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变频器技术解析

变频器，英文常称为 Variable-frequency Drive (VFD)，尽管 VFD 也可以指代 Vacuum fluorescent display (真空荧光管)。变频器融合了变频技术与微电子技术，通过调节电机工作电源的频率和幅度，实现对交流电动机的精确控制。值得一提的是，受日本厂商的影响，变频器在中、韩等亚洲地区曾一度被称为 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency Inverter)。

1. 变频器基本概念
VVVF (Variable Voltage Variable Frequency): 指的是改变电压和改变频率，即变压变频。
CVCF (Constant Voltage and Constant Frequency): 指的是恒电压、恒频率，即恒压恒频。

我们的日常生活中，交流电源占据主导地位。无论是家庭用电还是工业用电，单相或三相交流电源的电压和频率都有着严格的国家标准。例如，中国大陆地区规定，单相交流电电压为 220V，三相交流电线电压为 380V，频率统一为 50Hz。而其他国家和地区的标准可能有所不同。我们将电压和频率固定不变的交流电源称为工频交流电。
变频器，顾名思义，就是将工频交流电转换成电压或频率可变的交流电的装置。其工作原理是先将交流电转换为直流电 (DC) ，这个过程被称为“整流”，然后再将直流电 (DC) 转换成交流电 (AC)，这个过程被称为“逆变”。

一般逆变器输出固定频率和电压的交流电。而变频器则可以灵活调节输出的频率和电压。用于电机控制的变频器被称为变频调速器，其输出模拟正弦波，主要用于三相异步电动机的调速。
需要注意的是，变频器输出的波形并非完美的正弦波。如果对波形精度要求较高，例如用于仪器仪表的检测设备，则需要使用变频电源，其价格通常是普通变频器的 15-20 倍。
除了电机控制，变频器还广泛应用于家电产品中，例如空调、荧光灯等。
值得一提的是，汽车上使用的由电池（直流电产生交流电的设备也被称为“逆变器”(inverter)。
变频器的工作原理在各个领域都有着广泛的应用，例如：计算机电源的供电，抑制反向电压、频率波动以及电源瞬间断电等。
2. 变频器常见问题解答

1、什么是变频器？
变频器是一种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。它主要由主电路（整流模块、电解电容和逆变模块和控制电路（开关电源板、控制电路板两部分构成。
2、PWM 和 PAM 的不同点是什么？
PWM (Pulse Width Modulation)：脉冲宽度调制，通过改变脉冲列的脉冲宽度来调节输出量和波形。
PAM (Pulse Amplitude Modulation)：脉冲幅度调制，通过改变脉冲列的脉冲幅度来调节输出量值和波形。
3、电压型与电流型有什么不同？
电压型变频器：将电压源的直流变换为交流，直流回路采用电容滤波。
电流型变频器：将电流源的直流变换为交流，直流回路采用电感滤波。
4、为什么变频器的电压与频率成比例的改变？
异步电动机的转矩与磁通和转子电流成正比。在额定频率下，如果只降低频率而不改变电压，会导致磁通过大，烧毁电机。需要将电压和频率成比例地改变，以保持电机磁通稳定。
5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？
在输出功率相同的情况下，频率下降会导致电流增加。但在转矩一定的条件下，电流基本保持不变。
6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？
(需要根据具体情况进一步说明)

采用可变频率传动（VFD，电机加速时频率和电压相应提高，起动电流被限制在额定电流的150%以下（根据机型而异，为125%~200%。使用工频电源直接起动时，起动电流为额定电流的6~7倍，导致机械和电气冲击。采用 VFD 可以平稳起动（增加起动时间。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为额定转矩的70%~120%；配有转矩自动增强功能的 VFD 的起动转矩为额定转矩以上，可全负载起动。

7、V/f模式是什么意思？

频率降低时电压V也按比例降低，这个问题在回答 4 中已说明。V 与 f 的比例关系是根据电机特性预先设定的，通常会在控制器的存储装置（ROM中预存几种特性，可以使用开关或刻度盘进行选择

8、如果按比例调整 V 和 f，电机的转矩将如何变化？

频率下降时电压完全按比例降低，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，导致低速时产生的转矩倾向于减小。在低频时给出 V/f 比值更大，以提高输出电压，以便获得一定起动转矩，这种补偿称为增强起动。可以采用多种方法实现，有自动进行的方法、选择 V/f 模式或调整电位器等方法

9、说明书上写着变速范围为 60~6Hz，即 10：1，那么 6Hz 以下就没有输出功率了吗？

在 6Hz 以下仍然可以输出功率，但是根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最小使用频率取 6Hz 左右，此时电动机可以输出额定转矩而不会引起严重的过热问题。VFD 实际输出频率（起动频率根据机型为 0.5~3Hz.

10、对于一般电机，是否可以在 60Hz 以上也要求恒定转矩？

通常情况下是不可以的。在 60Hz 以上（也有 50Hz 以上的模式，电压不变，总体上为恒功率特性，在高转速下要求相同转矩时，必须注意电机与 VFD 容量的选择。

11、所谓的开环是什么意思？

为所使用的电机装置设置速度传感器（PG，将实际转速反馈给控制装置进行控制的称为“闭环”，不使用 PG 运转的就叫做“开环”。通用 VFD 大多采用开环方式，也有的机型利用附件可进行 PG 反馈。无速度传感器闭环控制方式是根据建立的数学模型，根据磁通推算电机的实际速度，相当于用虚拟速度传感器形成闭环控制。

12、如果实际转速与给定速度有偏差，该怎么办？

在开环的情况下，即使 VFD 输出给定频率，当电机带负载运行时，电机的转速会变化 1%~5% 在额定转差范围之内。对于要求调速精度较高的场合，即使在负载变化时，也要求接近给定转速运行，可采用具有 PG 反馈功能的 VFD（附件。

13、如果使用带有 PG 的电机，在进行反馈后速度精度能提高吗？

具有 PG 反馈功能的 VFD 可以提高精度。但速度精度的值取决于 PG 本身的精度和 VFD 输出频率的分辨率。

　　14、失速防止功能是什么意思？

如果给定的加速时间过短，VFD 的输出频率变化远大于转速（电角频率的变化，VFD 将因电流过大而跳闸，停止运转，这称为失速。为了防止失速使电机继续运转，需要检测电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速度。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。

　　15、有加速时间和减速时间可以分别给定的机型，与加减速时间共同给定的机型，这有什么意义？

对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合，可以分别给出加减速时间的机型是合适的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，可以共同给出加速时间和减速时间。

16、什么是再生制动？

如果在电机运转期间降低指令频率，电动机将变为异步发电机状态运行，作为制动器工作，这称为再生（电气制动。

17、能否获得更大的制动力？

从电机再生的能量存储在 VFD 的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用 VFD 的再生制动力约为额定转矩的 10%~20%。如果采用附件制动单元，可以达到 50%~100%。

18、请说明 VFD 的保护功能？

保护功能可以分为以下两类：

（1 检测异常状态后自动进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。

（2 检测异常后锁定电力半导体器件 PWM 控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。

19、为什么在使用离合器连续负载时，VFD 的保护功能会动作？

采用离合器连接负载时，连接瞬间，电机从空载状态急剧变化至较大的转差区域，流过的巨大电流导致 VFD 过电流跳闸，无法运转。

20、同一工厂内大型电机同时起动，在运转过程中 VFD 会停止，这是为什么？

电机起动时会流过与容量相对应的大起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量越大，此电压降影响越大，连接在同一变压器上的 VFD 将做出欠压或瞬停判断，因而有时保护功能（IPE动作，导致停止运转。

21、什么是 VFD 分辨率？有什么意义？

对于数字控制的 VFD，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是分级给定的。这个级差的最小单位就称为 VFD 分辨率。

VFD 分辨率通常取值 0.015~0.5Hz。例如，分辨率为 0.5Hz，那么 23Hz 的上面可以变为 23.5、24.0 Hz，因此电机的动作也是分级跟随的。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为 0.015Hz 左右，对于 4 级电机，1 个级差为 1r/min 以下，也可充分适应。有的机型给定分辨率与输出分辨率不相同。

22、安装 VFD 时是否对安装方向有限制？

VFD 的内部和背面的结构考虑了冷却效果，上下位置对于通风也是重要的，对于单元型在盘内、安装在墙上的都取纵向位置，尽可能垂直安装。

23、在不采用软起动的情况下，是否可以将电机直接投入到某个固定频率的 VFD 中？

在低频率下，变频器直接起动电机可行，但频率较高时，需满足同工频电源直接起动条件。否则，电机将因过大起动电流（6~7倍额定电流而无法起动，并触发变频器的过电流保护。

24、使用电机时，超过 60Hz 运转需注意哪些事项？

使用电机超过 60Hz 运转应注意以下事项：

(1)机械性能满足该速运转要求（机械强度、噪声、振动等。（2) 电机进入恒功率输出范围，其输出扭矩应满足工况需求（风机、泵类设备的轴输出功率随转速的立方成正比，因此即使转速略有升高也需注意。(3) 考虑轴承寿命问题，确保充足寿命。（4) 中容量以上电机，特别是 2 极电机，在 60Hz 以上运转时，应与电机制造商仔细沟通。

25、变频器是否支持齿轮电机驱动？

根据减速机的结构和润滑方式，需要注意一些问题。齿轮结构上，一般可将 70~80Hz 作为最大极限；油润滑时，低速连续运转可能导致齿轮损坏。

26、变频器是否可驱动单相电机？是否可用单相电源？

一般情况下，不可用。调速器开关起动式的单相电机在工作点以下调速时，辅助绕组将烧毁；电容起动或电容运转方式的，则可能导致电容器爆炸。变频器电源通常为三相，但小型变频器也有单相电源运转型号。

27、变频器自身功耗是多少？

变频器自身功耗与型号、运行状态、使用频率等有关，难以准确回答。但 60Hz 及以下频率变频器效率约为 94%~96%，可据此推算功耗。内置再生制动式（FR-K变频器在考虑制动损耗后，功耗将增大，在操作盘设计等方面需考虑。

28、为何不能在 6~60Hz 范围内连续运转？

普通电机采用轴外风扇或转子端环叶片进行散热，速度降低时冷却效果下降，无法承受与高速运转相同的发热。低速运转时需降低负载扭矩或选用较大容量的变频器与电机组合，或采用专用电机。

29、使用带制动器电机时的注意事项？

制动器励磁回路电源应取自变频器输入端。若变频器在输出功率时制动器动作，将触发过电流保护。应在变频器停止输出后再启动制动器。

30、使用具备功率因数改善电容器的电机时，为何变频器无法起动电机？

变频器电流流向功率因数改善电容器，其充电电流引起变频器过电流保护 (OCT)，导致无法起动电机。对策是先拆除电容器再启动电机；为改善功率因数，建议在变频器输入端接入交流电抗器。

31、变频器的使用寿命有多长？

变频器虽为静态设备，但也包含消耗性组件，如滤波电容器和冷却风扇。定期维护可延长寿命至 10 年以上。

32、变频器的冷却风扇如何工作？故障后会发生什么？

小型变频器可能无冷却风扇。有风扇的变频器，风向自下而上，因此应确保变频器上方和下方无妨碍吸排气的设备。避免在变频器上方放置怕热组件。风扇故障时，电扇停止检测或风扇过热检测功能会触发保护。

33、滤波电容器作为消耗品，如何判断其寿命？

滤波电容器的静电容量会随时间推移而缓慢衰减。定期测量静电容量，当下降至产品额定容量的 85% 左右时，即可判定寿命已尽。

34、变频器安装方向是否有限制？

应尽可能安装在配电柜内，问题在于全封闭结构的配电柜尺寸较大，占用空间大，成本较高。解决方案有：

（1根据实际装置需求设计散热配电柜；

（2使用铝散热片、翅片冷却剂等方式增加冷却面积；

（3 采用热导管技术。

已开发出背面可外露的变频器型号。

35、使用输送带时，若要将运行速度提高至 80Hz，变频器容量如何选择？

输送带消耗功率与转速成正比，因此若要提高至 80Hz 运行，变频器和电机的功率需按比例提高为 80Hz/50Hz，即增加 60% 容量。

维护和检查时的注意事项：

(1)关闭输入电源后，等待至少 5 分钟再开始检查（直至消电指示发光二极管熄灭，否则存在触电风险。

(2)维修、检查和更换组件须由合格人员进行。（开始工作前，摘除所有金属物品（手表、手镯等，使用绝缘保护工具

(3)禁止擅自改装变频器，否则可能造成触电或损坏产品。

(4)变频器维修前，需确认输入电压正确，将 380V 电源接入 220V 变频器中将导致设备损坏（如爆炸电容器、压敏电阻、模块等。

变频器主要由半导体器件构成，需进行日常检查，避免不利的工作环境（温度、湿度、粉尘和振动以及部件使用寿命引起的其他故障。

检查项目：

(1)日常检查：检查变频器是否按要求运行。在变频器运行时，使用电压表测量其输入和输出电压。

(2)定期检查：检查所有仅在变频器停止时才能检查的部分。

(3)部件更换：部件的寿命很大程度上取决于安装环境条件。