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(guò)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(gè)主要部分組成?？刂苹芈穭t由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(wú)級(jí)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(dòng)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(duì)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(jí)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(dòng)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(diǎn)：

變頻調(diào)速主要有如下一些優(yōu)點(diǎn)：

1、調(diào)速范圍寬，可使異步電動(dòng)機(jī)0-100%無(wú)級(jí)調(diào)速（加減速時(shí)間可調(diào)）；

2、啟動(dòng)電流小，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；

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

4、對(duì)電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維修費(fèi)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(jiǎn)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(duì)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(shí)泵工作點(diǎn)的變化：

減量操作（Q1－Q2）：

調(diào)速調(diào)節(jié)時(shí)泵工作點(diǎn)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(diǎn)的軸功率，kW

Q－工況點(diǎn)的流量，m3/s

H－工況點(diǎn)的揚(yáng)程，m

ρ－介質(zhì)密度，kg/m3

η－工況點(diǎn)的泵效率，％

得出泵運(yùn)行在b、c點(diǎn)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(guó)外稱為中壓變頻器，國(guó)內(nèi)稱為高壓，主要是與低壓變頻器相對(duì)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(méi)有升壓變壓器

高－低－高型：低壓變頻器，有降、升壓過(guò)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(diǎn)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(duì)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(cè)：

變頻器控制信號(hào)：

變頻器輸出：

外部信號(hào)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(jì)簡(jiǎn)單合理，便于整體發(fā)運(yùn)。

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(diǎn)：

1）施工簡(jiǎn)單，維護(hù)量大（定期清洗濾網(wǎng)）。

2）費(fèi)用低，散熱效果較好。

3）運(yùn)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(chǎng)合。

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

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

缺點(diǎn)：散熱受外界溫度影響大，變頻器很容易因過(guò)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(diǎn)：由于室內(nèi)外空氣沒(méi)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(diǎn)：空調(diào)的可靠性會(huì)影響變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行，空調(diào)費(fèi)用高，運(yùn)行費(fèi)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(yùn)營(yíng)成本，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)、故障率低、性能可靠。

變頻器旁路方式：

（1）一拖一手動(dòng)刀閘旁路方案

（2）一拖一自動(dòng)接觸器旁路方案

（3）一拖二手動(dòng)刀閘旁路方案

（4）一拖二自動(dòng)旁路方案

同步投切（電機(jī)軟啟動(dòng)）

自動(dòng)與手動(dòng)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(duì)數(shù)

N：為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)速

S：滑差（一般為：0-0.05）

對(duì)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(gè)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(yǔ)：

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(dòng)，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(wú)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(kāi)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(shuō)的變頻泵應(yīng)該是變頻電機(jī)帶動(dòng)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(shuō)的我們國(guó)家的電力頻率，50HZ，是一個(gè)常數(shù)。

變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)：

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(shí)的方式方法。

3）變頻器與負(fù)載的匹配問(wèn)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(duì)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(guò)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(shí)有可能發(fā)生。

4）在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，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(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)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(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)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(duì)地電容，減少干擾的發(fā)射源。

II.控制電纜選用屏蔽電纜，動(dòng)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(dú)立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長(zhǎng)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(hào)線與主回路線分開(kāi)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(hào)線最好選用屏蔽雙絞線，動(dòng)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(cè)。

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(guò)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(lái)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(shí)，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(guò)載，缺相等保護(hù)，選型時(shí)可按照變頻器的容量進(jìn)行選擇?？梢杂米冾l器本身的過(guò)載保護(hù)代替熱繼電器。

II.控制回路：具有工頻變頻的手動(dòng)切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時(shí)可以手動(dòng)切工頻運(yùn)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(zhǎng)度不超過(guò)5m。變頻器的接地應(yīng)和動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分開(kāi)，不能共地。信號(hào)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(jì)：

變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下問(wèn)題：

1）散熱問(wèn)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%。為了保證變頻器正常可靠運(yùn)行，必須對(duì)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(yùn)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(jì)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(shuō)明書的通風(fēng)量來(lái)選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)扇安裝要注意防震問(wèn)題。

2）電磁干擾問(wèn)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(duì)附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會(huì)產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會(huì)通過(guò)供電回路進(jìn)入整個(gè)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(gè)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(shí)，變頻器本身會(huì)因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)保護(hù)，則考慮整個(gè)系統(tǒng)的電源質(zhì)量問(wèn)題。

變頻器接線規(guī)范：

信號(hào)線與動(dòng)力線必須分開(kāi)走線：使用模擬量信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時(shí)，為了減少模擬量受來(lái)自變頻器和其它設(shè)備的干擾，請(qǐng)將控制變頻器的信號(hào)線與強(qiáng)電回路（主回路及順控回路）分開(kāi)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(hào)與變頻器之間的控制回路線最長(zhǎng)不得超過(guò)50m。

信號(hào)線與動(dòng)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(hào)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(shí)由于變頻器無(wú)內(nèi)置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級(jí)動(dòng)力線對(duì)外部會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此放置信號(hào)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(hào)線與動(dòng)力線的徹底分開(kāi)。

1）模擬量控制信號(hào)線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時(shí)一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（5-7mm左右），同時(shí)對(duì)剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來(lái)，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(jiǎn)易性和可靠性，推薦信號(hào)線上使用壓線棒端子。

變頻器的運(yùn)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(gè)參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個(gè)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(dòng)態(tài)辨識(shí)。

最低運(yùn)行頻率：即電機(jī)運(yùn)行的最小轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其散熱性能很差，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速下，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒毀。而且低速時(shí)，其電纜中的電流也會(huì)增大，也會(huì)導(dǎo)致電纜發(fā)熱。

最高運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)普通電機(jī)來(lái)說(shuō)，其軸承不能長(zhǎng)時(shí)間的超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)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(zhǎng)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(gè)頻率點(diǎn)上，有可能會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個(gè)裝置比較高時(shí)；在控制壓縮機(jī)時(shí)，要避免壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)。

審核編輯：郭婷