什么是變頻器？

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

可分為交—交變頻器、交－直－交變頻器。

交－交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電；

交—直—交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，再經(jīng)過逆變器把直流電變成頻率和電壓都可變的交流電。

變頻器的組成：

變頻器是由主回路和控制回路兩大部分組成的。主回路由整流器、濾波器和逆變器三個主要部分組成?？刂苹芈穭t由單片機(jī)、驅(qū)動電路和光電隔離電路組成。

變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而誕生的。隨著電力電子器件【從SCR（晶閘管）發(fā)展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）】、電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展和脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速理論（PWM—VVVF）的成熟。

變頻調(diào)速的原理：

三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速為：n=n0（1-s）

其中：n0=60f/p，為同步轉(zhuǎn)速

因此n=60f（1-s）/p

改變電機(jī)的極對數(shù)（p）；

改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率（s）；

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，轉(zhuǎn)子串級調(diào)速；

改變電機(jī)供電頻率（f），即變頻調(diào)速。

根據(jù)三相異步電動機(jī)公式：

E=4.44f1KN?

f1-電機(jī)頻率。

N-每相繞組匝數(shù)；

?-電機(jī)氣隙磁通；

K-與繞組有關(guān)的常數(shù)。

Ф=E/（4.44KNf1）=KФ（E/f1）≈KФ（U/f1）

VVVF控制

變頻調(diào)速的優(yōu)點：

變頻調(diào)速主要有如下一些優(yōu)點：

1、調(diào)速范圍寬，可使異步電動機(jī)0-100%無級調(diào)速（加減速時間可調(diào)）；

2、啟動電流小，而啟動轉(zhuǎn)矩大；

3、啟動平滑，消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備；

4、對電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維修費用；

5、在合適條件下具有顯著的節(jié)電效果。

常用低壓變頻器功能簡介：

完善的保護(hù)特性（自身保護(hù)和負(fù)載保護(hù)）：

基本接線：

變頻器的壽命：

變頻器雖為靜止裝置，但也有像濾波電容器、冷卻風(fēng)扇那樣的消耗器件，如果對它們進(jìn)行定期的維護(hù)、更新，可以有10年以上的壽命。

變頻器調(diào)速節(jié)電原理：

變頻器是節(jié)電產(chǎn)品，但變頻器本身不節(jié)電，相反，它本身也耗電，它的作用是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

變頻器節(jié)電的效果完全取決于電機(jī)負(fù)載的工況條件－有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速節(jié)電的需要。

例如：離心泵的特性

減量操作（Q1－Q2）：

出口閥門調(diào)節(jié)時泵工作點的變化：

減量操作（Q1－Q2）：

調(diào)速調(diào)節(jié)時泵工作點的變化：

閥門、速度調(diào)節(jié)能耗比較：

根據(jù)離心泵軸功率公式：P=kQHρ/η

式中：P－泵工況點的軸功率，kW

Q－工況點的流量，m3/s

H－工況點的揚(yáng)程，m

ρ－介質(zhì)密度，kg/m3

η－工況點的泵效率，％

得出泵運行在b、c點的軸功率和損耗功率△P：

△P=Pb-Pc≈kQ2（Hb-Hc）ρ/η

什么是高壓變頻器？

一般輸出3KV~13.8KV電壓的變頻器稱為高壓變頻器。

國外稱為中壓變頻器，國內(nèi)稱為高壓，主要是與低壓變頻器相對而言的。

常用高壓變頻器分類：

按輸出電壓方式：

高－高型：變頻器輸出沒有升壓變壓器

高－低－高型：低壓變頻器，有降、升壓過程按中間環(huán)節(jié)類型

電壓源：中間直流環(huán)節(jié)為電容

電流源：中間直流環(huán)節(jié)為電感

按逆變器電路結(jié)構(gòu)型式：

三電平（中心點鉗位）

GTO/SGCT電流源型逆變器

功率單元電壓串聯(lián)結(jié)構(gòu)

某品牌高壓變頻器組成結(jié)構(gòu)：

幾種調(diào)速方式對比：

變頻器的散熱與旁通：

二次結(jié)構(gòu)圖：

控制電源：

一、外部電源→UPS

二、UPS→板件

風(fēng)扇電源：

變壓器→風(fēng)扇

電壓、電流檢測：

變頻器控制信號：

變頻器輸出：

外部信號輸入

單元與主板通訊方式：

功率單元散熱方式：

水平散熱：

垂直散熱：

垂直通風(fēng)散熱技術(shù)風(fēng)道小，散熱風(fēng)機(jī)利用率高，散熱效果好；

由于電解電容位于風(fēng)道內(nèi)，散熱良好，壽命大大增加

結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單合理，便于整體發(fā)運。

變頻器整機(jī)散熱方式：

方式一：室外冷風(fēng)—變頻器--熱風(fēng)---風(fēng)道引至室外

特點：

1）施工簡單，維護(hù)量大（定期清洗濾網(wǎng)）。

2）費用低，散熱效果較好。

3）運行穩(wěn)定性依賴于當(dāng)?shù)丨h(huán)境，適用于環(huán)境較好，粉塵少的場合。

方式二：室外冷風(fēng)—變頻器--熱風(fēng)--室內(nèi)-室外

優(yōu)點：無額外的風(fēng)道或空調(diào)成本。適合北方冬季使用。

缺點：散熱受外界溫度影響大，變頻器很容易因過熱而故障停機(jī)。

方式三：房間密閉室內(nèi)空調(diào)制冷--室內(nèi)冷風(fēng)—變頻器--熱風(fēng)--室內(nèi)。

優(yōu)點：由于室內(nèi)外空氣沒有直接流通，容易保證室內(nèi)環(huán)境清潔，空調(diào)冗余配置。

缺點：空調(diào)的可靠性會影響變頻器的穩(wěn)定運行，空調(diào)費用高，運行費用高。

方式四：室內(nèi)冷風(fēng)-變頻器-熱風(fēng)-空水冷散熱器-冷風(fēng)-室內(nèi)

1）降溫效果較好，降低設(shè)備的運營成本，設(shè)備使用壽命長、故障率低、性能可靠。

變頻器旁路方式：

（1）一拖一手動刀閘旁路方案

（2）一拖一自動接觸器旁路方案

（3）一拖二手動刀閘旁路方案

（4）一拖二自動旁路方案

同步投切（電機(jī)軟啟動）

自動與手動旁路比較：

變頻器節(jié)能原理：

交流異步電機(jī)：

F：電機(jī)輸入電源頻率

P：為異步電機(jī)極對數(shù)

N：為電動機(jī)拖動負(fù)載的轉(zhuǎn)速

S：滑差（一般為：0-0.05）

對于風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電機(jī)的輸出功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比。

風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載一般稱為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，及轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系；其功率等于轉(zhuǎn)矩乘轉(zhuǎn)速，即功率是與轉(zhuǎn)速成三次方關(guān)系，這個也就是風(fēng)機(jī)水泵類采用變頻調(diào)速以后節(jié)能的基本原理。

專業(yè)術(shù)語：

平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載：在各種風(fēng)機(jī)、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動，空氣或液體在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)所產(chǎn)生的阻力大致與轉(zhuǎn)速n的2次方成正比。隨著轉(zhuǎn)速的減小，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的2次方減小。這種負(fù)載所需要的功率與速度的3次方成正比。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本不變。例如傳送帶、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)等摩擦類負(fù)載以及吊車、提升機(jī)等位能負(fù)載都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

恒功率負(fù)載：機(jī)床主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、塑料薄膜生產(chǎn)中的卷取機(jī)、開卷機(jī)等要求的轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)速成反比。這就是所謂的恒功率負(fù)載。

變頻與工頻：

變頻指的是電機(jī)，你說的變頻泵應(yīng)該是變頻電機(jī)帶動的泵。

變頻也就是可調(diào)節(jié)頻率，變頻電機(jī)就是可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；工頻電機(jī)就是我們?nèi)粘Ｓ玫念l率50Hz，不可調(diào)速。

變頻泵就是可以調(diào)節(jié)流量，工頻泵就是流量恒定不可調(diào)。

工頻就是說的我們國家的電力頻率，50HZ，是一個常數(shù)。

變頻器選型時要確定以下幾點：

1）采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。

2）變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式方法。

3）變頻器與負(fù)載的匹配問題；

I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。

II.電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。

III.轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時有可能發(fā)生。

4）在使用變頻器驅(qū)動高速電機(jī)時，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。

5）變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

6）對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。

變頻器和電機(jī)的距離確定電纜和布線方法：

I.變頻器和電機(jī)的距離應(yīng)該盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發(fā)射源。

II.控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)全部用穿線管屏蔽。

III.電機(jī)電纜應(yīng)獨立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90

度角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。

IV.與變頻器有關(guān)的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規(guī)格要比普通電機(jī)的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。

變頻器控制原理圖：

I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網(wǎng)從而影響其他的受電設(shè)備，需要根據(jù)變頻器的容量大小來決定是否需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當(dāng)變頻器到電機(jī)的距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護(hù)功能，但缺相保護(hù)卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護(hù)，選型時可按照變頻器的容量進(jìn)行選擇?？梢杂米冾l器本身的過載保護(hù)代替熱繼電器。

II.控制回路：具有工頻變頻的手動切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時可以手動切工頻運行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。

變頻器的接地：

變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應(yīng)和動力設(shè)備的接地點分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。

變頻器控制柜設(shè)計：

變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設(shè)計時要注意以下問題：

1）散熱問題：

變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正?？煽窟\行，必須對變頻器進(jìn)行散熱我們通常采用風(fēng)扇散熱；變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運行；大功率的變頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道要設(shè)計合理，所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)，排風(fēng)通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據(jù)變頻器說明書的通風(fēng)量來選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)扇安裝要注意防震問題。

2）電磁干擾問題：

I.變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進(jìn)入整個供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個系統(tǒng)25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。

II.當(dāng)系統(tǒng)中有高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源時，變頻器本身會因為干擾而出現(xiàn)保護(hù)，則考慮整個系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。

變頻器接線規(guī)范：

信號線與動力線必須分開走線：使用模擬量信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時，為了減少模擬量受來自變頻器和其它設(shè)備的干擾，請將控制變頻器的信號線與強(qiáng)電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應(yīng)在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣要保持這樣的接線規(guī)范。該信號與變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m。

信號線與動力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設(shè)備的干擾；同時由于變頻器無內(nèi)置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級動力線對外部會產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此放置信號線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號線與動力線的徹底分開。

1）模擬量控制信號線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（5-7mm左右），同時對剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設(shè)備接觸引入干擾。

2）為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。

變頻器的運行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置：

變頻器的設(shè)定參數(shù)多，每個參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象。

控制方式：即速度控制、轉(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據(jù)控制精度，需要進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)辨識。

最低運行頻率：即電機(jī)運行的最小轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運行時，其散熱性能很差，電機(jī)長時間運行在低轉(zhuǎn)速下，會導(dǎo)致電機(jī)燒毀。而且低速時，其電纜中的電流也會增大，也會導(dǎo)致電纜發(fā)熱。

最高運行頻率：一般的變頻器最大頻率到60Hz，有的甚至到400Hz，高頻率將使電機(jī)高速運轉(zhuǎn)，這對普通電機(jī)來說，其軸承不能長時間的超額定轉(zhuǎn)速運行，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是否能承受這樣的離心力。

載波頻率：載波頻率設(shè)置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機(jī)發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等因素是密切相關(guān)的。

電機(jī)參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、最大頻率，這些參數(shù)可以從電機(jī)銘牌中直接得到。

跳頻：在某個頻率點上，有可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個裝置比較高時；在控制壓縮機(jī)時，要避免壓縮機(jī)的喘振點。

審核編輯：郭婷