变频器.docx

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变频器

所谓变频器请大家以及楼主参考（变频器的工作原理和控制方式）（请楼主指教）限于此贴以前我有在电子论坛发过（所以在复制过来给楼主做参考）近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。

如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。

下面结合作者的实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式：

（一）变频器的工作原理交流电动机的同步转速表达式位：

n＝60f（1－s）/p

（1）式中：

n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。

由式

（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

（二）矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。

然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

（三）直接转矩控制（DTC）方式1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。

该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。

目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。

它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

（四）矩阵式交交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。

其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。

为此，矩阵式交交变频应运而生。

由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。

它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。

该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。

具体方法是：

控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现BandBand控制按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。

变频器功能参数很多，一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。

实际应用中，没必要对每一参数都进行设置和调试，多数只要采用出厂设定值即可。

但有些参数由于和实际使用情况有很大关系，且有的还相互关联，因此要根据实际进行设定和调试。

因各类型变频器功能有差异，而相同功能参数的名称也不一致，为叙述方便，本文以富士变频器基本参数名称为例。

由于基本参数是各类型变频器几乎都有的，完全可以做到触类旁通。

一加减速时间加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。

通常用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。

在电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以防止过电压。

加速时间设定要求：

将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失速而引起变频器跳闸；减速时间设定要点是：

防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。

加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。

二转矩提升又叫转矩补偿，是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低，而把低频率范围f/V增大的方法。

设定为自动时，可使加速时的电压自动提升以补偿起动转矩，使电动机加速顺利进行。

如采用手动补偿时，根据负载特性，尤其是负载的起动特性，通过试验可选出较佳曲线。

对于变转矩负载，如选择不当会出现低速时的输出电压过高，而浪费电能的现象，甚至还会出现电动机带负载起动时电流大，而转速上不去的现象。

三电子热过载保护本功能为保护电动机过热而设置，它是变频器内CPU根据运转电流值和频率计算出电动机的温升，从而进行过热保护。

本功能只适用于一拖一场合，而在一拖多时，则应在各台电动机上加装热继电器。

电子热保护设定值（%）=[电动机额定电流（A）/变频器额定输出电流（A）]100%。

四频率限制即变频器输出频率的上、下限幅值。

频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。

在应用中按实际情况设定即可。

此功能还可作限速使用，如有的皮带输送机，由于输送物料不太多，为减少机械和皮带的磨损，可采用变频器驱动，并将变频器上限频率设定为某一频率值，这样就可使皮带输送机运行在一个固定、较低的工作速度上。

五偏置频率有的又叫偏差频率或频率偏差设定。

其用途是当频率由外部模拟信号（电压或电流）进行设定时，可用此功能调整频率设定信号最低时输出频率的高低，如图1。

有的变频器当频率设定信号为0%时，偏差值可作用在0～fmax范围内，有的变频器（如明电舍、三垦）还可对偏置极性进行设定。

如在调试中当频率设定信号为0%时，变频器输出频率不为0Hz，而为xHz，则此时将偏置频率设定为负的xHz即可使变频器输出频率为0Hz。

六频率设定信号增益此功能仅在用外部模拟信号设定频率时才有效。

它是用来弥补外部设定信号电压与变频器内电压（+10v）的不一致问题；同时方便模拟设定信号电压的选择，设定时，当模拟输入信号为最大时（如10v、5v或20mA），求出可输出f/V图形的频率百分数并以此为参数进行设定即可；如外部设定信号为0～5v时，若变频器输出频率为0～50Hz，则将增益信号设定为200%即可。

七转矩限制可分为驱动转矩限制和制动转矩限制两种。

它是根据变频器输出电压和电流值，经CPU进行转矩计算，其可对加减速和恒速运行时的冲击负载恢复特性有显著改善。

转矩限制功能可实现自动加速和减速控制。

假设加减速时间小于负载惯量时间时，也能保证电动机按照转矩设定值自动加速和减速。

驱动转矩功能提供了强大的起动转矩，在稳态运转时，转矩功能将控制电动机转差，而将电动机转矩限制在最大设定值内，当负载转矩突然增大时，甚至在加速时间设定过短时，也不会引起变频器跳闸。

在加速时间设定过短时，电动机转矩也不会超过最大设定值。

驱动转矩大对起动有利，以设置为80～100%较妥。

制动转矩设定数值越小，其制动力越大，适合急加减速的场合，如制动转矩设定数值设置过大会出现过压报警现象。

如制动转矩设定为0%，可使加到主电容器的再生总量接近于0，从而使电动机在减速时，不使用制动电阻也能减速至停转而不会跳闸。

但在有的负载上，如制动转矩设定为0%时，减速时会出现短暂空转现象，造成变频器反复起动，电流大幅度波动，严重时会使变频器跳闸，应引起注意。

八加减速模式选择又叫加减速曲线选择。

一般变频器有线性、非线性和S三种曲线，通常大多选择线性曲线；非线性曲线适用于变转矩负载，如风机等；S曲线适用于恒转矩负载，其加减速变化较为缓慢。

设定时可根据负载转矩特性，选择相应曲线，但也有例外，笔者在调试一台锅炉引风机的变频器时，先将加减速曲线选择非线性曲线，一起动运转变频器就跳闸，调整改变许多参数无效果，后改为S曲线后就正常了。

究其原因是：

起动前引风机由于烟道烟气流动而自行转动，且反转而成为负向负载，这样选取了S曲线，使刚起动时的频率上升速度较慢，从而避免了变频器跳闸的发生，当然这是针对没有起动直流制动功能的变频器所采用的方法。

九转矩矢量控制矢量控制是基于理论上认为：

异步电动机与直流电动机具有相同的转矩产生机理。

矢量控制方式就是将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流，分别进行控制，同时将两者合成后的定子电流输出给电动机。

因此，从原理上可得到与直流电动机相同的控制性能。

采用转矩矢量控制功能，电动机在各种运行条件下都能输出最大转矩，尤其是电动机在低速运行区域。

现在的变频器几乎都采用无反馈矢量控制，由于变频器能根据负载电流大小和相位进行转差补偿，使电动机具有很硬的力学特性，对于多数场合已能满足要求，不需在变频器的外部设置速度反馈电路。

这一功能的设定，可根据实际情况在有效和无效中选择一项即可。

与之有关的功能是转差补偿控制，其作用是为补偿由负载波动而引起的速度偏差，可加上对应于负载电流的转差频率。

这一功能主要用于定位控制。

十节能控制风机、水泵都属于减转矩负载，即随着转速的下降，负载转矩与转速的平方成比例减小，而具有节能控制功能的变频器设计有专用V/f模式，这种模式可改善电动机和变频器的效率，其可根据负载电流自动降低变频器输出电压，从而达到节能目的，可根据具体情况设置为有效或无效。

要说明的是，九、十这两个参数是很先进的，但有一些用户在设备改造中，根本无法启用这两个参数，即启用后变频器跳闸频繁，停用后一切正常。

究其原因有：

（1）原用电动机参数与变频器要求配用的电动机参数相差太大。

（2）对设定参数功能了解不够，如节能控制功能只能用于V/f控制方式中，不能用于矢量控制方式中。

（3）启用了矢量控制方式，但没有进行电动机参数的手动设定和自动读取工作，或读取方法不当。

变频器是VVVF（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）的中文译名。

应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。

Variable-frequency_drive是变频器的英译

变频器的作用

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+交流鼠笼异步电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。

[编辑]变频器的组成

变频器通常分为4部分：

整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。

整流单元将工作频率固定（大陆为50Hz）的交流电转换为直流电。

高容量电容存储转换后的电能。

逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电,驱动交流鼠笼异步电动机。

[编辑]变频器译名的由来

变频器的英文对应名称为：

Variable-frequency_drive，最早的英文名称缩写为VVVF（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）或3VF。

全称可直译为可变电压可变频（控制器，控制元件元件），这个名称太长，不便于记忆。

1980年代末沈阳居乃明提出VVVF可简化命名为变频器或变频调速器并用于产品设计，这个命名由东北工学院（今东北大学）佟纯厚教授审定后逐渐流行，被普遍接受，国外厂家也接受了这个命名，并且采用了对应的英文译名Variable-frequency_drive作为产品通用名称。

在中国大陆，“变频器”几乎完全替代了除VVVF以外的其它叫法，原有的半导体技术中的“变频器”反而鲜为人知。

[编辑]历史

变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。

传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。

20世纪1960年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。

但其调速性能远远无法满足需要。

20世纪1970年代开始，脉宽调制变压变频（PWM－VVVF）调速研究，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。

20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。

最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。

不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。

中国最早的变频器可能是富士与大连电机厂合资组装的。

目前在低压（380V）中小功率范围，中国生产的变频器质量据信也已经稳定

1、什么是变频器?

变频器一般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，其直流回路的滤波是电感。

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的转矩有减小的倾向。

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?

通常情况下是不可以的。

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接近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。

但速度精度的值取决于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防止功能。

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、请说明变频器的保护功能?

保护功能可分为以下两类：

（1）检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。

（2）检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。

如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。

19、为什么用离合器连续负载时，变频器的保护功能就动作?

用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。

20、在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么?

电机起动时将流量和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能（IPE）动作，造成停止运转。

21、什么是变频分辨率?

有什么意义?

对于数字控制的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。

这个级差的最小单位就称为变频分辨率。

变频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。

这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。

在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为1r/min以下，也可充分适应。

另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。

22、装设变频器时安装方向是否有限制。

变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。

23、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以?

在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。

将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于变频器切断过电流，电机不能起动。

24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题?

超过60Hz运转时应注意以下事项

（1）机械和装置在该速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）。

（2）电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维持工作（风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）。

（3）产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。

（4）对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。

25、变频器可以传动齿轮电机吗?

根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。

在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。

26、变频器能用来驱动单相电机吗?

可以使用单相电源吗?

单相电机基本上不能用。

对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁

辅助绕组;对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。

变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。

27、变频器本身消耗的功率有多少?

它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。

不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。

28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用?

一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。

29、使用带制动器的电机时应注意什么?

制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。

如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。

所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。

30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，请说明原因

变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流（OCT）,所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。

31、变频器的寿命有多久?

变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。

32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何?

风扇若是坏了会怎样?

对于小容量也有无冷却风扇的机种。

有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。

还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。

风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护

33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命?

作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品额定容量的85%为基准来判断寿命。

34、装设变频器时安装方向是否有限制?

应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。

其措施有：