【视频】一个视频桃花期，让你轻松了解变频器【珍藏版】-电梯技术总部

变频器的概念
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。简单说变频器是电源转换装置。也可以通俗理解为把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。
变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元等组成。
（1）VVVF：改变电压、改变频率（Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写。（2）CVCF：恒电压、恒频率（Constant Voltage and Constant Frequency）的缩写。
整流：可由二极管和晶闸管单独构成，也可由两者共同构成，由二极管构成的是不可控整流，由晶闸管构成的是可控整流。
滤波：经过整流器整流后输出的电压是脉动的，有杂波，滤波是为了消除杂波。
逆变：由六个全控功率开关器件和六个与他们反并联的反向二级管组成，通过六个全控功率开关器件反复交替的通断，实现三相的逆变。六个反向二极管则为处于发电状态的电动机回馈电能提供了通路。
变频器的调速原理
变频器通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，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。
电动机的转速：n=60f(1-s)/p
其中n为转速，f为频率，s为滑差率，p为电机的极对数。
交流电机转速的方法有三种即：
1）变频调速
2）变极调速
3）变转差率调速
其中变转差率调速主要包括调压调速、串极调速和滑差电机调速，这些调速方式调速范围窄、效率低，对电网污染较大，不能满足交流调速应用的广泛需求。而电机的极数一般是不变的，因此变频调速是一个最好的选择。
变频器的基本构成
变频器的基本构成如上图所示，由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。

交流低压交直交通用变频器系统框图
整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波。
逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦。
变频器的种类

按主开关器件分类：如以IGBT、BJT、GTO和SCR分类。
变频器的保护功能及优点
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。
由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等，要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作我将永远爱你，待异常条件消失后才能重新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。
保护类型
原因
缺相
输入缺相
输入电压值相差超过允许值
输出缺相
输出电流三相不平衡
过流
加速/减速/恒速
超过变频器允许的最大电流（2倍额定）
过载
超过变频器允许的过载范围
过压
加速/减速/恒速
直流母线电压超过允许值
过热
散热器温度超过允许值
欠压
电网电压过低
现在通用变频器不但在产品性能上有很大提高，而且自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，熟悉这些功能对于正确使用变频器极其重要。
过电流 逆变器过载
过电压 熔断器烧断
欠电压 存储器出错
散热板过热通讯出错
外部报警输入 CPU出错
变器过热 自整定出错
动机过载
为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。 变频器的优点：
1、平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全。
2、在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度。
3、无级调速，调速精度大大提高。
4、电机正反向无需通过接触器切换。
5、非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制。
变频器的选型
考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。
要准确选型，必须要把握以下几个原则：
1.充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可。
2.了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型。
3.了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。
4.确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素，如选用的是通用变频器，则可以选择P型机。
5.以下情况要考虑容量放大一档：
1）长期高温大负荷；
2）异常或故障停机会出现灾难性后果的现场；
3）目标负载波动大；
4）现场电网长期偏低而负载接近额定；
5）绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）。
充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则：
1.以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器
民用场合隐山梦谈，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上
电网品质恶劣或容量偏小的场合
如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机
2.以下情况要选用交流输出电抗器
变频器到电机线路超过100米（一般原则）
3.以下情况一般要选用制动单元和制动电阻
提升负载
频繁快速加减速
大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）
变频器可用于家电产品：
例1、公共场所使用的中央空调；
例2、家庭中还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。
水泵节能恒压供水
球团回转窑主驱动变频调速示意图

双泵双变频器 PID 调节
中央空调冷却水循环系统工艺图
1、控制方式的选择
通用性变频器基本的几种控制方式：V/F：可以设置为一次方和二次方两种控制方式（一般在使用在不会在低速运行、风机水泵类等负载）
FCC：Flux current control （磁通电流控制）控制系统内部有一精确的电流监控系统，可以精确测量参考电机电压的输出电流。因此，可以把总的输出电流分解为磁通分量和转矩分量。磁通分量可控，因此电机的磁通可以优化，适合各种应用场合。其控制性能很高，一般使用在电梯等场合。
SLVC：sensor less vector control (无速度传感器的矢量控制)矢量控制需观测转子位置及磁通,才可以把电流分解为两部分,再分别控制。无速度传感器的矢量控制可以自己计算出磁通位置，使用范围广。
矢量控制：能够独立控制异步电动机的磁场分量和转矩分量，以便得到精确的转矩和电源输出控制幻龙帝国。
2、变频器的功率
电机的功率是最主要的选型依据，同时要注意使用所在地的海拔高度，以及使用环境温度。
海拔越高，则功率要适当放大，大部分的变频器不允许在>3000m海拔的地方使用，在<1000m海拔下使用不必要放大功率，>1000米的则每升高100米则功率放大2%左右。
现场的环境温度越高也需要适当放大功率使用，变频器一般不允许在>60度的环境使用，<50度一般不需要考虑放大功率，当>50度，每升高1度则需要放大2%左右的功率。
3、外围设备的选型
1）电抗器：电抗器分为进线（输入）电抗器和输出电抗器两种，主要作用有： A、提高功率因素
B、限制尖峰电流产生高次谐波的不良影响
C、降低噪音（输出电抗器）
在以下情况需加电抗器：
A、主电源受到严重干扰或过电压
B、主电源的相间电压不平衡度大于额定电压的1.8％
C、变频器的进线阻抗非常低
D、同一条线路上连接多台变频器
2）滤波器：滤波器一般称为信号滤波器，同样分为输入滤波器和输出滤波器两种，安装位置不同以外，功能均为抑制变频器本身产生的噪声信号，降低对周围电器设备的干扰影响西游传，一般控制设备如PLC或者仪表安装在附件的时候建议配置。
3）制动电阻＋制动单元：用于释放紧急停车时变频器出线端产生的再生电，一般在行车中的卷扬中、大惯性需要在短时间内停止等场合要使用。
4）速度闭环卡：当需要进行编码器速度闭环的时候，需要选购速度闭环卡。一般在需要有精确速度控制的场合使用，还有矢量变频器需要在0转速输出满力距的时候也需要使用。
5）其他附件，如通讯卡，I/O卡，编码器反馈卡等等。
关于PID控制一些概念
所谓自动调节控制，是指在生产过程中，对于某一个或若干个物理量进行自动调节的控制。在多数情况下，常常是恒值控制，如恒压控制、恒温控制等。
2、PID控制系统的含义与构成
(1) PID调节的含义
PID调节的全称是比例、积分、微分调节，是闭环控制中一种重要的调节手段，目的是使被控物理量迅速而准确地无限接近于控制目标。从根本上说，是使空气压缩机产生压缩空气的能力(在本系统中，取决于电动机的转速nM)和用户用气量之间保持平衡。
(2) PID调节的控制信号
在实行PID调节时，必须至少有两种控制信号：目标信号
通常也称为目标值或目标给定信号，是与被控物理量的控制目标(如图中之pT)对应的信号, 用XT表示。在图中, XT的大小由电位器RP根据实际要求给定, 接至变频器的给定输入端VRF(当变频器的PID功能有效时, VRF端的作用将自动地由原来的频率给定转变为目标值给定)；
反馈信号
也称为当前值，是通过传感器SP测得的与被控物理量的实际值对应的信号，用XF表示，接至变频器的反馈输入端VPF。
PID调节功能将随时对XF与XT进行比较，以判断是否已经达到预定的控制目标。具体地说，它将根据两者的差值(XT-XF)，利用比例(Ｐ)、积分(Ｉ)、微分(Ｄ)的手段对被控物理量进行调整，直至反馈信号与目标信号基本相等(XT≈XF)，达到预定的控制目标为止。
P(比例)、I(积分)、D(微分)的控制作用
(1) 比例控制
为了减小静差，应尽量增大比例增益，但由于系统有惯性，因此，KP太大了，当XF随着用户用气量的变化而变化时，XG＝KP(XT-XF)有可能一下子增大(或减小)了许多，使变频器的输出频率很容易超调(调过了头)，于是又反过来调整，引起被控量(压力)忽大忽小，形成振荡。
(2) 积分与微分控制
(a) 积分控制
为了消除系统的振荡，引入了积分环节，社区工作计划其目的是：
使给定信号XG的变化与乘积KP(XT-XF)对时间的积分成比。意思是说，尽管KP(XT-XF)一下子增大(或减小)了许多，但XG只能在“积分时间”内逐渐地增大(或减小)，从而减缓了XG的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，XG的变化越慢。只要偏差不消除(ε＝XT-XF≠0)，积分就不停止，从而能有效地消除静差，如图(a)所示。但积分时间(I)太长，又会发生当用气量急剧变化时，被控量(压力)难以迅速恢复的情况。
(b) 微分控制
微分控制是根据偏差变化率的大福州黎明中学小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间望门闺秀，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点，如图(b)所示。
P、I、D功能应用举例：
风机调速的恒温控制
空调机产生的冷空气，由鼓风机经通风管道吹入会议室，使会议室降温血必净，并要求保持恒温状态。图中，RT是测温电阻，TC是温度控制器。
(1)主要特点
会议室的温度越高, 要求进一步降温, 变频器的输出频率(风机的转速)应上升，所以，是正反馈。
变频器有PID调节功能，温度控制器也有PID调节功能，两者都可用，但控制方法稍有区别。
(2) 方案1－采用变频器的PID功能
电路构成：温度控制器仅仅将测温电阻的信号转换成电流信号，作为变频器的反馈信号，接至C1端。温度控制的目标信号由变频器外接的电位器RP给定，从端子12输入。温度控制器的PID功能不用，或只用P功能，如图所示。
工作特点：因为当变频器的PID功能有效时，其“加速时间”和“减速时间”功能将失效，电动机的加、减速过程是由PID调节功能控制的，而鼓风机的惯性较大。所以，在起动过程中容易因过电流而跳闸。但在恒温过程中，由于温度本身的变化比较缓慢，运行是正常的。因此，须注意预置加速过程的“防跳闸”功能。
(3) 方案2－由温度控制器进行PID调节
即变频器的PID功能预置为无效，PID调节由温度控制器来实现。
电路构成：因为温度控制的目标值以及P、I、D的具体设置，都通过温度控制器TC的面板进行给定。所以，温度控制器TC输出的电流信号将直接作为变频器的频率给定信号，如图所示。
工作特点
变频器可根据鼓风机惯性大的特点来预置加、减速的时间和方式。但变频器加、减速时间的加入，相当于延长了积分时间。因此，温度控制器的积分时间可以设置得短一些。
这种方法因为加、减速时间是固定的, 无法与温度控制器的比例增益进行有机的配合，故灵敏度稍低。但由于温度本身的变化比较缓慢，在实际使用中, 并不存在问题黄壁庄水库。
温度控制器中“P”的概念与变频器不同；
变频器中的“P”，就是比例增益，或称放大倍数姑嫂调经丸，用KP表示；
但温度控制器中的“P”, 通常是指比例带, 意思是按比例变化的区域，数值上与KP正好互为倒数。
有关一些变频器基础知识
单相逆变电路工作原理
逆变器的功能：
通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率；
通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序。
三相逆变电路
缺点：
输出电压的谐波分量太大
电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机
转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳
直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题
PWM（Pulse Width Moduration）调制
PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频率可变的电压脉冲列。
SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦。
载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同。
GTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题。

电气传动系统
定义：以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统侯小媛 ，也称交流（直流）电气拖动系统。
构成：
目的
根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩
意义
序号
意义
有代表意义的行业或设备
1
节能
风机、水泵、注塑机
2
提高产品质量
机床、印刷、包装等生产线
3
改善工作环境
电梯、中央空调
注：并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能。
电气传动系统基本工作原理
电力传动系统运动方程式
电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素
加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关

速度模式：
以保持转速恒定为目的，如常规调速系统（电梯、各类生产线）。控制设备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，恒速时电机转矩肯定等于负载转矩。
转矩模式：
以控制电机转矩恒定为目的，如：开卷/收卷，恒速时电机转矩肯定等于负载转矩，曹婴但电机的运转速度不确定。
如果电机转矩始终大于负载转矩，则速度持续上升直至设备限速或损坏
如果电机转矩始终小于负载转矩，则速度为0或最低（下限）速度为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护。
直流电气传动系统特点：
控制对象：直流电动机
控制原理简单，一种调速方式
性能优良，对硬件要求不高
电机有换向电刷（换向火化）
电机设计功率受限
电机易损坏，不适应恶劣现场
需定期维护
交流电气传动系统特点：
控制对象：交流电动机
控制原理复杂，有多种调速方式
性能较差，对硬件要求较高
电机无电刷，无换向火化问题
电机功率设计不受限
电机不易损坏，适应恶劣现场
基本免维护
调速方式名称
控制对象
特点
变极调速
交流异步电动机
有级调速，系统简单，最多4段速
调压调速
无级调速，调速范围窄
电机最大出力能力下降，效率低
系统简单，性能较差
转子串电阻调速
变频调速
交流异步电动机
交流同步电动机
真正无级调速，调速范围宽
电机最大出力能力不变，效率高
系统复杂，性能好
可以和直流调速系统相媲美