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1、1绪论它以很好的调速、节能性能，在各行各业中获得了广泛的应用。由于其采用软启动，可以 减少设备和屯机的机械冲击，延长设备和屯机的使用寿命。随着科学技术的高速发展，变频 器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到了工业控制的各个领域中，如变频调速在 供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用，保证了调节精度，减轻了工人的劳 动强度，提高了经济效益，但随之也带来了一些干扰问题。现场的供电和用电设备会对变频器产生影响，变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周 围设备的运行。变频器产生的干扰主要有三种：对电子设备的干扰、对通信设备的干扰及对 无线电等产生的干扰。对计算机和自动控制装置等电子设备产生
2、的干扰主要是感应干扰；对 通信设备和无线电等产生的干扰为放射干扰。如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无 法可靠运行，还会影响其他电子、电气设备的正常工作。因此有必要对变频器应用系统中的 干扰问题进行探讨，以促进其进一步的推广应用。2变频器简介2.1变频器的原理2.1.1变频器控制电路组成如下图所示，控制电路由以下电路组成：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 器和屯动机的保护屯路。图2-1变频器控制电路在图1点画线内，无速度检测电路为升环控制，在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机
3、的速度进行控制更精确的闭环控制。主M路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部 分组成。图2.2是它的结构图。7-W:MC希泠电路|见淡电格|滤波电路；明电路|RP图2-2变频器主回路结构图(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) 驭动电路驱动电路是将主控电路中CPU产生的六个PWM信号，经光电隔离和放大后，作为逆变 电路的换流器件(逆变模块)提供驭动信号。对驱动电路的各种要求，因换流器件的不同而异。图2.3是较常见的驱动电路(驱
4、动电 路电源见图24)。图2.3驱动电路图图2.4驱动电路电源图（4）1/0输入输出电路为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入（比如运行、多段速度运行 等）信号，还有各种内部参数的输出“比如电流、频率、保护动作驱动等）信号。（5）速度检测电路以装在异步电动轴机上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算1111路， 根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（6）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。图2-5所示的电路是较典型的过流检测保护电路。由电流取样、信号隔离放大、信号
5、放 大输出三部分组成7X00AEg”图2-5电流检测保护电路2.1.2自由地改变电机的旋转速度N0/ C0/ B0/ A0/图2-6变频器控制电机转速接线图(1) r/min电机转速单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm,如：4极电机60Hz 1800r/min, 4极电机50Hz 1500r/min,电机的转速同频率成比例。交流电动机的同步转速表达式位：n = 60 f(1 s)/p (1)式中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f 在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范
6、围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源 频率实现速度调节的电机极数是固定不变的，极数是一个不连续的数值，为2的倍数。另外，频率是电机供 电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的转速就可以被 自由的控制。n=60f/p,其中n为同步速度、f为电源频率、p为电机极数，改变频率和电压 是最优的电机控制方法。仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题更突出。 为防止电机烧毁，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：为使电机转速减半， 变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz变频器的输出电压就必须从200V改变到100U 2.1.3基本概念(1) VVV
7、F 变压变频(Variable Voltage and Variable Frequency)(2) CVCF 恒压恒率(Constant Voltage and Constant Frequency)各国使用的交流供电电源，其电压和频率通常均为200V/60HZ (50Hz)或100V/60HZ（50Hz）o变频器是把工频电源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， 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 或单相交流屯（AC）。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电， 直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，
8、逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如 矢量控制变频器这种需大量运算的变频器有时还需一个进行转矩计算的CPU以及一些相应 的电路。21.4变频器的分类按主电路工作方式，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按开关方式，分为PAM控 制型、PWM控制型和高载频PWM控制型；按工作原理，分为V/f控制型、转差频率控制型 和矢量控制型等；按用途，分为通用型、高性能专用型、高频型、单相变频器和三相变频器 等。21.5变频器中常用的控制方式低压通用变频输出电压为380-650V,输出功率为0.75400kW,工作频率为0 400Hz,它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历了以下四代。（1）U/f=
9、C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平 滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出 电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性 终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、 控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和 逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们乂研究出矢量控制变频调速。（2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼
10、近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的, 一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后乂有所改进, 即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的 影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有 引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。（3）矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流la、lb、lc、通过 三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流屯流Ia1lb1,再通过按转子磁场定向旋转 变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1 （Im1相当
11、于直流电动机的励磁电流； It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的 控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为 直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子 电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出 具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参 数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制 效果难以达到理想分析的结果。（4）直接转矩控制（DTC）方式1985年，德国鲁
12、尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术 在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优 良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流 传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转 矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算; 它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。（5）矩阵式交一交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交一直一交变频中的一种。其共同 缺点是输入功率因
13、数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量乂不能反馈回 电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交一交变频应运而生。由于矩阵式交一交变频 省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为I,输入 电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多 的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来 实现的。具体方法是：一$制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子
14、磁链、转 子速度进行实时控制；实现BandBand控制按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号，对逆变器开 关状态进行控制。矩阵式交一交变频具有快速的转矩响应（v2ms），很高的速度精度（2%,无PG反馈，高 转矩精度（v+3%）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速 度时），可输出150%200%转矩。2.1.6关于散热的问题变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环 境温度升高10度，变频器使用寿命将减半。若变频器带有直流或交流电抗器，并且也在柜子 里面，发热量会更大。电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。如果有制动电阻的话
15、，制 动电阻的散热量很大，安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。降低控制柜内的发热量的方法有以下儿种：（1）适当地增加机柜的尺寸。要使控制柜尺寸减小，就必须使机柜中产生的热量尽可能地 减少。如：把变频器的散热器部分放到控制柜的外面，将会使70%的发热量释放到机柜的外 面，对大容量变频器更加有效。(2) 可以用隔离板把本体和散热器隔开，使散热器散热不影响变频器木体。(3) 变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横放散热会变差！(4) 功率稍大的变频器，都有冷却风扇。建议在控制柜出风曰安装冷却风扇，进风曰加滤 网防灰尘进入控制柜。控制柜和变频器风扇都是要的，不能相互替代。(5) 在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善 冷却效果理论上变频器也应考虑降容，每1000m降低5%o实际上因为设计时变频器的负 载和散热能力一般比实际使用时要大，所以也要看具体应用。比方说在1500m的地方，但 是周期性负载，如电梯，就不必要降容。(6) 开关频率：变频器的发热主要来自IGBT, IGBT的发热乂集中在开关的瞬间，开关频 率高时发热就大。2.2变频器的应用(1) 注塑机变频调速控制注塑过程一般分为以下步骤：锁模一注射保压一熔胶加料一冷却定型-开模顶针。每
