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变频器原理与应用第4章变频器的分类及选择教学重点变频器的选择。教学难点变频器的选择。变频器可以任意调节其输出电压频率，实现变频调速，本章仅从变频调速系统方面对变频器的分类及选择进行介绍。４.１变频器的分类1.交—直—交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电。如图4-1(a)、(b)、(c)所示为交—直—交变频器。4.1.1按交流环节分类４.１变频器的分类2.交—交变频器把电网固定频率的交流功率直接转换成频率可调的交流功率(转换前后的相数相同)。通常由三相反并联晶闸管可逆桥式变流器组成。图4-2交—交变频器4.1.2按直流环节的滤波形式分类1.电压型变频器直流环节的储能元件是电容器，如图4-3（a）所示。2.电流型变频器直流环节的储能元件是电感线圈，如图4-3（b）所示。4.1.3按控制方式分类1.电压频率比控制变频器电压频率比控制是为了得到理想的转矩—速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。2.转差频率控制变频器转差频率控制方式是对电压频率比控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。3.矢量控制变频器矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以便对电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。无速度传感器的矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算。4.直接转矩控制变频器直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。它是利用空间电压矢量PWM（SVPWM）通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。直接转矩控制还可用于普通的PWM控制，实行开环或闭环控制。4.1.4按功能分类1.恒转矩变频器恒转矩变频器控制的对象具有恒转矩特性，在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，当用变频器实现恒转矩调速时，必须加大电动机和变频器的容量，以提高低速转矩。恒转矩变频器主要应用于挤压机、搅拌机、传送带、提升机等。2.平方转矩变频器平方转矩变频器控制的对象，在过载能力方面要求较低，由于负载转矩与转速的平方成正比，所以低速运行时负载较轻，并有节能的效果。平方转矩变频器主要应用于风机、泵类。4.1.5按用途分类1.通用变频器通用变频器是指能与普通的笼型异步电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。2.高性能专用变频器高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要求较高的系统，与通用变频器相比，高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式，驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机。3.高频变频器在超精密加工和高性能机械中，常常要用到高速电动机，为了满足这些高速电动机的驱动要求，出现了采用PAM控制方式的高频变频器，其输出频率可达到3kHz。4.1.6按输出电压调制方式分类1.PAM方式PAM方式的特点是变频器在改变输出频率的同时也改变了电压的振幅值。在变频器中，逆变器负责调节输出频率，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压Ud去实现。采用相控整流器调压时供电电源的功率因数随调节深度的增加而变小。采用直流斩波器调压时，供电电源的功率因数在不考虑谐波影响时，功率因数可以达到1。2.PWM方式PWM方式的特点是变频器在改变输出频率的同时也改变了电压的脉冲占空比。PWM只需控制逆变电路便可实现。通过改变脉冲宽度来改变输出电压幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率。这种方式大大减少了负载电流中的高次谐波。4.1.7按输入电源的相数分类1.单相变频器单相变频器框图如图4-4所示。图4-4单相变频器2.三相变频器三相变频器框图如图4-5所示。图4-5三相变频器4.1.8按主开关器件分类1.IGBT变频器由于IGBT开关频率高，可构成静音式变频器，使电动机的噪声降到接近正常工频供电时的水平。电流波形更加正弦化，减小了电动机转矩脉动，且低速转矩大。用于矢量控制时，响应更快。比同容量的BJT变频器体积小，重量轻。2.SCR变频器2.SCR变频器SCR变频器属于电压源型，具有不选择负载的通用性，在不超过变频器容量条件下，可以多电动机并联运行。在确保换流能力足够的条件下，过负载能力较强。多重化连接时，既可以改善波形又可以实现大容量化。3.BJT变频器与SCR变频器相比，BJT变频器不需要换流电路，体积小、重量轻、开关效率高，适用于高频变频和PWM变频，适用于矢量控制，响应较快。4.GTO变频器与BJT变频器相比，GTO变频器的电压、电流等级高，适合于高压、大容量应用场合。与SCR变频器相比，开关频率高，可进行PWM控制，低速特性有很大提高，与SCR变频器相比，其还具有主回路简单，体积小，重量轻和效率高的特点。4.2变频器的选择4.2.1变频器的额定数据在选择变频器时，必须了解变频器的参数，变频器的额定参数数据见表4-1。输入额定电压、频率三相380V、50/60Hz电压允许变动范围320~460V、失衡率＜3℅、频率15℅输出电压0～380V频率0～500Hz过载能力(S2系列)150℅额定电流、1min额定容量/kVA29.639.549.460.073.798.7额定输出电流/A45607591112150适配电动机功率/kW223037455575表4-1变频器的额定参数数据1.输入侧的额定数据1）额定电压在我国，中小容量变频器的输入电压主要有以下几种：（1）380V，三相，绝大多数变频器常用电压。（2）220V，三相，主要用于某些进口设备中。（3）220V，单相，主要用于家用电器中。2）额定频率常见的额定频率是50Hz和60Hz。2.输出侧的额定数据1）额定电压因为变频器的输出电压是随频率而变的，并非常数，所以变频器是以最大输出电压作为额定电压的。一般说来，变频器的输出额定电压总是和输入额定电压大致相等的。2）额定电流额定电流IN是指允许长时间输出的最大电流，是用户选择变频器的主要依据。3）额定容量变频器的额定容量SN由额定电压UN和额定电流IN的乘积决定，其关系式为式中，SN为变频器的额定容量（kVA）；UN为变频器的额定电压（V）；IN为变频器的额定电流（A）。NNN3IUS4）适配电动机功率适配电动机功率PN是指变频器允许配用的最大电动机容量。但由于在许多负载中，电动机是允许短时间过载的，所以说明书中的适配电动机功率仅对连续不变负载才是完全适用的。对于各类变动负载来说，适配电动机功率常常需要降低档次。5）输出频率范围输出频率范围是指变频器输出频率的调节范围。6）过载能力变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围，大多数变频器都规定为额定电流的150％、1min。过载电流的允许时间也具有反时限特性，即如果超过额定电流的倍数不大的话，则允许过载的时间可以延长，如图4-6所示。图4-6变频器过载能力4.2.2变频器容量的计算变频器容量的确定是选择变频器关键的一步，如果容量选择不准确，会造成变频器及电动机发热，也达不到预期的应用效果。选择变频器时，要以电动机容量和电动机的工作状态作为依据合理选择变频器。在实际应用中，常依据以下几个原则来选择变频器。1.连续不变负载运行时变频器的容量计算变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，一旦异步电动机容量和电压确定，就应当根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行过程中可能出现的最大工作电流来计算变频器的容量。但是异步电动机运行方式不相同时，变频器应满足的条件也不一样，变频器容量的计算方法和选择原则也不同，应采用对应的方法进行容量的计算和对应的原则进行选择。2.连续运转方式下变频器的容量连续运行方式通常指负载不频繁加、减速而连续运行的方式。在这种运行场合使用变频器控制异步电动机调速，可以选择变频器的额定工作电流等于电动机的额定工作电流，但考虑到变频器的额定输出电流为脉动电流，比工频供电时电动机的电流要大，所以选择容量时适当留有余地，一般按下式计算IN≥（1.05～1.1）I或IN≥（1.05～1.1）Imax式中，IN为变频器输出额定电流（A）；I为电动机额定电流，（A）；Imax为电动机实测最大工作电流（A）。图4-7变频器输出电流波形图如图4-7所示为变频器输出电流波形图。如果按电动机的实测最大工作电流选取，变频器的容量可以适当减小，如图4-8所示为变频器容量按最大电流选择的曲线。图4-8变频器容量按最大电流选择的曲线3.异步电动机在减速时变频器的容量变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。一般情况下，对于短时的加、减速来说，变频器允许达到额定输出电流的130％～150％（视变频器容量有别）。因此，在短时加、减速时的输出转矩也可以增大；反之，如只需要较小的加、减速转矩时，常常可降低选择变频器的容量。但是由于电流的脉动原因，此时，应将变频器的最大输出电流降低10％后再进行选定，如图4-9所示。图4-9转矩（电流）与速度关系曲线如图4-10所示为电动机的运行曲线，根据异步电动机在加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值的情况，对于异步电动机在频繁加、减速运转时，变频器容量常按下式计算式中，IN为变频器额定输出电流，A；I1、I2、…、I5为各运行状态平均电流（A）；t1、t2、…、t5为各运行状态下的时间（min）；KO为安全系数（运行频繁时取1.2，其他条件时为1.1)。图4-10电动机运转时的特性曲线5.异步电动机直接启动时变频器的容量三相异步电动机直接在工频启动时，启动电流为其工作时额定电流的5～7倍，对于电动机功率小于10kW的容量不大的电机直接启动时，可按下式计算变频器的容量式中，IN为变频器额定输出电流（A）；IK为额定电压、额定频率下电机启动时的堵转电流（A）；Kg为变频器的允许过载倍数，Kg=1.3～1.5。6.异步电动机电流变化不规则时变频器的容量在运行中，由于各种因素，导致电动机电流出现不规则的变化，此时不易获得运行特性曲线。这时计算出的变频器的额定输出电流，必须小于等于电动机在输出最大转矩时的实际电流。式中，IN为变频器额定输出电流（A）；Imax为电动机在输出最大转矩时的实际电流（A）。7.多台电动机由一台变频器控制时变频器的容量一台变频器控制多台电动机工作，且多台电动机并联运行，即成组传动。用一台变频器控制多台电动机并联运转时，对于一小部分电动机先开始启动后，再追加投入其他电动机启动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电动机将产生大的启动电流，此时，变频器容量与同时启动时相比需要大些。（1）在电动机总功率相等的情况下，由多台小功率电动机组成的一方，比台数少但电动机功率较大的一方电动机效率低。因此两者电流总值并不相等，可根据各电动机的电流总值来选择变频器。（2）多台电动机依次直接启动，该启动方式对变频器影响最大。（3）在确定软启动、软停止时，一定要按启动最慢的那台电动机进行确定。（4）如有一部分电动机直接启动时，可按下式进行计算式中，IN为变频器额定输出电流（A）；N1为电动机总台数；N2为直接启动的电动机台数；NK为电动机直接启动时的堵转电流（A）；IK为电动机额定电流（A）。8.电动机带动大惯性负载启动时的变频器容量计算由于负载的情况各种各样，异步电动机带动大惯性负载运行的状态经常存在，往往需要经常使用过载容量大的变频器，而变频器允许过载容量通常多为125％、60s或150％、1min。当异步电动机带动大惯性负载工作，而变频器又控制异步电动机在这种状态下工作，使得变频器工作的过载容量超过允许过载容量，必须增大变频器的容量。