變頻器原理介紹

2018-03-19 09:43:04 大云網　點擊量：評論 (0)

變頻器是利用電力半導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。我們現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變

變頻器是利用電力半導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。我們現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

　　變頻器選型：

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

　　3) 變頻器與負載的匹配問題；

　　I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。

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

　　III.轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發生。

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

　　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。

　　1) 首先確認變頻器的安裝環境；

　　I.工作溫度。變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產品一般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并嚴格遵守產品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發熱元件或易發熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。

　　II. 環境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內部易出現結露現象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個問題會比較突出。

　　III.腐蝕性氣體。使用環境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。

　　IV. 振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良。淮安熱電就出現這樣的問題。這時除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內電磁開關之類產生振動的元器件。設備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。

　　V. 電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產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。因此，柜內儀表和電子系統，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統無法工作，導致控制單元失靈或損壞。

　　2) 變頻器和電機的距離確定電纜和布線方法；

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

　　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全部用穿線管屏蔽。

　　III.電機電纜應獨立于其它電纜走線，其最小距離為５００ｍｍ。同時應避免電機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生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按９０度角交叉。與變頻器有關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（其規格要比普通電機的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。

　　I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網從而影響其他的受電設備，需要根據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，當變頻器到電機的距離較遠時，應該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護功能，但缺相保護卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護，選型時可按照變頻器的容量進行選擇。可以用變頻器本身的過載保護代替熱繼電器。

　　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。

　　4) 變頻器的接地；

　　變頻器正確接地是提高系統穩定性，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，接地導線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應和動力設備的接地點分開，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。

　　變頻器控制柜設計：

　　變頻器應該安裝在控制柜內部，控制柜在設計時要注意以下問題

　　1) 散熱問題：變頻器的發熱是由內部的損耗產生的。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行，必須對變頻器進行散熱我們通常采用風扇散熱；變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應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扇，控制柜的風道要設計合理，所有進風口要設置防塵網，排風通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據變頻器說明書的通風量來選擇匹配的風扇，風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，而且會產生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進入整個供電網絡，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個系統25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。

　　II.當系統中有高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源時，變頻器本身會因為干擾而出現保護，則考慮整個系統的電源質量問題。

　　3) 防護問題需要注意以下幾點：

　　I.防水防結露：如果變頻器放在現場，需要注意變頻器柜上方不的有管道法蘭或其他漏點，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現場柜體防護等級要在IP43以上。

　　II. 防塵：所有進風口要設置防塵網阻隔絮狀雜物進入，防塵網應該設計為可拆卸式，以方便清理，維護。防塵網的網格根據現場的具體情況確定，防塵網四周與控制柜的結合處要處理嚴密。

　　III.防腐蝕性氣體：在化工行業這種情況比較多見，此時可以將變頻柜放在控制室中。

　　變頻器接線規范：

　　信號線與動力線必須分開走線：使用模擬量信號進行遠程控制變頻器時，為了減少模擬量受來自變頻器和其它設備的干擾，請將控制變頻器的信號線與強電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應在30cm以上。即使在控制柜內，同樣要保持這樣的接線規范。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部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內，極易受到變頻器和外部設備的干擾；同時由于變頻器無內置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級動力線對外部會產生極強的干擾，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使用雙股絞合屏蔽線，電線規格為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參數的設置：

　　變頻器的設定參數多，每個參數均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個別參數設置不當，導致變頻器不能正常工作的現象。

　　控制方式：即速度控制、轉距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據控制精度，需要進行靜態或動態辨識。

　　最低運行頻率：即電機運行的最小轉速，電機在低轉速下運行時，其散熱性能很差，電機長時間運行在低轉速下，會導致電機燒毀。而且低速時，其電纜中的電流也會增大，也會導致電纜發熱。

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

　　載波頻率：載波頻率設置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機發熱，電纜發熱變頻器發熱等因素是密切相關的。

　　電機參數：變頻器在參數中設定電機的功率、電流、電壓、轉速、最大頻率，這些參數可以從電機銘牌中直接得到。

　　跳頻：在某個頻率點上，有可能會發生共振現象，特別在整個裝置比較高時；在控制壓縮機時，要避免壓縮機的喘振點。

　　常見故障分析：

　　1) 過流故障：過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由于變頻器的加減速時間太短、負載發生突變、負荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時一般可通過延長加減速時間、減少負荷的突變、外加能耗制動元件、進行負荷分配設計、對線路進行檢查。如果斷開負載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路已環，需要更換變頻器。

　　2) 過載故障：過載故障包括變頻過載和電機過載。其可能是加速時間太短，電網電壓太低、負載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時間、延長制動時間、檢查電網電壓等。負載過重，所選的電機和變頻器不能拖動該負載，也可能是由于機械潤滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機和變頻器；如后者則要對生產機械進行檢修。

　　3) 欠壓：說明變頻器電源輸入部分有問題，需檢查后才可以運行。

　　小結：

　　1) 總之，在設計、安裝、使用變頻器時一定要遵從變頻器使用說明書的指導。

　　2) 各電氣設計人員，現場電氣調試人員可以在此基礎上完善此變頻器參考。