變頻器基礎知識概述

變頻器基礎知識概述ISBU-EUTechnicalCenter周耿2023/2/61變頻器基本原理2變頻器基本結構與組成3變頻器控制理論與基礎4變頻器分類5變頻器功能與應用場合6變頻器選用與使用注意事項1變頻器基本原理2變頻器基本結構與組成3變頻器控制理論與基礎4變頻器分類5變頻器功能與應用場合6變頻器選用與使用注意事項異步電機結構二部分組成定子固定不動部分，固定在電動機的機座上；由定子鐵心和繞組組成，鐵心由沖有線槽的矽鋼片疊壓而成，而繞組均勻地分布在鐵心的槽內；轉子旋轉部分，固定在旋轉軸上有鼠籠式和繞線式兩類轉子；由轉子鐵心和導體或繞組組成，鼠籠式轉子采用鑄鋁澆注而成，繞線式則由漆包繞組和滑環(huán)形成。接線盒外殼定子及繞組轉子絕緣異步電機轉速公式式中：n1、n的單位為rpm（轉/分鐘）f為電源的頻率p為繞組磁場的極數異步電機定子旋轉磁場的轉速記為n1，稱為同步轉速:異步電機轉子的旋轉速度記為n，即電機的額定轉速:改變異步電機的供電頻率，就可以改變其同步轉速，從而實現電機的調速；對異步電機進行調速時，希望電機的主磁通保持恒定；在電機的基頻以下調速時，在降低供電頻率的同時降低供電電壓，屬于恒轉矩調速；在電機的基頻以上調速時，在提高供電頻率的同時無法再提高供電電壓，這時電機的主磁通隨之減少，類似于直流電機的弱磁調速，近似于恒功率調速。調速原理整流環(huán)節(jié)直流環(huán)節(jié)逆變環(huán)節(jié)變頻器原理圖把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓和頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。1變頻器基本原理2變頻器基本結構與組成3變頻器控制理論與基礎4變頻器分類5變頻器功能與應用場合6變頻器選用與使用注意事項變頻器的基本結構整流橋整流環(huán)節(jié)AC-DC直流濾波逆變環(huán)節(jié)DC-AC逆變橋EMC濾波器施耐德變頻器普遍標配進線EMC濾波器，用來抑制變頻器對周圍設備的射頻干擾。在變頻器通電時，EMC濾波器通過接地電容產生對地電流，尤其是上電瞬間會產生較大的漏電流。變頻器一般應用于工業(yè)場合，用接地的方式進行安全保護。應用于民用配電場合時，有時無安全接地，而采用漏電開關(RCD)，有時會因此發(fā)生RCD誤脫扣，這是正常的。解決的辦法是將圖中的接地斷開。三相全波半控整流：效率略低，可省去充電限幅電路。斬控式整流器（PWM整流器）：效率高，功率因素可調，能量可回饋電網三相全波橋式二極管整流：效率高，成本低，控制簡單六脈波整流電路整流環(huán)節(jié)直流電抗器直流電抗器是串聯在直流中間回路的一個或兩個扼流圈,因其通過的電流為直流電流,故亦成為直流扼流圈.直流電抗器的作用是抑制變頻器的進線電流諧波,從而減少對電網的污染.通常采用適當大小的直流電抗器,即可使變頻器的諧波污染減少到符合標準,這是一種低成本的方案.如果要將諧波抑制到更低,需要大配合無源濾波器.直流電抗器對進線浪涌電壓沒有抑制作用.也稱濾波或儲能環(huán)節(jié)由電感或電容組成用于負載與整流器之間的無功功率的緩沖抑制直流側電壓或電流的脈動直流濾波環(huán)節(jié)制動單元和制動電阻制動單元是一個或一組晶體管,與制動電阻串聯之后,接在直流母線上.當直流母線電壓超過某規(guī)定電壓時,制動晶體管導通,直流母線電容和電機向制動電阻釋放能量.使直流母線電壓降低,降低到另一規(guī)定電壓后,制動晶體管截止.所以制動電阻的作用是能耗制動.圖中Tfr為制動晶體管,PA-PB連接制動電阻,PA-PB之間的二極管為保護用續(xù)流二極管.當變頻器驅動負載需要克服慣性快速減速或停車時,或位能性負載持續(xù)下降時,需要進行能耗制動.將直流電壓或電流轉換成頻率、電壓可變的交流電器件工作于開關狀態(tài)每個器件并聯續(xù)流二極管器件為全控型（GTR，GTO，IGBT，IPM等）逆變環(huán)節(jié)1變頻器基本原理2變頻器基本結構與組成3變頻器控制理論與基礎4變頻器分類5變頻器功能與應用場合6變頻器選用與使用注意事項為了產生可變的電壓和頻率，首先要把交流電變換為直流電（DC），此環(huán)節(jié)稱為Converter（整流器），整流器的控制理論在很早以前就非常成熟了。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的環(huán)節(jié)稱為“Inverter”(逆變器)，逆變器的控制理論隨著功率器件、電子元件的發(fā)展而不斷完善。變頻器控制理論電路的主要特點是：（1）主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結構；（2）使用了不可控整流器，使電網功率因數與逆變器輸出電壓的大小無關而接近于1；（3）逆變器調頻的同時實現調壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數無關，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應；（4）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制低次諧波，使電機可在正弦的交變電壓下運行，轉矩脈動小，擴展了調速范圍，并提高了系統(tǒng)的性能。

1964年，德國人A.Sch?nung提出了脈寬調制變頻器的思想，把通訊系統(tǒng)中的調制技術應用于交流變頻，從而優(yōu)化了變頻器的控制理論基礎，其后的研究人員在此基礎上不斷地進行改進。變頻器控制理論PWM脈寬調制

在每半個周期內，輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每兩個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比為電壓的平均值和占空比的大小成正比，所以在調節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實現變頻也變壓的效果。PWM脈寬調制SPWM脈寬調制單極性PWM脈寬調制

像這種在半個周期內三角波載波只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。SPWM脈寬調制雙極性PWM脈寬調制

像這種在半個周期內三角波載波在正負兩個方向變化，所得到的PWM波形也在兩個方向變化的控制方式稱為雙極性PWM控制方式。PWM逆變電路的控制方式異步調制載波信號和調制信號不保持同步關系的調制方式稱為異步方式。在異步調制方式中，調制信號頻率fr變化時，通常保持載波頻率fc固定不變，因而載波比N是變化的。這樣，在調制信號的半個周期內，輸出脈沖的個數不固定，脈沖相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，同時，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱。

當調制信號頻率較低時，載波比N較大，半周期內的脈沖數較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內前后1/4周期脈沖不對稱的影響都較小，輸出波形接近正弦波。當調制信號頻率增高時，載波比N減小，半周期內的脈沖數減少，輸出脈沖的不對稱性影響就變大，還會出現脈沖的跳動。同時，輸出波形和正弦波之間的差異也變大，電路輸出特性變壞。對于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調制方式時，希望盡量提高載波頻率，以使在調制信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，改善輸出特性。在PWM逆變電路中，載波頻率fc與調制信號頻率fr之比值N，稱為載波比。PWM逆變電路的控制方式同步調制

載波比N等于常數，并在變頻時使載波信號和調制信號保持同步的調制方式稱為同步調制。在基本同步調制方式中，調制信號頻率變化時載波比N不變。調制信號半個周期內輸出的脈沖數是固定的，脈沖相位也是固定的。在三相PWM逆變電路中，通常公用一個三角波載波信號，且取載波比!為N的整數倍，以使三相輸出波形嚴格對稱，同時，為了使一相的波形正負半周鏡像對稱，N應取為奇數。

PWM逆變電路的控制方式分段同步調制

在逆變電路輸出頻率很低時，因為在半周期內輸出脈沖的數目是固定的，所以由PWM產生的fc附近的諧波頻率也相應降低。這種頻率較低的諧波通常不易濾除，如果負載為電動機，就會產生較大的轉矩脈動和噪聲，給電動機的正常工作帶來不利影響。

為克服上述缺點，一般都采用分段同步調制的方法，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內都保持載波比N為恒定，不同頻段的載波比不同。在輸出頻率的高頻段采用較低的載波比，以使載波頻率不致過高，在功率開關器件所允許的頻率范圍內。在輸出頻率的低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對負載產生不利的影響。各頻段的載波比應該都取3的整數倍且為奇數。SPWM逆變器及其控制模式為了減小諧波影響，提高電動機的運行性能。要求采用對稱的三相正弦波電源為三相交流電動機供電，因此，PWM逆變器采用正弦波作為參考信號。這種正弦波脈寬調制型逆變器稱為SPWM逆變器。目前廣泛應用的PWM型逆變器皆為SPWM逆變器。

實現SPWM的控制方式有三種：一、采用模擬電路二、采用數字電路三、是采用模擬與數字電路相結合的控制方式。數字SPWM控制模式自然取樣法規(guī)則取樣法調速控制方法V/F比恒定控制保持V/F比恒定控制是異步電動機變頻調速最基本控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使兩者之比為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定，屬開環(huán)控制。V/F比恒定控制存在的主要問題是低速性能較差。其原因是低速時異步電動機定子電壓降所占比重增大，定子電壓和電動機感應電動勢已不能近似相等，無法再保持電動機磁通恒定。電動機磁通的減小，勢必造成電動機的電磁轉矩減小。

變頻器橋臂上下開關器件的互鎖時間也是影響電動機低速性能的重要原因。由于互鎖時間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓降低?；ユi時間造成的電壓降還會引起轉矩脈動，在一定條件下將會引起轉速、電流的振蕩，嚴重時變頻器不能運行。可以采用補償端電壓的方法，即在低速時適當提升電壓，以補償定子電阻壓降和開關互鎖時間的影響。轉差頻率控制轉差頻率控制屬V/F恒壓控制的一種改進方法，需要檢出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調節(jié)器的輸出為轉差頻率，然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的給定輸出頻率。由于通過控制轉差頻率來控制轉矩和電流，與V/F控制相比其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它有速度調節(jié)器，利用速度反饋速度閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差小，可以獲得良好的動態(tài)性能。調速控制方法調速控制方法矢量控制矢量控制是一種高性能異步電動機控制方法，它基于電動機的動態(tài)數學模型，分別控制電動機的轉矩電流和勵磁電流，使交流電動機也具有直流電動機相類似的控制性能。矢量控制的基本出發(fā)點是：將異步電動機構造上不能分離的轉矩電流和勵磁電流分解成相位互差90o的轉矩電流和勵磁電流分別進行控制，從而改善了異步電動機的動態(tài)控制性能。為了實現矢量控制的目的，需要將電動機的3相電流按坐標變換的方法變換成2相電流，在2相坐標系上確定電動機的轉矩電流和勵磁電流大小并分別進行控制，再將2相電流變換成3相電流設定值，然后采用電流閉環(huán)控制實際電流。直接轉矩控制

與矢量控制系統(tǒng)一樣，直接轉矩控制也是分別控制異步電機的轉速和磁鏈，而且采用再轉速環(huán)內設置轉矩內環(huán)的方法，以抑制磁鏈變化對轉子系統(tǒng)的影響，因此轉速與磁鏈子系統(tǒng)也是近似獨立的。轉矩和磁鏈都采用直接反饋的雙位式Bang-Bang控制，從而比開了將定子電流分解成轉矩和勵磁分量，簡化了控制器的結構，但缺點是帶來了轉矩脈動，因而限制了調速范圍。選擇定子磁鏈作為被控制的對象，而不像矢量控制那樣選擇轉子磁鏈，這樣可使其控制性能不受轉子參數變化的影響，PWM逆變器采用磁鏈跟蹤控制方式，性能較好。調速控制方法

矢量控制與直接轉矩控制比較

1變頻器基本原理2變頻器基本結構與組成3變頻器控制理論與基礎4變頻器分類5變頻器功能與應用場合6變頻器選用與使用注意事項變頻器分類按主回路結構形式電流源型電壓源型按控制方式分U/F控制轉差頻率控制VC矢量控制DTC直接轉矩控制矩陣變換器變頻器分類按輸出電壓調節(jié)方式分類PAM(脈沖幅值調制方式)PWM(脈沖寬度調制方式)按采用的功率器件分類BJT(雙極晶體管)GTO(門極可關斷晶閘管)IGBT(絕緣柵雙極晶體管)IPM(智能功率模塊

)變頻器分類按電壓等級分類低壓變頻器(1000V以下)中(高)壓(3kV～10kV)按用途分類通用型變頻器

工程型變頻器(高性能、專用)特殊變頻器(超高頻，最高至3000Hz)一體化變頻器(與電機結合

)1變頻器基本原理2變頻器基本結構與組成3變頻器控制理論與基礎4變頻器分類5變頻器功能與應用場合6變頻器選用與使用注意事項1、兩線控制功能定義通過邏輯輸入的保持電平來控制運行（正向和/或反向）與停止。激活邏輯輸入實現正轉和反轉，釋放按照規(guī)定方式停止。詳細描述示意圖：有三種可選擇的運行模式：邏輯輸入的狀態(tài)檢測（LEL）邏輯輸入的狀態(tài)改變檢測（trn）正向運行優(yōu)先（PFO）2、三線控制功能定義通過邏輯輸入的脈沖信號控制起動（正向和/或反向）與停止。詳細描述示意圖：如圖所示，LI2的閉合脈沖觸發(fā)正向運行，LI1的斷開脈沖觸發(fā)停止，Lix的閉合脈沖觸發(fā)反向運行。3、相序調轉功能定義定義正向和反向的相序。詳細描述定義正向運行的輸出相序為UVW或UWV則反向運行對應的輸出相序為UWV或UVW相關性：這樣改變電機的轉向有三種方法：交換正向和反向分配的端子（二次接線）改變變頻器輸出電纜的硬接線相序（一次接線）改變參數設置（本方法）4、加速/減速斜坡時間功能定義設定加速時間與減速時間以滿足工藝需要。詳細描述定義為從0Hz到電機額定頻率之間的時間示意圖相關性：設定加速斜坡時間和減速斜坡時間應考慮到負載的慣性和阻力。加速時間受限于變頻器的驅動能力（電流限幅或轉矩限幅）。如果超過變頻器的驅動能力，則加速時間可能會自動拉長。減速時間受限于負載轉矩，負載的慣性和變頻器的制動能力。如果制動能力不足，則減速時間可能會自動拉長。本斜坡作用于起動和停止過程，以及給定變化時。5、加速和減速斜坡類型功能定義定義加速或減速過程中斜坡后頻率隨時間的變化關系。詳細描述示意圖：有三種可選擇的斜坡類型：線性斜坡，最常用S型斜坡，起動和停止過程相對平滑U型斜坡，加速末端和減速末端相對平緩定制斜坡，可以自由定義起動和停止的起始和末端的圓滑相關性：線性斜坡用于快速準確的停車非線性斜坡用于消除起停過程中的振動可定制斜坡用于在大慣量機械的快速瞬時運行期間顯示速度的不跟隨性。6、斜坡切換功能定義定義兩個不同的加速斜坡和減速斜坡時間，并根據條件進行切換。詳細描述示意圖：切換的方式包括：一個邏輯輸入：該邏輯輸入為0時，采用第一段斜坡，否則采用第二段斜坡；一個頻率門檻值：當輸出頻率低于該頻率門檻值時，采用第一段斜坡，否則使用第二段斜坡；上述兩種條件的結合。相關性：功能適用于：平穩(wěn)起動與接近的物料輸送具有快速恒穩(wěn)定速度校正的機器電動電位器功能的速度給定值變化的速率與起停加減速斜坡的區(qū)分7、減速斜坡自適應功能定義相對于較大的轉動慣量，如果減速斜坡設置太低，可以用來自動拉長減速斜坡時間以避免導致過制動故障。相關性：此功能適用于不需要準時停車以及不使用制動電阻的應用場合。如果使用制動電阻，必須將本功能設為無效。如果設置了制動順序邏輯，此功能被自動禁止。8、預置速度功能定義通過邏輯輸入切換（選擇）預置的速度給定。詳細描述示意圖：可以選擇2，4，8，或16個預置速度，分別利用1個，2個，3個，4個邏輯輸入來激活。第一段速由Fr1或Fr1b提供，其它預置速度預先設定，設定范圍為最低速度限制到最高速度限制。相關性此功能適合于物料輸送以及具有多種固定運行速度的機械。預置速度切換后的輸出頻率沿加減速斜坡變化。預置速度也可以作為PID調節(jié)的手動運行速度。9、寸動運行功能定義即點動運行，使機器以某較低的速度短時運行。詳細描述示意圖：速度稱為寸動頻率，可設定到某受限的范圍，邏輯輸入激活。正向信號和反向信號用以寸動運行。寸動運行具有最短的斜坡時間。相關性：此功能用于在手動模式下有產品插入的機器，或在維護期間機械裝置的手動逐步運動。10、ENA系統(tǒng)功能定義用于不平衡機械。使電機控制曲線適應負載的不均衡變化。詳細描述示意圖：在發(fā)電機象限將力矩限幅設定為0，對旋轉的不平衡負載可以避免發(fā)電，從而可以避免使用制動電阻。有兩個專用的速度環(huán)增益可以限制機械應力，以及優(yōu)化節(jié)能.相關性：應用場合：油泵（抽油機）壓機石材切割機振動器11、編碼器功能定義在電機軸端安裝增量型編碼器可以精確地反映電機的轉速，提供給變頻器，以改善電機控制或監(jiān)視及保護。詳細描述在所有電機控制方式中用于管理超速和空轉保護。對V/F控制和SVC控制，還可以用于提高穩(wěn)態(tài)速度精度。對FVC控制，還可以用于提高轉矩性能（例如提供極低速力矩）和動態(tài)速度精度。對轉矩控制方式，還可以用于提高轉矩輸出精度。對同步電機控制方式，目前編碼器輸入僅僅用于監(jiān)視和保護。相關性：編碼器測試，檢測編碼器信號，編碼器的輸出相序是否匹配，脈沖是否有丟失，以及編碼器與電機之間的機械連接。12、限制電機過壓功能定義調節(jié)變頻器的輸出以限制電機端子上的過壓。詳細描述示意圖：這種方式是通過軟件的方式使變頻器和電機使用在電纜線路較長，重繞電機或電機的絕緣等級較低的情況下。過壓限制在直流母線電壓的兩倍以內。相關性：需要設置所用電機電纜的衰減時間，以防止由于電纜太長導致的電壓波反射疊加。衰減時間根據電纜長度和電纜性質（屏蔽/非屏蔽等）進行查表。對于并聯電機，電纜長度應考慮所有電機電纜長度之和。電纜長度超過表中長度時，必須使用相關濾波器。13、自整定功能定義由變頻器自動測定電機的參數，以優(yōu)化驅動性能。又稱電機參數優(yōu)化或自學習功能。詳細描述有三種可選擇的運行模式：參數啟動邏輯端子激活每次上電激活相關性：在自整定之前必須預先準確地輸入電機的參數，以初始化。自整定會引起對電機通電，但不轉動電機，所以不需要脫開負載。自整定必須在電機停止運行時進行，但電機不能處于鎖定狀態(tài)。自整定時電機必須處于冷態(tài)，所獲得的參數參與控制，會考慮電機熱態(tài)的影響。對于V/F方式或同步電機控制方式，不需要進行自整定。14、噪聲控制功能定義通過開關頻率的調整和自我調節(jié)控制電機噪聲。詳細描述通過調整開關頻率可以控制電機的噪聲；一般來講，開關頻率越高，電機噪聲越低。可以設定自動調整開關頻率，以折中電機噪聲和輸出的效率。相關性：開關頻率越高，變頻器的射頻干擾越大。為了抑制變頻器的干擾，有時限制開關頻率的設置。開關頻率越高，電機的損耗越大，為了保護電機，需要降低輸出電流。開關頻率越高，電機電纜的漏電流越大。在高速傳動中，為了保證輸出正弦波形的電壓，需要提高開關頻率。15、電機勵磁功能定義用于在起動時迅速獲得最大轉矩.要求在電機中已建立磁通量詳細描述連續(xù)激磁模式:當變頻器通電時,自動建立磁通非連續(xù)激磁模式:如果一個邏輯輸入被分配為電機激磁指令,則激活該輸入時電機開始激磁相關性：對于故障復位自動重起動和跟蹤旋轉負載，必須選擇兩線控制方式并且邏輯輸入的狀態(tài)檢測有效（LEL）若設為裝體改變檢測(trn)，若分配的邏輯輸入與電源接死，變頻器上電，這時變頻器不會起動，且顯示nSt(自由停車)。必須重新激活，才能起動。16、制動器控制功能定義對于水平與垂直提升應用以及不平衡機器，用于通過變頻器來控制電磁制動器。詳細描述示意圖：相關性：必須在電機冷態(tài)下進行電機的自整定制動器釋放與閉合需選擇適當的頻率及電流值選擇好制動器釋放與閉合的延時。汽車工業(yè)動力鏈物料輸送帶運輸線鏜床,銑床等成型加工進料器壓機輸送帶剪床裝配零件定位提升輸送帶噴涂風機泵傳送帶專用機械磨床拋光機風洞食品飲料機械瓶裝線輸送帶灌裝機封蓋機貼標機包裝機泵裝箱裝袋處理輸送帶充填,塑包,貼標裝箱切袋包裝干燥冷凍空調風機輸送帶冷凍通道輸送機螺旋泵奶制品泵輸送帶灌裝機攪拌機化工石化離心泵風機定量泵,計量泵造粒機攪拌機容器處理制藥攪拌機混料器包裝機風機化肥定量輸送帶,定量泵研磨機攪拌機包裝機離心泵混料機涂料定量泵研磨機攪拌機包裝機離心泵混料機造紙造紙給料機研磨機離心泵干燥機卷曲/開卷滾筒涂布機輸送機切紙機半成品開卷機膠水泵包裝機輸送機切紙機金屬加工原材料輸送帶破碎機選料機給料機泵風機半成品拉絲機輸送帶成品壓軋機剪板機后處理焊縫機1變頻器基本原理2變頻器基本結構與組成3變頻器控制理論與基礎4變頻器分類5變頻器功能與應用場合6變頻器選用與使用注意事項擇變頻器時應以實際電機電流值作為變頻器選擇的依據。電機的額定功率只能作為參考。另外，應充分考慮變頻器的輸出含有豐富的高次諧波，會使電動機的功率因數和效率變壞。因此，用變