变频器工作原理图讲解：功能、分类、参数设定、过流故障及处理方法

　　变频器在变电站、工厂等地方应用非常多，变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。目前，通用型变频器绝大多数是交—直—交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，

　　变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

　　变频器的功用是将频率固定（通常为工频50HZ）的交流点（三相的或单相的）交换成频率连续可调的三相交流电源。

变频器工作原理图讲解

　　主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类 ：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波会路”。

　　整流器

　　大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

　　平波回路

　　在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

　　逆变器

　　同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

　　控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

　　（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

　　（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

　　（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

　　（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

　　（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏.

 

　　三相工频交流电 经过VD1 ~ VD6 整流后， 正极送入到缓冲电阻RL中，RL的作用是防止电流忽然变大。经过一段时间电流趋于稳定后，晶闸管或继电器的触点会导通短路掉缓冲电阻RL ，这时的直流电压加在了滤波电容CF1、CF2 上，这两个电容可以把脉动的直流电波形变得平滑一些。由于一个电容的耐压有限，所以把两个电容串起来用。

　　耐压就提高了一倍。又因为两个电容的容量不一样的话，分压会不同，所以给两个电容分别并联了一个均压电阻R1、R2 ，这样，CF1 和CF2 上的电压就一样了。 继续往下看，HL 是主电路的电源指示灯，串联了一个限流电阻接在了正负电压之间，这样三相电源一加进来，HL就会发光，指示电源送入。

　　接着，直流电压加在了大功率晶体管VB的集电极与发射极之间，VB的导通由控制电路控制，VB上还串联了变频器的制动电阻RB，组成了变频器制动回路。我们知道，

　　由于电极的绕组是感性负载，在启动和停止的瞬间都会产生一个较大的反向电动势，这个反向电压的能量会通过续流二极管VD7~VD12使直流母线上的电压升高，这个电压

　　高到一定程度会击穿逆变管V1~V6 和整流管VD1~VD6。当有反向电压产生时，控制回路控制VB导通，电压就会通过VB在电阻RB释放掉。当电机较大时，还可并联外接电阻。

　　一般情况下“+”端和P1端是由一个短路片短接上的，如果断开，这里可以接外加的支流电抗器，直流电抗器的作用是改善电路的功率因数。

　　直流母线电压加到V1~V6 六个逆变管上，这六个大功率晶体管叫IGBT ，基极由控制电路控制。控制电路控制某三个管子的导通给电机绕组内提供电流，产生磁场使电机运转。

　　例如：某一时刻，V1 V2 V6 受基极控制导通，电流经U相流入电机绕组，经V W 相流入负极。下一时刻同理，只要不断的切换，就把直流电变成了交流电，供电机运转。

　　为了保护IGBT，在每一个IGBT上都并联了一个续流二极管，还有一些阻容吸收回路。主要的功能是保护IGBT，有了续流二极管的回路，反向电压会从该回路加到直流母线 上，通过放电电阻释放掉。

 

　　上图就是变频器控制电路的原理示意图。上半部为主电路，下半部为控制电路。主要由控制核心CPU 、输入信号、输出信号和面板操作指示信号、存储器、LSI电路组成。

　　外接电位器的模拟信号经模数转换将信号送入CPU，达到调速的目的。外接的开关量信号也经由与非门送入控制CPU。

变频器主要功能

　　（1） 可调的转矩极限

　　通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到3％～5％左右。在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。

　　（2） 受控的停止方式

　　如同可控的加速一样， 在变频调速中， 停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择（减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动），同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。

　　（3） 节能

　　离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快。

　　（4） 可逆运行控制

　　在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。

　　（5） 减少机械传动部件

　　由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出， 从而节省齿轮箱等机械传动部件， 最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空间， 提高稳定性。

　　（6） 启动时需要的功率更低

　　电机功率与电流和电压的乘积成正比， 那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响， 从而将受到电网运行商的警告， 甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停， 就不会产生类似的问题。

　　（7） 可控的加速功能

　　变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行均匀地加速，而且其加速曲线也可以选择（直线加速、S形加速或者自动加速）。而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。

　　（8） 可调的运行速度

　　运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。

　　（9） 控制电机的启动电流

　　当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动（也可适当加转矩提升）。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。

　　（10） 降低电力线路电压波动

　　在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能最大程度上消除电压下降。

变频器应用范围很广，我们举例说明下：

变频器分类

　　1、按变换环节分

　　（1）交—交变频器

　　把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电，又称直接式变频器。

　　（2）交—直—交变频器

　　先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电，又称间接式变频器。

　　2、按电压的调制方式分

　　（1）PAM（脉幅调制）变频器

　　输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制，在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。

　　（2）PWM（脉宽调制）变频器

　　输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。

　　目前普通应用的是占空比按正弦规律安排的正弦脉宽调制（SPWM）方式。

　　3、按直流环节的储能方式分（对交直交）

　　（1）电流型

　　直流环节的储能元件是电感线圈LF。如图所示

　　（2）电压型

　　直流环节的储能元件是电容器CF，如图所示

变频器参数设定步骤

　　1、频率设定：

　　①　启动频率：此参数用来设定启动时电机从多少频率开始运转。

　　②　运行频率：根据生产情况调节好电机运转后的旋转频率。

　　③　频率上下限：这个参数避免用户误操作使频率过高，烧坏电机。

　　2、频率给定方式：

　　①　面板调速：可以通过面板的按键调节频率。

　　②　传感器控制：可以通过传感器的电压或电流变化作为信号输入来控制频率。

　　③　通讯输入：与PLC等上位机控制其频率。

　　3、加减速时间：

　　①　加速时间：加速时间是从其启动频率到运行频率的时间。

　　②　减速时间：可以设定电机从运行频率到停止所需时间。

　　4、电机参数设定：

　　可根据使用电机铭牌的额定电压与额定电流在变频器中设定参数，与其对应。

　　5、运转方向：主要用来设定是否禁止反转。

　　6、停机方式：用来设定是否刹车停止还是自由停止。

　　7、电压上下限：根据设备电机电压设定极限，避免烧坏电机。

变频器过流故障原因及处理方法

　　过电流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般 可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查等来解决。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变 电路已坏，需要更换变频器。根据变频器显示，可从以下几方面寻找原因：

　　（1）工作中过电流，即拖动系统在工作过程中出现过电流。其原因大致有以下几方面：

　　①　是电动机遇到冲击负载或传动机结构出现“卡住”现象，引起电动机电流的突然增加；

　　②　是变频器输出侧发生短路，如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路，或电动机内部发生短路等、接地（电机烧毁、绝缘劣化、电缆破损而引起的接触、接地等）

　　③　是变频器自身工作不正常，如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替的工作过程中出现异常。如环境温度过高，或逆变器元器件本身老化等原因，使逆变器 的参数发生变化，导致在交替过程中，一个器件已经导通，而另一个器件却还未来得及关断，引起同一个桥臂的上、下两个器件的“直通”，使直流电压的正、负极 间处于短路状态。

　　（2）升速、降速时过电流：当负载的惯性较大，而升速时间或降速时间又设定得太短时，也会引起过电流。在升速过程中，变频器工作频率上升太快， 电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大；在降速过程中，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机 转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以使转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。

　　处理方法

　　（1）起动时一升速就跳闸，这是过电流十分严重的现象，主要检查：

　　①　工作机械有没有卡住；

　　②　负载侧有没有短路，用兆欧表检查对地有没有短路；

　　③　变频器功率模块有没有损坏；

　　④　电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来。

　　（2）起动时不马上跳闸，而在运行过程中跳闸，主要检查：

　　①　升速时间设定太短，加长加速时间；

　　②　减速时间设定太短，加长减速时间；

　　③　　转矩补偿（u/f比）设定太大，引起低频时空载电流过大；

　　④　　电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起变频器误动作。