《变频器详细教程》PPT课件.ppt

变频器知识问答 第一章变频器的选型 安装与测量 1 1变频器的选型1 2变频器的安装1 3变频器的内部主电路1 4变频器的外接主电路1 5改善功率因数的配件1 6抗干扰的配件1 7变频器的测量 问题1选择变频器时 应注意些什么 大体上说 有以下几个方面 1 变频器容量的选择变频器说明书中 有 配用电动机容量 一栏 但并不能作为唯一依据 在许多场合 是需要另作考虑的 详见问题4 2 变频器类型的选择目前市场上的变频器 大致可分为三类 1 通用型变频器通常指没有矢量控制功能的变频器 也称简易变频器 2 高性能变频器通常指配备矢量控制功能的变频器 3 专用变频器专门针对某种类型的机械而设计的变频器 如水泵 风机用变频器 电梯专用变频器 起重机械专用变频器 张力控制专用变频器等 用户应根据生产机械的具体情况进行选择 3 性能价格比这里所说的性能价格比 实际上有两个方面 1 功能与价格之间的评估主要是在选择通用变频器或高性能变频器之间的评估 2 品质与价格之间的评估例如 对于一些十分重要 不允许停机的场合 即使价格贵一些 也应选择品质较好 不容易发生故障的变频器 问题2变频器有哪些额定数据 主要的额定数据有 1 输入侧数据 1 额定电压我国中小容量变频器的额定电压多为交流380V 三相 2 额定频率我国为50Hz 2 输出侧数据 1 额定输出电压因为变频器的输出电压是随频率而变的 所以 其额定输出电压只能规定为输出电压中的最大值 一般情况下 它总是和输入侧的额定电压相等的 2 额定输出电流允许长时间通过的最大电流 是用户在选择变频器容量时的主要依据 3 额定输出容量由额定输出电压和额定输出电流的乘积决定 4 配用电动机容量指在带动连续不变负载的情况下 能够配用的最大电动机容量 与额定输出容量之间的关系如下 PN SN Mcos M 1 2 式中PN 配用电动机容量 kW M 电动机的额定效率 cos M 电动机的额定功率因数 5 输出频率范围即输出频率的最大调节范围 通常以最大输出频率和最小输出频率来表示 问题3频率精度和分辨率有什么区别 1 频率精度指变频器输出频率的准确程度 即变频器的实际输出频率与给定频率之间的误差 通常用最高频率 由用户设定 的百分数来表示 例如 频率精度为0 01 用户设定的最高频率是50Hz 则 输出频率的误差 f为 f 50 0 01 0 005Hz假设给定频率为40Hz 则实际输出频率在39 995 40 005Hz之间 2 频率分辨率指输出频率的最小调节量 即每相邻两挡输出频率之间的最小差值 例如 频率分辨率为0 01Hz 则当输出频率为45Hz时 有 上一档的最小频率为45 01Hz 而下一挡的最大频率为44 99Hz 问题4变频器中的配用电动机容量能否作为选择依据 简单地把配用电动机容量作为选择变频器容量的依据是不恰当的 选用时 须注意以下情况 1 注意对照变频器和电动机的额定电流我国通用的Y系列三相笼型异步电动机常用规格的额定电流与几种较为典型的变频器额定电流 p是磁极对数 2p是磁极个数 可以看出 1 在15kW挡 几种变频器的额定电流都小于8极电动机的额定电流 2 艾默生TD3000系列变频器各挡的额定电流都小于8极电动机的额定电流 个别挡 如18 5kW和55kW挡 也小于6极电动机的额定电流 3 瓦萨VACON CX系列变频器37kW以上各挡的额定电流也都小于8极电动机的额定电流 上述情况说明 在决定变频器的容量时 不能盲目地按变频器说明书中的配用电动机容量来选择 而必须认真对照变频器和电动机的额定数据 以及对负载的轻重进行估计后再行选择 2 注意测量电动机的最大运行电流生产机械在决定电动机容量时 是根据电动机的发热情况来进行选择的 就是说 只要电动机的温升不超过额定温升 短时间的过载是允许的 但变频器的过载能力却很弱 所以 对于一些负载经常变化的负载 应注意测量电动机的最大运行电流 在选择变频器的容量时 变频器的额定电流必须大于电动机的最大运行电流 问题5在哪些情况下 可以按说明书中的配用电动机容量来选择变频器 大体上说 在下列情况下 变频器的容量可以按说明书中的配用电动机容量来选择 即 配用电动机容量与实际电动机的容量相同 1 连续不变负载即负载是连续运行的 并且在运行过程中 其工作电流基本不变 2 电动机的裕量较大即虽然负载是变动的 但由于电动机的裕量较大 负载的最大电流不超过变频器的额定电流 3 电动机的冲击电流时间甚短者负载的惯性不大 偶而产生冲击电流 但维持时间不超过1min者 问题6在哪些情况下 有必要考虑加大变频器的容量 这里所说的 加大变频器容量 是相对于变频器的配用电动机容量等于实际电动机容量而言的 大体上说 可归纳如下 1 变频器的额定电流偏低者如上述 部分变频器的额定电流小于同容量电动机的额定电流时 应根据电动机的负载情况考虑选择大一挡的变频器 2 电动机可能短时间过载者因为电动机所谓的 短时间 是相对于发热时间常数而言的 少则几分钟 多则几十分钟 而变频器的过载能力 通常是150min 1min 与电动机相比 等于没有过载能力 所以 如果电动机可能在短时间内过载运行的话 变频器的容量应加大 3 对加 减速时间有特殊要求者电动机加速时间的长短是一个与惯性大小有关的相对概念 例如 加速时间为5s 相对于惯性较大 GD2大 的负载来说 可能太短 但相对于惯性较小 GD2小 的负载来说 又可能太长 一般说来 对于需要在重载情况下起动和停机的负载 在下列情况下 应考虑加大变频器的容量 1 要求能够快速起动和停机者 2 点动比较频繁者 4 有冲击负载者例如 电动机与负载之间是通过离合器相结合的 通常是在电动机已经旋转起来状态下 由于离合器的结合 使负载也旋转起来 显然 在离合器刚结合的瞬间 电动机的转速将下降 转差增大 电流也增大 可能导致过电流保护动作 针对这种情况 应加大变频器的容量 问题7电动机为132kW 实际使用功率约为50kW 能否配用较小的变频器 原则上是可以的 但应注意以下问题 图1 2接入输出电抗器 1 选择原则应根据电动机的最大运行电流来选择 并适当留有余量 2 注意限制起动电流容量大的电动机 每相绕组的匝数较少 电感量较小 故电流的脉动幅度和起动瞬间的冲击电流较大 起动过程中的加速电流也较大 因此 有必要采取如下对策 1 在变频器和电动机之间接入输出电抗器 如图1 2中之LO所示 LO主要是对冲击电流起缓冲作用 以保护变频器 2 起动时的U f比应预置得小一些 3 加速时间和减速时间应预置得长一些 如果设备要求快速起动和停机 则变频器的容量不宜选得太小 问题8负载的最大工作频率为40Hz 能否选用容量较小的变频器 这要根据负载特点来决定 1 恒功率负载因为在转速下降时 负载功率并不减小 所以变频器的容量不能减小 2 恒转矩负载转速下降时 负载的转矩不变 则电动机的工作电流并不减小 故变频器的容量也不能减小 3 二次方律负载转速下降时 负载转矩减小 电动机的工作电流也减小 变频器的容量可以考虑减小 但应注意采用问题7中的几项对策 问题9变频调速时电动机的容量需要比直流电动机加大一挡吗 一般情况下 是不需要加大的 有时甚至还可以适当减小电动机的容量 如龙门刨床的刨台电动机 但在下列情况下 应注意考虑 1 需要加大电动机容量者由于通常异步电动机是依靠内部的扇叶来散热的 低速运行时 散热条件变差 不宜长时间运行 所以 如果原来的直流电动机是在较低转速下长时间运行的话 改用变频调速时 在无特殊散热措施的情况下 应考虑加大电动机的容量 2 需要加大变频器容量者直流电动机的调压调速装置的过载能力较强 短时间的过载运行是允许的 但变频器则不允许 所以 如果原来的直流电动机在运行过程中有短时间过载现象的话 应考虑加大变频器的容量 问题10潜水泵在选用变频器时 应注意些什么 1 潜水泵的运行特点因为在水底运行时 容易进入杂物 所以 1 考虑到进入杂物后 电动机的负载将加重 所以 潜水泵电动机具有较强的过载能力 2 在杂物刚进入潜水泵时 有可能产生较大的冲击电流 2 主要对策 1 加大变频器的容量 2 在变频器和电动机之间串入一个电抗器 问题11一台变频器带动多台电动机时怎样选择变频器容量 还是按最大电流原则进行选择 根据运行情况的不同 有以下两种情形 1 多台电动机同时起动和运行只需按变频器的额定电流大于多台电动机额定电流之和 IN 1 05 1 1 IMN 1 3 式中 IMN 同时运行电动机的额定电流之和 A 2 多台电动机分别起动必须考虑后起动电动机的直接起动电流 IN 1 05 1 1 IMN K1 IST K2 1 4 式中IST 电动机的起动电流 为额定电流的5 7倍 A IST 同时起动电动机的总起动电流 A K1 安全系数 如后起动电动机都从停止状态起动时 K1 1 2 如后起动的电动机有可能从自由制动状态下重新起动时 K1 1 5 2 K2 变频器的过载能力 K2 1 5 问题12变频器的几种控制方式有哪些主要特点 主要特点见表1 3 表1 3变频器几种控制方式的比较V F无反馈矢量有反馈矢量VF控制方式无反馈矢量有反馈矢量调速范围1 10 1 201 20 1 801 100以上最低运行频率 Hz31 部分为5Hz 0 1以下最高运行频率 Hz80100100最小加减速时间s0 20 1数十ms转矩控制不能部分可能可能额定负载时的转速变化率 3 50 5 10 05 0 5注 上述指标因变频器的类别和电动机的特性而异 故表中数据仅供参考 问题13变频器对周围环境有些什么要求 变频器是一台全晶体管设备 所以 对周围环境的要求和其他晶体管设备大致相同 1 环境温度 10 40 时 测试环境温度的点应在距变频器约5cm处 如图1 3所示 在环境温度大于40 的情况下 每增加5 其运行功率应下降30 2 环境湿度相对湿度应不超过90 无结露现象 图1 3环境温度的测试点 3 其他条件在变频器安装的位置应无直射阳光 无腐蚀性气体及易燃气体 尘埃少 海拔低于1000m等 图1 4电解电容器的寿命 问题14变频器长期不用会发生什么问题 长期不用可能发生的问题大致如下 1 高压滤波电容器如长期不用 可能发生电容器盖 鼓包 甚至内部的电解液溢出等现象 2 低压电解电容器也可能发生电解液溢出 甚至使印制电路板受到腐蚀 3 冷却风机如长期不用 轴承的润滑油可能干涸 将影响其使用寿命 所以 对于长期不用的变频器 每隔半年或一年 应通电运行 空转 一天 问题15电解电容器的寿命有多长 电解电容器的使用寿命与环境温度有关 据日本安川公司提供的资料 电解电容器的寿命与环境温度之间的关系如图1 4所示 由图知 如果周围温度在30 以下 电解电容器的使用寿命可长达10年以上 而当周围温度为50 时 使用寿命只有2 5年 问题16安装变频器时应注意哪些问题 和任何设备一样 变频器在运行过程中也一定会有功率损耗 并转换成热能 使自身的温度升高 粗略地说 每kVA的变频器容量 其损耗功率约为40 50W 因此 安装变频器时必须考虑的最主要问题便是如何把变频器所产生的热量充分地散发出去 壁挂式安装的散热处理由于变频器本身具有较好的外壳 故一般情况下 允许直接靠墙安装 称为壁挂式 图1 5单台安装a 挂壁式b 柜式外冷c 柜式内冷 为了保证良好的通风 所有变频器都必须垂直安装 且变频器与周围阻挡物之间的距离应符合如图1 5a所示的要求 即 两侧 100mm 上下方 150mm 为了防止异物掉在变频器的出风口而阻塞风道 最好在变频器出风口的上方加装保护网罩 2 单台柜式安装的散热处理当周围的尘埃较多 或和变频器配用的其他控制电器较多 需要和变频器安装在一起时 可采用柜式安装 如周围环境比较洁净 尘埃较少时 应尽量采用柜外冷却方式 如图1 5b所示 如必须采用柜内冷却方式时 则应在柜顶加装抽风式冷却风扇 冷却风扇的位置应尽量在变频器的正上方 如图1 5c所示 3 多台柜式安装的散热处理当一个控制柜内装有两台或两台以上变频器时 应尽量并排安装 横向排列 如图1 6a所示 如必须采用纵向方式排列时 则应在两台变频器之间加一隔板 以避免下面变频器排出的热风进入到上面的变频器中去 如图1 6b所示 户外安装的散热处理一般说来 变频调速控制柜应安装在室内 如必须安装在户外 例如油田的抽油机用变频器 时 则控制柜必须采用双层结构方式 如图1 7所示 图1 6两台变频器的柜式安装横向排列b 纵向排列 图1 7户外控制柜 所用控制柜必须既能防止太阳的直接照射 又能防止雨水的浸入 如有可能 在隔层之间 最好能采用强制风冷方式 除此以外 户外安装时 还必须注意当地的冬季最低温度 如果低于10 的话 应在柜内安装加热装置 并且 应能进行温度的自动控制 问题17变频器壁挂式安装和柜式安装哪个好 一般说来 壁挂式安装的主要优点是散热较好 但对周围环境的要求较高 另一方面 变频器往往还有许多外围器件 如空气断路器 接触器 快速熔断器 电抗器 滤波器等等 因此 在周围环境比较洁净 进出人员较少的场合 如水泵房 中央空调的控制室等处 在外围器件不多的情况下 可以考虑采用壁挂式安装 反之 对于周围环境不很洁净 来往人员较多 外围器件也较多的场合 最好采用柜式安装 问题18在温度较高的控制室内是否一定要装空调 有条件的话 安装空调无疑是最好的解决办法 如无条件 则在夏季气温较高时 应将控制柜门打开 并用风扇对着变频器鼓风 也可以起到较好的散热效果 问题19在灰尘较多的场合使用变频器时 怎么办 最好单独砌一个控制室 并保持室内的通风和洁净 如无条件 则应加强控制柜内的通风 在进风口加过滤网 并经常注意进风口和出风口的除尘 问题20交 直 交是什么意思 中 小容量的低压变频器基本上都采用 交 直 交 变频方式 其主电路的框图如图1 8所示 变频器在R S T端输入频率固定的三相交流电 首先经全波整流电路整流成直流电 然后又经逆变电路 逆变 成频率和电压任意可调的三相交流电 从U V W端输出 作为三相异步电动机的变频电源 可见 在变频器的输入和输出之间 经历了 交流 直流 交流 的过程 故称为 交 直 交 变频 问题21电压型和电流型变频器的主要特点是什么 变频器根据直流电路中滤波方式的不同 分为电压型和电流型两种 1 电压型直流电路采用电容器滤波 在波峰 电压较高 时 由电容器储存电场能 在波谷 电压较低 时 电容器将释放电场能来进行补充 从而使直流电压保持平稳 直流电路是一个电压源 故称为电压型 如图1 9a所示 2 电流型直流电路采用电抗器滤波 在波峰 电流较大 时 由电抗器储存磁场能 在波谷 电流较小 时 电抗器将释放磁场能来进行补充 从而使直流电流保持平稳 直流电路是一个电流源 故称为电流型 如图1 9b 所示 图1 9电压型和电流型变频器 问题22变频器的内部主电路是怎样构成的 基本结构 交 直 交 变频器的基本电路由整流和逆变两大部分组成 如图1 10所示 图1 10 交 直 交 的主电路 2 整流和滤波从R S T端输入频率固定的三相交变电源 经三相整流桥 由二极管VD1 VD6构成 全波整流成直流电 电压为UD 电容器CF1和CF2为滤波电容器 减小直流回路的电压纹波 3 逆变6个IGBT管 绝缘栅晶体管 V1 V6构成三相逆变桥 把直流电 逆变 成频率和电压任意可调的三相交流电 问题23和滤波电容器并联的电阻起什么作用 迄今为止 电解电容器的耐压只能做到450V 而三相380V的电源电压经全波整流后 直流电压的峰值为537V 平均值也有513V 因此 滤波电容器只能由两个 或两组 电解电容器串联而成 为了增大电容量 改善滤波效果 变频器内总是先将若干个电解电容器并联成一组 然后再将两组电容器 CF1和CF2 串联起来 如图1 11所示 但由于每个电容器的电容量不可能绝对相同 尤其是电解电容器 其电容量的离散性较大 若干个并联以后 两组电容器的电容量之间的差异是比较明显的 串联以后 两个电容器组上的电压分配必将是不均衡的 这将导致两组电容器寿命的不一致 图1 11变频器的滤波电路 解决电压不均衡的方法便是在两个电容器组的两端分别并联电阻值相等的均压电阻RC1和RC2 如图1 11所示 均压的原理如下 假设 CF1UD2这将导致 IC2 IC1就是说 CF2上的充电电流较大 从而使UD2有所提高 使UD1和UD2趋于均衡 以上各式中 CF1 CF2 分别是两个电容器组的电容量 F UD1 UD2 分别是两个电容器组两端的电压 V IC1 IC2 分别是两个电容器组的充电电流 A 由于电阻的阻值容易做得比较准确 从而保证了均压效果 问题24均压电阻烧坏的原因是什么 均压电阻烧坏的原因大多是由于滤波电容器组中 有个别电容器变质所致 说明如下 如图1 12所示 假设C1电容器组中有一个电容器已经损坏 则C1电容器组的电容量C1必小于C2电容器组的电容量C2 C1UC2 图1 12均压电阻的损坏原因 结果是导致均压电阻RC1和RC2中的电流不相等 IR1 IR2如果RC1和RC2容量的裕量不够大 或者电容器组C1中损坏的电容器较多的话 RC1极易首先烧坏 因为电阻烧坏时 电阻值常常锐减 另一个均压电阻也随之烧坏 问题25整流桥和滤波电容器之间为什么要接一个电阻和接触器 或晶闸管 1 接通电源时存在的问题当变频器刚接通电源 接触器KM1动作 时 滤波电容器上的电压为0V 而电源电压为380V 振幅值为537V 且为了提高滤波效果 滤波电容器的电容量又很大 所以 在刚接通电源的瞬间 必将 1 产生很大的冲击电流 有可能损坏整流二极管 2 使电源电压瞬间下降为0V 形成了对网络的干扰 如图1 13a所示 2 解决办法在三相整流桥和滤波电容器之间 接入限流电阻RL 将滤波电容器的充电电流限制在一个允许范围内 但RL如长期接在电路内 将影响直流电压和变频器输出电压的大小 因此 当滤波电容器已经充电完毕后 由接触器KM2将电阻RL短接 如图1 13b所示 图1 13限流电阻的作用a 无限流电阻时b 有限流电阻时 问题26限流电阻烧坏了怎么配 1 限流电阻的阻值原则上可根据变频器的额定电流来选择 例如 变频器的额定电流为10A 则限流电阻的阻值应为 RL 537 10 53 7 实际上常并不计算 常见的有 容量较小者 取RL 50 100 容量较大者 取RL 10 40 图1 14限流电阻中的充电电流 2 限流电阻的容量限流电阻中的充电电流是衰减得很快的 如图1 14所示 并且 很快被开关器件所短路 通电的时间很短 因此 限流电阻的容量不必太大 通常 取 PRL 50 100W即已足够 电阻值大者取小值 电阻值小者取大值 问题27直流回路的电源指示为什么不装在面板上 变频器的电源指示由显示屏进行显示 直流回路的电源指示如图1 15所示 其作用并不在于显示变频器是否通电 而是指示滤波电容器上是否有电 图1 15直流回路的电源指示 当变频器切断电源后 由于逆变桥已经停止工作 滤波电容器的放电过程将十分缓慢 因此 当维修人员打开变频器的盖子后 滤波电容器上往往还有较高的直流电压 有可能影响维修人员的人身安全 所以 直流回路电源指示的作用是 向维修人员警示 滤波电容器尚未放电完毕 不能触摸带电部分 问题28每个逆变管旁边 为什么都要反并联二极管 逆变桥中 每个逆变管旁边 都要反并联一个二极管 如图1 16a中之VD7 VD12所示 它们的作用如下 异步电动机的定子电路是感性电路 其电流的变化将滞后于电压 如图1 16c所示 图中 0 t1段 电流i与电压u的方向相反 是绕组的自感电动势 即反电动势 克服电源电压在作功 磁场作功 这时的电流将通过反并联二极管流向直流回路 t1 t2 电流i与电压u的方向相同 是电源电压克服绕组的自感电动势在作功 电源作功 这时的电流是从直流电源通过逆变管流向电动机的 图1 16逆变桥的反并联二极管及其作用a 逆变桥b 电流路径c 电流波形 如果没有反并联二极管 则因为逆变管只能单方向导通 绕组的磁场无法与电源 变频器中为直流电路 交换能量 电路的工作将发生畸变 问题29变频器的主电路有哪些接线端子 主电路接线端子的排列大致如图1 17a所示 说明如下 1 R S T为变频器的输入端子 接至电源 2 U V W为变频器的输出端子 接至电动机 3 P N为滤波后直流电路的 端子 4 P 为整流桥输出的 端 出厂时P 端与P端之间用一铜片短接 在需要接入直流电抗器DL时 拆去铜片 将DL接在P 和P之间 5 PE为接地端 图1 17b 所示 是接入直流电抗器和制动单元 制动电阻的情形 图1 17主电路的端子安排a 主电路的接线端子b 与原理图的对照 问题30为什么变频器的输入和输出端绝对不允许接反 变频器的输入端和输出端之间是绝对不允许接错的 万一将电源进线错误地接到了变频器的输出 U V W 端 则不管哪个逆变管导通 都将引起两相间的短路而将逆变管迅速烧坏 图1 18电源接错的后果 如图1 18所示 假设在某一瞬间 电源的R端为 而S端为 则在逆变管V3导通的瞬间 电流将经VD1和V3而短路 V3将立即烧坏 由于六个逆变管以极高的频率 载波频率 不断地交替导通着 而变频器从跳闸到切断电源是需要时间的 所以 六个逆变管将很快地全部损坏 问题31变频器各部分电流之间的关系怎样 图1 19是变频调速系统的示意图 由图可知 图1 19变频器各部分的电流 1 各部分的功率 1 变频器的输入功率PS 1 732ui 1 5 式中PS 变频器的输入功率 W u 电源线电压 V i 电源线电流 A 输入电路功率因数 其含义详见45问 2 直流回路功率PD UI 1 6 式中PD 直流回路的功率 W U 直流回路电压 V I 直流回路电流 A 3 变频器的输出功率也是电动机的输入功率 计算如下 PM1 1 732UMIMcos 1 1 7 式中PM1 变频器的输出功率 W UM 变频器的输出线电压 也是电动机的输入线电压 V IM 变频器的输出线电流 也是电动机的输入线电流 A cos 1 电动机定子侧的功率因数 4 电动机轴上的输出功率PM2 TMnM 9550式中PM2 电动机轴上的输出功率 kW TM 电动机的转矩 N m nM 电动机的转速 r min 2 频率下降后各部分的功率 1 电动机的输出功率电动机是用来拖动负载旋转的 在等速运行的情况下 电动机的转矩必与负载转矩相平衡 TM TL式中TL 负载的阻转矩 包括损耗转矩 N m 假设 负载是恒转矩的 即负载阻转矩的大小与转速大小无关 TL const则 由式 1 8 知 当电动机的转速因频率下降而下降时 电动机的输出功率也必下降 PM2 TMnM 9550 2 其他各部分的功率根据能量守恒的原理 在各部分的功率损失忽略不计的情况下 有 PS PD PM1 PM2 1 9 式 1 9 是分析各部分电流大小的理论基础 当频率下降时 PM2 PM1 PD PS 3 频率下降后各部分电流 1 电动机的电流 即变频器的输出电流 异步电动机转矩的大小与转子电流和磁通的乘积成正比 TM KTI2 cos 2 1 10 式中KT 比例常数 I2 转子电流的折算值 A cos 2 转子侧的功率因数 当负载转矩不变时 电动机的转矩及转子电流也都不变 从而 变频器的输出电流 即电动机的定子电流 基本不变 IM const在这里 PM1的下降是因为变频器的输出电压UM是随频率而下降的结果 PM1 1 732UM IMcos 1 2 直流电流在直流回路里 电压UD是不变的 但功率PD减小了 所以 频率下降时 电流ID将减小 ID PD UD 3 输入电流变频器输入侧的电源电压US也是不变的 但输入功率PS减小了 所以 频率下降时 电流IS也将减小 IS PS 1 732UScos 1 4 归纳 1 变频器的输出电流 电动机电流 IM决定于负载转矩 在负载转矩不变的前提下 IM的大小与频率无关 2 直流回路的电流将随频率的下降而减小 3 变频器的输入电流也将随频率的下降而减小 问题32在变频器内进行电流采样时 应采样输出电流还是输入电流或直流电流 根据采样的目的而不同 说明如下 1 用于测定电动机工况如上述 变频器内 进线电流和直流电流的大小都和频率有关 因此 应采样输出电流 2 用于进行变频器的过电流保护因为过电流的原因是包括整流电路和滤波电路击穿故障的 所以 应采样输入电流 问题33变频器的三相输入电流不平衡是正常现象吗 变频器在轻载时 三相输入电流容易不平衡 这是正常的 变频器输入的三相电压经全波整流后的电压波形如图1 20a所示 图1 20变频器的输入侧a 全波整流后的电压波形b 第1个波的输入电流c 第2个波的输入电流 轻载时 由于滤波电容器的放电电流较小 故电容器上的电压波形比较平缓 负载较重时 放电电流较大 电压波形的起伏也较大 故电压波形的变化规律和负载电流的大小有关 和输入电压并不完全一致 直流电压和输入电压变化规律的不一致 使每相电压在每半个周期中充电电流的波形不相同 如图b和图c所示 故各相充电电流的有效值也不相等 通常 当三相输入电流不平衡时 哪相电流大 哪相电流小 是并不固定的 反之 如果某相电流一直偏大 某相一直偏小 则需要检查 是否有发生故障的地方 问题34多个逆变电路共直流母线时 如何选择各连接线路中的接触器和熔断器 当同一台机器中有多台变频器时 最好采用共直流母线的方案 如图1 21所示 图1 21多个逆变器共母线 在这种情况下 首先须根据电动机的额定功率求出直流电流 PDN PMN IDN PDN UDD PMN UDD 1 11 式中PDN 当电动机工作在额定状态下的直流电路功率 kW PMN 电动机的额定功率 kW IDN 在额定状态下 由公共直流母线流入逆变电路的电流 A UDD 直流母线的电压 V 各连接线路中接触器和熔断器的电流只需大于或等于额定电流IDN即可 IQN IDN式中IQN 空气断路器和熔断器的额定电流 A 问题35将多个变频器的直流电路并联在一起时 如何选择各连接线路中的接触器和熔断器 1 整流电路的外特性整流滤波电路相当于直流电源 当负载电流等于0A时 滤波电容器上的电压等于电源电压的峰值 如电源电压为380V 则峰值等于537V 而当负载电流等于额定值时 滤波电容器上的电压将下降为平均值 当电源电压等于380V时 其平均值等于513V 图1 22整流电路的外特性 所以 整流滤波电路的外特性如图1 22b所示 2 多台变频器的直流电路并联多台变频器的直流电路并联相当于多个直流电源并联供电 如图1 23a所示 在这种情况下 各直流电源提供的电流大小将按照各自的外特性进行分配 根据电动机的运行状态 主要有以下两种情形 图1 23多台变频器直流电路的并联a 电路接法b 电动状态时电流分配c 发电状态时电流分配 1 电动机为电动状态这时是变频器自身的整流电路和直流母线共同向电动机供电 两个直流电源的外特性如图b所示 图中 曲线 是变频器自身整流电路的外特性 曲线 是图1 22整流电路的外特性直流母线的外特性 在多数情况下 直流母线提供的电流IDD大于变频器自身整流电路提供的电流ID1 两者之和等于电动机的电流 IM1 ID1 IDD 1 12 这种情况下 在决定空气断路器和熔断器的额定电流时 可考虑作适当修正 IQN KDIDN 1 13 式中KD 修正系数 KD 1 2 电动机为发电状态这时 是变频器自身的整流电路和电动机发出的电能经与逆变管反并联的整流电路共同向直流母线供电 并通过直流母线向其他电动机供电 两个直流电源的外特性如图c所示 图中 曲线 是变频器自身整流电路的外特性 曲线 是发电整流电路的外特性 两个整流电路提供的电流分别是ID2和IM2 而流向直流母线的电流IDD是两者之和 IDD ID1 IM1 1 14 这种情况下 空气断路器和熔断器的额定电流仍可按式 1 13 进行选择 但对于工作在电动机状态的变频调速系统 系数KD 1 而对于工作在发电机状态的变频调速系统 如果只有一台电动机在发电 而多台电动机处于电动状态 则应考虑系数KD 1 问题36空气断路器的作用是什么 怎样选择 1 空气断路器的作用 1 隔离作用当变频器长时间不用 或需要进行维修时 可通过空气断路器的切断 使变频器与电源隔离 2 保护作用空气断路器具有过电流和欠电压等保护功能 可以对变频器的主电路起一定的保护作用 2 选择时必须考虑的因素因为空气断路器具有过电流保护功能 为了避免变频器接通电源时引起空气断路器的误动作 在进行选择时 必须考虑以下因素 图1 24 图1 24接通电源时影响断路器误动作的因素a 各种因素示意图b 变频器的外接主电路 1 变频器在刚接通电源的瞬间 对于小容量变频器来说 电容器的充电电流可高达额定电流的 2 3 倍 2 变频器的进线电流是脉冲电流 高次谐波成分极多 当基波电流达到额定值时 实际电流的有效值要比额定电流大得多 3 变频器本身具有一定的过载能力 通常为150 1min 2 选择方法为了避免误动作 断路器的额定电流IQN应选 IQN 1 3 1 4 IN 1 15 问题37变频器前面一定要加接触器吗 怎样选择 1 输入侧接触器的作用一般说来 在断路器和变频器之间 应该有接触器 其主要作用如图1 25所示 图1 25输入接触器的作用 1 控制方便可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电 2 发生故障时可自动切断变频器电源这包括两个方面 1 变频器自身发生故障 报警输出端子动作 图中之B C端之间断开 时 可使接触器KM迅速断电 从而使变频器立即脱离电源 2 当控制系统中有其他故障信号 如图中之AL触点断开 时 也可迅速切断变频器电源 2 选择要点因为接触器本身没有保护功能 不存在误动作问题 选择时 只需其主触点的额定电流IKM不小于变频器的额定电流就IN可以了 IKM IN 问题38变频器前端是否需要加快速熔断器 就保护功能而言 快速熔断器的作用和断路器类似 一般说来 可以接熔断器 也可以不接 但也有的认为 快速熔断器的保护动作比断路器快 所以应该接 如接入 其选择方法与断路器相同 问题39变频器与电动机之间要不要接输出接触器 1 一台变频器控制一台电动机且不需要切换当一台变频器只控制一台电动机 且并不要求和工频进行切换时 变频器与电动机之间不要接输出接触器 主要原因是 如果接入了输出接触器 则有可能在变频器的输出频率较高的情况下起动电动机 产生较大的起动电流 导致变频器跳闸 图1 26必须接输出接触器的场合a 一台变频器接多台电动机b 变频和工频切换 2 必须接输出接触器的场合必须接输出接触器的情况有两种 如图1 26所示 1 一台变频器接多台电动机这时 每台电动机必须有单独控制的接触器 2 变频和工频需要切换这种情况下 当电动机接至工频电源时 必须切断和变频器之间的联系 因此 电动机和变频器之间的接触器是必须接的 问题40变频器与电动机之间是否需要加热继电器 和输出接触器类似 当一台变频器只控制一台电动机 且并不要求和工频进行切换时 由于变频器本身具有热保护功能 所以没有必要接热继电器 当一台变频器接多台电动机时 由于每台电动机的容量比变频器小得多 变频器不可能对每台电动机进行热保护 则每台电动机只能分别由各自的热继电器进行保护 当电动机需要在变频和工频之间进行切换控制的情况下 因为在工频运行时 变频器不可能对电动机进行热保护 故热继电器是必需的 问题41热继电器在变频器输出电路内容易误动作 何故 变频器的输出电流尽管已经和正弦波十分地接近了 但它毕竟还有和载波频率相同的高次谐波成分 因此 在电动机的输出功率相同的情况下 其每相电流的有效值大于工频运行时的相电流 这就是当电动机在额定状态下运行时 热继电器容易误动作的原因 解决的方法有 1 加大热继电器的挡次一般说来 热继电器的动作电流应增加10 左右 2 接入旁路电容在热继电器的发热元件旁边 并联一个旁路电容器 使高次谐波电流不流经热继电器的发热元件 问题42为什么变频器的输出线有时需要加粗 因为变频器的输出电压是和输出频率一起变化的 详见后述 当输出频率很低时 输出电压也很低 因此 低频运行时线路上的电压降所占的比例将增大 使电动机实际得到的电压减小 严重时将不能正常运行 所以 当电动机和变频器之间的距离较远的情况下 应考虑适当加粗变频器的输出线 一般要求 线路电压降 U 2 3 UPHN 1 16 式中 U 线路电压降 V UPHN 变频器的额定相电压 V 问题43变频器与电动机之间的距离最多允许多长 由于变频器的输出电压是高压脉冲系列 其频率等于载波频率 峰值等于直流回路电压 513V 当变频器和电动机之间的连接线很长时 导线的分布电感和线间分布电容的作用将不可忽视 当电动机和变频器之间的距离较远时 线间的分布电容和电动机的漏磁电感之间有可能因接近于谐振点而导致电动机的输入电压偏高 从而使电动机容易损坏 或运行时发生振动 由于不同变频器内部的处理方法不同 例如当上下两管交替导通时死区时间的设置等 规定距离也各不相同 不同变频器对电动机距离的有不同的规定 详见说明书 问题44电动机和变频器之间的距离较远时应采取哪些措施 当电动机和变频器之间的距离较远时 为了避免电动机的不正常运行 可以采取在变频器的输出侧接入输出电抗器的方法 如图1 28所示 图1 28接入输出电抗器 如电动机的容量较小 与变频器的距离又并不很远时 则将变频器的三根输出线按同方向一起绕制在高频磁心上就可以了 问题45采用了变频器后功率因数究竟是高还是低 变频器输入侧的功率因数是较低的 但并不是由于cos 的原因 说明如下 变频器输入电流波形如前述 交 直 交 电压型 变频器的输入侧是整流和滤波电路 显然 只有当电源线电压的瞬时值uL大于电容器两端的直流电压UD时 整流桥中才有充电电流 因此 充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近 呈不连续的脉冲形状 如图1 29a b和c所示 它具有很强的高次谐波成分 有关资料表明 输入电流中的5次谐波和7次谐波分量是很大的 其谐波分析如图1 26d所示 图1 29输入电流的波形及其谐波分析a 电路b 电压波c 电流波d 谐波分析 2 功率因数的定义与分析 1 功率因数的定义电路所消耗的平均功率和视在功率之比称为功率因数 P S 1 17 式中 功率因数 P 平均功率 kW S 视在功率 kVA 功率因数小于1的根本原因 是出现了无功功率的缘故 2 电流与电压频率相同时的平均功率当电流和电压的频率相同时 功率因数的大小取决于电流与电压之间的相位关系 如图1 30a 假设电流比电压滞后 角 2 ft t 1 18 式中 功率因数角 即电流比电压滞后的电角度 f 电流的频率 Hz t 时间 s 角频率 功率的瞬时值p等于电压u和电流i瞬时值的乘积 p ui 1 19 由图知 在0 t1段 u为 i为 所以 p为 值 在t1 t2段 u和i都为 所以 p为 值 下半周也一样 可见 平均功率被滞后时段内的负功率抵消掉一部分 正 负抵消的功率称为无功功率 滞后角越大 无功功率也越大 平均功率越小 滞后角的余弦cos 称为位移因数 3 高次谐波电流的平均功率以5次谐波电流为例 它所消耗的功率瞬时值的大小等于5次谐波电流瞬时值和电压瞬时值的乘积 p5 ui5式中p5 5次谐波电流的功率瞬时值 kW i5 5次谐波电流的瞬时值 A 由上式算得的功率曲线如图1 30b所示 由图知 瞬时功率的一部分为 另一部分为 可以证明 在一个周期内 正功率的总和与负功率的总和正好相等 平均功率等于0 图1 30电路消耗的瞬时功率a 电流滞后的特点b 谐波电流的特点 所以 所有高次谐波电流的平均功率都等于0 都是无功功率 非正弦电流中 高次谐波电流所占的比例 称为畸变因数 等于电流基波分量的有效值与总有效值之比 4 完整的功率因数定义 P S P UI cos 2 21 式中 功率因数 cos 位移因数 3 变频器输入侧的功率因数变频器中 输入电流的基波分量基本上与电压同相 故cos 1 但电流的畸变因数较低 所以 变频调速系统的功率因数较低 约为0 7 0 75 因此 用功率因数表来测量变频器输入侧的功率因数是不正确的 因为 功率因数表是根据电动式偶衡表的原理制作的 其偏转角与同频率电压和电流间的相位差有关 但对于高次谐波电流 则由于它在一个周期内所产生的电磁力将互相抵消 对指针的偏转角不起作用 所以 功率因数表的读数将反映不了畸变因数的问题 问题46为什么不用电容器而用电抗器来改善功率因数 过去 在正弦电流的网络里 人们习惯于通过并联电容器来改善功率因数 这是因为 在正弦电流网络里 功率因数低的原因只有位移因数这一个方面 不存在畸变因数的问题 1 所以 通过并联电容器 可以减小合成电流的滞后角 角 从而提高了cos 图1 31接入交流电抗器a 在电路中的接法b 外形c 电流波形 但在变频器的输入侧 功率因数低并不是因为电流滞后形成的 而是高次谐波电流形成的 所以 要改善功率因数 必须对症下药 削弱高次谐波电流 具体方法有 1 接入交流电抗器交流电抗器AL接在电源和整流桥之间 如图1 31a所示 其外形如图b所示 接入交流电抗器后的电流波形如图c所示 功率因数可提高到0 85以上 2 接入直流电抗器直流电抗器DL接在整流桥和滤波电容器之间 如图1 32a所示 其外形如图b所示 图1 32接入直流电抗器a 在电路中的接法b 外形c 电流波形 接入直流电抗器DL后的电流波形如图c所示 功率因数可提高到0 9以上 由于其体积较小 故不少变频器已将直流电抗器直接装在变频器内 直流电抗器除了提高功率因数外 还可削弱在电源刚接通瞬间的冲击电流 如果同时配用交流电抗器和直流电抗器 则可将变频调速系统的功率因数提高至0 95以上 问题47在变频调速系统中 电动机的功率因数是否无关紧要 这个问题要从两个方面来说明 1 调速系统的功率因数不受电动机影响因为变频器内部 有一个直流环节 把输入侧和输出侧隔开了 所以 电动机功率因数的好坏 对输入侧是毫无影响的 2 电动机的功率因数影响自身效率由于电动机电流基本上是正弦波 故可以仍按照正弦波的方法进行分析 如图1 33所示 在电流的有功分量I1a相等的前提下 cos 越低 角越大 则定子电流越大 定子的铜损也必增大 效率也越低 具体分析如下 当功率因数角为 1 功率因数为cos 1 时 所需电流是I1 而当功率因数角为 1 功率因数为cos 1 时 所需电流是I1 由图知 1 1 cos 1 I1 I 21r1 I21r1 式中I21r1 定子铜损 kW 电动机的效率 尤其是在变频调速的情况下 电压与频率之比是可以任意设定的 如设定不当 或在运行过程中负载的波动较大 容易发生电动机磁路饱和 励磁电流增大的现象 结果是电动机的功率因数下降 效率降低 应注意改善电动机的功率因数 但不是通过并联电容器来解决的 问题48能不能通过在变频器的输出端加电容器来改善功率因数 不能 原因如下 图1 34输出侧不允许接电容器 1 变频器输出侧不允许接电容器由于变频器在运行过程中 各桥臂的两个逆变管处于不断地交替导通的状态 因此 如果在输出端接入了电容器 如图1 34所示 则逆变管在交替导通过程中 电容器将不断地充电和放电 使逆变管在向电动机提供电流的同时 又增加了电容器的充电电流和放电电流 导致损坏逆变管 所以 在变频器的输出侧是不允许接入电容器的 2 并联电容器无作用这也有两方面的原因 1 并联电容器不能改善输入侧的功率因数因为变频器内部的直流环节 把输入侧和输出侧隔开了 故输出侧功率因数的好坏 对输入侧并无影响 2 并联电容器也不能提高电动机的效率并联电容器的意义是 由电容器向电动机提供一部分无功电流 从而减小了电动机向电源取用的无功电流 但并联电容器并不能减小电动机本身的无功电流 所以 对提高电动机的效率也无作用 问题49增加补偿电容为什么不能改善功率因数 所谓补偿电容 是指在变电所内与变压器直接相接的电容器 如上述 因为变频调速系统的功率因数低 主要是因高次谐波电流造成的 因此 增加补偿电容是不起作用的 在网络容量不够大的情况下 变频器输入侧的高次谐波电流将使网络电压增加了高频脉动的成分 电容器在高频脉动电压的作用下 寿命有可能缩短 问题50加装交流电抗器和直流电抗器时哪个效果好 单就改善功率因数的效果而言 直流电抗器的效果优于交流电抗器 但交流电抗器除了改善功率因数外 还有其他独特的功能 如 1 削弱冲击电流电源侧短暂的尖峰电压可能引起较大的冲击电流 交流电抗器将能起到缓冲作用 例如 在电源侧投入补偿电容 用于改善功率因数 的过渡过程中 可能出现较高的尖峰电压等 2 削弱三相电源电压不平衡的影响 问题51还有哪些情况需要接入交流电抗器 除了改善功率因数外 需要接入交流电抗器的场合如图1 35所示 说明如下 图1 35需要接入交流电抗器的场合a 同一电路中有多台变频器b 变压器容量很大c 同一电路中有晶闸管设备d 对抗干扰要求较高 1 同一电路中有多台变频器当同一电路中有多台变频器运行时 电路的电压波形将发生畸变 有可能导致其他设备运行不正常 以及变频器的不规则跳闸 故每台变频器的输入侧都应接入交流电抗器 如图1 35a所示 2 变压器的容量很大如果变压器和变频器容量接近 变压器本身的绕组电感可以部分地起到交流电抗器的作用 但当变压器容量超过变频器容量10倍以上时 变压器本身的绕组电感相对很小 所以 变频器输入侧应接入交流电抗器如图b所示 3 同一电路中有容量较大的晶闸管设备因为晶闸管设备也容易使电网的电压波形发生畸变 和变频器互相影响 所以 变频器输入侧和晶闸管设备的输入侧都应接入交流电抗器 如图c所示 4 变频器对其他设备干扰较严重如果变频器的容量较大 或同一网络中电子设备较多 要求变频器减小高次谐波电流时 1 35所示 说明如下 图1 35需要接入交流电抗器的场合a 同一电路中有多台变频器b 变压器容量很大c 同一电路中有晶闸管设备d 对抗干扰要求较高 1 同一电路中有多台变频器当同一电路中有多台变频器运行时 电路的电压波形将发生畸变 有可能导致其他设备运行不正常 以及变频器的不规则跳闸 故每台变频器的输入侧都应接入交流电抗器 如图1 35a所示 2 变压器的容量很大如果变压器和变频器容量接近 变压器本身的绕组电感可以部分地起到交流电抗器的作用 但当变压器容量超过变频器容量10倍以上时 变压器本身的绕组电感相对很小 所以 变频器输入侧应接入交流电抗器 如图b所示 3 同一电路中有容量较大的晶闸管设备因为晶闸管设备也容易使电网的电压波形发生畸变 和变频器互相影响 所以 变频器输入侧和晶闸管设备的输入侧都应接入交流电抗器 如图c所示 4 变频器对其他设备干扰较严重如果变频器的容量较大 或同一网络中电子设备较多 要求变频器减小高次谐波电流时 应在变频器输入侧接入交流电抗器和电容器进行滤波 如图d所示 电容器可按0 1 0 22 F 1000V选择 5 线路电压不平衡变频器三相整流桥在运行过程中 由于每相电压接近振幅值时 滤波电容器上的电压并不恒定 因此 三相充电电流的大小常常是不平衡的 线路电压的不平衡 将导致变频器三相输入电流的更加不平衡 所以 当三相电压的不平衡度 3 时 应考虑接入交流电抗器 问题52怎样选择电抗器 1 交流电抗器的选择原则 1 基本原则当输入电流等于额定值时 交流电抗器上的电压降应不超过额定电压的2 5 2 计算公式L 2 5 UN 2 fIN 1 22 式中L 交流电抗器的电感量 H UN 变频器的额定电压 V IN 变频器的额定电流 A f 电源频率 Hz 2 常用电抗器的规格 1 交流电抗器的规格 见表1 5 电动机容量 kW303745557590110132160200允许电流 A607590110150170210250300380电感量 mH0 320 260 210 180 130 110 090 080 060 05 2 直流电抗器的规格 见表1 6 表1 6常用直流电抗器的规格电动机容量 kW3037 5575 90110 132160 200220允许电流 A75150220280370560电感量 H60030020014011070 问题53怎样自制小容量交流电抗器 容量较小的交流电抗器 是可以自行制作的 制作时 需注意以下事项 1 只削弱高次谐波电流 三相的基波电流应不受影响 2 交流电抗器每相绕组的电压降不超过额定电压的2 5 3 三相绕组的结构应该完全相同 4 各相绕组之间必须可靠绝缘 今以1 5kW变频器为例 说明如下 找一个废旧铁心 将三个绕组按同方向绕在同一个铁心柱上 如图1 36所示 这样 三相基波电流的磁通将互相抵消 所以对基波电流并无阻碍作用 图1 36自制交流电抗器a 三柱铁心b 单柱铁心c 允许压降 导线的粗细 以康沃CVF G2变频器为例 1 5kW变频器的额定电流是3 7A 则安全载流量可按5 10A计 选0 75 1mm2的绝缘线即可 线圈的匝数 难以准确估算 可以适当多绕一些 必要时可多加几个中心抽头 以每相电压降不超过额定电压的2 5 为原则进行调整 粗略地说 如果进线端的线电压为380V 则电抗器出线端的线电压只要不低于370V即可 铁心大小 因为每相允许的电压降为220 0 03 6 6V 故铁心功率约为PFE 3 6 6 3 7 73VA由于铁心内的基波磁通已经抵消 故可以适当选小一些 选50VA照明变压器的铁心即可 问题54变频器有哪些干扰源 如图1 37所示 变频器的干扰源主要有 图1 37变频器的干扰源 1 输入电流输入电流为非正弦波 如图1 37中之 所示 它具有十分丰富的高次谐波成分 它的干扰方式主要有两种 1 使网络电压发生畸变 2 频率较高的谐波电流具有电磁幅射的能力 2 输出电压输出电压的波形是经过正弦脉宽调制的高频脉冲序列 如图1 37中之 所示 它主要是通过线路的分布电容 窜入 其他设备产生干扰 3 输出电流输出电流中具有频率很高 等于载波频率 的高次谐波成分 如图1 34中之 所示 故电磁幅射的能量较大 问题55变频器通过哪些途径干扰其他设备 干扰信号的主要传播途径有以下几种 1 线路传播 1 通过电源线路传播由于变频器的输入电流中有很强的高次谐波成分 使网络电压产生相应的脉动 从而传播到同一网络上的其他电子设备 如图1 38a 中之途径 所示 2 通过地线传播如果若干设备的地线联接在一起的话 则变频器输出电流中的高频信号将通过地线传播到其他设备 如图1 38a中之途径 所示 2 电磁波传播因为变频器的输入电流和输出电流中都有频率较高的高次谐波成分 高次谐波电流所产生的电磁场具有幅射功能 使其他设备 尤其是通讯设备 因接收到电磁波信号而受到干扰 如图1 38b所示 谐波电流的频率越高 则幅射能越强 但传播的距离则越短 反之 谐波电流中的频率较低者 产生的幅射能较弱 但传播的距离则较远 3 电磁感应传播当其他设备的控制线接近变频器的主电路 输入或输出 时 将切割主电路所产生的高频电磁场而产生干扰信号 如图1 38c所示 4 静电感应传播当其他设备的控制线接近变频器的输出主电路时 变频器输出的高频电压信号 将通过线间的分布电容 传播到其他设备中去 如图1 38d所示 图1 38干扰的途径a 线路传播b 电磁波传播c 电磁感应d 静电感应 问题56怎样防止线路传播引起的干扰 线路传播常常是比较主要的干扰途径 防止的方法主要有 1 受干扰设备为大容量电子设备在变频器的输入侧接入交流电抗器 2 受干扰设备为小容量电子仪器 图1 39滤波和隔离 1 加入滤波电路如图1 39中之 所示 图中 电容器的容量视干扰程度而定 一般情况下 可选 0 47 2 F 耐压应 1000V 2 加入隔离变压器如图1 39中之 所示 这是效果较好的一种解决办法 3 正确接地如果把各种电子设备的地线连接到一起后再接地