变频器的原理和操作方法 浅谈变频器的基本原理及应用中的问题分析

1、在现代工业控制 中，采用变频器控制的电动机的电力拖动系统，有着节能效果显著 ，调节控制方便，维护简单，可网络化集中远程控制，可与PLC组成控制系统等优点变频器这些优点使其在工业自动控制领域应用日益广泛 本文对变频器的基本原理及应用进行了简要分析，我来为大家科普一下关于变频器的原理和操作方法 浅谈变频器的基本原理及应用中的问题分析?下面希望有你要的答案，我们一起来看看吧!

变频器的原理和操作方法 浅谈变频器的基本原理及应用中的问题分析

1、在现代工业控制 中，采用变频器控制的电动机的电力拖动系统，有着节能效果显著 ，调节控制方便，维护简单，可网络化集中远程控制，可与PLC组成控制系统等优点。变频器这些优点使其在工业自动控制领域应用日益广泛。 本文对变频器的基本原理及应用进行了简要分析。

2 变频器的基本原理

2． 1 调速的基本控制方式

异步电动机旋转磁场的转速为

N 1 = 60f／p

式中： n1一 同步转速 r／m in；

f一 电源频率 -IZ ；

p一磁极对数。

异步电动机输出轴的转速为 n = n1(1 一s) = 60f(1 一s) ／p

式中 ：S一异 步电动机 的转差 率 s = (n1一 n) ／n1。

由此公式可以看出，在保持s和P不变时 ，转速和电源频率成正比，通过改变电动机的供电频率就可 以改变电动机 的转速 ，从而实现调速 。但改变供电频率必定影响气隙磁通中的改变。 因异步电动机定子电路的电压平衡

公式 U1= 一E1 I1Z1

式 中： U 1—定 子相 电压 ；

E 1一定 子绕 组感应电动势 ；

I1一定子 电流；

Z1一定子绕组的漏阻抗 。

而 E1= 4.44f1W1ΦmKW1， 在忽略定子阻,抗压降的情况下 ，

则有 U1 ≈E1=4.44f1W1ΦmKW1∝f1Φm

当 f1下降时 。n1下降 ，E 1亦下降。 若 电网电压U1 大小不 变，则U1 与 E1差值增大 ，

使励磁电流增加 ，力图建立较大的Φm ，以保持在 n1较小 时，产生较大的E，与外加电压U1 平衡。 由于一般电动机均在额定频率下工作 ，磁路已近饱和，若Φm增加 ，必定会导致磁路过分饱和 ，定子电流的励磁分量加大，这样会降低 电动机的功率因素和负载能力。相反 ，当 f1升高而超过额定频率时 ，Φm 下降，小于额定值 ，在 额定定子电流下 ，电动机的输出转矩下降，电动机得不到充分利用 ，造成浪费 。

因此 ，在调速时保持气隙磁通量为定值 ，在基频以下调速时 ，保 持 U1／f1 = 常数 ，即恒磁通变频调速 ，属恒转矩调速方式 ；基频以上调速时 ，因 u1不能超过 ue，当 ‘向上增加使u1 = u e时 ，f1增加反而使Φm减小，相当于直流电动机的弱磁调速 ，属于恒功率调速方式。变频器就是通过改变电动机的定子供电频率达到调速的目的 。

2．2 变频器的 电路构成

通用变频器分为主电路和控制电路 。 变频器的主电路一般由整流 、逆变和滤波三部分组成 ，输人部分为整流电路 ：输出部分为逆变电路 ，它们都是由起开关作用的非线性元件组成。 为主电路提供控制信号的回路称为控制电路 ，其组成有 ：频率 、电压的运算电路 ，主电路的电压 、电流检测电路 ，电动机的速度检测电路 ，将运算电路的信号进行放大的驱动电路 ，以及逆变器和电动机的保护电路 。

运算电路将外部的速度 、转矩等指令同检测电路的电流 、电压信号进行比较运算 ，决定逆变器的输出电压和频率。

驱动电路为驱动主电路元器件电路，它与控制电路隔离使主电路元器件通 、断。I／O 输人输 出电路是为了更好的进行人机交流， 变频器具有多种输人信号的输入(如运行 ，多段速度运行等 ) ，还有多种 内部参数的输出(如频率、电流等) 信号。

速度检测电路以装在电动机轴上的速度检测器的信号为速度信号 ，送人运算电路 ，根据指令 和运算 可 以使 电动机按指令 速度运转 。

保护电路检 测主电路的电流 、电压信号等，当发生过电压或过载等情况时 ，保护变频器和电动机不受损伤 ，使逆变器停止工作或抑制电压 、电流值。

3 变频器应用中的问题

3．1 谐波问题

变频器的主电路中起开关作用的元器件 ，在通断电路的过程中，都要产生谐波 。 较低次谐波通常对 电动机负载影 响较大，引起转矩脉动；而较高的谐波则使变频器输出电缆的漏电流增加，使 电动机出力不足。 谐波干扰还会导致继 电保护装置的误动作 ，使 电气仪表计量不准确 ，甚至无法正常工作 。

3．2 噪 声与振动问题

采用变频器调速 ，将产生噪声和振动 ，这是因为变频器输出波形中含有高次谐波分量所产生的影响。 随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量都在大范围内变化，很可能引起与电动机的各个部分产生谐振 ，而这种谐振是噪声与振动的来源。

3．3 发热问题

变频器在运行当中会由于内部损耗而产生热量 ，这种热量主电路占98％，控制电路占 2％左右 。 同时在夏季由于环境温度过高 ，使变频器温度上升，由于变频器是电子装置 ，内含电子元件和电解电容等 ，易造成元器件因温度过高而失去其本来的作用 ，也经常会发生变频器保护跳停的现象。

因此 ，必须将变频器输出的谐波抑制在允许的范围内，同时消除或减弱噪声与振动 ，对变频器进行散热，以延长变频器的使用寿命 。

4.变频器应用中的问题分析与处理

4．1 针对谐波问题有两种处理方式

切断干扰的传播途径和抑制干扰源上的高次谐波。

切断干扰的传播途径有：

a． 切断共用接地线传播干扰的途径。动力线的接地与控制线的接地分开 ，即将动力装置的接地端子接到地线上 ，将控制装置的接地端子接到该装置盘的金属外壳上 。

b． 信号线靠近有干扰源电流的导线时会受到干扰。 布线分离对消除这种干扰行之有效 ，即把高压 电缆 、动力 电缆 、控制 电缆 常常与仪表电缆 、计算机电缆分开走线 。抑制干扰源上的高次谐波方式有 ：

a． 增加变频器供电电源内阻抗 。 通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用 ，内阻抗越大，谐波含量越小 ，这种内阻抗就是变压器 的短路阻抗。 因此 ，选择变频器供 电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器 。

b． 安装滤波器 。 在变频器前加装 LC 型电路无源滤波器 ，滤掉高次谐波 ，通常滤掉 5

次和 7 次谐波。

c． 安装 电抗器 。 在变频器前侧安装线路电抗器 ，可抑制电源侧过电压。

d． 设置有源补偿器。 设置专用滤波器用来检测变频器和相位， 自动产生一个与谐波电流的幅值相同且相位正好相反的电流 ，通到变频器中，从而可以有效的吸收谐波电流 。

4．2 噪声与振动问题的处理方式

a． 电磁噪声特征。 由于变频器输出中的低次谐波分量 与转子固有机械频率谐振 ．则转子固有频率附近的噪声增大。 变频器输出中的高次谐波分量与铁心机壳轴承架等谐振 ，在这些部件的各 自固有频率附近处的噪声增大。

变频器传动电动机产生的噪声特别是刺耳的噪声 与 PW M 控制 的开关 频率有关 ．尤其在低频 区更为显著 。 要解决这一问题 ．一般在变频器输出侧连接交流电抗器。 如果电磁转矩有余量 ，可将 u／f设定小些 ．以平抑和降低噪声 。

b． 变频器工作时 ，输 出波形中的高次谐波引起的磁场对许多机械部件产生电磁策动力，策动力的频率与这些机械部件的 固有频率接近或重合，造成电磁原因导致的振动。

对振动影响大的高次谐波主要是较低次的谐波分量 ，在 PAM 方式 和方波PWM 方式时有

较大的影响。 但采用正弦波PWM方式时 ，低次的谐波分量小 ，影响亦变小。减轻或消除振动 的方法是 ：在变频器输出侧接人交流电抗器以吸收变频器输 出电流中的高次谐波 电流成分 。 采用 PAM 方式或方波PWM 方式的变频器时．改用正弦波PWM 方式变频器 ．以减小脉动转矩 ，就可以减弱或消除振动 ，防止机械部分 因振动而受损 。

4．3 发热问题的处理方式

根据变频器的发热原因．为保证变频器正常可靠的工作 ．合理延长变频器 的使用寿命 ．必须对变频器进行散热。可以利用变频器的内装风扇将变频器箱体 内部热量带走 ；还可以适当降低环境温度，一般情况下，通用变频器的环境 运行温度一般 要求 一lO ～ 5O℃ 。 此时可采用空调或加装风扇对变频器安装的环境空间进行强制降温 。 同时确保控制柜内变频器周 围留有一定的空间 ，保持通风良好 ．这样可以延长其寿命 ．确保变频器工作的稳定性。

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