浅谈变频器的原理及应用

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1、浅谈变频器原理及应用李飞（西南科技大学网络教育学院机电一体化10级春）内容摘要：在变频调速技术日新月异的今天，变频调速技术在各个行业得到 了广泛的应用与推广。变频调速前装置，必须了解变频器的应用与维护和安装规 范，了解变频器的工作原理、质量性能指标与操作。另外，节能降耗已成为降低 我国火力发电厂厂用电率、提高经济效益的重要手段之一。本文从变频器的原理、 组成、作用及应用几个方面为大家进行解读，让大家对变频器有一个系统的认识。 为大家详细剖析变频器如何拥有优越的节能效果。关键词：变频器 频率 转换节能On the theory and applicationfrequencyLi fei(Sou

2、thwestern University School of Network Education Mechatronics 10Content abstract:Spring)In today s rapidly changing technology frequencyKey Words： invertercontrol, frequency control technology in various sectors has been widely used and promoted. Frequency control devices before, we must understand

3、the frequency of application and maintenance and installation practices, to understand the working principle of frequency, quality and operating performance. In addition, energy saving has become lower power consumption rate of Chinas Thermal Power Plant, an important means of improving economic eff

4、iciency. In this paper, the principle of frequency, composition, function and application aspects for everyone to read, so that we have an understanding of the system drive. We have a detailed analysis of the inverter for the superior energy-saving effect.Frequency Transform Energy中文内容摘要/关键词 1英文内容摘要

5、/关键词 2引言 4一、变频器结构和原理5二、变频器的组成6三、变频器的主电路大体上可分为两类6四、为什么变频器的电压与频率成比例的改变？ 6五、变频器工作原理7六、变频器的作用8七、变频器的节能应用9结论11参考文献12致谢13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。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，节能降耗在企业利 润中占有举足轻重的位置，也是我们专业技术人员共同追求的目标。节能降耗业已成为各行业降低生产成本、提高产品质量、提高自身竞 争力的重要手段之一。随着电力行业改革的深化，“厂网分家

6、”、“竞价 上网”等各种政策的出台，通过节能降耗，降低厂用电率，降低发电成本， 提高电价竞争力，已成为各发电厂提高经济效益的重要工作，且由于电的 能价比高，节电比节煤效益更好，在资金有限的情况下，积极引进节电项 目，能在短期内创造更大的效益。我国发电厂的平均能耗非常大，在火力 发电厂中，风机和水泵等低压和高压电动机是主要的耗电设备，容量大、 耗电多，基本上都为连续运行且常常处于低负荷及变负荷运行状态，节能 潜力十分巨大。变频器的英文译名是VFD (Variable-frequency Drive )，这可能是现 代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。(但VFD也可解释为Vacuum fl

7、uorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用)。变 频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度 的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受 日本厂商影响而曾被称作 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency Inverter ) o变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率 的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转 精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。一、变频器的原理和结构变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一 频率的

8、电能控制装置。先通过整流器将输入的交流电整成直流，然后 根据测量的控制信号将直流逆变成另一频率的交流电。其原理图如图1 所示。变频器内部的控制系统主要由信号检测、控制电路、触发脉冲 电路构成。其中，信号检测是通过传感器或变送器检测负荷侧的电流 电压；控制电路是为获取所需的控制信号和动态特性对检测信号和给 定参考输入量进行处理.产生相应的控制信号；触发脉冲电路是根据 控制电路输出的控制信号产生相应的触发脉冲经隔离驱动放大驱动开 关功率器件工作.图1变频器原理图二、变频器的组成变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。1、整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。2、高容量电容

9、存储转换后的电能。3、逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同 频率、宽度、幅度的方波。4、控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近 似正弦波的交流电，驱动交流电动机。三、变频器的主电路大体上可分为两类电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电 流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。四、为什么变频器的电压与频率成比例的改变？任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过 额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小， 导致带载能力降低。由公式E=4.44*K*F

10、*N*可以看出，在变频调速时，电动机的磁路随着运 行频率三是在相当大的范围内变化，它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励 磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压， 使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于 风机、泵类节能型变频器。五、变频器工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路 大体上可分为两类1:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路 的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波 是电感。它由三部分构成，将工频电源变

11、换为直流功率的“整流器”吸收在变 流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率 的“逆变器”。（一）、整流器最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用 两组品体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（二）、平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器 产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉 动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去 电感采用简单的平波回路。（三）、逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以

12、所确 定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。控制电路是给异 步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、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”， 将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护 电路”组成。1. 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、频率。2. 电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。3. 驱动电路:驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、 关断。4. 速度检测电路：以装在异步电动机轴

13、机上的速度检测器的信号为速度信 号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。5. 保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时， 为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。六、变频器的作用（一）、变频节能变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各 种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷 下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电 能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀 门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消

14、耗在挡板、阀门 的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转 速即可满足要求。电动机使用变频器的作用就是为了调速，并降低启动电流。为了产生可变 的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫 整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter” （逆变器）。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电 源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波 形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。对于主 要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变

15、器，要对波形进行 整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的15 20倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”， 故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。变频不是到处可以省电，有不少场合用变频并不一定能省电。作为电子电 路，变频器本身也要耗电（约额定功率的3-5%）。一台1.5匹的空调自身耗电算 下来也有20-30W,相当于一盏长明灯.变频器在工频下运行，具有节电功能，是 事实。但是他的前提条件是：第一，大功率并且为风机/泵类负载;第二，装置本身具有节电功能（软件支持）；第三，长期连续运行。这是体现节电效果的三个条件。除此

16、之外，无所谓节不节电，没有什么意 义。如果不加前提条件的说变频器工频运行节能，就是夸大或是商业炒作。知道 了原委，你会巧妙的利用他为你服务。一定要注意使用场合和使用条件才好正确 应用，否则就是盲从、轻信而“受骗上当”。（二）、功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电 网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费 严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功 损耗，增加了电网的有功功率。（三）、软启动节能电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动 时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的

17、损害极大，对设备、管路的使用寿命极 为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开 始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长 了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。从理论上讲，变频器可以用在所有带有电动机的机械设备中，电动机在启 动时，电流会比额定高5-6倍的，不但会影响电机的使用寿命而且消耗较多的电 量.系统在设计时在电机选型上会留有一定的余量，电机的速度是固定不变，但 在实际使用过程中，有时要以较低或者较高的速度运行，因此进行变频改造是非 常有必要的。变频器可实现电机软启动、补偿功率因素、通过改变设备输入电压 频率达到节能调速的

18、目的，而且能给设备提供过流、过压、过载等保护功能。七、变频器的节能应用变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频 器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到 平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变 频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工 作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种 生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下 运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率

19、的消耗，造成电能 的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门 开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的 截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速 即可满足要求。由流体力学可知，P （功率）=Q （流量）XH （压力），流量Q与转速N的一 次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如 果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴 输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关 系。所队当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机

20、转速n按比 例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀 门节能40% 50%，从而达到节电的目的。变频器的精确控制功能，可以使风机和水泵工作于原来阀门调节方式下无法 达到的工况，在极小流量的情况下仍能精细的调节介质流量，这样就能将设备的 机械损耗降低到最低，并节约了大量电量。在自主创新，占领世界科技高端的精神带动下，具有自主知识产权的国产大 功率与超大功率高压变频的技术不断成熟，在中国的大型工业领域内的电动机调 速应用越来越广泛，并开始进入原来由国外的高压变频器垄断的领域。生产工艺 的改进及功率耗能的降低，变频调速越来越被更多的企业所亲赖。如何选择性能 好的变频器应

21、用到工业控制中、节能降耗为企业带来更高的利益，都是我们专业 技术人员共同追求的目标。参考文献1、浅谈火电厂中的节能技术研究张雪松20062、高压变频调速与电厂节能3、自动化仪表20074、中国变频器网逮乾鹏项立峥2006本次毕业论文是在杜秀菊老师的悉心指导下完成的。在论文的准备及写作过 程中，我一直由杜老师带领，老师对工作认真负责，一丝不苟，她严谨的治学态 度、渊博的学科知识、高度的责任心，使我受益匪浅，让我不仅学到了许多专业 知识，最重要的是学到了许多做人做事的道理。在此我要向一直以来辛苦工作的老师表示我最衷心的感谢和最崇高的敬意！ 另外，本次论文的顺利完成也离不开其他老师和同学的帮助，在此一并表示感谢。