浅谈变频器的工作原理及应用.doc

浅谈变频器的工作原理及应用
　自80年代变频技术在国内兴起以来并得到迅速发展。变频器以其结构简单、可靠性强、调速范围宽等特点被人们认可并应用于各个领域。
　目前广泛应用的低压变频器大多数为交直交过程实现无级调速，即将市电整流滤波再由控制单元经逆变单元逆变为交流输出（如图1所示）。

图1
根据控制原理变频器大致可分为5个部分
一． 整流：将市电AC220V/AC380V经整流桥堆整流滤波后得到直流母线电压DC310V/DC540V，滤波电容的容量根据变频器功率的大小均有不同配置。
二． 充电：因考虑到电容在储能的过程中会产生大电流冲击，在整流桥与电容之间串联一个功率电阻，以限制在充电的瞬间大电流，待电容电压满足母线电压时开关电源工作，旁路接触器吸合（可控硅导通）将该电阻短接。电阻阻值和功率随电容容量变化，电容容量越大则充电电阻功率越大。
三． 逆变：逆变部分现在所用的器件均为IGBT，这种绝缘栅极型功率管，具有大电流、高耐压和功耗小等优点。三相输出由三组共六只IGBT组成，随着控制部分输出的PWM方波有序导通，控制门极限制电压±20V，采用光电耦合器隔离，为了让IGBT可靠关断一般门极控制采用负电压使其截止，正电压导通。如图2所示常态光耦的初级为低电平时门极为-10V关断状态，当控制信号为高电平时门极为+15V导通。六组驱动当中如有任意一组损坏或驱动不良都有可能引起变频器异常（如缺相、输出不平衡等故障）。

图2
四． 能耗：在变频器使用过程中，经常会碰到电机工作在发电状态的情况，发电状态下的电动机所产生的能量均会反馈到变频器，使变频器母线电压升高，如该过程持续则可能导致变频器内部元器件因过电压而烧毁。那么在这种情况下变频器就需要将多余的能量释放，当控制部分检测到变频器母线电压高过阀值，则能耗部分开始工作，直到母线电压低于阀值时关断，从而很好的保护了变频器。目前还有一种更好的方式可将多余的能量反馈给电网，可使资源进一步得到利用。
五． 主控：主控部分主要是由CPU、人机界面、A/D转换及I/O组成。主控部分除了控制变频器输出外还监视本机实时变化以做出相应得保护措施，如过电流保护即负载电流达到电机额定电流2倍时变频器则给出报警型号并停止输出，以更好的保护电机。( 当然还有其它的保护过温度保护、过载保护、缺相保护等等) I/O部分主要是提供与外部设备连接的开关量输入输出信号，以便于和外部设备连接，另外还支持外部通信及模拟量控制。人机部分主要是用来给用户更具不同工艺和不同负载类型设置不同的控制方式，使变频器满足控制条件。像其内置PID、简易PLC等控制让使用者能够更好的发挥与利用。
案例：一个工厂空调冷冻水泵改造的案例，冷冻水循环由冷冻水泵及管道组成，从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻水泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，从而使房间内的温度下降。
该机组共有3台11KW离心泵，常态下2台同时工作，另一台作为备用。在泵的出水口装有电动调节阀，由于冷冻水的流量经常发生变化，引起管道水压的变化较大，为了解决该问题，机组需要不断地调整冷水泵的出水阀开度，以保持管道水压大致恒定，但大多数场合，都是保持出水阀门开度一定，任随压力变化。这样因压力控制精度低，造成能源的浪费极大。
根据流体力学原理，流量Q与转速n的一次方成正比，管压H与转速n的二次方成正比，轴功率与转速n的三次方成正比。当所需流量减少，离心泵转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需流量为额定流量的80%时，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降51.2%；当所需流量为而额定流量的50%时，而轴功率降12.5%。若采用压力控制，定能够取得好的节能效果。
图4
改造后的系统如图4所示，在水泵的出水口加装压力变送器。考虑到现场控制室与水泵距离较远，采用电流型输出的压力变送器，其信号受外界的干扰较小，工作稳定。另外现场3台水泵2台工作1台备用，安全起见，控制部分除了保持现场原有的系统不变外还具有变-工频、泵-泵的切换。即常态下1号泵和2号泵变频工作，当1号变频故障时自动切换到工频工作，当1号泵故障时自动切换到3号备用泵工作，2号泵亦同，变频器采用ABB公司ACS410-11KW，PLC采用西门子S7200主机，加昆仑通态触摸屏。控制部分如图5

现场安装完成后进入调试，控制电路电路的功能调试就不说了（因为在工厂装配完成后已调试完成）。首先在将马达旋转方向调正，变频器设定为PID控制宏，PID目标值设定为0.35Mpa，然后将1号机手动运行，启动后发现响应缓慢，压力变化落差大，随即调整积分和微分值，反映比刚才稍快，但仍有不足，再调整比例增益后效果明显，马达转速随流着量变化而不断调整，压力始终恒定。修正传感器与实际压力的误差，细化变频器的增益、积分和微分值，使管道压力相对稳定的情况下将变频器输出稳定，这样才能使机组和变频相对稳定地工作（2号机亦同）。
冷冻水泵改造后经过工频与变频对比其节能率达到35%，厂商非常满意，随即让我们将冷却水系统及冷却塔风机均实施变频改造。
结束语：因变频器是一个干扰源，还应该考虑到其电磁兼容性的问题。
以上一个简单的改造，在变频器的使用中只能算得上是冰山一角，在国内能源紧缺的情况下，尚有更多的合理的应用等待着我们去拓展。
5