变频器

发布时间：2022-07-28 11:14
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：2159

　　简单的来说变频器就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。它通过对电网进行回馈实现节能。我们都知道电机工作的工作方式有两种：电动和制动。在电机进行制动的时候，它相当于是一台发电机，变频器通过将电机制动状态下发出的电能回馈给电网进行利用而实现节能。虽然说单个一台电机进行能量的回馈对节能的贡献很小，但是在工厂中工作的电机往往数量很多，功率很大，这样，把这些电机制动转台的电能都收集起来回馈给电网再进行利用，就能够节约很多的能源。

变频器

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: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”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）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，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。


变频器的作用

　　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。

　　整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。

　　高容量电容存储转换后的电能。

　　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。

　　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。


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　　随着工业自动化的发展，变频器作为一种重要的电力控制设备，在各个领域得到了广泛应用。然而，变频器在工作过程中可能会引起干扰问题，对其他电子设备和系统产生不良影响。今天AMEYA360电子元器件采购网将介绍变频器干扰的原因、常见的干扰类型，并提供一些消除变频器干扰的方法。　　1. 变频器干扰的原因　　1.1 电磁干扰　　变频器作为一个高功率电子设备，其工作过程中会产生较强的电磁辐射。这些电磁辐射包括高频噪声、谐波和尖脉冲等。当电磁辐射与其他电子设备或系统相互作用时，可能会引起电磁干扰。例如，变频器的电磁辐射可能会干扰无线通信设备、计算机系统、测量仪器等，导致它们的正常工作受到影响。　　1.2 电源干扰　　变频器需要从电网获取供电，但电网本身存在着电压和电流的波动、谐波等问题。这些电源干扰可能会通过变频器进一步传播，对其他设备产生干扰。例如，电压波动可能导致其他设备的不稳定工作，而电流谐波可能引起电网负载不平衡和损坏。　　1.3 地线干扰　　由于变频器系统中存在较大的功率变化，其电源和地线之间的电位差也会发生变化。这种变化可能会导致地线上产生高频噪声和电位差，从而影响与地线连接的其他设备。地线干扰通常表现为噪音、杂散信号或电流回路的故障。　　1.4 信号线干扰　　变频器系统中的控制信号线和传感器信号线可能受到来自变频器本身的电磁辐射或电源干扰的影响。这可能导致信号传输的错误或失真，从而影响系统的控制和监测功能。特别是在需要高精度控制和测量的应用中，信号线干扰可能会对系统性能产生严重影响。　　2. 变频器干扰的消除方法　　2.1 滤波器的使用　　滤波器是消除变频器干扰的一种常见方法。根据干扰类型不同，可以选择合适的滤波器对电磁辐射、电源干扰、地线干扰和信号线干扰进行滤波处理。例如，EMC滤波器可用于减少电磁辐射，电源滤波器可用于抑制电源干扰，地线滤波器可用于消除地线干扰，信号线滤波器可用于去除信号线干扰。通过合理选择和使用滤波器，可以有效降低变频器产生的干扰。　　2.2 硬件隔离和屏蔽　　硬件隔离和屏蔽是另一种常用的消除变频器干扰的方法。通过在变频器系统中采取隔离和屏蔽措施，可以将干扰源与其他设备隔离开来，减少干扰的传播和影响范围。例如，可以使用金属屏蔽盒或金属壳体对变频器进行包裹，阻止电磁辐射的泄漏。此外，还可以采用绝缘技术，建立地线和信号线的隔离，以避免地线干扰和信号线干扰的传导。　　2.3 接地和综合布线　　正确的接地和综合布线也是消除变频器干扰的重要因素。良好的接地系统可以有效地将干扰电流引入地面，减少其对其他设备的影响。同时，合理的布线设计可以降低电磁辐射、电源干扰和信号线干扰。例如，使用星型接地方式，将所有设备的地线连接到一个共同的地点，确保地位一致。此外，在布线过程中应注意信号线和电源线的分离，避免相互干扰。　　2.4 EMI滤波和屏蔽材料　　EMI（电磁干扰）滤波器和屏蔽材料也是消除变频器干扰的有效手段。EMI滤波器可以通过降低高频噪声和谐波，减少电磁辐射的强度。屏蔽材料可以用于包裹变频器设备或敏感设备，阻挡电磁辐射的传播。这些滤波器和屏蔽材料可以在关键位置安装，以最大程度地减少干扰的影响。　　2.5 固定电源和补偿装置　　电源稳定性对于减少变频器干扰至关重要。固定电源可以提供稳定的电压和电流输出，减少电源干扰对其他设备的影响。此外，补偿装置可以用于抵消电源中的谐波成分，确保电网负载平衡和电源的稳定性。通过使用固定电源和补偿装置，可以减少电源干扰引起的问题。　　变频器干扰对于其他电子设备和系统的正常工作产生不良影响。然而，通过合适的方法和措施，可以有效地消除变频器干扰。在消除变频器干扰时，可以采用滤波器、硬件隔离和屏蔽、接地和综合布线、EMI滤波和屏蔽材料以及固定电源和补偿装置等方法。这些方法的选择和应用需要根据具体情况进行，以确保系统的稳定性和可靠性。
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　　变频器由控制回路、电源回路、驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成，有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。今天Ameya来为大家介绍一下如何保养变频器以及变频器的故障的预防措施。　　由于使用不合理或设置不切合实际，容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。变频器的故障原因及预防措施如下:　　1、主回路常见故障分析　　主回路主要由三相或单相整流桥、电容器、滤波电容器、逆变桥、限流电阻、继电器接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。电解电容器会直接影响到变频器的使用寿命，一般温度每上升10 ℃，寿命减半。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度，另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。　　在电容器维护时，通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于额定值的80%，绝缘阻抗在5 MΩ以下时，应考虑更换电解电容器。　　2、主回路典型故障分析　　故障现象：变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。　　首先应区分是由于负载原因，还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障，可通过历史记录查询在跳闸时的电流，超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否有过载或突变，如电机堵转等。在负载惯性较大时，可适当延长加速时间，此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流，在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内，可判断是IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W， 分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻，来判断IPM模块是否损坏。如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸，一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障；而加速时逆变桥模块过流，则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障，发生这些故障的原因，多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。　　3、控制回路故障分析　　控制回路影响变频器寿命的是电源部分，是平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器，其原理与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流，是基本不受主回路负载影响的定值，故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上，通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难，一般根据电容器环境温度以及使用时间，来推算是否接近其使用寿命。　　电源电路板给控制回路、IPM驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压，通过开关电源再分别整流而得到的。因此，某一路电源短路，除了本路的整流电路受损外，还可能影响其他部分的电源，如由于误操作而使控制电源与公共接地短接，致使电源电路板上开关电源部分损坏，风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。　　逻辑控制电路板是变频器的核心，它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大规模集成电路，具有很高的可靠性，本身出现故障的概率很小，但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合，导致变频器出现EEPROM故障，这只要对EEPROM重新复位就可以了。　　IPM电路板包含驱动和缓冲电路，以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号，通过光耦合将电压驱动信号输入IPM模块，因而在检测模快的同时，还应测量IPM模块上的光耦。　　4、冷却系统　　冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短，临近使用寿命时，风扇产生震动，噪声增大最后停转，变频器出现IPM过热跳闸。冷却风扇的寿命受陷于轴承，大约为10000～35000 h。当变频器连续运转时，需要2～3年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的寿命，一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。　　5、外部的电磁感应干扰　　如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。减少噪声干扰的具体方法有：变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上，加装防止冲击电压的吸收装置，如RC浪涌吸收器，其接线不能超过20 cm；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主回路分离；变频器控制回路配线绞合节距离应在15 mm以上，与主回路保持10 cm以上的间距；变频器距离电动机很远时（超过100 m），这时一方面可加大导线截面面积，保证线路压降在2%以内，同时应加装变频器输出电抗器，用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。变频器接地端子应按规定进行接地，必须在专用接地点可靠接地，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装无线电噪声滤波器，减少输入高次谐波，从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响；同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器，以降低其输出端的线路噪声。　　6、安装环境　　变频器属于电子器件装置，在其说明书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件锈蚀、接触不良、绝缘降低而形成短路，作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。　　除上述几点外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正常工作，应采取设置空气加热器等必要措施。　　7、电源异常　　电源异常大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混合形式。这些异常现象的主要原因，多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外，有些电网或自行发电的单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。　　如果附近有直接启动的电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，其电源应和变频器的电源分离，减小相互影响。　　对于要求瞬时停电后仍能继续运行的设备，除选择合适价格的变频器外，还应预先考虑电机负载的降速比例。当变频器和外部控制回路都采用瞬间停电补偿方式时，失压回复后，通过测速电机测速来防止在加速中的过电流。　　对于要求必须连续运行的设备，应对变频器加装自动切换的不停电电源装置。　　8、雷击、感应雷电　　雷击或感应雷击形成的冲击电压，有时也会造成变频器的损坏。此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，短路开闭会产生较高的冲击电压。为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件。真空断路器应增加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器，应在控制时序上，保证真空断路器动作前先将变频器断开。　　二、如何保养变频器　　一般来说，变频器使用7年左右，进入故障多发期，部件烧坏、故障、保护功能频繁动作等故障现象可能发生，严重影响正常运行，所以需要定期做好维护保养。　　1、根据实际环境，确定其周期间隔的长度，对变频器进行全面的检查和维护。必要时，可拆卸、检查、测量、除尘和紧固整流模块、逆变模块和控制柜中的电路板。由于变频器的下进气口和上出气口经常因积尘或积尘过多而堵塞。其本身散热量高，要求通风量大，运转一定时间后，其基板(静电作用)有灰尘，必须进行清洁和检查。　　2、对于变频器的线路板、母线等后，进行必要的防腐处理，涂上绝缘涂料，对出现局部放电、电弧的母线进行毛刺去除、绝缘处理。绝缘破坏的绝缘柱，必须去除碳化或更换。　　3、对所有接线端进行紧固，防止松动引起的严重现象，并进行全面检查和测量。对于所有接线端(包括输出)端、整流模块、逆变模块、直流电容和快速熔融设备，如果发现烧毁或参数变化较大，应及时更换。　　4、变频器中风扇的旋转状态应仔细检查。断电后，用手转动风扇叶片，观察轴承是否卡住或旋转不灵活，必要时更换。　　5、仔细检查变频器控制电路板上的电子部件，检查和处理焊接脱落、变色、膨胀、裂纹、断线(印刷电路板线路)等异常现象，必要时对外观异常的部件，可以从电路板上进行焊接脱落测量检查或更换。　　6、用万用表、桥梁等仪器、工具检测和耐压实验整流块、逆变GTR(或IGBT)等大载流量装置，测量其正反电阻值，并做表格记录，更换参数差异较大的模块。　　7、检查主接触器和其他辅助继电器，仔细观察各接触器的动静接触器是否有电弧、毛刺、表面氧化、凹凸，发现这些问题时更换相应的动静接触器，确保接触安全。　　8、要经常检查变频器电源电压的变动情况，改善变频器使用环境特殊、负荷变动大的现象，避免大电流对变频器冲击的影响，影响正常工作。　　大家都知道变频器的使用环境温度每上升10℃，使用年限就减半。因此，在日常使用中，应根据变频器的实际使用环境状况和负荷特征，制定合理的检查周期和制度，每个使用周期后，全面维护变频器整体的解体、检查、测量等。变频器具有调速范围广、动态响应快、调速精度高、保护功能完善、操作简单等优点，广泛应用于冶金、石油化工、电力、机械、民用电器等行业。
2023-02-21 15:18 阅读量：2222
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