變頻器原理以及基本知識

[變頻器]
變頻器
　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。
　　2、PWM和PAM的不同點是什麼？
　　PWM是英文Pulse Width Modulation(脈沖寬度調制)縮寫，按一定規律改變脈沖列的脈沖寬度，以調節輸出量和波形的一種調值方式。
　　PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脈沖幅度調制) 縮寫，是按一定規律改變脈沖列的脈沖幅度，以調節輸出量值和波形的一種調制方式。
　　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，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。
　　4、為什麼變頻器的電壓與頻率成比例的改變？
　　異步電動機的轉矩是電機的磁通與轉子內流過電流之間相互作用而產生的，在額定頻率下，如果電壓一定而隻降低頻率，那麼磁通就過大，磁回路飽和，嚴重時將燒毀電機。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，那麼電流是否增加？
　　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、采用變頻器運轉時，電機的起動電流、起動轉矩怎樣？
　　采用變頻器運轉，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沖擊。采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的比例關系是考慮瞭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，那麼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。可以采用各種方法實現,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范圍60~6Hz，即10：1，那麼在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，大體為恒功率特性，在 高速下要求相同轉矩時，必須註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.無速度傳感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傳感器形成閉環控制。
　　　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范圍內（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，可采用具有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分辨率。
　　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。為瞭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，或者對於小型機床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系，通用變頻器的再生制動力約為額定轉矩的10%~20%。如采用選用件制動單元，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、為什麼用離合器連續負載時，變頻器的保護功能就動作？
　　用離合器連接負載時，在連接的瞬間，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，連接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、什麼是變頻分辨率？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分辨率。
　　變頻分辨率通常取值為0.015~0.5Hz.例如，分辨率為0.5Hz，那麼23Hz的上麵可變為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，如果分辨率為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，有的機種給定分辨率與輸出分辨率不相同。
　　22、裝設變頻器時安裝方向是否有限制。
　　變頻器內部和背麵的結構考慮瞭冷卻效果的，上下的關系對通風也是重要的，因此，對於單元型在盤內、掛在墻上的都取縱向位，盡可能垂直安裝。
　　23、不采用軟起動，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運轉時應註意什麼問題？
　　超過60Hz運轉時應註意以下事項
　　(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） 電機進入恒功率輸出范圍，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註意）。
　　(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以上運轉時要與廠傢仔細商討。
　　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，需要註意若乾問題。在齒輪的結構上通常可考慮70~80Hz為最大極限，采用油潤滑時，在低速下連續運轉關系到齒輪的損壞等。
　　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范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註意。
　　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，或采用容量大的變頻器與電機組合，或采用專用電機。
　　29、使用帶制動器的電機時應註意什麼？
　　制動器勵磁回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，甚至改善功率因數，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？風扇若是壞瞭會怎樣？
　　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，那麼怎樣判斷它的壽命？
　　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，問題是采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麵積；
　　（3） 采用熱導管。
　　此外，已開發出變頻器背麵可以外露的型式。
　　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。
　　維護和檢查時的註意事項有：
　　(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管已經熄滅）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、模塊等）。
　　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：檢查所有隻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。
變頻器在擠出機上的應用
　　　1.　隨著生產技術的發展，擠出成型成為塑料加工工藝中的主要加工方法之一，大部分的熱塑性塑料均可使用此方法。目前，擠出成型，已經廣泛應用於各個行業，特別是在塑料廠。
　　塑料廠在塑料擠出機配用電機一般為整流子電機或電磁調速電動機，電費在塑料制品成本中占有相當的比重。因此降低電費，降低塑料制品成本是用戶考慮的一個重要方麵。　采用配用普通異步電動機可以大大降低噸塑料制品電費，同比整流子電機節能 20%-30%，同比滑差電機節能50%以上，同時變頻軟件起動，無沖擊電流，起動平穩，可提高產品的質量。采用變頻控制技術可提高電動機的轉速，提高產品的質量，配用電機溫度不變，有效地延長瞭電機使用壽命，同比原拖動方式降低瞭維修費用，可靠性高。同時，具有過壓、欠壓、過流、短路、缺相、溫度等各種保護功能，對安全生產起瞭保障作用。
　　2、擠出機主傳動的特點
　　a.主傳動是擠出機的主要組成部分之一，它的作用是驅動擠出機的螺桿，並使螺桿能在選定的工藝條件下，以必需的轉矩和轉速均勻的旋轉，完成擠出過程。它在其適用的范圍內能夠提供最大的轉矩輸出和一定的可調速范圍，同時還使用可靠，維修方便。
　　b.由於擠出機螺桿驅動功率影響因素很多，很難找出函數關系，因此沒有精確的功率計算方法，在平時應用中采用經驗公式的方法計算：
　　P=KDDn
　　其中，p-功率；K-經驗系數；D-螺桿直徑；n-螺桿轉速；
　　c.對擠出機的速度要求有兩個方麵：
　　（1）能實現無級調速 （2）應有一定的調速范圍
　　3、擠出機的變頻控制
　　擠出機在運行的過程兩個最主要的因素就是壓力和速度，他們直接關系到擠出機的工藝因素，作為一款性能強勁的矢量型力恒定下，最重要的就是螺桿轉速瞭。同時具備瞭矢量控制方式和V/F控制方式，使得CM系列在擠出機領域有瞭更廣泛的應用。

變頻器工作原理
　　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，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。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“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器 ”。
　　（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管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。
　　（2）平波回路：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。為瞭抑制電壓波動，采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，可以省去電感采用簡單的平波回路。
　　（3）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回路，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：與主回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，送入運算回路，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，為瞭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。