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變頻器工作原理

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。這是變頻器修理中變頻器的定義。
變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；在變頻器修理中，按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。
在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時，又要保證電動機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。在變頻器修理中，轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機(jī)具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對電動機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。

一、模電和數(shù)電的區(qū)別

很多剛進(jìn)入電子行業(yè)，自動化行業(yè)的人士對模似電子電路和數(shù)字電子電路存在一些疑惑，由其是剛進(jìn)這行的人更是不明了，當(dāng)然在接觸變頻器維修與維護(hù)時肯定要熟悉。

所謂模似電子電路實(shí)際是相對數(shù)字電子電路而言。

模電：一般指頻率在百兆HZ以下，電壓在數(shù)十伏以內(nèi)的模似信號以及對此信號的分析/處理及相關(guān)器件的運(yùn)用。百兆HZ以上的信號屬于高頻電子電路范疇。百伏以上的信號屬于強(qiáng)電或高壓電范疇。

數(shù)電：一般指通過數(shù)字邏輯和計算去分析、處理信號，數(shù)字邏輯電路的構(gòu)成以及運(yùn)用。

數(shù)電的輸入和輸出端一般由模電組成，構(gòu)成數(shù)電的基本邏輯元素就是模電中三級管飽和特性和截止特性。

由于數(shù)電可大規(guī)模集成，可進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，對溫度、干擾、老化等參數(shù)不敏感，因此是今后的發(fā)展方向。但現(xiàn)實(shí)世界中信息都是模似信息（光線、無線電、熱、冷等），模電是不可能淘汰的，但就一個系統(tǒng)而言模電部分可能會減少。理想構(gòu)成為：模似輸入——AD采樣（數(shù)字化）——數(shù)字處理——DA轉(zhuǎn)換——模似輸出。

二、運(yùn)放與比較器區(qū)別

運(yùn)算放大器與比較器在變頻器主控板的控電路中比較常見，它的作用也不用我去形容了，做這行的都比我清楚。

1、運(yùn)放可以連接成為比較輸出，比較器就是比較。那么市面上為何單獨(dú)出售兩種產(chǎn)品，他們有相同和不同之處是什么呢？

2、比較器輸出一般是OC便于電平轉(zhuǎn)換；比較器沒有頻補(bǔ)，SLEW RATE比同級運(yùn)放大，但接成放大器易自激。

比較器的開環(huán)增益比一般放大器高很多，因此比較器正負(fù)端小的差異就引起輸出端變化。

3、頻響是一方面，另處運(yùn)放當(dāng)比較器時輸出不穩(wěn)定，不一定能滿足后級邏輯電路的要求。

4、比較器為集電極開路輸出，容易輸出TTL電平，而運(yùn)放有飽和壓降，使用不便。

關(guān)于運(yùn)算放大器與比較器的區(qū)別可分為以下幾點(diǎn)：

1、比較器的翻轉(zhuǎn)速度快，大約在NS數(shù)量級，而運(yùn)放翻轉(zhuǎn)速度一般為US數(shù)量級（特殊高速運(yùn)放除外）

2、運(yùn)放可以輸入負(fù)反饋電路，而比較器不能使用負(fù)反饋，雖然比較器也有同相和反相兩個輸入端，便因?yàn)槠鋬?nèi)部沒有相位補(bǔ)償電路，如果輸入負(fù)反饋，電路不能穩(wěn)定工作，內(nèi)部無相位補(bǔ)償電路，這也是比較器比運(yùn)放速度快的原因。

3、運(yùn)放輸入初級一般采用推挽電路，雙極性輸出，而多數(shù)比較器輸出極為集電級開路結(jié)構(gòu)，所以需要上拉電阻，單極性輸出，容易和數(shù)字電路連接。

三、肖特基二極管和快恢復(fù)二極管又什么區(qū)別

快恢復(fù)二極管是指反向恢復(fù)時間很短的二極管（5us以下），工藝上多采用摻金措施，結(jié)構(gòu)上有采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)的PIN結(jié)構(gòu)。其正向壓降高于普通二極管（1-2V），反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100納秒以下。

技術(shù)系列

過電流保護(hù)

在變頻器維修中,過電流保護(hù)的對象主要指帶有突變性質(zhì)的、電流的峰值超過了變頻器的容許值的情形.

由于逆變器的過載能力較差,所以變頻器的過電流保護(hù)是至關(guān)重要的一環(huán),迄今為止,已發(fā)展得十分完善.

一、過電流的原因

1、工作中過電流即拖動系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)過電流.其原因大致來自以下幾方面:

① 電動機(jī)遇到?jīng)_擊負(fù)載,或傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“卡住”現(xiàn)象,引起電動機(jī)電流的突然增加.

② 變頻器的輸出側(cè)短路,如輸出端到電動機(jī)之間的連接線發(fā)生相互短路,或電動機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路等.

③ 變頻器自身工作的不正常,如逆變橋中同一橋臂的兩個逆變器件在不斷交替的工作過程中出現(xiàn)異常。例如由于環(huán)境溫度過高，或逆變器件本身老化等原因，使逆變器件的參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致在交替過程中，一個器件已經(jīng)導(dǎo)通、而另一個器件卻還未來得及關(guān)斷，引起同一個橋臂的上、下兩個器件的“直通”，使直流電壓的正、負(fù)極間處于短路狀態(tài)。

2、升速時過電流當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而升速時間又設(shè)定得太短時，意味著在升速過程中，變頻器的工作效率上升太快，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速迅速上升，而電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速因負(fù)載慣性較大而跟不上去，結(jié)果是升速電流太大。

3、降速中的過電流當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而降速時間設(shè)定得太短時，也會引起過電流。因?yàn)?，降速時間太短，同步轉(zhuǎn)速迅速下降，而電動機(jī)轉(zhuǎn)子因負(fù)載的慣性大，仍維持較高的轉(zhuǎn)速，這時同樣可以是轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度太大而產(chǎn)生過電流。

二、處理方法

1、起動時一升速就跳閘，這是過電流十分嚴(yán)重的現(xiàn)象，主要檢查

① 工作機(jī)械有沒有卡住

② 負(fù)載側(cè)有沒有短路，用兆歐表檢查對地有沒有短路

③ 變頻器功率模塊有沒有損壞

④ 電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩過小，拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)不起來

2、起動時不馬上跳閘，而在運(yùn)行過程中跳閘，主要檢查

① 升速時間設(shè)定太短，加長加速時間

② 減速時間設(shè)定太短，加長減速時間

③ 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償(U/F比)設(shè)定太大，引起低頻時空載電流過大

④ 電子熱繼電器整定不當(dāng)，動作電流設(shè)定得太小，引起變頻器誤動作

電壓保護(hù)

1、過電壓保護(hù)

產(chǎn)生過電壓的原因及處理方法：

① 電源電壓太高

② 降速時間太短

③ 降速過程中，再生制動的放電單元工作不理想，來不及放電，請增加外接制動電阻和制動單元

④ 請檢查放電回路有沒有發(fā)生故障，實(shí)際并不放電；對于小功率的變頻器很有放電電阻損壞

2、欠電壓保護(hù)

產(chǎn)生欠電壓的原因及處理方法：

① 電源電壓太低

② 電源缺相；

③ 整流橋故障：如果六個整流二極管中有部分因損壞而短路，整流后的電壓將下降，對于整流器件和晶閘管的損壞，應(yīng)注意檢查，及時更換。

逆變器件的介紹：

1.SCR和GTO晶閘管

⑴普通晶閘管SCR 曾稱可控硅，它有三個極：陽極，陰極和門極。

SCR的工作特點(diǎn)是，當(dāng)在門極與陰極間加一個不大的正向電壓（G為+，K為—）時，SCR即導(dǎo)通，負(fù)載Rl中就有電流流過。導(dǎo)通后，即使取消門極電壓，SCR仍保持導(dǎo)通狀態(tài)。只有當(dāng)陽極電路的電壓為0或負(fù)值時，SCR才關(guān)斷。所以，只需要用一個脈沖信號，就可以控制其導(dǎo)通了，故它常用于可控整流。

作為一種無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體開關(guān)器件，其允許反復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷的次數(shù)幾乎是無限的，并且導(dǎo)通的控制也十分方便。這是一般的“通-斷開關(guān)”所*的，從而使實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的變頻調(diào)速取得了突破。但由于變頻器的逆變電路是在直流電壓下工作的，而SCR在直流電壓下又不能自行關(guān)斷，因此，要實(shí)現(xiàn)逆變，還必須增加輔助器件和相應(yīng)的電路來幫助它關(guān)斷。所以，盡管當(dāng)時的變頻調(diào)速裝置在個別領(lǐng)域（如風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載）已經(jīng)能夠?qū)嵱?，但未能進(jìn)入大范圍的普及應(yīng)用階段。

⑵門極關(guān)斷（GTO）晶閘管 SCR在一段時間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的半導(dǎo)體器件。因此，針對SCR的缺點(diǎn)，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關(guān)斷能力這一點(diǎn)上，并因此而開發(fā)出了門極關(guān)斷晶閘管。

GTO晶閘管的基本結(jié)構(gòu)和SCR類似，它的三個極也是：陽極（A）、陰極（K）和門極（G）。其圖行符號也和SCR相似，只是在門極上加一線，以示區(qū)別。

GTO晶閘管的基本電路和工作特點(diǎn)是：

①在門極G上加正電壓或正脈沖（開關(guān)S和至位置1）GTO晶閘管即導(dǎo)通。其后，即使撤消控制信號（開關(guān)回到位置0），GTO晶閘管仍保持導(dǎo)通。可見，GTO晶閘管的導(dǎo)通過程和SCR的導(dǎo)通過程*相同。

②如在G、K間加入反向電壓或較強(qiáng)的反向脈沖（開關(guān)和至位置2），可使GTO晶閘管關(guān)斷。　用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果，但其關(guān)斷控制較易失敗，故仍較復(fù)雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時，大功率管（GTR）迅速發(fā)展了起來，使GTO晶閘管相形見絀。因此，在大量的中小容量變頻器中，GTO晶閘管已基本不用。但其工作電流大，故在大容量變頻器中，仍居主要地位。

逆變器件的介紹：上次我們向大家介紹了普通晶閘管（SCR）和門極關(guān)斷晶閘管（GTO），重要是讓大家了解變頻器中逆變器件是如何工作的，它們起到什么作用！接下來我們講：大功率晶體管（GTR）-大功率晶體管，也叫雙極結(jié)型晶體管（BJT）。

1、變頻器用的GTR一般都是（復(fù)合管）模塊，其內(nèi)部有三個極分別是集電極C、發(fā)射極E和基極B。根據(jù)變頻器的工作特點(diǎn)，在晶體管旁還并聯(lián)了一個反向連接的續(xù)流二極管。又根據(jù)逆變橋的特點(diǎn)，常做成雙管模塊，甚至可以做成6管模塊。

2、工作時狀態(tài) 和普通晶體管一樣，GTR也是一種放大器件，具有三種基本的工作狀態(tài)：

⑴放大狀態(tài) 起基本工作特點(diǎn)是集電極電流Ic的大小隨基極電流Ib而變　 Ic=βIb 　式中β------GTR的電流放大倍數(shù)。

GTR處于放大狀態(tài)時，其耗散功率Pc較大。設(shè)Uc=200V，Rc=10Ω，β=50，Ib=200mA（0.2A）　計算如下：Ic= βIb=50*0.2A=10A 　 Uce=Uc-IcRc=(200-10*10)V=100V 　 Pc=UceIc=100*10W=1000W=1KW ?、骑柡蜖顟B(tài) Ib增大時，Ic隨之而增大的狀態(tài)要受到歐姆定律的制約。當(dāng)　βIb>Uc/Rc　時，Ic=βIb的關(guān)系便不能再維持了，這時，GTR開始進(jìn)入“飽和"狀態(tài)。而當(dāng)　Ic的大小幾乎*由歐姆定律決定，即 Ics≈Uc/Rc 　時，GTR便處于深度飽和狀態(tài)（Ics 為飽和電流）。這時，GTR的飽和壓降Uces約為1-5V。

GTR處于飽和狀態(tài)時的功耗是很小的。上例中，設(shè)Uces=2V，則　 Ics=Uc/Rc=200/10A=20A 　 Pc=UcesIcs=2*20W=40W

可見，與放大狀態(tài)相比，相差甚遠(yuǎn)。

⑶截止?fàn)顟B(tài) 即關(guān)斷狀態(tài)。這是基極電流Ib≤0的結(jié)果。

在截止?fàn)顟B(tài)，GTR只有很微弱的漏電流流過，因此，其功耗是微不足道的。

GTR在逆變電路中是用來作為開關(guān)器件的，工作過程中，總是在飽和狀態(tài)間進(jìn)行交替。所以，逆變用的GTR的額定功耗通常是很小的。而如上述，如果GTR處于放大狀態(tài)，其功耗將增大達(dá)百倍以上。所以，逆變電路中的GTR是不允許在放大狀態(tài)下小作停留的。

3.主要參數(shù)

⑴在截止?fàn)顟B(tài)時

①擊穿電壓Uceo和Ucex：能使集電極C和發(fā)射極E之間擊穿的小電壓。基極B開路是用　Uceo表示，B、E間接入反向偏壓時用Ucex 表示。在大多數(shù)情況下，這兩個數(shù)據(jù)是相等的。

②漏電流Iceo 和 Icex：截止?fàn)顟B(tài)下，從C極流向E極的電流。B極開路時為 Iceo，B、E間反偏時為 Icex。

⑵在飽和狀態(tài)時

① 集電*電流Icm：GTR飽和導(dǎo)通是的大允許電流。

② 飽和壓降Uces：當(dāng)GTR飽和導(dǎo)通時，C、E間的電壓降。

⑶在開關(guān)過程中

① 開通時間Ton：從B極通入正向信號電流時起，到集電極電流上升到0.9 Ics 所需要的時間。

② 關(guān)斷時間Toff：從基極電流撤消時起，至Ic下降至0.1 Ics 所需的時間

開通時間和關(guān)斷時間將直接影響到SPWM調(diào)制是的載波頻率。通常，使用GTR做逆變管時的載波頻率底于2KHz。

4.變頻器用GTR的選用

⑴Uceo 通常按電源線電壓U峰值的2倍來選擇。

Uceo≥2廠2U 　在電源電壓為380V的變頻器中，應(yīng)有 Uceo≥2廠2U*380V=1074.8V，故選用 Uceo=1200V的GTR是適宜的。

⑵Icm 按額定電流In峰值的2倍來選擇　 Icm≥2廠2 In 　 GTR是用電流信號進(jìn)行驅(qū)動的，所需驅(qū)動功率較大，故基極驅(qū)動系統(tǒng)比較復(fù)雜，并使工作頻率難以提高，這是其不足之處。今天我告訴大家的是MOSFET以及IGBT

1、功率場效應(yīng)晶體管（POWER MOSFET）它的3個極分別是源極S、漏極D和柵極G

其工作特點(diǎn)是，G、S間的控制信號是電壓信號Ugs。改變Ugs的大小，主電路的漏極電流Id也跟著改變。由于G、S間的輸入阻抗很大，故控制電流幾乎為0，所需驅(qū)動功率很小。和GTR相比，其驅(qū)動系統(tǒng)比較簡單，工作頻率也比較高。此外，MOSFET還具有熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。

但是，功率場效應(yīng)晶體管在提高擊穿電壓和增大電流方面進(jìn)展較慢，故在變頻器中的應(yīng)用尚不能居主導(dǎo)地位。

2、絕緣柵雙極晶體管（IGBT） IGBT是MOSFET和GTR相結(jié)合的產(chǎn)物，是柵極為絕緣柵結(jié)構(gòu)（MOS結(jié)構(gòu)）的晶體管，它的三個極分別是集電極C、發(fā)射極E和柵極G。

工作特點(diǎn)是，控制部分與場效應(yīng)晶體管相同，控制信號為電壓信號Uge,輸入阻抗很高，柵極電流I≈0，故驅(qū)動功率很小。而起主電路部分則與GTR相同，工作電流為集電極電流I。

至今，IGBT的擊穿電壓也已做到1200V，集電*飽和電流已超過1500A，由IGBT作為逆變器件的變頻器容量已達(dá)到250KVA以上。

此外，其工作頻率可達(dá)20KHZ。由IGBT作為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在10KHZ以上，故電動機(jī)的電源波形比較平滑，基本無電磁噪聲。

在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響

通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發(fā)熱量大概是多少. 可以用以下公式估算: 　發(fā)熱量的近似值= 變頻器容量（KW）×55 [W]

在這里, 如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為準(zhǔn)的 (過流能力150% * 60s)

如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面, 這時發(fā)熱量會更大一些。電抗器安裝在變頻器側(cè)面或測上方比較好。

這時可以用估算: 變頻器容量（KW）×60 [W]

因?yàn)楦髯冾l器廠家的硬件都差不多, 所以上式可以針對各品牌的產(chǎn)品.

注意：如果有制動電阻的話，因?yàn)橹苿与娮璧纳崃亢艽螅?因此安裝位置和變頻器隔離開，如裝在柜子上面或旁邊等。

那么, 怎樣才能降低控制柜內(nèi)的發(fā)熱量呢?

當(dāng)變頻器安裝在控制機(jī)柜中時，要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。

根據(jù)機(jī)柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)柜的尺寸。因此，要使控制機(jī)柜的尺寸盡量減小，就必須要使機(jī)柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少。

如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器部分放到控制機(jī)柜的外面，將會使變頻器有70%的發(fā)熱量釋放到控制機(jī)柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量，所以對大容量變頻器更加有效。

還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。這樣效果也很好。　注意：變頻器散熱設(shè)計中都是以垂直安裝為基礎(chǔ)的，橫著放散熱會變差的!

冷卻風(fēng)扇

一般功率稍微大一點(diǎn)的變頻器，都帶有冷卻風(fēng)扇。同時，也建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進(jìn)風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進(jìn)入控制柜。注意控制柜和變頻器上的風(fēng)扇都是要的，不能誰替代誰。

其他關(guān)于散熱的問題

在海拔高于1000m的地方，因?yàn)榭諝饷芏冉档停虼藨?yīng)加大柜子的冷卻風(fēng)量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應(yīng)考慮降容，1000m每-5%。但由于實(shí)際上因?yàn)樵O(shè)計上變頻器的負(fù)載能力和散熱能力一般比實(shí)際使用的要大，所以也要看具體應(yīng)用。比方說在1500m的地方，但是周期性負(fù)載，如電梯，就不必要降容。

2。開關(guān)頻率：變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT， IGBT的發(fā)熱有集中在開和關(guān)的瞬間。因此開關(guān)頻率高時自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。有的廠家宣稱降低開關(guān)頻率可以擴(kuò)容，就是這個道理。