danfoss變頻器

變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），是套用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。

變頻器基礎原理知識

1、什麼是變頻器？

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，能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流/過壓/過載保護等功能。

2、PWM和PAM的不同點是什麼？

PWM是英文Pulse Width Modulation(脈衝寬度調製)縮寫，按一定規律改變脈衝列的脈衝寬度，以調節輸出量和波形的一種調值方式。PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脈衝幅度調製) 縮寫，是按一定規律改變脈衝列的脈衝幅度，以調節輸出量值和波形的一種調製方式。

3、電壓型與電流型有什麼不同？

　　變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流迴路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流迴路濾波是電感。

4、為什麼變頻器的電壓與頻率成比例的改變？

任何電動機的電磁轉矩都是電流和磁通相互作用的結果，電流是不允許超過額定值的，否則將引起電動機的發熱。因此，如果磁通減小，電磁轉矩也必減小，導致帶載能力降低。

由公式E=4.44*K*F*N*Φ 可以看出，在變頻調速時，電動機的磁路隨著運行頻率fX是在相當大的範圍內變化，它極容易使電動機的磁路嚴重飽和，導致勵磁電流的波形嚴重畸變，產生峰值很高的尖峰電流。

因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現象的產生。這種控制方式多用於風機、泵類節能型變頻器。

5、電動機使用工頻電源驅動時，電壓下降則電流增加；對於變頻器驅動，如果頻率下降時電壓也下降，那么電流是否增加？

頻率下降（低速）時，如果輸出相同的功率,則電流增加，但在轉矩一定的條件下,電流幾乎不變。

6、採用變頻器運轉時，電機的起動電流、起動轉矩怎樣？

　　採用變頻器運轉，隨著電機的加速相應提高頻率和電壓，起動電流被限制在150%額定電流以下(根據機種不同，為125%~200%)。用工頻電源直接起動時，起動電流為額定電流6~7倍，因此，將產生機械電氣上的衝擊。採用變頻器傳動可以平滑地起動(起動時間變長)。起動電流為額定電流的1.2~1.5倍，起動轉矩為70%~120%額定轉矩；對於帶有轉矩自動增強功能的變頻器，起動轉矩為100%以上，可以帶全負載起動。

7、V/f模式是什麼意思？

　　頻率下降時電壓V也成比例下降，這個問題已在回答4說明。V與f的比例關係是考慮了電機特性而預先決定的，通常在控制器的存儲裝置（ROM）中存有幾種特性，可以用開關或標度盤進行選擇。

8、按比例地改V和f時，電機的轉矩如何變化？

　　頻率下降時完全成比例地降低電壓，那么由於交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速下產生地轉矩有減小的傾向。因此，在低頻時給定V/f,要使輸出電壓提高一些，以便獲得一定地起動轉矩,這種補償稱增強起動。可以採用各種方法實現，有自動進行的方法、選擇V/f模式或調整電位器等方法。

9、在說明書上寫著變速範圍60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就沒有輸出功率嗎？

　　在6Hz以下仍可輸出功率，但根據電機溫升和起動轉矩的大小等條件，最低使用頻率取6Hz左右，此時電動機可輸出額定轉矩而不會引起嚴重的發熱問題。變頻器實際輸出頻率（起動頻率）根據機種為0.5~3Hz。。

10、對於一般電機的組合是在60Hz以上也要求轉矩一定，是否可以？

通常情況下時不可以的。在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）電壓不變，大體為恆功率特性，在 高速下要求相同轉矩時，必須注意電機與變頻器容量的選擇。

11、所謂開環是什麼意思？

　　給所使用的電機裝置設速度檢出器（PG），將實際轉速反饋給控制裝置進行控制的，稱為“閉環 ”，不用PG運轉的就叫作“開環”。通用變頻器多為開環方式，也有的機種利用選件可進行PG反饋.無速度感測器閉環控制方式是根據建立的數學模型根據磁通推算電機的實際速度，相當於用一個虛擬的速度感測器形成閉環控制。

12、實際轉速對於給定速度有偏差時如何辦？

　　開環時，變頻器即使輸出給定頻率，電機在帶負載運行時，電機的轉速在額定轉差率的範圍內（1%~5%）變動。對於要求調速精度比較高，即使負載變動也要求在近於給定速度下運轉的場合，可採用具有PG反饋功能的變頻器（選用件）。

13、如果用帶有PG的電機，進行反饋後速度精度能提高嗎？

　　具有PG反饋功能的變頻器，精度有提高。但速度精度的值取決於PG本身的精度和變頻器輸出頻率的解析度。

14、失速防止功能是什麼意思？

　　如果給定的加速時間過短，變頻器的輸出頻率變化遠遠超過轉速（電角頻率）的變化，變頻器將因流過過電流而跳閘，運轉停止，這就叫作失速。為了防止失速使電機繼續運轉，就要檢出電流的大小進行頻率控制。當加速電流過大時適當放慢加速速率。減速時也是如此。兩者結合起來就是失速功能。

15、有加速時間與減速時間可以分別給定的機種，和加減速時間共同給定的機種，這有什麼意義？

加減速可以分別給定的機種，對於短時間加速、緩慢減速場合，或者對於小型工具機需要嚴格給定生產節拍時間的場合是適宜的，但對於風機傳動等場合，加減速時間都較長，加速時間和減速時間可以共同給定。

16、什麼是再生制動？

　　電動機在運轉中如果降低指令頻率，則電動機變為異步發電機狀態運行，作為制動器而工作，這就叫作再生（電氣）制動。

17、是否能得到更大的制動力？

從電機再生出來的能量貯積在變頻器的濾波電容器中，由於電容器的容量和耐壓的關係，通用變頻器的再生制動力約為額定轉矩的10%~20%。如採用選用件制動單元，可以達到50%~100%。

18、請說明變頻器的保護功能?

　　保護功能可分為以下兩類：

（1） 檢知異常狀態後自動地進行修正動作，如過電流失速防止，再生過電壓失速防止。

（2） 檢知異常後封鎖電力半導體器件PWM控制信號，使電機自動停車。如過電流切斷、再生過電壓切斷、半導體冷卻風扇過熱和瞬時停電保護等。

19、為什麼用離合器連線負載時，變頻器的保護功能就動作？

用離合器連線負載時，在連線的瞬間，電機從空載狀態向轉差率大的區域急劇變化，流過的大電流導致變頻器過電流跳閘，不能運轉。

20、在同一工廠內大型電機一起動，運轉中變頻器就停止，這是為什麼？

　　電機起動時將流過和容量相對應的起動電流，電機定子側的變壓器產生電壓降，電機容量大時此壓降影響也大，連線在同一變壓器上的變頻器將做出欠壓或瞬停的判斷，因而有時保護功能（IPE）動作，造成停止運轉。

21、什麼是變頻解析度？有什麼意義？

對於數字控制的變頻器，即使頻率指令為模擬信號，輸出頻率也是有級給定。這個級差的最小單位就稱為變頻解析度。

變頻解析度通常取值為0.015~0.5Hz.例如，解析度為0.5Hz，那么23Hz的上面可變為23.5、24.0 Hz，因此電機的動作也是有級的跟隨。這樣對於像連續卷取控制的用途就造成問題。在這種情況下，如果解析度為0.015Hz左右，對於4級電機1個級差為1r/min 以下，也可充分適應。另外，有的機種給定解析度與輸出解析度不相同。

22、裝設變頻器時安裝方向是否有限制。

變頻器內部和背面的結構考慮了冷卻效果的，上下的關係對通風也是重要的，因此，對於單元型在盤內、掛在牆上的都取縱向位，儘可能垂直安裝。

23、不採用軟起動，將電機直接投入到某固定頻率的變頻器時是否可以？

　　在很低的頻率下是可以的，但如果給定頻率高則同工頻電源直接起動的條件相近。將流過大的起動電流（6~7倍額定電流），由於變頻器切斷過電流，電機不能起動。

24、電機超過60Hz運轉時應注意什麼問題？

超過60Hz運轉時應注意以下事項：

（1）機械和裝置在該速下運轉要充分可能（機械強度、噪聲、振動等）。

（2）電機進入恆功率輸出範圍，其輸出轉矩要能夠維持工作（風機、泵等軸輸出功率於速度的立方成比例增加，所以轉速少許升高時也要注意）。

（3）產生軸承的壽命問題，要充分加以考慮。

（4）對於中容量以上的電機特別是2極電機，在60Hz以上運轉時要與廠家仔細商討。

25、變頻器可以傳動齒輪電機嗎？

根據減速機的結構和潤滑方式不同，需要注意若干問題。在齒輪的結構上通常可考慮70~80Hz為最大極限，採用油潤滑時，在低速下連續運轉關係到齒輪的損壞等。

26、變頻器能用來驅動單相電機嗎？可以使用單相電源嗎？

　　基本上不能用。對於調速器開關起動式的單相電機，在工作點以下的調速範圍時將燒毀輔助繞組；對於電容起動或電容運轉方式的，將誘發電容器爆炸。變頻器的電源通常為3相，但對於小容量的，也有用單相電源運轉的機種。

27、變頻器本身消耗的功率有多少？

　　它與變頻器的機種、運行狀態、使用頻率等有關，但要回答很困難。不過在60Hz以下的變頻器效率大約為94%~96%，據此可推算損耗，但內藏再生制動式（FR-K）變頻器，如果把制動時的損耗也考慮進去，功率消耗將變大，對於操作盤設計等必須注意。

28、為什麼不能在6~60Hz全區域連續運轉使用？

一般電機利用裝在軸上的外扇或轉子端環上的葉片進行冷卻，若速度降低則冷卻效果下降，因而不能承受與高速運轉相同的發熱，必須降低在低速下的負載轉矩，或採用容量大的變頻器與電機組合，或採用專用電機。

29、使用帶制動器的電機時應注意什麼？

制動器勵磁迴路電源應取自變頻器的輸入側。如果變頻器正在輸出功率時制動器動作，將造成過電流切斷。所以要在變頻器停止輸出後再使制動器動作。

30、想用變頻器傳動帶有改善功率因數用電容器的電機，電機卻不動，請說明原因。

變頻器的電流流入改善功率因數用的電容器，由於其充電電流造成變頻器過電流(OCT),所以不能起動，作為對策，請將電容器拆除後運轉，至於改善功率因數，在變頻器的輸入側接入AC電抗器是有效的。

31、變頻器的壽命有多久？

　　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，可望有10年以上的壽命。

32、變頻器內藏有冷卻風扇，風的方向如何？風扇若是壞了會怎樣？

　　對於小容量也有無冷卻風扇的機種。有風扇的機種，風的方向是從下向上，所以裝設變頻器的地方，上、下部不要放置妨礙吸、排氣的機械器材。還有，變頻器上方不要放置怕熱的零件等。風扇發生故障時，由電扇停止檢測或冷卻風扇上的過熱檢測進行保護

33、濾波電容器為消耗品，那么怎樣判斷它的壽命？

作為濾波電容器使用的電容器，其靜電容量隨著時間的推移而緩緩減少，定期地測量靜電容量，以達到產品額定容量的85%時為基準來判斷壽命。

34、裝設變頻器時安裝方向是否有限制。

應基本收藏在盤內，問題是採用全封閉結構的盤外形尺寸大，占用空間大，成本比較高。其措施有：

（1）盤的設計要針對實際裝置所需要的散熱

（2）利用鋁散熱片、翼片冷卻劑等增加冷卻面積

（3）採用熱導管。

此外，已開發出變頻器背面可以外露的型式。

35、想提高原有輸送帶的速度，以80Hz運轉，變頻器的容量該怎樣選擇？

輸送帶消耗的功率與轉速成正比，因此若想以80HZ運行，變頻器和電機的功率都要按照比例增加為80HZ/50HZ,即提高60%容量。

維護和檢查時的注意事項有：

(1) 在關掉輸入電源後，至少等5分鐘才可以開始檢查（還要正式充電發光二極體已經熄滅）否則會引起觸電。

(2) 維修、檢查和部件更換必須由勝任人員進行。（開始工作前，取下所有金屬物品（手錶、手鐲等），使用帶絕緣保護的工具）

(3) 不要擅自改裝頻頻器，否則易引起觸電和損壞產品。

(4) 變頻器維修之前，須確認輸入電壓是否有誤，將380V電源接入220V級變頻器之中會出現炸機（炸電容、壓敏電阻、模組等）。

變頻器主要由半導體元件構成，因此，必須進行日常的檢查，防止不利的工作環境，如溫度、濕度、粉塵和振動的影響，並防止因部件使用壽命所引起的其它故障。

檢查項目：

(1) 日常檢查：檢查變頻器是否按要求工作。用電壓表在變頻器工作時，檢查其輸入和輸出電壓。

(2) 定期檢查：檢查所有只能當變頻器停機時才能檢查的地方。

(3) 部件更換：部件的壽命很大程度上與安裝條件有關。

變頻器工作原理

概述

主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流迴路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流迴路濾波是電感。 它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波迴路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。

整流器

最近大量使用的是二極體的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組電晶體變流器構成可逆變流器，由於其功率方向可逆，可以進行再生運轉。

平波迴路

在整流器整流後的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，採用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有餘量，可以省去電感採用簡單的平波迴路。

逆變器

同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。

控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的迴路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。

（1）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

（2）電壓、電流檢測電路：與主迴路電位隔離檢測電壓、電流等。

（3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。

（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算迴路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。

（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

變頻器的作用

變頻節能

變頻器節能主要表現在風機、水泵的套用上。為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富餘量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多餘的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。

電動機使用變頻器的作用就是為了調速，並降低啟動電流。為了產生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學術語為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變為一定的固定頻率和一定電壓的逆變電源。對於逆變為頻率可調、電壓可調的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調速用，又叫變頻調速器。對於主要用在儀器儀表的檢測設備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15－－20倍。由於變頻器設備中產生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。

變頻不是到處可以省電，有不少場合用變頻並不一定能省電。 作為電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3-5%）。一台1.5匹的空調自身耗電算下來也有20-30W,相當於一盞長明燈. 變頻器在工頻下運行，具有節電功能，是事實。但是他的前提條件是：

第一，大功率並且為風機/泵類負載；

第二，裝置本身具有節電功能（軟體支持）；

第三，長期連續運行。

這是體現節電效果的三個條件。除此之外，無所謂節不節電，沒有什麼意義。如果不加前提條件的說變頻器工頻運行節能，就是誇大或是商業炒作。知道了原委，你會巧妙的利用他為你服務。一定要注意使用場合和使用條件才好正確套用，否則就是盲從、輕信而“受騙上當”。

功率因數補償節能

無功功率不但增加線損和設備的發熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗線上路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置後，由於變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。

軟啟動節能

電機硬啟動對電網造成嚴重的衝擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置後，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的衝擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節省了設備的維護費用。

從理論上講，變頻器可以用在所有帶有電動機的機械設備中，電動機在啟動時，電流會比額定高5-6倍的，不但會影響電機的使用壽命而且消耗較多的電量.系統在設計時在電機選型上會留有一定的餘量，電機的速度是固定不變，但在實際使用過程中，有時要以較低或者較高的速度運行，因此進行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實現電機軟啟動、補償功率因素、通過改變設備輸入電壓頻率達到節能調速的目的，而且能給設備提供過流、過壓、過載等保護功能。

變頻器組成

變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。

整流單元：將工作頻率固定的交流電轉換為直流電。

高容量電容：存儲轉換後的電能。

逆變器：由大功率開關電晶體陣列組成電子開關，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波。

控制器：按設定的程式工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅動交流電動機。

變頻器控制方式

低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都採用交—直—交電路。其控制方式經歷了以下四代。

1U/f=C的正弦脈寬調製(SPWM)控制方式

其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛套用。但是，這種控制方式在低頻時，由於輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩回響慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

電壓空間矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調製波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用後又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。

矢量控制(VC)方式

矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當於直流電動機的勵磁電流；It1相當於與轉矩成正比的電樞電流)，然後模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然後分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際套用中，由於轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較複雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

直接轉矩控制(DTC)方式

1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，並以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地套用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多複雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由於矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是：

——控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度感測器方式；

——自動識別(ID)依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別；

——算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制；

——實現Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態進行控制。

矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩回響(<2ms)，很高的速度精度(±2%，無PG反饋)，高轉矩精度(<+3%)；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時(包括0速度時)，可輸出150%～200%轉矩。

變頻器歷史

變頻技術誕生背景是交流電機無級調速的廣泛需求。傳統的直流調速技術因體積大故障率高而套用受限。

20世紀60年代以後，電力電子器件普遍套用了晶閘管及其升級產品。但其調速性能遠遠無法滿足需要。

20世紀70年代開始，脈寬調製變壓變頻(PWM－VVVF)調速的研究得到突破，20世紀80年代以後微處理器技術的完善使得各種最佳化算法得以容易的實現。

20世紀80年代中後期，美、日、德、英等已開發國家的 VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛套用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研製的。不過美國和德國憑藉電子元件生產和電子技術的優勢，高端產品迅速搶占市場。

步入21世紀後，國產變頻器逐步崛起，現已逐漸搶占高端市場。

變頻器分類

單元串聯型變頻器

這是近幾年才發展起來的一種電路拓撲結構，它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。採用模組化設計，由於採用功率單元相互串聯的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅動交流電動機，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器。

整套變頻器共有18個功率單元，每相由6台功率單元相串聯，並組成Y形連線，直接驅動電機。每台功率單元電路、結構完全相同，可以互換，也可以互為備用。

變頻器的輸入部分是一台移相變壓器，原邊Y形連線，副邊採用沿邊三角形連線，共18副三相繞組，分別為每台功率單元供電。它們被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分，每部分具有6副三相小繞組，之間均勻相位偏移10度。

該變頻器的特點如下：

① 採用多重化PWM方式控制，輸出電壓波形接近正弦波。

② 整流電路的多重化，脈衝數多達36，功率因數高，輸入諧波小。

③ 模組化設計，結構緊湊，維護方便，增強了產品的互換性。

④ 直接高壓輸出，無需輸出變壓器。

⑤ 極低的dv/dt輸出，無需任何形式的濾波器。

⑥ 採用光纖通訊技術，提高了產品的抗干擾能力和可靠性。

⑦ 功率單元自動旁通電路，能夠實現故障不停機功能。

隨 著現代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發展，促進了電氣傳動的技術革命。交流調速取代直流調速，計算機數字控制取代模擬控制已成為發展趨勢。交流電機 變頻調速是當今節約電能，改善生產工藝流程，提高產品質量，以及改善運行環境的一種主要手段。變頻調速以其高效率，高功率因數，以及優異的調速和啟制動性 能等諸多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。

以前的高壓變頻器，由可控矽整流，可控矽逆變等器件構成，缺點很多，諧波大， 對電網和電機都有影響。近年來，發展起來的一些新型器件將改變這一現狀，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它們構成的高壓變頻器，性能優異，可以實 現PWM逆變，甚至是PWM整流。不僅具有諧波小，功率因數也有很大程度的提高。

按變換的環節分類

（1）交-直-交變頻器，則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然後再把直流變換成頻率電壓可調的交流，又稱間接式變頻器，是目前廣泛套用的通用型變頻器。

（2）可分為交-交變頻器，即將工頻交流直接變換成頻率電壓可調的交流，又稱直接式變頻器

按直流電源性質分類

（1）電壓型變頻器

電壓型變頻器特點是中間直流環節的儲能元件採用大電容，負載的無功功率將由它來緩衝，直流電壓比較平穩，直流電源內阻較小，相當於電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用於負載電壓變化較大的場合。

（2）電流型變頻器

電流型變頻器特點是中間直流環節採用大電感作為儲能環節，緩衝無功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由於該直流內阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點（優點）是能扼制負載電流頻繁而急劇的變化。常選用於負載電流變化較大的場合。

按主電路工作方法

電壓型變頻器、電流型變頻器

按照工作原理分類

可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等

按照開關方式分類

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

按照用途分類

可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。此外，變頻器還可以按輸出電壓調節方式分類，按控制方式分類，按主開關元器件分類，按輸入電壓高低分類。

按變頻器調壓方法

PAM變頻器是一種通過改變電壓源Ud 或電流源Id的幅值進行輸出控制的。

PWM變頻器方式是在變頻器輸出波形的一個周期產生個 脈衝波個脈衝，其等值電壓為正弦波，波形較平滑。

按工作原理分

U/f控制變頻器（VVVF控制）、SF控制變頻器（轉差頻率控制）、VC控制變頻器（Vectory Control 矢量控制)

按電壓等級分類

高壓變頻器、中壓變頻器、低壓變頻器

按電壓性質分類

交流變頻器、直流變頻器、

日常維護

操作人員必須熟悉變頻器的基本工作原理、功能特點，具有電工操作常識。在對變頻器日常維護之前，必須保證設備總電源全部切斷；並且在變頻器顯示完全消失的3-30分鐘（根據變頻器的功率）後再進行。應注意檢查電網電壓，改善變頻器、電機及線路的周邊環境，定期清除變頻器內部灰塵，通過加強設備管理最大限度地降低變頻器的故障率。

(1)冷卻風扇

變頻器的功率模組是發熱最嚴重的器件，其連續工作所產生的熱量必須要及時排出，一般風扇的壽命大約為20kh～40kh。按變頻器連續運行折算為3～5年就要更換一次風扇，避免因散熱不良引發故障。

(2)濾波電容

中間電路濾波電容：又稱電解電容，該電容的作用：濾除整流後的電壓紋波，還在整流與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，還為電動機提供必要的無功功率，要承受極大的脈衝電流，所以使用壽命短，因其要在工作中儲能，所以必須長期通電，它連續工作產生的熱量加上變頻器本身產生的熱量都會加速其電解液的乾涸，直接影響其容量的大小。正常情況下電容的使用壽命為5年。建議每年定期檢查電容容量一次，一般其容量減少20%以上應更換。

(3)防腐劑的使用

因一些公司的生產特性，各電氣mcc室的腐蝕氣體濃度過大，致使很多電氣設備因腐蝕損壞（包括變頻器）。#p#分頁標題#e#

為了解決以上問題可安裝一套空調系統，用正壓新鮮風來改善環境條件。為減少腐蝕性氣體對電路板上元器件的腐蝕，還可要求變頻器生產廠家對線路板進行防腐加工，維修後也要噴塗防腐劑，有效地降低了變頻器的故障率，提高了使用效率。

在保養的同時要仔細檢查變頻器，定期送電，帶電機工作在2hz 的低頻約10分鐘，以確保變頻器工作正常。

使用與保養變頻器的注意事項

物理環境

1)工作溫度。變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產品一般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有餘地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，並嚴格遵守產品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發熱元件或易發熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。

2)環境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內部易出現結露現象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發短路事故。必要時，必須在箱中增加乾燥劑和加熱器。

3)腐蝕性氣體。使用環境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑膠器件的老化，降低絕緣性能，在這種情況下，應把控制箱製成封閉式結構，並進行換氣。

4)振動和衝擊。裝有變頻器的控制櫃受到機械振動和衝擊時，會引起電氣接觸不良。這時除了提高控制櫃的機械強度、遠離振動源和衝擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制櫃外和內電磁開關之類產生振動的元器件。設備運行一段時間後，應對其進行檢查和維護。

電氣環境

1)防止電磁波干擾。變頻器在工作中由於整流和變頻，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。因此，櫃內儀表和電子系統，應該選用金屬外殼，禁止變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用禁止控制電纜，且禁止層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統無法工作，導致控制單元失靈或損壞。 請登入：輸配電設備網 瀏覽更多信息

2)防止輸入端過電壓。變頻器電源輸入端往往有過電壓保護，但是，如果輸入端高電壓作用時間長，會使變頻器輸入端損壞。因此，在實際運用中，要核實變頻器的輸入電壓、單相還是三相和變頻器使用額定電壓。特別是電源電壓極不穩定時要有穩壓設備，否則會造成嚴重後果。

接地

變頻器正確接地是提高控制系統靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段，變頻器接地端子E(G)接地電阻越小越好，接地導線截面積應不小於2mm2，長度應控制在20m以內。變頻器的接地必須與動力設備接地點分開，不能共地。信號輸入線的禁止層，應接至E(G)上，其另一端絕不能接於地端，否則會引起信號變化波動，使系統振盪不止。變頻器與控制櫃之間應電氣連通，如果實際安裝有困難，可利用銅芯導線跨接。

防雷

在變頻器中，一般都設有雷電吸收網路，主要防止瞬間的雷電侵入，使變頻器損壞 。但在實際工作中，特別是電源線架空引入的情況下，單靠變頻器的吸收網路是不能滿足要求的。在雷電活躍地區，這一問題尤為重要，如果電源是架空進線，在進線處裝設變頻專用避雷器(選件)，或有按規範要求在離變頻器20m的遠處預埋鋼管做專用接地保護。如果電源是電纜引入，則應做好控制室的防雷系統，以防雷電竄入破壞設備。實踐表明，這一方法基本上能夠有效解決雷擊問題。

變頻器供電系統的諧波治理與無功功率補償

隨著變頻器的廣泛套用，變頻器供電系統的諧波治理與無功功率補償的意義逐漸被人們所認識。變頻器供電電源按傅立葉級數可以分解為基波有功電流，基波無功電流，諧波和間諧波電流。

基波無功電流占用電網容量；導致網壓波動；在供配電設施產生熱損耗；降低了供配電設施運行可靠性。

諧波和間諧波的集膚效應使輸電線等效截面積變小，線路損耗增加；鐵芯中附加高頻渦流損耗；諧波和間諧波電流導致網壓波形畸變和輻射干擾，引起同一電網下其它負載出力減小，損耗增加，甚至誤動作。

變頻器用量較大的車間，用電容器直接進行無功力率補償雖然可以大副度降低基波無功電流，但是必然出現諧波放大現象。這時，供電電流和電容器電流中諧波和間諧波電流大副度增加，電容器由於超溫和過壓而損壞，供電變壓器溫升加大。為避免諧波電流大副度增加，電容器由於超溫和過壓而損壞，供電變壓器溫升加大。為避免諧波放大，諧波治理與無功功率補償必須同時進行。

從基波無功電流，諧波和間諧波電流的危害上可看出：採用就地諧波治理與無功功率補償可以獲得最大的效益，根據我們的經驗，採用就地諧波治理與無功功率補嘗，一年或一年半時間即可從節能中回收全部投資。

變頻器供電系統的諧波治於是與無功功率補償方法

根據變頻器分類，變頻器供電系統的就地諧波治理與無功功率補償裝置分為：

含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置；6%電抗的TSC動態無功功率補償裝置固定投入各次濾波器的裝置，由於有源濾波器技術和價格的原因，目前還難在國內推廣。

交-直-交電流型變頻器

電網通過可控矽三相全控橋給變頻器供電，功率因數角約等於控制角a。供電電流包含6±1次諧波(K=1、2、3…)，並且在直流電流無脈動的理想情況下，n次諧波電流含量是基波電流的1/n。實際上，直流電流脈動導致五次諧波和七次諧波含量增加，大於七次諧波的高次諧波含量減少。就地實現諧波治理和無功功率補嘗是安裝含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置。裝置中計算機根據基波無功功率投入一定數量的五次、七次、十一次和十三次濾波器。濾波器對基波呈容性，補償基波無功功率；濾波器對諧波呈現很小的電感，濾除各次諧波無功功率。

交-交變頻器

電網通過可控矽三相可逆整流橋給變頻器供電，功率因數很低。從電電流不僅包含6K±1次諧波(K=1、2、3…)，還在諧波附近出現間隔為變頻器輸出頻率的間諧波。用五次、七次、十一次和十三次濾波器可以濾除諧波，但是濾波器器對一些間諧波呈容性，必然產生間諧波放大現象。

來源:輸配電設備網

就地實現諧波、間諧波治理和無功功率補償是安裝6%電抗的TSC動態無功功率補償裝置。特點是對五次和五次以上諧波和間諧波都呈感性，沒有諧波放大現象。對五次、七次諧波和五次、七次諧波附近的間諧也有一定的濾波效果。

交-直-交電壓型變頻器

電網通過三相二極體整流橋給變頻器供電，功率因數大於0.97。由於二極體整流橋僅在網壓峰頂開通，對電容器充電，電流波形是導通角較窄的尖鋒。供電電流包含6K±1次諧波(K=1、2、3…),諧波含量隨進線電抗和直流濾波電抗的電感量增加而減少。一般來說，加電抗器後五次諧波、七次諧波十一次諧波和十三次諧波仍然占40%、35%、25%和20%。

對供電變壓器還有其它感性負載的場合，可以安裝含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置；對幾乎全是交-直-交電壓型變頻器的車間由於不需要補償基波無功功率需要濾除諧波無功功率，應安裝固定投入各次濾波器的裝置。為了防止輕載過補償對電網電壓的提升，該濾波器應該具有提供的基波容性抗器應在設計時考慮諧波發熱和過壓問題。

變頻器控制電路故障分析

給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的網路，稱為控制迴路，控制電路由頻率，電壓的運算電路，主電路的電壓，電流檢測電路，電動機的速度檢測電路，將運算電路的控制信號進行放大的驅動電路，以及逆變器和電動機的保護電路等組成。無速度檢測電路為開環控；在控制電路增加了速度檢測電路，即增加速度指令，可以對異步電動機的速度進行更精確的閉環控制。

（1）運算電路將外部的速度，轉矩等指令同檢測電路的電流，電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

（2）電壓、電流檢測電路為與主迴路電位隔離檢測電壓，電流等。

（3）驅動電路為驅動主電路器件的電路，它與控制電路隔離，控制主電路器件的導通與關斷。

（4）I/O電路使變頻更好地人機互動，其具有多信號（比如運行多段速度運行等）的輸入，還有各種內部參數（比如電流，頻率，保護動作驅動等）的輸入。

（5）速度檢測電路將裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號設為速度信號，送入運算迴路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。

（6）保護電路檢測主電路的電壓、電流等。當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓，電流值。

逆變器控制電路中的保護電路，可分為逆變器保護和異步電動機保護兩種，保護功能如下：

(1）逆變器保護

①瞬時過電流保護，用於逆變電流負載側短路等，流過逆變電器回件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流，變流器的輸出電流達到異常值，也得同樣停止逆變器運轉。

②過載保護，逆變器輸出電流超過額定值，且持續流通超過規定時間，為防止逆變器器件、電線等損壞，要停止運轉，恰當的保護需要反時限特性，採用熱繼電器或電子熱保護，過載是由於負載的GD2（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉而產生。

③再生過電壓保護，套用逆變器使電動機快速減速時，由於再生功率使直流電路電壓升高，有時超過容許值，可以採取停止逆變器運轉或停止快速的方法，防止過電壓。

④瞬時停電保護，對於毫秒級內的瞬時斷電，控制電路工作正常。但瞬時停電如果達數10ms以上時，通常不僅控制電路誤動作，主電路也不供電，所以檢測出後使逆變器停止運轉。

⑤接地過電流保護，逆變器負載接地時，為了保護逆變器，要有接地過電流保護功能。但為了保證人身安全，需要裝設漏電保護斷路器。

⑥冷卻風機異常，有冷卻風機的裝置，當風機異常時裝置內溫度將上升，因此採用風機熱繼電器或器件散熱片溫度感測器，檢測出異常後停止逆變電器工作。

（2）異步電動機的保護

①過載保護，過載檢測裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉的過熱時，在異步電動機內埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內的電子熱保護來檢出過熱。動作過頻時，應考慮減輕電動機負荷，增加電動機及逆變器的容量等。

②超速保護，逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規定值時，停止逆變器運轉

（3）其他保護

①防止失速過電流，加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉就不能繼續進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對於恆速運轉中的過電流，有時也進行同樣的控制。

②防止失速再生過電壓，減速時產生的再生能量使主電路直流電壓上升，為防止再生過電壓電路保護動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止不能運轉（失速）。

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變頻器技術的發展過程

直流電動拖動和交流電動機拖動先後生於19世紀，距今已有100多年的歷史，並已成為動力機械的主要驅動裝置。由於當時的技術問題，在很長的一個時間內，需要進行調速控制的拖動系統中則基本上採用的是直流電動機。

直流電動機存在以下缺點是由於結構上的原因：

1、由於直流電動機存在換向火花，難以套用於存在易燃易爆氣體的惡劣環境;

2、需要定期更換電刷和換向器，維護保養困難，壽命較短;

3、結構複雜，難以製造大容量、高轉速和高電壓的直流電動機。

而與直流電動機相比，交流電動機則具有以下優點：

1、不存在換向火花，可以套用於存在易燃易火暴氣體的惡劣環境;

2、容易製造出大容量、高轉速和高電壓的交流電動機;

3、結構堅固，工作可靠，易於維護保養。

就是因為這樣，限制了交流高速系統的推廣套用。經過20世紀70年代中期的第二次石油危機之後和電子技術的發展，交流高速系統的變頻器技術得到了高速的發展。