金蓝领技师论文
变频器的工作原理、控制方式及应用
姓 名：
马娜娜
工作单位：
滨州市安全评价中心
申报工种：
维修电工
前 言：异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。
摘 要：本文介绍了变频器的工作原理、控制方式、应用及使用过程中注意的问题。文中遵循理论和实际相结合的原则，对变频器的工作原理和控制方式作了对比和分析，并且对变频器的应用和使用过程中的注意事项进行了较详细的说明。
关键词: 变频器；工作原理；控制方式；应用；使用
变频器的工作原理、控制方式及应用
异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。
三相交流电网
3AC,400V,50HZ
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。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，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。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。
1．变频器工作原理
1.1变频调速原理
n＝60 f（1－s ）/p （1）
式中 n---异步电动机的转速；
f---异步电动机的频率；
s---电动机转差率；
p---电动机极对数。
由式（1）可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机
的转速，当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。
变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT 三相桥式逆变器，且输出为PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
交流低压交直交通用变频器系统框图
整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波
逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦.
单相逆变电路工作原理
三相逆变电路
1.2谐波抑制
变频器使用的突出问题就是谐波干扰，当变频器工作时，输出电流的谐波电流会对电源造成干扰。虽然各变频器厂家对变频器谐波的治理均采取了措施且基本达到国家标准要求，但谐波仍然是变频器选型和使用中最需要关注的问题。 变频器的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，使电机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制。
2变频器控制方式
2.1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM ）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.2电压空间矢量（SVPWM ）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈
估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
2.3矢量控制（VC ）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia 、Ib 、Ic 、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
2.4直接转矩控制（DTC ）方式
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
2.5矩阵式交-交控制方式
VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交－直－交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交－交变频应运而生。由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l ，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为
被控制量来实现的。
3变频器控制方式的合理选用
控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约50多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，而要按负载的特性，以满足使用要求为准，以便做到量才使用、经济实惠。
4变频器的应用
4.1水泵节能恒压供水
4.2球团回转窑主驱动变频调速示意图
4.3变频器使用注意事项
1．严禁将变频器的输出端子U 、V 、W 连接到AC 电源上。
2．变频器要正确接地，接地电阻小于10Ω。
3．变频器存放两年以上，通电时应先用调压器逐渐升高电压。存放半年或一年应通电运行一天。
4．变频器断开电源后，待几分钟后方可维护操作，直流母线电压（P+，P-）应在25V 以下。
5. 避免变频器安装在产生水滴飞溅的场合。
6. 不准将P+、 P-、PB 任何两端短路。
7. 主回路端子与导线必须牢固连接。
8. 变频器驱动三相交流电机长期低速运转时，建议选用变频电机。
9. 变频器驱动电机长期超过50HZ 运行时，应保证电机轴承等机械装置在使用的速度范围内，注意电机和设备的震动、噪音。
10. 变频器驱动减速箱、齿轮等需要润滑机械装置，在长期低速运行时应注意润滑效果。
11. 变频器在一确定频率工作时，如遇到负载装置的机械共振点，应设置跳
跃频率避开共振点。
12. 变频器与电机之间连线过长，应加输出电抗器。
13. 严禁在变频器的输入侧使用接触器等开关器件进行频繁启停操作。
14. 电机首次使用或长期放置后使用，必须对电机进行绝缘检测。使用500V 电压型兆欧表检测，电机绝缘电阻大于5M Ω。
15. 对电机绝缘检测时必须将变频器与电机连线断开。
16. 在变频器的输出侧，严禁连接功率因数补偿器、电容、 防雷压敏电阻。
17. 变频器的输出侧严禁安装接触器、开关器件。
18. 变频器在海拔1000米以上地区使用时，须降额使用。
19. 变频器输入侧与电源之间应安装空气开关和熔断器。
20. 变频器输出侧不必安装热继电器。
参考文献：
1．《变频器原理及应用》 作者：王廷才 机械工业出版社 2005
2．《变频器控制技术与应用》 作者：姚锡禄 福建科技出版社 2005
3. 《变频器原理及应用》 作者：姬广盈
金蓝领技师论文
变频器的工作原理、控制方式及应用
姓 名：
马娜娜
工作单位：
滨州市安全评价中心
申报工种：
维修电工
前 言：异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。
摘 要：本文介绍了变频器的工作原理、控制方式、应用及使用过程中注意的问题。文中遵循理论和实际相结合的原则，对变频器的工作原理和控制方式作了对比和分析，并且对变频器的应用和使用过程中的注意事项进行了较详细的说明。
关键词: 变频器；工作原理；控制方式；应用；使用
变频器的工作原理、控制方式及应用
异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。
三相交流电网
3AC,400V,50HZ
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。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，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。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。
1．变频器工作原理
1.1变频调速原理
n＝60 f（1－s ）/p （1）
式中 n---异步电动机的转速；
f---异步电动机的频率；
s---电动机转差率；
p---电动机极对数。
由式（1）可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机
的转速，当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。
变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT 三相桥式逆变器，且输出为PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
交流低压交直交通用变频器系统框图
整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波
逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦.
单相逆变电路工作原理
三相逆变电路
1.2谐波抑制
变频器使用的突出问题就是谐波干扰，当变频器工作时，输出电流的谐波电流会对电源造成干扰。虽然各变频器厂家对变频器谐波的治理均采取了措施且基本达到国家标准要求，但谐波仍然是变频器选型和使用中最需要关注的问题。 变频器的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，使电机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制。
2变频器控制方式
2.1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM ）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.2电压空间矢量（SVPWM ）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈
估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
2.3矢量控制（VC ）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia 、Ib 、Ic 、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
2.4直接转矩控制（DTC ）方式
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
2.5矩阵式交-交控制方式
VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交－直－交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交－交变频应运而生。由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l ，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为
被控制量来实现的。
3变频器控制方式的合理选用
控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约50多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，而要按负载的特性，以满足使用要求为准，以便做到量才使用、经济实惠。
4变频器的应用
4.1水泵节能恒压供水
4.2球团回转窑主驱动变频调速示意图
4.3变频器使用注意事项
1．严禁将变频器的输出端子U 、V 、W 连接到AC 电源上。
2．变频器要正确接地，接地电阻小于10Ω。
3．变频器存放两年以上，通电时应先用调压器逐渐升高电压。存放半年或一年应通电运行一天。
4．变频器断开电源后，待几分钟后方可维护操作，直流母线电压（P+，P-）应在25V 以下。
5. 避免变频器安装在产生水滴飞溅的场合。
6. 不准将P+、 P-、PB 任何两端短路。
7. 主回路端子与导线必须牢固连接。
8. 变频器驱动三相交流电机长期低速运转时，建议选用变频电机。
9. 变频器驱动电机长期超过50HZ 运行时，应保证电机轴承等机械装置在使用的速度范围内，注意电机和设备的震动、噪音。
10. 变频器驱动减速箱、齿轮等需要润滑机械装置，在长期低速运行时应注意润滑效果。
11. 变频器在一确定频率工作时，如遇到负载装置的机械共振点，应设置跳
跃频率避开共振点。
12. 变频器与电机之间连线过长，应加输出电抗器。
13. 严禁在变频器的输入侧使用接触器等开关器件进行频繁启停操作。
14. 电机首次使用或长期放置后使用，必须对电机进行绝缘检测。使用500V 电压型兆欧表检测，电机绝缘电阻大于5M Ω。
15. 对电机绝缘检测时必须将变频器与电机连线断开。
16. 在变频器的输出侧，严禁连接功率因数补偿器、电容、 防雷压敏电阻。
17. 变频器的输出侧严禁安装接触器、开关器件。
18. 变频器在海拔1000米以上地区使用时，须降额使用。
19. 变频器输入侧与电源之间应安装空气开关和熔断器。
20. 变频器输出侧不必安装热继电器。
参考文献：
1．《变频器原理及应用》 作者：王廷才 机械工业出版社 2005
2．《变频器控制技术与应用》 作者：姚锡禄 福建科技出版社 2005
3. 《变频器原理及应用》 作者：姬广盈