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
S
PLC COM
I 0.2
I 0.3I 0.4
I 0.5
I 0.6
I 0.7
I 1.0I 1.5
I 1.2
I 0.1
I 0.0
00.100.300.4
00.500.6
00.0L 00.7
N
COM
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。