1、第一节变频器简介一、变频器应用概况我国变频器应用始于 20 世纪 80 年代末，由于变频器的优越性能及节电效果，使用量不断增加，而且，每年以 20 的递增量在发展，近年来，年销售产值已达 40 亿元人民币。然而与国外发达国家相比，我国变频器的应用仅为可使用量的 15 20 % ，与发达国家的 70 80 相比差距还很大。随着国民经济的发展，对电气自动化的要求更高，而节能降耗、降低单耗、降低成本也更迫切，因此变频器的市场前景是十分乐观的。在强大的潜在市场的吸引下，国内外变频器制造厂商都蜂拥而上，目前国内约有 60 家（包括台湾地区约 20 家）、日本约 20 家、韩国 3 家、欧美近 30 家，
2、共约近 120 个品牌的变频器在国内市场上经销。我国主要变频器厂商集中在深圳、上海（神源）、北京、佛山（贺盛达）、山东（烟台、青岛、汉上、曲阜、潍坊）、浙江（慈溪、海盐、温岭、温州、柳市）、四川（成都市的佳灵、森兰）、江苏（无锡）、珠海（正立）、东莞等地。国外厂商也在国内投资建厂，例如西门子、ABB 、罗宾康、三肯、春日、日立、台安等。二、什么是变频器变频器至今并无确切的定义，但按其作用可理解为改变电动机电源频率值及电压值的自动化电气装置（或设备）。变频器由电力电子器件（如 IGBT 模块）、电子器件（集成电路、开关电源、电阻、电容）、微处理器（CPU ）等组成，接在电源输人 端（Ll ,L2
3、 , L3 ）和电动机输人端（U , V , W ）之间（见图l l ）。功率范围：0.75500kw （大于此功率值建议选用高压电动机及高压变频器）。频率范围：0 400Hz （指通用变频器）, 0 120Hz （指水泵、风机用的变频器）。电压范围：0 380V （或 44OV 、66OV ，指低压变频器）。三、为什么要改变频率三相交流异步电动机是用来把交流电能转化为机械能的，电动机有笼型和绕线转子型（较少使用）两种。由于异步电动机具有结构简单、体积较小、价格低廉、经久耐用、维修量小等优点，被大量地使用在交流传动上，其配上变频器，完全可代换其他调速装置，如直流调速、转差调速、滑差调速、串级调
4、速、换向器电动机调速、液力偶合调速等。异步电动机定子磁场的转速 n0 又称为同步转速，n 0 60f/p，单位为 r / min 。这里 f 是频率，p 是电动机磁极对数。转速与极对数的关系见表 1 - 1 。表 11 转速与极对数的关系速度 n0 3000 1500 1000 750极对数 p 1 2 3 4异步电动机的实际转速 n 总是小于 n0 ，转差S= n0一般 s 在 15范围内，它决定于气隙大小、硅钢片质量、铜耗、铁耗、风阻、摩擦、电动机结构等因素，见表 12。表 12 实际转速与同步转速的关系实际转速 n 2960 1460 960 720同步转速 n0 3000 1500 1
5、000 750整理后，异步电动机转速n= )1(6spf从上式可知，只要改变 f 、s 和 p 中的任意一项即可改变电动机转速，其中，改变 P 调速是有级的，即选用多极电动机，但多极电动机绕组较复杂，因而改变，调速是不经济的。对笼型异步电动机只有改变频率 f 才是既经济又无级的调速方式。改变频率又称变频，而变频器就是起到这个作用的装置。四、变频时为什么还要改变电压( l ) f50Hz 时电动机定子绕组内的感应电动势为 El = 4 44fWR w11式中 W 定子绕组的匝数；Rw1 绕组系数；1 电动机每极磁通。定子电压 U1 和定子绕组的感应电动势 El 的关系为U1= E1 + I1Z1
6、 式中 Z 1 定子绕组每相阻抗；I1 定子绕组相电流。若忽略定子压降 I1Z1 ，则 U14 44fWR w11 令 k=4 44fWR w1 ，则 E1 kf 1 ，所以 1E 1 / kf U 1 / f 。在频率 f 下降时，若 u1 不变，则 1 上升，要产生铁心的磁通饱和现象，为使磁通不变，必须在 f 下降时使 u1 同时下降，U1 / kf =C （常数），才可使磁通不饱和，保持巾，不变。这样电磁转矩 T 与（U 1/f1）成正比，也不变，即电动机拖动负载能力不发生改变。所以，变频时一定还要变压（故有 VVVF 之称） 。这种恒磁通变频变压调速方式，又称为恒转矩调速，即 T=C(
7、见图 12) 。（2）f50Hz 时，U 1/f 下降，但 U1 不能高于电动机的额定电压，这样 f 增加，U1 不变，则 1U 1/kf 变小，电磁转矩也变小，但 f 上升，电动机转速 n 增加。若令角速度 w=2f，则电动机的功率 P=Tw,即 T=P/w。所以，w 上升即 f 上升时，T 下降，从而使功率 P 不变，这种升频定压调速称为恒功率调速，即P=C(见图 13) 。图 1-2 恒转矩变频调速的机械特性 图 1-3 恒功率变频调速的机械特性（3）f20Hz 时，在低频段时定子绕组的压降不可忽视，表现为输出转矩减小，所以变频器都要有低频区电压补偿的功能。第二节 变频器的特性及选用一、
8、变频器工作特性（见图 14）从图 14 可知，f=050Hz 是恒转矩区，即 T=C,这时功率 P 程线性上升。f=50400Hz 是恒功率区，即 P=C，这时转矩 T 呈非线性下降。在实际使用变频器时，必须压注意的是负载的机械特性要与变频器的工作特性很好地相互匹配，才能更好地发挥变频器的应有作用。图 1-4 变频器的工作特性二、 变频器的外特性（见图 15）变频器的外特性是讨论变频器的输出频率，F 是函数，一般是线性关系，常用的有：1)U=400V, f=60Hz, U/f=400/60=6.67;2)U=380V, f=50Hz, U/f=380/50=7.6;3)U=380V, f=60
9、Hz, U/f=380/60=6.3;表 13 所示为输出电压与频率的实测值，供参考。表 13 输出电压与频率的实测值f/Hz 60 50 45 40 35 30U/v 400 373 333 299 256 219f/Hz 25 20 15 10 5U/v 183 149 113 77 38为了配合不同负载，根据低频补偿的使用要求，U/f 曲线可人为设定选用，以更好地发挥变频器的使用功效（见图 1-6 ）。三、使用变频器的目的及效果变频器的应用范围很广，凡是使用三相交流异步电动机电气传动的地方都可装置变频器，对设备来讲，使用变频器的目的无非是三个：l ）对电动机实现节能使用频率范围为。050
10、Hz ，具体值与设备类型、工况条件有关。2 ）对电动机实现调速使用频率范围为。0400Hz ，具体值按工艺要求而定，受电动机允许最大工作频率的制约。3 ）对电动机实现软起动、软制动频率的上升或下降，可人为设定时间，实现起、制动平滑无冲击电流或机械冲击。变频器的使用可节省电能，降低生产成本，减少维修工作量，给实现生产自动化带来方便和好处，应用效果十分明显，对产品质量、产量、合格率都有很大提高。四、什么情况下要选用变频电动机一般交流异步电动机配用变频器时，电动机不需要更换，这就减少了投资，但在下列情况时，要选用专门的变频电动机。1 ）工作频率大于 50Hz 时（甚至高达 200 400Hz ，在相
11、应转速下工作，一般电动机不能胜任其机械离心力）。2 ）工作频率小于 10 20Hz ，长期重负载工作时（因通风量减少，一般电动机要产生过热，电动机绝缘受损）。3 ）调速比 D = nmiax/较大（如 D 10 ）或频率变化频繁的工作条件下。4 ）调速比 D 较大，工作周期又不长，甚至正、反转交替，飞轮力矩G2也大，要实现能量回馈制动的工作方式的情况下。5 ）传动需要，用变频电动机更合适的情况下。变频电动机的主要特点：l ）散热风扇由独立的恒速电动机带动，与转子的转速无关，风量为定值。2 ）机械强度设计可确保在最高速使用时安全可靠。3 ）磁路设计适合最高和最低使用频率的要求。4 ）高温条件下的
12、绝缘强度设计比一般电动机有更高的要求。5 ）高速时产生噪声、振动、损耗等都不大。6 ）价格比一般电动机贵，大约是 1 . 5 2 倍。五、负载的机械特性各行业使用的机械设备五花八门，其负载类型及相关参数见表 1-4 。水泵、风机变频调速后的节电率见表 1-5 。表 1-5 水泵、风机变频调速后的节电率流量Q（%）100 90 80 70 60 50 40转速n（%）100 90 80 70 60 50 40频率/Hz 50 45 40 35 30 25 20轴功率P（%）100 73 51 34 22 13 6.5节电率N（%）0 27 49 66 78 87 93.5压力H（%）100 81
13、 64 49 36 25 16第三节 变频器典型的原理框图和接线一、典型变频器的原理框图（见图 1-7）图 1-7 典型变频器的原理框图尽管国内目前应用的变频器的品牌有约 120 种之多，外观不同，结构各异，但基本电路结构是相似的，主要有：l ）主电路一对低压变频器来说，其主电路几乎均为电压型交一直一交电路。它由三相桥式整流器（即 AC / DC 模块）、滤波电路（电容器 C ）、制动电路（晶体管 V 及电阻 R ）、三相桥式逆变电路（IGBT 模块）等组成。电压型变频器是以电压源向交流电动机提供电功率的，优点是不受负载功率因数或换流的影响。缺点是负载出现短路或波动时，容易产生过电流，烧损模块
14、，故必须在极短时间内采取保护措施，且只适用单方向传送，不易实现能量回馈。2) 驱动板 -由 IGBT 的驱动电路、保护电路、开关电源等组成.3）主控板-由 CPU 故障信号检、I/O 光偶合电路、A/D 和 D/A 转换、EPROM、16MHz 晶振、通信电路等组成， 。多数采用贴片元件（ SMT）波峰焊接技术。4）操作盘及显示-输入 I/O 操作信号，用 LED（或 LCD）来显示各种状态。5）电流传感器-用以得到电流信号。二、 日本富士 FR500011S 型变频器接线（见图 1 - 8）图 1-8 日本富士 FR5000G11S 型变频器接线1、主电路连接1）符号 G 为变频器箱体的接地
15、端子，为保证使用安全，该点应按国家电器规范要求接地，接地电阻不大与 4。2）变频器、的电源输入端子用 R、S、T 表示。建议选用带有漏电保护的空气电路 FBA 接至三相电源，连接时不需要考虑相序。不允许以 FAB 开关来起动或停止变频器，应采用面板操作键 FWD、REV 来控制。3）变频器电源输出缎子用 U、V、W 表示。按使用要求确定正转或反转，若转向不对，任意调换两相即可。输出端严禁接电容器和浪涌吸收器。与电动机之间连线不宜过长，对功率不大于 3.7kW 的电动机，长度应小于 50m,否则要增设线路滤波器（OFL） （一般要另购） 。4）缎子 RO、TO 为控制电源辅助输入，有俩个功能，一
16、是用于外接防无线电干扰的滤波器，二是用于回馈制动时（详见产品说名书） 。5）直流电抗器接于缎子 P1 和 P（+ ） ，目的是改善功率因数。出厂时二端子短路连接，当使用支流电抗器时，首先去除，在连接直流电抗器（属选购件）6）外部制动电阻连接于缎子 P（+）和 DB 之间。当功率不大于 7.5kW 时，变频器有内置制动电阻。当频繁起停或位能负载时一般内置的容量不够，需代用外电阻（另购） ，当电动机动率不小于 15kW 时，除外接制动电阻外，为提高制动能力，还需增加制动单元（另购） ，连接于 P（+ ）和 N（-） （详见产品说明书） 。2. 控制端子连接1）外接电位器时，可从端子 13 和公共端
17、子 11 取用电源 DC+10V，配合15k 电位器，进行频率设定。2）设定电压信号输入时，可从端子 12 和公共端 11 输入，进行频率设定，输入阻抗为 22k,输入电压为 DC010V，也可输入 PID 控制的反馈信号。3 ）设定电流信号输入时，可从端子 Ai1 或 Ai2 和公共端子 M 输人。进行频率设定，输人阻抗为 250 ，输人直流电流为 4 20mA ，也可输人 PID 控制的反馈信号。4 ）开关量输人端子 FWD 为正转的开停，REV 为反转的开停，Xl X9 可选择作为电动机报警、报警复位、多段频率选择等命令信号，端子 CM 为公共点。5 ) PLC 信号电源，由端子 PLC
18、 和 M 输人，PLC 输出信号电源为 DC24v 。6 ）晶体管输出为端子 Y1 Y4 ，公共端子 CME 可输出监控信号，如正在运行、频率到达、过载预报等信号。晶体管导通时最大电流为 50mA 。7 ）总报警输出继电器由 30A 、30B 、30C 输出，触点容量为 AC250V 、0 . 3A ，可用来控制报警输出，保护动作的信号。8 ）可选信号输出继电器，可选择与 Y1Y4 端子类似的信号作为输出信号。9 ）通信接口。用端子 TX ( + ）和 TX （）作为 RS485 通信的输人输出端子。最多可控制 31 台变频器。端子 SD 为通信电线屏蔽层用，此端子在电气上浮地（不一定是零电位，而是电路中的公共地）。10 ）为防止输人信号干扰，一般模拟信号要屏蔽线，且长度尽可能小于20m 或用铁氧体磁环（同向绕 2 3 匝），再并联 0 . 022uF 、50V 电容器，或采用信号滤波器等方式。
