果磁极内励磁电流为零，则电枢与磁极之间没有任何电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被“脱离”；
如果磁极内通人直流励磁电流，磁极即产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极之间有相对运动而在电枢绕组中产生电流，并产生力矩，磁极将沿着电枢的运动方向旋转，此时负载相当于被“合上”，调节磁极内通人的直流励磁电流就可调节转速。
电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，适用于通风类或恒转矩类负载；
缺点是低速时损耗大，效率低。
④串极调速。
前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题，串极调速能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来，同时又能提高调速性能。
串极调速将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，提高设备的效率。
串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小来改变转子电流的大小，从而改变转速。
串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。
（3）改变频率f（高频调速）
当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电动机的转速。
异步电动机变频调速具有调速范围广、平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便地实现恒转矩或恒功率调速。
整个调速特性与直流电动机的调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美。
2.2变频器的基本工作原理及特点
作为变频器，通常采用三相逆变器。
但这里为了简化电路，采用单相逆变器来说明电压型、电流型、电压控制、电流控制等逆变器的基本工作原理。
作为主电路方式有电压型变频器和电流型变频器。
电压型是将电压源的直流电变换成交流电的变频器，电流型是指将电流源的直流电变换为交流电的方式。
下面用机械开关来说明其基本动作。
负载是异步电动机，采用图2（b）的等效电路（忽略IM、r1、r2），并为滞后功率因数负载。
（一）电压型
电压型逆变器的原理图及其动作如图3所示。
其中图a为单相桥式电压型逆变器，如果使开关S1~S4像图d那样导通、关断，那么负载电压u就成为矩形波交流电压，其大小等于直流电压源电压Ed，如图b中实线所示。
这里假定负载电流i由于负载电感的平滑作用为正弦波交流电流，如图b中虚线所示。
a）电路构成b）电压/电流波形
c）直流电流波形（瞬时功率）
d）开关动作状态
现在，使开关S1、S2导通，由直流电压源Ed沿图a中①路线供给负载电流i。
在时刻t1使这两个开关关断，同时使开关S3、S4导通，于是负载的无功功率就沿②路线反馈给直流电压源Ed。
考虑负载电流i和开关的动作状态，直流电流Id的波形如图c所示。
另外，负载电压u与负载电流i的积为瞬时功率P，它与直流电流Id的波形相同。
瞬时功率P的平均值Pa为向负载提供的有功功率。
时刻t1～t2的滞后角相当于异步电动机的滞后功率因数角，时有功功率为正（电动状态），时为负（再生状态）。
滞后角与瞬时功率P及有功功率Pa的关系。
当开关采用单方向导通的半导体开关器件时，以晶体管为例，为了向电源反馈（路线②），要同晶体管反并联续流二极管。
电压型变频器的主电路构成见表1中项1～3所列，由晶闸管或二极管、晶体管构成的整流器、平波电容（用作电压源）以及逆变器组成。
（二）电流型
电流型变频器的原理及其动作如图5所示。
其中图a为单相桥式电流型逆变器。
如果使开关S1～S4像图d那样导通、关断，则负载电流i就变为矩形波交流电，大小等于直流电源电流Id，如图b中实线所示。
负载电压u由负载的感应电动势e决定，为正弦波形.
a）电路构成
b）输出电压电流波形
c）直流电压波形（瞬时功率）
d）S1、S2动作、S3、S4动作
现在，使开关S1，S2导通，负载电流i从电流源经图示的路线①流出。
在时刻t1关断这两个开关时，因为是电流源，负载电流必须急速地反向，但是电感负载的电流不可能瞬时反向，在负载两端需要有吸收电感储存能量的电路。
在吸收此能量期间，负载两端将产生di/dt的尖峰电压。
由于能量吸收回路的作用，负载电流反向后，功率从负载向电源反馈，在时刻t2负载电压反向。
此后，在S1，S2再次导通时刻t3之间的期间，为功率从电源流向负载的电动状态。
考虑负载电压u和开关的动作状态，直流电压波形Ed为图c的波形。
另外瞬时功率P与直流电压波形相同。
此瞬时功率P的平均值为有功功率Pa，如图c中虚线所示。
异步电动机的滞后功率因数角与瞬时功率P和有功功率Pa的关系，同图4中的电压型逆变器波形一样。
采用半导体开关时，对于电流型逆变器通常采用晶闸管，它虽然需要换相电路，但可以兼用作能量吸收回路。
电流型逆变器的主电路构成见表1中的项4及5所列，变流器部分采用晶闸管，时采用变流器与平波电抗器使它具有电流源作用。
二、电压控制与电流控制、
主电路方式分为电压型及电流型两类，控制方式也分为电压控制及电流控制两种。
这两种方式，不管主电路方式是电压型还是电流型都可以适用。
通用变频器等采用电压控制方式，与输出频率成比例地控制输出电压。
对于需要快速响应的用途则必须控制输出电流，可采用电流控制方式。
1.电压控制
通用变频器适用电压型的电压控制。
表1中项1IGBT变频器和GTO晶闸管变频器，是在逆变器侧控制输出的电压和频率。
输出电压的大小，可以利用半导体开关的导通率将输出电压控制成为正弦波。
表1中项2及4的晶闸管变频器，是在整流器侧控制输出电压，在逆变器侧控制频率。
2.电流控制
对于要求类似直流电动机快速响应性的应用场合，为了快速控制异步电动机的转矩，适用电流控制。
表1中项5的电流型晶闸管变频器，在逆变器侧控制频率，在整流器侧控制电流。
该表中项3，用晶体管和GTO晶闸管构成的电压型变频器则适用这样的电流控制方式，利用逆变器侧的导通率将输出电流控制成为正弦波。
三、PAM与PWM
输出电压或输出电流的控制，可以在整流器侧或逆变器侧进行。
作为这种输出的控制手段有PAM和PWM两种方式。
（一）PAM（PulseAmplitudeModulation）
PAM是一种改变电压源的电压Ed（见图3）或电流源的电流Id（见图5）的幅值，进行输出控制的方式。
因此，在逆变器只控制频率，在整流器侧控制输出的电压或电流。
采用PAM调节电压时，高电压及低电压时的输出电压波形如图6所示。
a）高电压时
b）低电压时
表1中项2、4、5的晶闸管逆变器，其换相时间需要100～数百&
micro;
s，所以，难以做到用晶闸管来开关实现PWM控制，要采用在逆变器只控制频率的PAM方式。
（二）PWM（PulseWidthModulation）
在异步电动机恒转矩的变频调速系统中，随着变频器输出频率的变化，必须相应地调节其输出电压。
另外，在变频器输出频率不变的情况下，为了补偿电网电压和负载变化所引起的输出电压波动，也应适当地调节其输出电压。
具体实现调压和调频的方法有很多种，但总的来说，从变频器的输出电压和频率的控制方法来看，基本上按前所述分为PAM和PWM（PAM前已介绍，此处讨论PWM）。
PWM型变频器靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率，所以脉冲调制方法对PWM型变频器的性能具有根本性的影响。
脉宽调制的方法很多，从调制脉冲的极性上看，可以分为单极性和双极性调制两种；
从载频信号和参考信号（基准信号）频率之间的关系来看，又可以分为同步式和非同步式两种。
2-3逆变器的构成与功能
2-3-1主电路
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。
图1示出了典型的电压逆变器的例子。
其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。
图1典型的电压型逆变器一例
1.整流器最近大量使用的是二极管的变流器，如图1所示，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
2.平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
3.逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
图2以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。
图2电压型逆变器的输出电压{{分页}}
4.制动回路
异步电动机在再生制动区域使
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