什么是變頻器？

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

可分為交—交變頻器、交－直－交變頻器。

交－交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電；

交—直—交變頻器則是先把交流電經整流器先整流成直流電，再經過逆變器把直流電變成頻率和電壓都可變的交流電。

變頻器的組成：

變頻器是由主回路和控制回路兩大部分組成的。主回路由整流器、濾波器和逆變器三個主要部分組成。控制回路則由單片機、驅動電路和光電隔離電路組成。

變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。隨著電力電子器件【從SCR（晶閘管）發展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）】、電力變換技術的不斷發展和脈寬調制變壓變頻調速理論（PWM—VVVF）的成熟。

變頻調速的原理：

三相異步電動機轉速為：n=n0（1-s）

其中：n0=60f/p，為同步轉速

因此n=60f（1-s）/p

改變電機的極對數（p）；

改變電機的轉差率（s）；

轉子串電阻調速，轉子串級調速；

改變電機供電頻率（f），即變頻調速。

根據三相異步電動機公式：

E=4.44f1KN?

f1-電機頻率。

N-每相繞組匝數；

?-電機氣隙磁通；

K-與繞組有關的常數。

Ф=E/（4.44KNf1）=KФ（E/f1）≈KФ（U/f1）

VVVF控制

變頻調速的優點：

變頻調速主要有如下一些優點：

1、調速范圍寬，可使異步電動機0-100%無級調速（加減速時間可調）；

2、啟動電流小，而啟動轉矩大；

3、啟動平滑，消除機械的沖擊力，保護機械設備；

4、對電機具有保護功能，降低電機的維修費用；

5、在合適條件下具有顯著的節電效果。

常用低壓變頻器功能簡介：

完善的保護特性（自身保護和負載保護）：

基本接線：

變頻器的壽命：

變頻器雖為靜止裝置，但也有像濾波電容器、冷卻風扇那樣的消耗器件，如果對它們進行定期的維護、更新，可以有10年以上的壽命。

變頻器調速節電原理：

變頻器是節電產品，但變頻器本身不節電，相反，它本身也耗電，它的作用是改變電機的轉速；

變頻器節電的效果完全取決于電機負載的工況條件－有調節轉速節電的需要。

例如：離心泵的特性

減量操作（Q1－Q2）：

出口閥門調節時泵工作點的變化：

減量操作（Q1－Q2）：

調速調節時泵工作點的變化：

閥門、速度調節能耗比較：

根據離心泵軸功率公式：P=kQHρ/η

式中：P－泵工況點的軸功率，kW

Q－工況點的流量，m3/s

H－工況點的揚程，m

ρ－介質密度，kg/m3

η－工況點的泵效率，％

得出泵運行在b、c點的軸功率和損耗功率△P：

△P=Pb-Pc≈kQ2（Hb-Hc）ρ/η

什么是高壓變頻器？

一般輸出3KV~13.8KV電壓的變頻器稱為高壓變頻器。

國外稱為中壓變頻器，國內稱為高壓，主要是與低壓變頻器相對而言的。

常用高壓變頻器分類：

按輸出電壓方式：

高－高型：變頻器輸出沒有升壓變壓器

高－低－高型：低壓變頻器，有降、升壓過程按中間環節類型

電壓源：中間直流環節為電容

電流源：中間直流環節為電感

按逆變器電路結構型式：

三電平（中心點鉗位）

GTO/SGCT電流源型逆變器

功率單元電壓串聯結構

某品牌高壓變頻器組成結構：

幾種調速方式對比：

變頻器的散熱與旁通：

二次結構圖：

控制電源：

一、外部電源→UPS

二、UPS→板件

風扇電源：

變壓器→風扇

電壓、電流檢測：

變頻器控制信號：

變頻器輸出：

外部信號輸入

單元與主板通訊方式：

功率單元散熱方式：

水平散熱：

垂直散熱：

垂直通風散熱技術風道小，散熱風機利用率高，散熱效果好；

由于電解電容位于風道內，散熱良好，壽命大大增加

結構設計簡單合理，便于整體發運。

變頻器整機散熱方式：

方式一：室外冷風—變頻器--熱風---風道引至室外

特點：

1）施工簡單，維護量大（定期清洗濾網）。

2）費用低，散熱效果較好。

3）運行穩定性依賴于當地環境，適用于環境較好，粉塵少的場合。

方式二：室外冷風—變頻器--熱風--室內-室外

優點：無額外的風道或空調成本。適合北方冬季使用。

缺點：散熱受外界溫度影響大，變頻器很容易因過熱而故障停機。

方式三：房間密閉室內空調制冷--室內冷風—變頻器--熱風--室內。

優點：由于室內外空氣沒有直接流通，容易保證室內環境清潔，空調冗余配置。

缺點：空調的可靠性會影響變頻器的穩定運行，空調費用高，運行費用高。

方式四：室內冷風-變頻器-熱風-空水冷散熱器-冷風-室內

1）降溫效果較好，降低設備的運營成本，設備使用壽命長、故障率低、性能可靠。

變頻器旁路方式：

（1）一拖一手動刀閘旁路方案

（2）一拖一自動接觸器旁路方案

（3）一拖二手動刀閘旁路方案

（4）一拖二自動旁路方案

同步投切（電機軟啟動）

自動與手動旁路比較：

變頻器節能原理：

交流異步電機：

F：電機輸入電源頻率

P：為異步電機極對數

N：為電動機拖動負載的轉速

S：滑差（一般為：0-0.05）

對于風機、泵類平方轉矩負載，電機的輸出功率與電機轉速的立方成正比。

風機水泵類負載一般稱為平方轉矩負載，及轉矩與轉速成平方關系；其功率等于轉矩乘轉速，即功率是與轉速成三次方關系，這個也就是風機水泵類采用變頻調速以后節能的基本原理。

專業術語：

平方轉矩負載：在各種風機、水泵、油泵中，隨葉輪的轉動，空氣或液體在一定的轉速范圍內所產生的阻力大致與轉速n的2次方成正比。隨著轉速的減小，轉矩按轉速的2次方減小。這種負載所需要的功率與速度的3次方成正比。

恒轉矩負載：負載轉矩TL與轉速n無關，任何轉速下TL總保持恒定或基本不變。例如傳送帶、攪拌機、擠壓機等摩擦類負載以及吊車、提升機等位能負載都屬于恒轉矩負載。

恒功率負載：機床主軸和軋機、造紙機、塑料薄膜生產中的卷取機、開卷機等要求的轉矩大體與轉速成反比。這就是所謂的恒功率負載。

變頻與工頻：

變頻指的是電機，你說的變頻泵應該是變頻電機帶動的泵。

變頻也就是可調節頻率，變頻電機就是可以調節轉速；工頻電機就是我們日常用的頻率50Hz，不可調速。

變頻泵就是可以調節流量，工頻泵就是流量恒定不可調。

工頻就是說的我們國家的電力頻率，50HZ，是一個常數。

變頻器選型時要確定以下幾點：

1）采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。

2）變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。

3）變頻器與負載的匹配問題；

I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。

II.電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。

III.轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發生。

4）在使用變頻器驅動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。

5）變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

6）對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。

變頻器和電機的距離確定電纜和布線方法：

I.變頻器和電機的距離應該盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發射源。

II.控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。

III.電機電纜應獨立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90

度角交叉。與變頻器有關的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。

IV.與變頻器有關的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規格要比普通電機的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。

變頻器控制原理圖：

I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網從而影響其他的受電設備，需要根據變頻器的容量大小來決定是否需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當變頻器到電機的距離較遠時，應該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護功能，但缺相保護卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護，選型時可按照變頻器的容量進行選擇。可以用變頻器本身的過載保護代替熱繼電器。

II.控制回路：具有工頻變頻的手動切換，以便在變頻出現故障時可以手動切工頻運行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。

變頻器的接地：

變頻器正確接地是提高系統穩定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應和動力設備的接地點分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。

變頻器控制柜設計：

變頻器應該安裝在控制柜內部，控制柜在設計時要注意以下問題：

1）散熱問題：

變頻器的發熱是由內部的損耗產生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱我們通常采用風扇散熱；變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應立即停止變頻器運行；大功率的變頻器還需要在控制柜上加風扇，控制柜的風道要設計合理，所有進風口要設置防塵網，排風通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據變頻器說明書的通風量來選擇匹配的風扇，風扇安裝要注意防震問題。

2）電磁干擾問題：

I.變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會產生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進入整個供電網絡，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個系統25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。

II.當系統中有高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源時，變頻器本身會因為干擾而出現保護，則考慮整個系統的電源質量問題。

變頻器接線規范：

信號線與動力線必須分開走線：使用模擬量信號進行遠程控制變頻器時，為了減少模擬量受來自變頻器和其它設備的干擾，請將控制變頻器的信號線與強電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應在30cm以上。即使在控制柜內，同樣要保持這樣的接線規范。該信號與變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m。

信號線與動力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內，極易受到變頻器和外部設備的干擾；同時由于變頻器無內置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級動力線對外部會產生極強的干擾，因此放置信號線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號線與動力線的徹底分開。

1）模擬量控制信號線應使用雙股絞合屏蔽線，電線規格為0.75mm2。在接線時一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（5-7mm左右），同時對剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設備接觸引入干擾。

2）為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。

變頻器的運行和相關參數的設置：

變頻器的設定參數多，每個參數均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個別參數設置不當，導致變頻器不能正常工作的現象。

控制方式：即速度控制、轉距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據控制精度，需要進行靜態或動態辨識。

最低運行頻率：即電機運行的最小轉速，電機在低轉速下運行時，其散熱性能很差，電機長時間運行在低轉速下，會導致電機燒毀。而且低速時，其電纜中的電流也會增大，也會導致電纜發熱。

最高運行頻率：一般的變頻器最大頻率到60Hz，有的甚至到400Hz，高頻率將使電機高速運轉，這對普通電機來說，其軸承不能長時間的超額定轉速運行，電機的轉子是否能承受這樣的離心力。

載波頻率：載波頻率設置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機發熱，電纜發熱變頻器發熱等因素是密切相關的。

電機參數：變頻器在參數中設定電機的功率、電流、電壓、轉速、最大頻率，這些參數可以從電機銘牌中直接得到。

跳頻：在某個頻率點上，有可能會發生共振現象，特別在整個裝置比較高時；在控制壓縮機時，要避免壓縮機的喘振點。

審核編輯：郭婷