变频调速的工作原理.docx

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变频调速的工作原理

变频调速的工作原理

变频器的功用是将频率固定的（通常为50Hz的）交流电（三相或单相）变成频率联系可调（多数为0-400Hz）的三相交流电。

由公式：

n0＝60f/p

其中n0为旋转磁场的转速通常称为同步转速

f为电流的频率

p为旋转磁场的磁极对数

当频率f连续可调时（一般P为定数），电动机的同步转速也连续可调。

又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些，所以，当同步转速连续可调时，异步电动机转子的转速也是连续可调的。

变频器就是通过改变f（电流的频率）来使电动机调速的 

在变频器日常维护过程中,经常遇到各种各样的问题,如外围线路问题,参数设定不良或机械故障。

如果是变频器出现故障，如何去判断是哪一部分问题，在这里略作介绍。

一、静态测试

1、测试整流电路

找到变频器内部直流电源的P端和N端，将万用表调到电阻X10档，红表棒接到P，黑表棒分别依到R、S、T，应该有大约几十欧的阻值，且基本平衡。

相反将黑表棒接到P端，红表棒依次接到R、S、T，有一个接近于无穷大的阻值。

将红表棒接到N端，重复以上步骤，都应得到相同结果。

如果有以下结果，可以判定电路已出现异常，A.阻值三相不平衡，可以说明整流桥故障。

B.红表棒接P端时，电阻无穷大，可以断定整流桥故障或起动电阻出现故障。

2、测试逆变电路

将红表棒接到P端,黑表棒分别接U、V、W上，应该有几十欧的阻值，且各相阻值基本相同，反相应该为无穷大。

将黑表棒接到N端，重复以上步骤应得到相同结果，否则可确定逆变模块故障

二、动态测试

在静态测试结果正常以后，才可进行动态测试，即上电试机。

在上电前后必须注意

以下几点:

1、上电之前，须确认输入电压是否有误，将380V电源接入220V级变频器之中会出现炸机（炸电容、压敏电阻、模块等）。

2、检查变频器各接播口是否已正确连接,连接是否有松动,连接异常有时可能导致变频器出现故障,严重时会出现炸机等情况。

3、上电后检测故障显示内容,并初步断定故障及原因。

4、如未显示故障,首先检查参数是否有异常,并将参数复归后,进行空载（不接电机）情况下启动变频器,并测试U、V、W三相输出电压值。

如出现缺相、三相不平衡等情况，则模块或驱动板等有故障

5、在输出电压正常（无缺相、三相平衡）的情况下，带载测试。

测试时，最好是满负载测试。

三、故障判断

1、整流模块损坏

一般是由于电网电压或内部短路引起。

在排除内部短路情况下，更换整流桥。

在现场处理故障时，应重点检查用户电网情况，如电网电压，有无电焊机等对电网有污染的设备等。

2、逆变模块损坏

一般是由于电机或电缆损坏及驱动电路故障引起。

在修复驱动电路之后，测驱动波形良好状态下，更换模块。

在现场服务中更换驱动板之后，还必须注意检查马达及连接电缆。

在确定无任何故障下，运行变频器。

3、上电无显示

一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起，如启动电阻损坏，也有可能是面板损坏。

4、上电后显示过电压或欠电压

一般由于输入缺相，电路老化及电路板受潮引起。

找出其电压检测电路及检测点，更换损坏的器件。

5、上电后显示过电流或接地短路

一般是由于电流检测电路损坏。

如霍尔元件、运放等。

6、启动显示过电流

一般是由于驱动电路或逆变模块损坏引起。

7、空载输出电压正常,带载后显示过载或过电流

该种情况一般是由于参数设置不当或驱动电路老化,模块损伤引起。

关于变频调速给水的基本原理

目前，变频调速生活给水在建筑给水中应用越来越广，其主要原因是：

1.变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。

在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。

但在选泵时应注意，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制。

最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作，否则应加大变频器和水泵电机的容量，以防止发生过载。

2.目前，变频器技术已很成熟，在市场上有很多国内外品牌的变频器，这为变频调速供水提供了充份的技术和物质基础。

变频器已在国民经济各部门广泛使用。

任何品牌的变频器与变频供水控制器配合，即可实现多泵并联恒压供水。

因为建筑供水的应用广泛，有些变频器设计生产厂家把变频供水控制器直接做在供水专用变频器中；这种变频器具有可靠性好，使用方便的优点。

3.变频调速恒压供水具有优良的节能效果。

由水泵－管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。

调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量，具有优良的节能效果。

我国国家科委和国家经贸委在《中国节能技术政策大纲》中把泵和风机的调速技术列为国家九五计划重点推广的节能技术项目。

应当指出，变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。

由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水。

在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。

多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变（因工况不变），并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率随流量而改变。

因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。

当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器，当用水流量接近于零，变频泵能自动睡眠停泵，从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗，具有最佳的节能效果。

多泵并联变频恒压变量供水的工作模式通常是这样的：

当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水流量增大，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供的流量是恒定的（工频转速恒压下的流量），其余各并联工频泵按相同的原理投入。

在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降，变频调速泵的转速下降（变频器供电频率下降）；当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之超出并联供水。

为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击（水力的或电流的冲击）。

在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。

在超出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。

上述频率自动上升，下降由供水变频控制器控制。

另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式。

在这种供水模式中，当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高。

当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电（不通过变频器供电）。

变频器则另外启动一台并联泵投入工作。

随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。

这就是循环软启动投入方式。

当用水流量减少，各并联工频泵按次序关泵超出，并泵超出的顺序按先投入先关泵超出的原则由变频控制器单板计算机控制。

由上述可见，对于变频恒压变量给水通常有两种工作模式，一是变频泵固定方式，二是变频循环软启动工作方式。

在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或超出的。

因为变频泵固定不变，当用水流量变化，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。

为了均衡各水泵的运行时间，对于变频泵固定运行方式，可以设计成变频泵定时轮换运行方式。

即当某一台变频泵运行一定时间后，由变频控制器控制变频泵自动进行轮换。

例如：

开始时1泵变频，2－3泵工频，当1泵变频运行T时间后（T可按序设定）自动轮换为2泵变频，3－1泵工频；在此状态下运行T时间后自动轮换为3泵变频，1－2工频，……。

如此反覆进行定时轮换。

显然，具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都有可能成为变频泵。

由变频恒压变量供水理论可知，为了保证恒压供水，变频泵必须是各并联泵中的最大者。

为此，对于变频恒压供水并变频泵自动定时轮换的水机，各并联水泵的大小应相同以保证恒压供水。

按变频器工作原理，在运行中的变频器不允许在其输出端进行切换；否则在切换过程中会使变频器中的某些电子器件受到大电流冲击而降低其寿命。

在变频泵自动轮换过程中，要在变频器的输出端进行切换；为了保护变频器，在进行自动切换之前应使变频器停止运行。

在变频器停止运行的条件下，在其输出端进行切换。

在切换好后再重新启动变频器而恢复正常运行。

因此，自动轮换控制的电路比较复杂，会增加变频控制柜的造价并降低其使用可靠性。

当变频恒压变量供水系统具有变频泵自动轮换功能，其优点是各并联泵可定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡。

但是，在任一台泵变频运行时，万一水泵故障有可能使变频器保护跳闸而停止工作。

各并联水泵是由变频器控制运行的；当变频器跳闸，必然使所有并联水泵停机而中断供水。

因此，当水泵的可靠性一定，具有自动轮换控制功能的变频恒压供水机的供水可靠性将低于不具备自动轮换控制功能的变频恒压供水机。

笔者认为，供水可靠性是主要矛盾。

因此我们不主张采用具有自动轮换控制功能的变频恒压给水系统。

多泵并联，循环软启动的变频恒压给水系统，同样存在上述变频恒压自动轮换工作模式的缺点。

为了保证恒压供水，同样要求各并联泵的大小相同。

综上可述，为保证供水可靠性，笔者不主张采用自动轮换和变频循环软启动的工作模式。

清华紫光集团自动化工程部在其《ABB恒压供水系统用户手册》中说，“循环软启动!

这是一个危险的诱惑，很多搞恒压供水的人热衷于发展此项技术，但我们的建议是否定的。

……”我们赞同清华紫光集团自动化工程部的上述学术见解，不热衷于搞变频循环软启动供水。

由水泵－管路供水原理可知，当节流损耗等于零，则供水系统具有最佳的节能效果，此时水泵的供水扬程完全消耗在供水高度和供水流阻损失上。

这种变频调整供水称为理态的变压变量供水，这种供水系统的扬程－流量曲线和管路系统的流阻—流量曲线重合。

在理想的变压变量供水系统中，在用水点，其扬程恒定，属于恒压供水。

在实际建筑中，用水点是多处，不是一处，因此很难确定何处是恒压用水点。

变压变量供水系统没有通用性，在工程上很少应用。

一种实用的变压变量供水系统叫做准变压变量供水系统；在准变压变量供水系统中，其恒压值随用水流量增加而跃阶上升。

例如多泵并联恒压供水，当一台泵工作，其恒压值为P1；当投入一台泵，其恒压值自动变为P1＋ΔP1；当二、三、四台泵投入，其恒压值分别自动变为P1＋ΔP1＋ΔP2，P1＋ΔP1＋ΔP2＋ΔP3，P1＋ΔP1＋ΔP2＋ΔP3＋ΔP4，……。

其中P1，ΔP1，ΔP2，ΔP3，ΔP4，……可按需要设定；因此，准变压变量系统（设备）的供水特性可以十分接近理想的变压变量供水特性，具有优良的节能效果，这种供水系统（设备）具有通用性。

例如国际上著名的ABB供水专用变频器就具有上述的准变压变量供水控制功能。

事实上，在建筑供水当中，准变压变量供水模式也很少应用，因为在实际使用当中，很难给出ΔP1，ΔP2，ΔP3……等等的具体参数。

主要参考文献

1符锡理，“变频调速供水泵原理和实践”，《变频器世界》，1999，N010。

2符锡理，“变频恒压给水设备变频泵固定运行方式与循环运行方式的对比分析”，《变频器世界》，2000，N012。

关于变频调速的若干问题

1、什么是变频器？

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。

2、PWM和PAM的不同点是什么？

PWM是英文PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。

PAM是英文PulseAmplitudeModulation（脉冲幅度调制）缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。

3、电压型与电流型有什么不同？

变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波石电感。

4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？

异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。

因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。

这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。

5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加;对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？

频率下降（低速）时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。

6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？

采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下（根据机种不同，为125%~200%）。

用工频电源直接起动时，起动电流为6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。

采用变频器传动可以平滑地起动（起动时间变长）。

起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。

7、V/f模式是什么意思？

频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。

V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。

8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？

频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。

因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。

可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。

9、在说明书上写着变速范围60~6Hz，即10:

1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗？

在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。

变频器实际输出频率（起动频率）根据机种为0.5~3Hz.

10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？

通常情况下时不可以的。

在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。

11、所谓开环是什么意思？

给所使用的电机装置设速度检出器（PG），将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫作“开环”。

通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。

12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办？

开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内（1%～5%）变动。

对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器（选用件）。

13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？

具有ＰＧ反馈功能的变频器，精度有提高。

但速度精度的植取决于ＰＧ本身的精度和变频器输出频率的分辨率。

14、失速防止功能是什么意思？

如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速（电角频率）的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。

为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。

当加速电流过大时适当放慢加速速率。

减速时也是如此。

两者结合起来就是失速功能。

15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？

加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。

16、什么是再生制动？

电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。

17、是否能得到更大的制动力？

从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。

如采用选用件制动单元，可以达到50%~100%。

18、转矩提升问题自控系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化，控制工艺指标，如在烟草行业的糖料、香料工序，可由皮带称的流量信号来控制变频器频率，使泵的转速随流量信号自动变化，调节加料量，均匀地加入香精、糖料。

也可利用生产线起停信号通过正、反端子控制变频器的起、停及正、反转，成为自动流水线的一部分。

此外在流水生产线上，当前方设备有故障时后方设备应自动停机。

变频器的紧急停止端可以实现这一功能。

在SANKEN、MF、FUT和FVT系列变频器中可以预先设定三四个甚至多达七个频率，在有些设备上可据此设置自动生产流程。

设定好工作频率及时间后，变频器可使电机按顺序在不同的时间以不同的转速运行，形成一个自动的生产流程。