1、變頻器的基本結構變頻器的基本結構 劉美俊劉美俊 各生產廠家生產的通用變頻器，其主電路結構和控制電路并不完全相同，但基本的構造原理和主電路連接方式以及控制電路的基本功能都大同小異。下圖所示為通用變頻器結構原理示意圖。 主要包括三個部分：一是主電路接線端，包括接工頻電網的輸入端（R、S、T），接電動機的頻率、電壓連續(xù)可調的輸出端（U、V、W）；二是控制端子，包括外部信號控制端子、變頻器工作狀態(tài)指示端子、變頻器與微機或其他變頻器的通信接口；三是操作面板，包括液晶顯示屏和鍵盤。 變頻器外觀結構圖 ABB公司ACS600變頻器結構圖 通用變頻器由主電路和控制電路組成，其基本構成如下圖所示。其中，給異步電

2、動機提供調壓調頻電源的電力變換部分稱為主電路，主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)（又稱平波回路）和逆變器等。通用變頻器的基本構成通用變頻器的基本構成 1）整流器。電網側的變流器為整流器，它的作用是把工頻電源變換成直流電源。三相交流電源一般需經過壓敏電阻網絡引入到整流橋的輸入端。壓敏電阻網絡的作用是吸收交流電網浪涌過電壓，從而避免浪涌侵入，導致過電壓而損壞變頻器。整流電路按其控制方式可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。電壓型變頻器的整流電路屬于不可控整流橋直流電壓源，當電源線電壓為380V時，整流器件的最大反向電壓一般為1000V，最大整流電流為通用變頻器額定電流的2倍。智能功率模塊的安裝與應用

3、當將IPM模塊安裝到散熱器上時，操作時應避免安裝受力不均勻。推薦使用平面度在150m或更小的散熱器，并避免單邊應力過緊，要嚴格遵照如圖2-62所示的推薦的螺釘安裝擰轉順序操作，如果模塊受力不均，會導致模塊陶瓷絕緣破裂，致使模塊損壞或留下潛在的故障隱患。不要將端子和螺釘擰得過緊，在模塊產品數據手冊中一般會提供最大轉矩值，在安裝過程中為了符合指定力矩值，必須使用力矩扳手。力最大限度地使基板與散熱器接觸以利于傳熱，散熱器表面必須具有句皿或更小的表面光潔度，并應在傳熱界面使用導熱硅膠。選擇使用的硅膠應能在工作溫度內性能穩(wěn)定，并且保證在裝置壽命期內性能不發(fā)生變化。 圖（a）所示是兩點安裝型，預擰緊順序為

4、，最終擰緊順序為；圖（b）所示是四點安裝型，預擰緊順序為，最終擰緊順序為。 2）逆變器。負載側的變流器為逆變器。與整流器的作用相反，逆變器是將直流功率變換為所需求頻率的交流功率。逆變器最常見的結構形式是利用6個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。通過有規(guī)律地控制逆變器中主開關的導通和關斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出波形。 中間直流環(huán)節(jié)實際上是中間直流儲能環(huán)節(jié)，另一個作用是承擔對整流電路輸出進行濾波，以減少電壓或電流的波動。此外，由于異步電動機制動的需要，在直流中間電路中還設有制動電阻及其他輔助電路，這就是直流中間電路的作用。電壓型變頻器的直流中間電路的主要元器件是大容量電解電容，而電流

5、型變頻器則主要由大容量電感器組成。 控制電路常由運算電路，檢測電路，控制信號的輸入、輸出電路，驅動電路和制動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制，對整流器的電壓控制，以及完成各種保護功能等。 通用變頻器中的制動電路是為了滿足異步電動機制動的需要而設置的 ，對于大、中容量的通用變頻器來說，為了節(jié)約能源，一般采用電源再生單元將上述能量回饋給供電電源。而對于小容量通用變頻器來說，則通常采用制動電路，將異步電動機反饋回來的能量在制動電路上消耗掉。 變頻器的分類變頻器的分類 通用變頻器按其主電路結構形式可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，如果主電路中沒有直流中間環(huán)節(jié)的稱為交-交變頻器，有直流

6、中間環(huán)節(jié)的稱為交-直-交變頻器。按其工作方式有電壓型變頻器和電流型變頻器；按其逆變器開關方式有PAM（Pulse Amplitude Modulation，脈沖振幅調制）控制方式、PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）控制方式和高頻載波SPWM（Sinusoidal PWM，正弦脈寬調制）控制方式三種；按其逆變器控制方式有U/f控制方式、轉差頻率控制方式、矢量控制方式、矢量轉矩控制方式和直接轉矩控制等。 變頻器的額定值和技術指標 1輸入側的額定值中、小容量通用變頻器輸入側的額定值主要指電壓和相數。在我國，輸入電壓的額定值（指線電壓）有3相380V、3相220V（主要是

7、進口變頻器）和單相220V（主要用于家用電容小容量變頻器）三種。此外，輸入側電源電壓的頻率一般規(guī)定為工頻50Hz或60Hz。2輸出側的額定值（1）輸出電壓UN。由于變頻器在變頻的同時也要變壓，所以輸出電壓的額定值是指輸出電壓中的最大值。（2）輸出電流IN。指允許長時間輸出的最大電流，是用戶在選擇變頻器時的主要依據。（3）輸出容量 3NNNSU I （4）配用電動機容量PN。對于變頻器說明書中規(guī)定的配用電動機，其容量說明如下： 1）它是根據下式估算的結果 cosNNMMPS 2）說明書中的配用電動機容量僅對長期連續(xù)負載才是適合的，對于各種變動負載則不適用。 （5）過載能力。變頻器的過載能力是指允

8、許其輸出電流超過額定電流的能力，大多數變頻器都規(guī)定為150% IN、1min。 變頻器的性能指標 變頻器的性能就是通常所說的功能，這類指標是可以通過各種測量儀器工具在較短時間內測量出來的，這類指標是IEC標準和國標所規(guī)定的出廠所需檢驗的質量指標。用戶選擇幾項關鍵指標就可知道變頻器的質量高低，而不是單純看是進口還是國產，是昂貴還是便宜。以下是變頻器的幾項關鍵性能指標。 （1）在0.5Hz時能輸出多大的起動轉矩 比較優(yōu)良的變頻器在0.5Hz時能輸出200%高起動轉矩（在22kW以下30kW以上，能輸出180%的起動轉矩）。具有這一性能的變頻器，可根據負載要求實現短時間平穩(wěn)加減速，快速響應急變負載，

9、及時檢測出再生功率。 （2）頻率指標。 變頻器的頻率指標包括頻率范圍、頻率穩(wěn)定精度和頻率分辨率。 頻率范圍以變頻器輸出的最高頻率fmax和最低頻率fmin標示，各種變頻器的頻率范圍不盡相同。通常，最低工作頻率約為0.11Hz，最高工作頻率約為200500Hz。 頻率穩(wěn)定精度也稱頻率精度，是指在頻率給定值不變的情況下，當溫度、負載變化，電壓波動或長時間工作后，變頻器的實際輸出頻率與給定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比（用百分數表示）。 例如，用戶給定的最高工作頻率例如，用戶給定的最高工作頻率fmax120Hz，頻率精度為頻率精度為0.01%，則最大誤差為：，則最大誤差為： fmax0.000

10、1120Hz0.012Hz 通常，由數字量給定時的頻率精度約比模擬量給通常，由數字量給定時的頻率精度約比模擬量給定時的頻率精度高一個數量級，前者通常能達到定時的頻率精度高一個數量級，前者通常能達到0.01%（-1050），后者通常能達到），后者通常能達到0.5%（2510）。 頻率分辨率指輸出頻率的最小改變量，即每相鄰頻率分辨率指輸出頻率的最小改變量，即每相鄰兩擋頻率之間的最小差值。兩擋頻率之間的最小差值。 例如，當工作頻率fx25Hz時，如果變頻器的頻率分辨率為0.01Hz，則上一擋的最小頻率為： fn（250.01）Hz25.01Hz 下一擋的最大頻率為： fx（250.01）Hz24.9

11、9Hz 對于數字設定式的變頻器，頻率分辨率取決于微機系統的性能，在整個調頻范圍（如0.5400Hz）內是一個常數（例如0.01Hz）。對于模擬設定式，頻率的分辨率還與頻率給定電位器的分辨率有關，一般可以達到最高輸出頻率的0.05%。 4速度調節(jié)范圍控制精度和轉矩控制精度 現有變頻器速度控制精度能達到0.005%，轉矩控制精度能達3%。 5低轉速時的脈動情況 低轉速時的脈動情況是檢驗變頻器好壞的一個重要標準。有的高質量變頻器在1Hz時轉速脈動只有1.5r/min。下圖給出了在1Hz時幾種轉速脈沖情況的波形（最上面兩種為3.7kW時的特性）。 此外，變頻器的噪聲及諧波干擾、發(fā)熱量等都是重要的性能指

12、標，這些指標與變頻器所選用的開關器件及調制頻率和控制方式有關。用IGBT和IPM制成的變頻器，由于調制頻率高，其噪聲很小，一般情況下連人的耳朵都聽不見，但其高次諧波始終存在。如果采用的控制方式較好，也可減少一些諧波量。 在1Hz時變頻器輸出轉速的脈動情況 變頻器的選擇 通用變頻器的選擇，包括變頻器類型的選擇和容量的選擇。選擇變頻器規(guī)格時應注意根據要求采用合適的選擇方式和計算公式，根據工程實際情況確定具體調速方案，包括逆變器與電機的對應關系、整流器與逆變器的對應關系（是否采用成組驅動）、制動部分的結構方式及配置規(guī)模、采用哪種控制方式等等變頻器的技術規(guī)范 在選用變頻器時，用戶通常都要查看該型號變頻

13、器的產品資料，每一個品牌的變頻器都有多種規(guī)格型號供選擇，一般通用變頻器的技術數據分為型號及定貨號、額定輸入/輸出參數、控制方式等，其中包括一些控制精度、控制參數、顯示模式參數、保護特性參數及環(huán)境參數等五大類。這里介紹一下在實際工程應用中會涉及到的有關參數的一些知識，供選型時參考。 1容量 通用變頻器的容量用所適用的電動機功率（kW）、輸出容量（kVA）、額定輸出電流（A）表示。其中最重要的是額定電流，它是指變頻器連續(xù)運行時輸出的最大交流電流的有效值。輸出容量決定于額定輸出電流與額定輸出電壓下的三相視在輸出功率。日本產的通用變頻器的額定輸入電壓往往是200V與220V、400V與440V共用不細

14、分，變頻器的輸入電源電壓常允許在一定范圍內波動，因此，輸出容量一般用作衡量變頻器容量的一種輔助手段。但德國西門子公司的變頻器對電源電壓則規(guī)定得很嚴格。 日本的各變頻器生產廠家在1993年達成了一個行業(yè)協議：變頻器的型號規(guī)格中均標以所適用的電動機最大功率數（kW）。例如，富士公司的FRN30G11S-4表示產品型號為FRENIC5000，標準適配電動機容量為30kW，系列名稱為G11S，電源電壓為400V。 變頻器所適用的電機功率（kW）是以標準的2或4極電機為對象，在變頻器的輸出額定電流以內可以傳動的電機功率。 380V、160W以下單臺電動機與變頻器間容量的匹配關系參考表被控交流電動機容量（

15、kW）變頻器輸出容量（kVA）被控交流電動機容量（kW）變頻器輸出容量（kVA）0.4，0.75222，30501.5，2.2437603.7645，551005.51075，901507.515110，13220011，152516023018.535 2輸入、輸出參數 額定輸入參數包括電源輸入相數、電壓、頻率、允許電壓頻率波動范圍、瞬時低電壓允許值（相當于標準適配電動機85%負載下的試驗值）、額定輸入電流和需要的電源容量。 額定輸出參數包括通用變頻器的額定輸出電壓（不能輸出比電源電壓高的電壓）、額定輸出電流（在驅動低阻抗的高頻電動機等場合，允許輸出電流可能比額定值?。?、額定過載電流倍數、額

16、定輸出頻率等。變頻器的最高輸出頻率因型號的不同而差別很大，通常有50Hz/60Hz、120Hz、240Hz、400Hz或更高，通用變頻器中大容量的大都屬于50/60Hz這一類，而最高輸出頻率超過工頻的變頻器多為小容量。 關于輸出頻率的調節(jié)范圍同樣因通用變頻器型號的不同而不同，較常見的有0.5400Hz。400Hz以上屬中頻。 輸出頻率的精度通常給出兩種指標：模擬設定（如最高頻率的0.2%）和數字設定（如最高頻率的0.01%）。輸出頻率的設定分辨率通常給出三種指標：模擬設定（如最高頻率的1/3000，例如60Hz時為0.02Hz等）、數字設定（如小于99.99Hz時為0.01Hz，大于100.0

17、Hz時為0.1Hz等）和串行通信接口鏈接設定（如最高頻率的1/20000，小于60Hz時為0.003Hz，120Hz時為0.006Hz等）。 控制參數控制參數 選用變頻器時可根據控制參數及其說明選擇所需要的參數，并核對與自己的需要是否相符，有些參數可能用不上，可以不予考慮。 頻率上下限。通常預設的頻率上限值和下限值 跳越頻率控制。通常設定跳越點的個數、跳越頻率設定范圍等，主要用于避免機械共振。 瞬時過載能力。根據主回路半導體器件的過載能力，通用變頻器的電流瞬時過載能力常常設計成150%額定電流、1min，或120%額定電流、1min。與標準異步電動機（過載能力通常為200%左右）相比較，變頻器

18、的過載能力較小。 變頻器類型的選擇變頻器類型的選擇 變頻器類型選擇的基本原則是根據負載的要求進行選擇。選擇方法如下： （1）風機和泵類負載。 因為這類負載對轉速精度沒有什么要求，故選型時通常以價廉為主要原則，選擇普通功能型通用變頻器。（2）恒轉矩負載。 多數負載具有恒轉矩特性，但在轉速精度及動態(tài)性能等方面要求一般不高，例如擠壓機、攪拌機、傳送帶、廠內運輸電車、吊車的平移機構、吊車的提升機構和提升機等。選型時可選V/f控制方式的變頻器， （3）被控對象具有一定的動態(tài)、靜態(tài)指標要求。 這類負載一般要求低速時有較硬的機械特性，才能滿足生產工藝對控制系統的動態(tài)、靜態(tài)指標要求。如果控制系統采用開環(huán)控制，

19、可選用具有無轉速反饋矢量控制功能的變頻器。（4）被控對象具有較高的動態(tài)、靜態(tài)指標要求。 對于調速精度和動態(tài)性能指標都有較高要求以及要求高精度同步運行等場合，可采用帶速度反饋的矢量控制方式的變頻器。如果控制系統采用閉環(huán)控制，可選用能夠四象限運行、V/f控制方式、具有恒轉矩功能型變頻器。例如軋鋼、造紙、塑料薄膜加工生產線這一類對動態(tài)性能要求較高的生產機械，采用矢量控制的高性能通用變頻器，不但能很好地滿足生產工藝要求，還能降低調節(jié)器控制算法的難度。 變頻器容量的計算 選擇變頻器容量的基本原則 1、 應以電動機的額定電流和負載特性為依據選擇通用變頻器的額定容量 2 、通用變頻器的容量多數是以kW數及相

20、應的額定電流標注的，對于三相通用變頻器而言，該kW數是指該通用變頻器可以適配的4極三相異步電動機滿載連續(xù)運行的電動機功率。一般情況下，可以據此確定需要的通用變頻器容量。 選擇變頻器容量的基本原則3、由于通用變頻器輸出中包含諧波成分，其電流有所增加，應適當考慮加大容量。當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大1擋的通用變頻器，以利于通用變頻器長期、安全地運行。其次應考慮最小和最大運行速度極限，滿載低速運行時電動機可能會過熱，所選通用變頻器應有可設定下限頻率、可設定加速和減速時間的功能，以防止低于該頻率下運行。 4 、 一般風機、泵類負載不宜在低于15Hz以下運行，如果確

21、實需要在15Hz以下長期運行，需考慮電動機的容許溫升，必要時應采用外置強迫風冷措施，即在電動機附近外加一個適當功率的風扇對電動機進行強制冷卻，或拆除電動機本身的冷卻扇葉，利用原扇罩固定安裝一臺小功率（如25W，三相）軸流風機對電動機進行冷卻。如果電動機的起動轉矩能滿足要求，宜選用通用變頻器的降轉矩U/f模式，以獲得較大的節(jié)能效果。若通用變頻器用于離心式風機時，由于風機的轉動慣量較大，加減速時間應適當加大，以避免在加減速過程中出現過電流保護動作或再生過電壓保護動作。要特別注意50Hz以上高速運行的情況，若超速過多，會使負載電流迅速增大，導致燒毀設備，使用時應設定上限頻率，限制最高運行頻率。一、按

22、電動機額定電流選擇一、按電動機額定電流選擇 對于多數的恒轉矩負載，可以按照這個方式選擇變頻器規(guī)格：CN1 MIK I 式中，ICN是變頻器額定電流；IM是電動機額定電流；K1是電流裕量系數，根據應用情況，一般可取為1.051.15。對于K1，一般情況可取小值，在電動機持續(xù)負載率超過80%時則應該取大值，因為多數變頻器的額定電流都是以持續(xù)負載率不超過80%來確定的。 另外，起動停止頻繁的時候也應該考慮取大值，這是因為起動過程以及有制動電路的停止過程電流會短時超過額定電流，頻繁起動停止則相當于增加了負載率。例1某110kW電動機的額定電流為212A，取電流裕量系數為1.05，按照上式計算，可得變頻

23、器額定電流要大于等于222.6A，可選擇某型號110kW變頻器，其額定電流為224A。 這里的裕量系數主要是為防止電動機的功率選擇偏低、實際運行時經常輕微超載而設置的，這種情況對于電動機而言是允許的，但若不設置裕量系數，則會造成變頻器負擔過重而影響其使用壽命。在變頻器內部設定電動機額定電流時不應該考慮裕量系數，否則，變頻器對電動機的保護就不會有效了。 多數情況下，按照上式計算的結果，變頻器的功率與電動機功率都是匹配的，不需要放大，因此在選擇變頻器時盲目把功率放大一級是不可取的，這樣會造成不必要的浪費。 二、按電動機實際運行電流選擇二、按電動機實際運行電流選擇 這個方式特別適用于技術改造工程，其

24、計算公式為：CN2dIK I 式中，K2是裕量系數，考慮到測量誤差，K2可取1.11.2，在頻繁起動停止時應該取大值；Id是電動機實測運行電流，指的是穩(wěn)態(tài)運行電流，不包括起動、停止和負載突變時的動態(tài)電流，實測時應該針對不同工況作多次測量，取其中最大值。按照上式計算后，實際選擇時恒轉矩負載的變頻器標稱功率不應小于電動機額定功率的80%，二次方轉矩負載的變頻器標稱功率不應小于電動機額定功率的65%，如果應用時對起動時間有要求，則通常不應該降低變頻器功率 【例例2】 某風機電動機為160kW，額定電流為289A，實測穩(wěn)定運行電流在112148A之間變化，起動時間沒有特殊要求。取Id148A，K21.

25、1，按照上式計算，變頻器額定電流應不小于162.8A，可選擇某型號的90kW變頻器，額定電流為180A。但90/16056.25%，因此，實際選擇該型號110kW變頻器，110/16068.75%，符合要求。 三、按照轉矩過載能力選擇 變頻器的電流過載能力通常比電動機的轉矩過載能力低，因此，按照常規(guī)配備變頻器時電動機轉矩過載能力不能充分發(fā)揮作用。 d MCN3fIIK式中，d是電動機轉矩過載倍數，f是變頻器電流短時過載倍數，K3是電流/轉矩系數。 電動機轉矩過載倍數可以從樣本查得，變頻器電流1min過載倍數為150%時，最大瞬間過載電流倍數為200%，可用的短時過載倍數可按1.61.7選??；

26、例3某軋鋼機飛剪機構，在空刃位置時要求低速運行以提高定尺精度，進入剪切位置前則要求快速加速到線速度與鋼材速度同步，因此需要按照轉矩過載能力選擇變頻器，飛剪電動機160kW，額定電流296A，轉矩過載倍數2.8。 取電流/轉矩系數為1.15，變頻器短時過載倍數為1.7，用上式計算得變頻器額定電流應不小于560A，選擇某型號300kW變頻器，額定電流為的605A。 四 、按起動特性選擇 1電動機直接起動時 通常，三相異步電動機直接用工頻起動時，其起動電流為額定電流的47倍。對于電機功率小于10kW的電機直接起動時，可按下式選取變頻器：kCNgIIK式中，Ik為在額定電壓、額定頻率下，電動機起動時的

27、堵轉電流（A）；Kg為變頻器的允許過載倍數，Kg1.31.5。2大慣性負載起動時對于大慣性負載，一般按下式計算變頻器的容量：2MMCNLA9550 cos375knnGDPTt 式中，GD2為換算到電動機軸上的總飛輪矩（Nm2）；TL為負載轉矩（Nm）；為電動機效率（通常約0.85）；cos為電動機功率因數（通常約0.75）；tA為電動機加速時間（s），根據負載要求確定；k為電流波形的修正系數（PWM方式時取1.051.1）；nM為電動機額定轉速（r/min）；PCN為變頻器容量（kVA）。 3多臺電動機并聯起動且部分直接啟動 這種情況下，所有電動機由變頻器供電且同時起動，但一部分功率較小的電

28、動機（一般小于7.5kW）直接起動，功率較大的則使用變頻器實行軟起動。此時，變頻器的額定輸出電流按下式計算 ICNN2Ik（N1N2）In/Kg 式中，N1為電動機總臺數；N2為直接起動的電動機臺數；Ik為電動機直接起動時的堵轉電流（A）；In為時機額定電流；Kg為變頻器容許過載倍數（取1.31.5）。4并聯運行中追加投入起動時 用一臺變頻器拖動多臺電動機機并聯運轉時，對于一小部分電動機開始起動后，再追加投入其他電動機起動的場合，如圖 此時，變頻器的電壓、頻率已經上升，追加投入的電動機將產生較大的起動電流。因此，變頻器容量與同時起動時相比需要增大一些。變頻器額定輸出電流ICN可按下式計算：12

29、CNHnSn11NNijIkIkI+式中，N1為先起動的電動機臺數；N2為追加投入起動的電動機臺數；IHn為先起動的電動機的額定電流（A）；ISn為追加投入電動機起動的額定電流（A）；k為修正系數（取1.051.10）。五、按運行特性選擇MCNcoskPPCNMIkI3CNMM310PkU I 1連續(xù)運轉時由于變頻器傳給電動機的是脈沖電流，其脈動值比工頻供電時電流要大，因此，須將變頻器的容量留有適當的余量。此時，變頻器應同時滿足以下三個條件：（A） （kVA） （kVA）MUMI 式中，PM為負載所要求的電動機的軸輸出功率；為電動機的效率（通常約0.85）；cos為電動機的功率因數（通常約0.75）；為電動機電壓（V）；為電動機電流（A），是工頻電源時的電流；k為電流波形的修正系數（PWM方式時，取1.051.0）；PCN為變頻器的額定容量（kVA）；ICN為變頻器的額定電流（A）。2一臺變頻器拖動多臺電動機并聯運行時 這種情況下應考慮以下幾點：（1）根據各電動機的電流總和來選擇變頻器。（2）在整定軟起動、軟停止時，一定要按起動最慢的那臺電動機進行整定。當變頻器短時過載能力為150%、1min時，若電動機加速時間在1min以內，則有：SMCNT