变频器原理介绍及常见问题梳理

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

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频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

变频器的工作原理

概述

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

电压型：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

整流器

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。也可用两组晶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。

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。

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。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

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机上的速度检测器（tg、plg等）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

变频器应用时的九大问题

1、信号线及控制线应选用屏蔽线，这样对防止干扰有利。当线路较长时，例如距离跃100m，导线截面应放大些。信号线及控制线不要与动力线放置在同一电缆沟或桥架中，以免相互干扰，最好穿管放置，这样更合适。

2、传输信号以选用电流信号为主，因电流信号不容易衰减，亦不容易受干扰。实际应用中传感器输出的信号是电压信号，可以通过变换器将电压信号变换成电流信号。

3、变频器闭环控制一般都是正作用的，即输入信号大，输出量亦大（例如中央空调制冷工作时及一般压力、流量、温度等控制时）。但亦有反作用的，即输入信号大，输出量反小（例如中央空调在制热工作时以及供热站的取暖热水泵）。闭环控制如图1所示。

4、在闭环控制时能选用压力信号的，就不要选用流量信号。这是因为压力信号传感器价格低，安装容易，工作量小，调试方便。但工艺过程有流量配比要求的，且要求精确时，那就必须选用流量控制器，并根据实际的压力、流量、温度、介质、速度等来选用合适的流量计（例如电磁式、靶式、涡街式、孔板式等）。

5、变频器内置的PLC、PID功能适合用于信号变动量较小、较稳定的系统。但由于内置的PLC、PID功能在工作时只调时间常数，所以难以得到较为满意的过度过程要求，而且调试比较费时。

另外这种调节不是智能的，故一般不经常采用，而是选用外置的智能化的PID调节器。例如日本富士PXD系列、厦门安东等，十分方便。使用时只要设置SV（上限值），工作时有PV（运行值）指示，又是智能化，保证具有最佳的过渡过程条件，使用较为理想。关于PLC，可按控制量的性质、点数、数字量、模拟量、信号处理等要求，选用外置PLC的各种品牌，例如西门子的S7-400、S7-300、S7-200等。

6、信号变换器在变频器外围电路中亦被经常用到，一般由霍尔元件加电子线路组成。按信号变换和处理方式可分为电压变电流、电流变电压、直流变交流、交流变直流、电压变频率、电流变频率、一进多出、多进一出、信号叠加、信号分路等各种变换器。例如深圳的圣斯尔CE-T系列电量隔离传感器/变送器，应用十分方便。国内类似产品不少，用户可按需要自行选择应用。

7、变频器在应用时往往要配外围电路，其方式常有：

（1）由自制继电器等控制元件组成的逻辑功能电路；

（2）买现成的单元外置电路（例如日本三菱公司的）；

（3）选用简易可编程控制器LOGO（国外、国内都有此产品）；

（4）使用变频器不同功能时，可选用功能卡（例如日本三垦变频器）；

（5）选用中小型可编程序控制器。

8、多台水泵并联恒压供水（例如城市自来水厂的清水泵、中大型水泵站、供热水中心站等）的变频技术改造方案常见的有以下两种。

按使用经验，方案（1）节省初投资，但节能效果差。起动时先起动变频器至50Hz后，再起动工频，后转入节能控制。供水系统中只有采用变频器拖动的水泵，压力略小些，系统存在湍流现象，有损耗。

方案（2）投资较大，但比方案（1）多节能20%，猿台泵压力一致，无湍流损耗，效果更佳。

9、多台水泵并联恒压供水时采用信号串联方式只用一个传感器，其优点如下。

（1）节省成本。只要一套传感器及PID，如图4所示。

（2）因只有一个控制信号，所以输出频率一致，即同频率，这样压力亦一致，不存在湍流损耗。

（3）恒压供水时，当流量变化，泵的开动台数通过PLC控制随之变化。最少时1台，中等量时2台，较大量时3台。当变频器不工作停机时，电路（电流）信号是通路的（有信号流入，无输出电压、频率）。

（4）更有利的是，因为系统只有一个控制信号，即使3台泵投入不同，但工作频率却相同（即同步），压力亦一致，这样湍流损耗为零，亦即损耗最小，所以节电效果最佳。