通用变频器 更新时间：2011-05-27 08:20

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用变频器一般通过制动电阻RB来消耗这些能量，即将一个大功率开关器件TB和一个制动电阻RB相串联，跨接在中间直流环节正、负母线两端。大功率开关器件TB一般装在变频器机箱内，而制动电阻Rb通常作为附件放在机箱外。当直流电压达到一定值时，该大功率开关器件被导通，制动电阻就接人电路，从而消耗掉电动机回馈的能量，以维持直流母线电压基本不变。

通用变频器的基本结构功能

• ；二是这种变频器具有各种可供选择的功能，能适应许多不同性质的负载机械。

  通用变频器的基本结构功能

  通用变频器的基本结构原理如图所示，该系统主要由主电路（包括驱动电路）、控制电路、信号采样电路、信号处理与故障保护电路、外部接口电路与电源电路等组成。
  

  主电路

  主电路主要由整流电路、中间直流环节和逆变器三部分组成。

  整流电路一般采用整流二极管组成的三相或单相整流桥。小功率通用变频器整流桥输入多为单相220V，较大功率的整流桥输入一般均为三相380V或440V。

  整流电路输出的脉动整流电压，必须加以滤波。由于其后续的逆变器是PWM电压型逆变器，故需采用大电容Cd与小电感Ld相互配合进行滤波。大滤波电容Cd还兼有补偿无功功率的作用；而电感厶则有限制电流i和限制出di/dt的作用？另外电感Ld还能改善变频器的功率因数。为避免大电容Cd在通电瞬间产生过大的充电电流，一般还要在直流回路串入一个限流电阻Ro，刚通电时，它限制瞬间充电电流，待几十毫秒后，充电电流减小再由开关K加以短接，以免影响电路正常工作。开关K可以是接触器触头，也可以是功率开关器件，如晶闸管等。

  根据输出的需要，逆变器可以是三相或单相。常见的通用变频器一般都是三相逆变器。逆变器的开关元件目前大都采用高速全控型器件IGBT。这些功率开关器件受来自控制电路的PWM信号的控制而通断，将直流母线电压变成按一定规律变化的PWM电压驱动电动机。

  通用变频器在直流环节处专门设置了泵升电压吸收电路TB，以消除电动机再生制动工况下向电源一侧回馈能量引起的直流母线电压异常升高现象。

  当有快速减速要求时，将定子频率f1迅速减小，而感应电动机及其负载由于惯性很容易使转差频率s<0，电动机进入再生制动，电流经逆变器的续流二极管整流成直流对滤波电容充电。因通用变频器的整流桥是由单向导电的二极管组成，不能吸收电动机回馈的电流，因此，若电动机原来的转速较高，再生制动时间较长，直流母线电压会一直上升到对主电路开关元件和滤波电容形成威胁的过高电压，即所谓的泵生电压。

  通用变频器一般通过制动电阻RB来消耗这些能量，即将一个大功率开关器件TB和一个制动电阻RB相串联，跨接在中间直流环节正、负母线两端。大功率开关器件TB一般装在变频器机箱内，而制动电阻Rb通常作为附件放在机箱外。当直流电压达到一定值时，该大功率开关器件被导通，制动电阻就接人电路，从而消耗掉电动机回馈的能量，以维持直流母线电压基本不变。

  控制电路

  这是通用变频器中最复杂、最关键的部分。现代通用变频器的控制电路大都是以高性能微处理器和专用大规模，一旦电动机过热，过热保护继电器动作，立刻封锁逆变器PWM信号并断开电动机电路。

  外部接口电路

  这部分电路主要是指从外部电路输入控制信号，或将变频器的正常运转信号（如频率、电压、电流等）或故障信号输出供外部电路使用，或将转速等信号反馈至变频器以构成闭环系统的输入和输出接线端子。

  控制电源与驱动电源

  现代通用变频器已大多采用开关稳压电源作控制及驱动电源。使用开关稳压电源有许多好处，它不但体积小，而且可在输入电源、电压大幅度变化情况下使输出电压仍然稳定，变频器运行可靠。

  另外，变频器中间直流环节的直流电压也可为开关电源供电，这就避免了因交流电源瞬时断电而引起控制系统功能紊乱的现象。

通用变频器基本原理

• 本资料所述通用变频器是指适用于工业通用电机和一般变频电机、并由一般电网供电(单相220v、三相380v 50hz)、作调速控制的变频器。此类变频器由于工业领域的广泛使用已成为变频器的主流。调速的基本原理基于以下公式:
  

  式(1)中: n1—同步转速(r/min);

  f1—定子供电电源频率(hz);

  p—磁极对数。

  一般异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系
  

  式(2)中: n—异步电机转速(r/min);

  s—异步电机转差率。

  由(2)式可知，调速的方法可改变f1、p、s其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频率f1，实现调速控制。

  由电机理论，三相异步电机每相电势的有效值与下式有关。
  

  式(3)中: e1—定子每相电势有效值(v);

  f1—定子供电电源频率(hz);

  n1—定子绕组有效匝数;

  фm—定子磁通(wb)。

  由(3)式可分成两种情况分析:

  (1) 在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速。

  变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通фm不变，从(3)式可知，也就是要使e1/f1=常数。如忽略定子漏阻抗压降，可以认为供给电机的电压u1与频率f1按相同比例变化，即u1/f1=常数。

  但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，因此要人为地提高定子电压，以作漏抗压降的补偿，维持e1/f1≈常数，此时变频器输出u1/f1关系如图1中的曲线2，而不再是曲线1。
  

  图1 u/f关系

  多数变频器在频率低于电机额定频率时, 输出的电压u1和频率f1类似图1中曲线2, 并且随着设置不同, 可改变补偿曲线的形状，使用者要根据实际电机运行情况调整。

  (2) 在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速。

  此时变频器的输出频率f1提高，但变频器的电源电压由电网电压决定，不能继续提高。根据公式(3)，e1不能变，f1提高必然使фm下降，由于фm与电流或转矩成正比，因此也就使转矩下降，转矩虽然下降了，但因转速升高了，所以它们两的乘积并未变，转矩与转速的乘积表征着功率。因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行。

  异步电机变频调速恒转矩和恒功率区域状态的特性如图2所示。
  

  图2 异步电机调速时的输出特性

  由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速(vvvf)。

  而在额定频率以上，电压并不变，只改变频率。

  实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下，低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降，其采用的方式多种多样。有矢量控制技术，直接转矩控制技术以及拟超导技术(森兰变频特有专利技术)等等。其作用不外乎动态地改变低频时的变频器输出电压、输出相位或输出频率，也就是利用电路和电脑技术，实时地而不是固定地改变图2中曲线1的形状达到低速时力矩提升，并且稳定运行，又不至于电流太大而造成故障。
  

  图3 通用变频器基本电路

  通用变频器的基本电路如图3所示，它由4个主要部分组成，分别是:

  1—整流部分，把交流电压变为直流电压;

  2—滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电;

  3—逆变部分，把直流电又转换成三相交流电，这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的pwm波，或者正弦脉宽调制spwm波，当这种波形的电压加到负载上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦形波的电流波形;

  4—控制电路是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号，这些信号是受外部指令决定的，有频率、频率上升下降速率、外部通断控制以及变频器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等。

  特别要指出的，通用变频器对负载的输出波形都是双极性spwm波，这种波形可以大幅度提高变频器的效率，但同时这种波形使变频器的输出区别于正常正弦波, 产生了变频器很多特殊之处，需要使用者予以重视。双极性spwm波如图4所示, 其中图4(a)是三角形的载波与正弦形信号进行比较的情形，图4(b)是比较后获的spwm波形。
  

  图4 双极性spwm调制器

通用变频器应用中的问题及对策

• 随着计算机技术和电力电子技术的发展，通用变频器的应用也得到了迅猛发展。由于交流电动机结构简单，坚固耐用、无需换向装置，可适用于各种工作环境，所以以通用变频器为核心的交流调速系统得到了广泛应用。采用变频器调速可以提高机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的自动化，使交流拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显着的节能效果。

  1　变频器的节能原理

  当今电动机消耗的电能约占工业电耗的65[%]，风机、泵类设备年耗电量占全国电力消耗的30[%]。造成这种状况的主要原因是:风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当风机转速从n变到n′，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：Q′=Q（n′/n）；H′=H（n′/n）2；P′=P（n′/n）3。风量与转速成正比，风压H与转速的二次方成正比，轴功率与转速三次方成正比。所以，当所要求的风量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40[%]~50[%]，从而达到节电的目的。

  2　运行中的问题及对策

  目前，通用变频器以其智能化、数字化、网络化等优点越来越受到用户的青睐。随着通用变频器应用范围的扩大，运行中出现的问题越来越多，主要有以下几方面：谐波、振动与噪声、负载匹配、发热等问题。

  （1）谐波及其抑制对策

  通用变频器的主电路形式一般由三部分组成：整流部分、逆变部分、滤波部分。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变器部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形。输出电压中含有除基波以外的其他谐波。较低次谐波通常对电机负载影响较大，引起转矩脉动，而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加，使电动机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制，可以采用以下方法抑制谐波。

  1）增加变频器供电电源内阻抗

  通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器。

  2）安装电抗器

  在变频器的输入端和输出端串接合适的电抗器（A?鄄CL），使整流阻抗增大，可以抑制高次谐波电流。

  3）采用变压器多相运行

  通用变频器为六脉冲波整流器，因此产生的谐波较大。如果利用变压器二次绕组接法的不同，使两组三相交流电源间相位错开30°。整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法，整流电路的脉波数由6脉波提高到12脉波，可减小低次谐波电流，更好地抑制低次谐波。

  （2）噪声与振动及其对策

  用变频器进行电动机调速运转时，将产生噪声和振动，这是变频器输出波形中含有高次谐波分量所产生的影响。随着运转频率的变化，基波分量、谐波分量也在很大范围内变化，因此电动机各部分的谐波增加。

  1）　噪声问题及对策

  电动机的噪声大体有通风噪声、电磁噪声和机械噪声三种。

  变频器传动时，由于输出电压、电流中含有谐波分量，气隙的谐波磁通增加，所以噪声变大。其特征如下：由于变频器输出较低的谐波频率与转子固有频率的共振，导致在转子固有频率附近的噪声增大；由于变频器输出的谐波分量使铁心、机壳、轴架等谐波，导致在其固有频率附近的噪声增大。

  为了抑制变频器传动引起的噪声，特别是刺耳的噪声与PWM控制的开关频率有关，尤其在低频区更为显着。一般采用以下措施平抑和减少噪声：在变频器输出侧连接交流电抗器。如果转矩有余量，将U/f值定小些，并可采用特殊电动机（对噪声采取了措施）等。

  2）振动问题及对策

  电动机振动的原因可分为电磁与机械两种。

  电磁原因引起的振动表现为：由于较低次的谐波分量与转子的谐振，其固有频率附近的振动分量增加;由于谐波产生的脉动转矩的影响发生振动。特别是当脉动转矩的频率同电动机转子与负载构成的轴系扭转固有频率一致时将发生谐振。

  机械原因引起的振动表现为：电动机轴上有外伸重量等，轴系统的固有频率降低时，如果电动机高速运转，全旋转频率与轴系统固有频率接近，则振动加剧。转子残余不平衡引起离心力与转速的二次方成比例增加，所以用变频器进行高速运转时，振动加大。

  为减少谐波产生的电磁力，可以在变频器的输出侧连接交流电抗器，以吸收变频器输出电流中的高次谐波电流成分。使用PAM方式或方波PWM方式变频器时，可改用正弦波PWM或矢量控制方式变频器，以减小脉动转矩。

通用变频器的维护及故障诊断方法

• 随着自动化领域的不断发展，变频器的应用也深入到各行各业，变频器的发展也在不断地推陈出新，功能越来越大，可靠性也相应地提高。但是如果使用不当，操作有误，维护不及时，仍会发生故障或运行状况改变缩短设备的使用寿命。因此，日常的维护与检修工作显得尤为重要。

  1 注意事项

  操作人员必须熟悉变频器的基本工作原理、功能特点，具有电工操作基本知识。在对变频器检查及保养之前，必须在设备总电源全部切断；并且等变频器Chang灯完全熄灭的情况下进行。

  2 日常检查事项

  变频器上电之前应先检测周围环境的温度及湿度，温度过高会导致变频器过热报警，严重时会直接导致变频器功率器件损坏、电路短路；空气过于潮湿会导致变频器内部直接短路。在变频器运行时要注意其冷却系统是否正产，如：风道排风是否流畅，风机是否有异常声音。一般防护等级比较高的变频器如：IP20以上的变频器可直接敞开安装，IP20以下的变频器一般应是柜式安装，所以变频柜散热效果如何将直接影响变频器的正常运行，变频器的排风系统如风扇旋转是否流畅，进风口是否有灰尘及阻塞物都是我们日常检查不可忽略的地方。电动机电抗器、变压器等是否过热，有异味；变频器及马达是否有异常响声；变频器面板电流显示是否偏大或电流变化幅度太大，输出UVW三相电压与电流是否平衡等。

  3 定期保养

  清扫空气过滤器冷却风道及内部灰尘。检查螺丝钉、螺栓以及即插件等是否松动，输入输出电抗器的对地及相间电阻是否有短路现象，正常应大于几十兆欧。导体及绝缘体是否有腐蚀现象，如有要及时用酒精擦拭干净。在条件允许的情况下，要用示波器测量开关电源输出各电路电压的平稳性，如：5V、12V、15V、24V等电压。测量驱动器电路各路波形的方法是否有畸变。UVW相间波形是否为正弦波。接触器的触点是否有打火痕迹，严重的要更换同型号或大于原容量的新品；确认控制电压的正确性，进行顺序保护动作试验；确认保护显示回路无异常；确认变频器在单独运行时输出电压的平衡度。

  建议定期检查，应一年进行一次。

  4 备件的更换

  变频器由多种部件组成，其中一些部件经长期工作后其性能会逐渐降低、老化，这也是变频器发生故障的主要原因，为了保证设备长期的正常运转，下列器件应定期更换：

  （1）冷却风扇

  变频器的功率模块是是发热最严重的器件，其连续工作所产生的热量必须要及时排出，一般风扇的寿命大约为10kh~40kh。按变频器连续运行折算为2~3年就要更换一次风扇，直接冷却风扇有二线和三线之分，二线风扇其中一线为正极，另一线为负线，更换时不要接错；三线风扇除了正、负极外还有一根检测线，更换时千万注意，否则会引起变频器过热报警。交流风扇一般为220V、380V之分，更换时电压等级不要搞错。

  （2）滤波电容

  中间直流回路滤波电容：又称电解电容，其主要作用就是平滑直流电压，吸收直流中的低频谐波，它的连续工作产生的热量加上变频器本身产生的热量都会加快其电解液的干涸，直接影响其容量的大小。正常情况下电容的使用寿命为5年。建议每年定期检查电容容量一次，一般其容量减少20[%]以上应更换。

  5 测试

  5.1 静态测试

  （1）测试整流电路

  找到变频器内部直流电源的P端和N端，将万用表调到电阻X10档，红表棒接到P，黑    表棒分别依到R、S、T，应该有大约几十欧的阻值，且基本平衡。相反将黑表棒接到P端，红表棒依次接到R、S、T，有一个接近于无穷大的阻值。将红表棒接到N端，重复以上步骤，都应得到相同结果。如果有以下结果，可以判定电路已出现异常，A.阻值三相不平衡，可以说明整流桥故障。B.红表棒接P端时，电阻无穷大，可以断定整流桥故障或起动电阻出现故障。

  （2）测试逆变电路

  将红表棒接到P端,黑表棒分别接U、V、W上，应该有几十欧的阻值，且各相阻值基本相同，反相应该为无穷大。将黑表棒接到N端，重复以上步骤应得到相同结果，否则可确定逆变模块故障。

  5.2 动态测试

  在静态测试结果正常以后，才可进行动态测试，即上电试机。在上电前后必须注意以下几点:

  （1）上电之前，须确认输入电压是否有误，将380V电源接入220V级变频器之中会出现炸机（炸电容、压敏电阻、模块等）。

  （2）检查变频器各接播口是否已正确连接,连接是否有松动,连接异常有时可能导致变频器出现故障,严重时会出现炸机等情况。

  （3）上电后检测故障显示内容,并初步断定故障及原因。

  （4）如未显示故障,首先检查参数是否有异常,并将参数复归后,进行空载(不接电机)情况下启动变频器,并测试U、V、W三相输出电压值。如出现缺相、三相不平衡等情况，则模块或驱动板等有故障。

  （5）在输出电压正常（无缺相、三相平衡）的情况下，带载测试。测试时，最好是满负载测试。

  6 故障判断

  （1）整流模块损坏

  一般是由于电网电压或内部短路引起。在排除内部短路情况下，更换整流桥。在现场处理故障时，应重点检查用户电网情况，如电网电压，有无电焊机等对电网有污染的设备等。

  （2）逆变模块损坏

  一般是由于电机或电缆损坏及驱动电路故障引起。在修复驱动电路之后，测驱动波形良好状态下，更换模块。在现场服务中更换驱动板之后，还必须注意检查马达及连接电缆。在确定无任何故障下，运行变频器。

  （3）上电无显示

  一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起，如启动电阻损坏，也有可能是面板损坏。

  （4）上电后显示过电压或欠电压

  一般由于输入缺相，电路老化及电路板受潮引起。找出其电压检测电路及检测点，更换损坏的器件。

  （5）上电后显示过电流或接地短路

  一般是由于电流检测电路损坏。如霍尔元件、运放等。

  （6）启动显示过电流

  一般是由于驱动电路或逆变模块损坏引起。

  （7）空载输出电压正常,带载后显示过载或过电流

  该种情况一般是由于参数设置不当或驱动电路老化,模块损伤引起。

通用变频器的进展及应用

• 1 前 言

  电力电子技术、微电子与集成电路及控制技术的发展，不断推动通用变频器技术向着多功能、智能化、性价比更优的方向发展。近十年来，通过对不同应用的细分和优化设计，使通用变频器完成相同的控制功能效率更高了。同时，通用变频器的应用范围正在不断拓宽，从适合用于风机、水泵调速向纺织工业、包装工业、起重系统等行业发展，替代原来由专用变频器或工程型变频器才能完成的某些功能，并保持通用变频器的价格优势。由于具有全面而完善的控制功能和完整、快速的故障诊断、保护、报警功能及通讯功能，通过相关参数设置，既可用于更高级的电机控制系统。

  2 通用变频器的动向

  目前，通用变频器的功率范围已从0.55~1500KW,电压等级从三相380V到690V；控制方法包括频率控制V/f、开环无传感器矢量控制及闭环矢量控制等，频率分辨率达到0.01Hz。

  以西门子公司最新推出的MM440变频器为例，其具有多种控制方式，即运行中电动机的速度与变频器的输出电压可以有多种不同的控制关系，用户可根据负载特性选择合适的控制方式。这些数年前在工程型变频器才具有的功能已出现在通用变频器中，其大大拓宽了通用变频器应用范围，使其能适合起重系统、立体仓储、包装工业和纺织工业的定位应用。也使用户使用变频器更加高效率。

  MM440控制功能：

  无传感器矢量控制： 用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制，以便获得大的转矩、改善瞬态响应特性和具有优良的速度温定性；

  无传感器的矢量转矩控制： 变频器可以控制电动机的转矩。

  线性V/f控制： 用于可变转矩和恒定转矩的负载；

  带磁通电流控制（FCC）的线性V/f控制：用于提高电动机的效率和改善其动态响应特性。

  抛物线V/f控制： 用于可变转矩负载，如风机和水泵。

  纺织机械的V/f控制： 没有滑差补偿或谐振阻尼，电流最大值控制器从属于电压而不是频率。还有用于纺织机械的带FCC功能的V/f控制、多点V/f控制、带ECO（节能）运行方式的线性V/f控制等。

  为满足市场和用户的需求，通用变频器的软硬件特性都在不断更新和发展。在MM440变频器中，其采用模块化设计，配置灵活。具有多个继电器输出和多个模拟量输出；先进的BiCo(二进制互联连接)技术，实现灵活的端子功能自定义，满足用户特殊需要。3组参数存储，方便完成设定值互相切换，匹配不同负载，满足生产要求。内置PID控制器，可构成压力，流量温度等闭环控制，可节约投资成本。此外，为使通用变频器能集成到自动化系统中去，要求其具有较强的通讯组网能力，如RS485接口可在上位机器（主机）与变频器之间进行数据通信，实现对变频器的状态监视（运转频率、电流、电压等）、给变频器指令（运转、停止等）和完成变频器设定参数的读出、更改、写入等；而在变频器之间可形成进行速度比例运转的网络。同时配备适于联接PROFIBUS、DEVICENET通讯选件，可使布线简洁，运行可靠，便于集中控制。

  芬兰Vacon变频器每一台变频器中都有“五合一精确控制宏”，使变频器在不同应用场合中的操作更容易；而其利用IGBT的并联特性，实现了功率大于110KW的变频器采用相同的零配件，在降低生产成本的同时，也方便了维护。

  3 通用变频器应用

  3.1 西门子MM420变频器在纺织细纱机上的运用：

  细纱机对传动装置要求高效率、软起动和良好的速度控制特性。MM420的FCC控制功能可提供非常平稳的运行速度和高的输出转矩；快速的捕捉再起动功能，当电网故障时再同步纱锭速度以避免断纱发生。通过RS485串行通讯口使用USS协议，增强了系统的控制性能，减少了系统布线和调试时间。MM440变频器还可用于电梯控制。

  3.2 Vacon CX变频器在起重机负载晃动控制

  起重机用来提升和运送重物，由于起重机的每一次加速都会引起货物的晃动，使用变频器可避免并优化电机转矩，ICRAS VC 是Vacon专门为起重机的运行负载的晃动情况进行控制的应用程序。

  4 结束语

  通用变频器在软硬件特性和控制功能方面都有显着的提高，具有替代专用变频器或工程型变频器某些功能的特点，这对于变频器系统的选型、降低设备成本和提高系统运行效率十分有益。