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变频器是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电变换成频率连续可调（多数为0-400Hz）的三相交流电源，它首先通过整流将交流变成直流，经过平滑滤波，再经过逆变回路把直流变成不同频率的交流。当用于异步电动机调速时，可使电动机获得无级变速所需要的电压、电流和频率。 变频器可分为电压及电流型二种：电压型是采用较大容量的电容进行滤波，直流回路的电压波形比较平直，输出阻抗很小，电压不易突变，相当于直流恒压源；电流型是采取较大电感的电抗器进行滤波，直流回路的电流波形比较平直，输出阻抗很大，电流不易突变，相当于直流恒流源。 在音乐喷泉系统中，变频器已得到广泛的应用，变频器通过异步电动机（水泵），实现对控制对象的调节控制，主要起到节能、设备的有效运行及维护、降低环境噪声的作用等，收到了很好的效果。为了有效地节能与满足负载的要求，利用变频器进行水泵的调速控制是一种有效的手段。 1、水泵的特性分析 水泵的流量特性随泵的种类而异，一般来说泵的特性，与其阻力矩的平方成正比。图1.1水泵的流量Q与扬程H的关系曲线。泵的运行点是由特性曲线Nn与管路阻力等构成的阻力曲线RI的交点D确定的。采用恒速运行阀门控制时，如果减少流量调整阀门，由于阀门摩擦阻力变大，阻力曲线从R1变到'R1,扬程则从Ho上升到Hl,流量从Qn减小到Q1.
2、变频器应用 水景喷泉中使用变频器，起初是为了避免水型动作的生硬；后来基于变频器的输出频率可以无级调节，使喷泉的水柱高度随着音乐的高低而起伏变化。现如今的水景中，变频器的使用更加广泛，特别是在大型音乐喷泉中，一个变频矩阵就可能使用几百台变频器，形成此起彼伏、变化万千的水体造型。 变频器在水景中的使用分为几种情况，其一：在有机械传动的水型中使用，如：鸽式摇摆、圆弧摇摆、动感孔雀等动水型，摇摆电机如果不用变频器，摇摆的速度无法调节，而且摆动的特别生硬，失去了动水型特有的艺术效果，如果使用变频器，摇摆速度可以无级调节，当音乐低沉时，可以调低变频器的输出，此时水型摇摆得柔美多姿，当音乐激烈高亢时，可以调高变频器的输出，使水型摇摆得刚劲有力，这样一来很好的配合了音乐的节奏，达到了音乐喷泉独有的效果。这种水型的摇摆电机一般为0.55KW,因为机械机构都有一些机械拐点，通过拐点时电流会较大，当距离小于100米时变频器选择1.1KW的，当距离大于100米时变频器选择2.2KW.其二：通过控制变频器的数字输入口的开、关，实行多段速控制，这种情况适用于无音乐信号的控制场合，应用较少，此时如果控制距离不是很远，变频器选择和水泵功率相同即可。其三：用音乐信号间接控制变频器的模拟输入口，通过音乐信号的音乐成分控制变频器的频率输出，进而控制水柱高度。一台变频器可以控制一台水泵，也可以用一台大变频器控制多台水泵同时工作，也可以一台变频器分时控制多台水泵，控制方式极为灵活。近几年来，大型音乐喷泉中，变频器控制的水泵组成一条跑泉，通过变频器的控制形成一条高低起伏的长龙；也可以组成变频矩阵，用不同高度的水柱组合成千变万化的立体造型，这种控制方式中，要求水随曲动，变频器的跟随效果要求很高，上升和下降时间要调到很小，当一台变频器接一台水泵时，一般要选择比水泵大一个功率级别的变频器，如3KW的水泵，要选4KW的变频器，如果是一台大变频器接几台小水泵，因为水泵启动有较大的冲击电流，而且是所有水泵同时启动，变频器选用时余量要较大，如9台1.1的水泵接到一台变频器上，这9台水泵同时启动，建议选择22KW的变频器。 水景工程是耗能大户，一个项目功率动辄几百千瓦，大型音乐喷泉更是上千千瓦，如何既保证人们的观赏需求，又节约日益紧缺的电力资源，变频器的成功运用为水景节能带来了新的机遇。 水泵属于感性负载，直接启动的冲击电流非常大，一般为工作电流的5-6倍，而用变频器启动则可以大大降低启动电流，使电流稳步增长到工作电流，仅启动一次就节约能耗80%以上。 变频器应用于泵负载时，应该注意二个问题： 首先是电动机产生的电磁噪声，利用正弦波PWM变频器控制通用电动机时，会因高次谐波的影响产生噪声。为此可在变频器与电动机之间装设电抗器，约为负载阻抗的3%~4%;也可将u/f降低到与负载相适应的程度，便可使噪声降低5-lOdB;另外可选用低噪声的变频器产品，其低速区域躁声约降低20dB,效果良好。 另一方面是电动机的温升问题，利用正弦波PWM变频器对通用电动机调速时，流过电动机的电流比应用工频电源时的电流约大5%,特别是低速运行时，电动机冷却风扇的能力下降，但当低速时的负载转矩与转速的平方或立方成正比下降时，则可不考虑温升问题。 利用变频器系统软件进行保护，即根据电动机的电流、输出频率、运行时间以及电动机冷却能力等对电动机线圈温度进行监视与控制，则是一种有效的保护方式，这种保护方式随运行频率变化，由于可以自动改变保护特性，故可以在整个控制范围内保护电动机。 3、变频器的安装和使用 1）变频器的安装环境 为了使变频器能稳定地工作，发挥所具有的功能，必须确保安装和使用环境能充分满足IEC标准和国标对变频器所规定环境的允许值。 a变频器安装的房间室内应避免高湿、无水浸的危害； b无爆炸性、燃烧性或腐蚀性气体和液体，粉尘少； c装置容易搬入；d维修检查方便； e应备有通风口或换气装置，以及时排除变频器产生的热量； f在安装空间上，变频器同易受高次谐波和无线电干扰影响的装置分开一定距离摆放。 g变频器宜在电机附近就近安装。 2）变频器使用条件 变频器长期稳定运行必须的环境条件如下： a.周围环境温度：变频器运行的环境温度一般要求为-10~+40℃，如散热条件好（如在配电柜加装排风扇或去掉外壳），则上限温度可提高到达+50℃； b.周围环境湿度：变频器环境相对湿度推荐为40%-90%（无结露现象），周围环境湿度过高，有电气绝缘降低和金属部分的腐蚀问题，湿度过低则容易产生绝缘破坏； c.周围环境气体：变频器在室内安装时，周围不可有腐蚀性、爆炸性或燃烧性气体，还要选择粉尘和油雾少的场所；周围环境如有爆炸性或燃烧性气体存在，变频器内产生火花的继电器和接触器，以及在高温下使用的电阻器等器件，可能引起火灾或爆炸。有腐蚀性气体时，金属部分产生腐蚀，不能保证变频器长期稳定工作的性能；环境中粉尘和油雾多时，在变频器内附着、堆积，将导致绝缘降低；对于强迫冷却方式的变频器，由于过滤器堵塞将引起变频器内温度异常上升，导致变频器不能正常工作。 d.振动：变频器安装环境的振动加速度一般限制在0.3-0.5G以下，振动超过容许值而加在变频器上，将产生结构件紧固部分的松动，接线材料机械疲劳引起疲劳，以及继电器、接触器等的器件误动作，导致变频器不能正常工作。 e.海拔高度：变频器工作环境的海拔高度规定在1000m以下，海拔高则气压下降，容易产生绝缘破坏，关于海拔高度在1000m以上的变频器绝缘没有直接规定，一般认为在1500m耐压降低5%,3000m耐压降低20%;另外海拔高冷却效果也下降，必须注意温升。海拔高度在1000m以上的额定电流值将减小，1500m减小为99%,3000m减小为96%;从1000m开始，每超过100m容许温升下降1%. 3）变频器的安装方法和要求 A.壁挂式安装，由于变频器本身具有较好的外壳，一般情况下允许直接靠墙壁安装，称为壁挂式安装。如图3.1所示：
为了保持通风的良好，变频器与周围阻挡物的距离应符合：两侧≥5cm,上下方≥12cm. 为了改善冷却效果，所有变频器都应垂直安装，为了防止异物掉在变频器的出风口而阻塞风道，最好在变频器出风口的上方加装保护网罩。 B.柜式安装，当周围的尘埃较多时，或和变频器配用的其他控制电器较多而需要和变频器安装在一起日寸，采用柜式安装。柜式安装时的注意事项如下： 1.注意发热和散热问题，变频器的最高允许温度为50℃，一般情况下应考虑设置换气扇，采用强迫换气； 2.应在柜顶加装抽风式冷却风扇，冷却风扇的位置尽量在变频器的正上方，在空气吸入口应设有空气过滤器，在门扉部有屏蔽垫，在电缆引入口设有精梳板，在电缆引入之后密封； 3.因考虑到电源电压的波动，换气扇的选取应留有20%余量； 4.当一个控制柜内装有两台或两台以上变频器时，应尽量并排安装（横向排列），如必须采用纵向排列日寸，则应在两台变频器之间加装横隔板，以避免下面变频器出来的热风进入到上面的变频器内。 如图3.2所示：
4、变频器的接线 1）主电路的接线 a.基本接线：主电路的基本接线如图41所示，图中Q是空气断路器，KM是接触器触点FR是热继电器。R、S、T是变频器的输入端，U、V、W是变频器的输出端，与电动机相连。
b.输入端与输出端接错的严重后果：变频器的输入端与输出端是绝对不允许接错的，万一将电源进线错误地接到了U、V、W端，则不管哪个逆变管导通，都将引起两相间的短路而将逆变管迅速烧坏。如图4.2所示。
c.与工频电源的切换电路：一般地说负载是不允许停机的，在变频器发生故障时，必须迅速将电动机切换到工频电源上，使电动机不停止工作，如图4.3所示，各接触器的控制动作必须满足以下关系： KM1与KM2的关系，因为在一般情况下，是不允许在变频器已经输出一定频率的情况下再接入电动机的，所以必须先由KM2把电动机与变频器的输出端联接起来，然后才允许将KM1接通。 KM2与KM3的关系，由图4.3看出KM2与KM3是绝对不允许同时接通的，因为一旦同时接通，就会把电源线接入到变频器的输出端上，所以两者之间必须有可靠的互锁。 KM1与KM3的关系，当电动机通过KM3直接与工频电源相接时，变频器已没有必要继续通电了，故KM1与KM3之间也安排了互锁。
2）控制电路的接线 a.模拟量信号控制线：模拟量信号控制线主要包括，输入侧的给定信号线和反馈信号线；输出侧的频率信号线和电流信号线。 模拟量信号的抗干扰能力较低，因此必须使用屏蔽线。屏蔽层的靠近变频器的一端，应接控制电路的公共端（COM），但不要接到变频器的地端（E）或大地，屏蔽层的另一端应该悬空。 模拟量信号线布线时还应该遵守，尽量远离主电路100mm以上，尽量不和主电路交叉，必须交叉时，应采取垂直交叉的方式。 b.开关量控制线：包括起动、点动、多档转速控制等的控制线。一般来说模拟量控制线的接线原则也都适应于开关量控制线，但开关量的抗干扰能力较强，故在距离不很远时，可不使用屏蔽线，但同一信号的两根线必须互相绞在一起。 c.大电感线圈的浪涌电压吸收电路：接触器、电磁继电器的线圈及其它各类电磁铁的绕组，都具有很大的电感。在接通或断开的瞬间，由于电流的突变，它们会产生很高的感应电动势，因而在电路内会形成峰值很高的浪涌电压，导致内部控制电路的误动作。所以在所有电感线圈的两端，必须接入吸收电路。在大多数情况下，可采用阻容吸收电路；在直流电路中的电感线圈，也可以只用一个二极管。 5、变频器的接地 所有变频器都专门有一个接地端子，“E”,用户应将此端子与大地相接。当多台变频器频器和其它设备一起接地时，每台设备都必须分别和地线相接，如图5.1所示，不容许将设备的接地端和另一台的接地端相接后再接地。
6、变频器的干扰传播及措施 变频器的输入和输出电流中，都含有很多高次谐波成分，除能构成电源无功损耗的较低波外，还有许多频率很高的谐波成分。它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成它设备的干扰信号。 干扰信号的传播方式主要有： 空中辐射，即以电磁波的方式向外辐射； 线路传播，主要通过电源线进行传播； 电磁感应，通过线间电感而感应； 静电感应，即通过线间电容而感应。 当变频调速系统的容量足够大时，所产生的高频信号将足以对周围各种电子设备的工作形成干扰，将影响周围设备的正常工作。 对于干扰售号的不同传播方式，可以采用相应的抗干扰措施： 1）对于通过感应方式（包括电磁感应和静电感应）传播的干扰信号，主要通过正确地布线和采取屏蔽线来削弱。 2）对于通过线路传播的干扰信号，主要通过增大线路在干扰频率下的阻抗来削弱，实际上是串入小电感，如图6.1所示。它在基频下的阻抗是微不足道的，但对于频率较高的谐波电流，会呈现出很高的阻抗，起到有效的抑制作用。
3）对于通过辐射传播的干扰信号，主要通过吸收的方法来削弱，如图6.2所示。各变频器生产厂家也可以提供专用的“无线电抗干扰滤波器”.
变频器的输出侧除了和受控电动机相接外，和其他设备之间极少有线路上的联系，因此通过线路传播其干扰信号的情况可不予考虑。 在变频器的输出侧和电动机之间串入滤波电抗器LD,可以削弱输出电流中的高次谐波成分，不但起到抗干扰作用，还削弱电动机中由于高次谐波电流引起的附加转矩，改善电动机的运行特性。 必须注意，在变频器的输出侧，绝对不允许使用电容器来吸收高次谐波电流。这时因为在逆变器导通瞬间，会出现峰值很大的充电电流或放电电流，使逆变管损坏。 7、变频器的测量 1）高次谐波对各类测量仪表的影响 电磁式仪表，电磁式仪表的指针偏转角与线圈内通入电流的有效值的平方成正比。当用电磁式仪表测量非正弦电流时，其测量结果为总电流的有效值，用电磁式仪表测量非正弦电压时，由于电压线圈的匝数较多，电感量较大，故流经线圈的高次谐波电流不大。所以用电磁式仪表测量非正弦电压时，所得结果接近与基波值。 整流式仪表，整流式仪表是将被测的交变量整流成直流后再由磁电式仪表进行测量，指针式万用表在测量交流电流和交流电压时，用得就是这种方式。在磁电式仪表里，指针的偏转角与被测量的电流平均值成正比，由于正弦量的波形因数（有效值与平均值之比）为常数，故仪表的刻度可以按比例地刻成为有效值。在测量非正弦量时，就平均值而言，测量的结果是准确的，但因非正弦量的波形因数与正弦量不同，故其指针的读数就不会准确。 热电式仪表，热电式仪表是使被测电流通过热丝，根据热丝产生的温度进行测量。热电式仪表的测量结果与被测电流的平方成正比。所以在测量非正弦量时，其测量结果为被测电流的有效值（热电式仪表一般不用来测量电压）。但热电式仪表有一个很大的缺点，即反应迟钝，故不用于负载经常变动的场合。 电动式仪表，电动式仪表主要用于测量电功率，它有两个线圈，电流线圈和电压线圈。指针的偏转角与电流和电压的乘积成正比。电动式仪表接入变频器的输入端，被测电压是50HZ的正弦波，高次谐波电流与被测电压乘积的平均值等于零，所以指针的偏转角只和有功功率（基波电流的功率）成正比。电动式仪表接于变频器的输出端，被测电压虽然是非正弦波，但电压线圈的匝数多，电感大，故流经电压线圈的电流主要决定于电压的基波成分。与输入端一样，被测电流中的高次谐波电流（输出电流中的高次谐波成分要比输入电流中的高次谐波小得多）与基波电压乘积的平均值为零，故指针的偏转角也和有功功率成正比。 数字式电压表，数字式电压表中没有电压线圈，而是首先对被测电压进行采样和模数转换。变频器的输出电压是经SPWM调制过的系列脉冲波，电压的平均值是通过改变脉冲间的占空比来进行调节的。数字式电压表所采样的将是系列脉冲的峰值，而这些峰值将是不变的，都等于变频器的直流电压值，所以数字式电压表不可能准确地测出SPWM调制后的平均电压。普通的数字式电压表是用来测量工频电压的，而SPWM的调制频率为1.5-15KHz,这将导致采样和模数转换工作的紊乱，所以就连测得系列脉冲的峰值也是不准确的。 2）测量变频器电路时仪表的选择 输入侧：输入电压因是工频正弦电压，各种仪表均可使用。输入电流采用电磁式仪表为宜，热电式仪表也可采用。输入功率可用电动式仪表。 输出侧：输出电压以选用整流式仪表为好，如选用电磁式仪表，则测得是基波电压值，读数偏低。此外绝对不能用数字式电压表。输出电流以选用电磁式仪表为宜，热电式仪表也可用。输出功率仍可用电动式仪表。 3）绝缘电阻的测量 a.外接线路绝缘电阻的测量：为了防止兆欧表的高电压施加到变频器上，在测量外接线路的绝缘电阻时，必须把需要测量的外接线路从变频器上拆下来再进行测量，并应注意检查兆欧表的高电压是否有可能通过其它回路施加到变频器上，应将所有有关的联线全部拆下。 b.变频器主电路绝缘电阻的测量：必须把所有进线端（R、S、T）和出线端（U、V、W）都联接起来后，再测量其绝缘电阻。如图7.1所示。 c.控制电路绝缘电阻的测量：用万用表的高阻档来测量，不要用兆欧表或其它有高电压的仪表进行测量。 8、变频器的调试和运行 1）通电前的检查 a.直观检查：安装环境是否符合要求，是否有阳光直射，环境中是否有水滴、蒸气、粉尘、腐蚀性，易燃性气体、油性灰尘、热源等；装置有无脱落、破损，螺钉、螺帽是否松动，插接件是否确实牢靠，电缆直径、类型是否合适；主回路、控制回路和其他的电气联接是否正确，有无松动；接地线是否可靠；引出线端子接线是否正确；缆线屏蔽层是否正确连接。 b.兆欧表检查：变频器全部外接端子与接地端子间用500V兆欧表测量是否在100兆欧以上。 c.电源电压检查：主回路电源电压是否在容许电源电压值以内。 2）通电和预置 新的变频器在通电前，输出端可先不接电动机，首先要熟悉它，在熟悉的基础上进行各种功能的预置。 a.熟悉键盘，了解键盘上各键的功能，进行试操作，并观察显示的变化情况。 b.按说明书要求进行“起动”和“停止”等基本操作，观察变频器的工作情况是否正常。 c.进行功能设置，按说明书的要求进行功能预置。预置完毕后，先就一些项目进行观察，如升速时间、降速时间、频率值变化等检查变频器的执行情况是否和预置相符合。 d.将外接输入控制接好，逐项检查各外接控制功能的执行情况。 e.检查三相输出电压是否平衡。 3）试运行 变频器在正式投运前应进行试运行，试运行在低频率设置下运行，应注意检查： a.校对旋转方向； b.旋转是否平稳； c.电动机是否有不正常的振动和噪声； d.平滑的增速和减速。 9.故障分析 变频器使用时出现的故障主要有过电流跳闸、过/欠电压跳闸、电动机不转等。 1）过电流跳闸原因分析： a.重新起动升速时跳闸，主要原因有负载侧短路；工作机械卡住；变频器输出逆变管损坏；电动机起动转矩过小，拖动系统转不起来。 b.运行过程（包括升速和降速运行）中跳闸，可能的原因有升速时间设定太短；降速时间设定太短；转矩补偿（U/F比）设定较大，引起低频时空载电流过大；电子热继电器整定不 当，动作电流设定得太小，引起误动作。 2）过/欠电压跳闸原因分析： a.过电压跳闸主要原因有电源电压过高；降速时间设定太短；降速过程中，再生制动的放电单元来不及放电，这时应增加外接制动电阻和制动单元；放电支路发生故障，实际并不放电。 b.欠电压跳闸，可能的原因有电源电压过低；电源缺相；变频器整流桥故障。 3）电动机不转的原因分析： a.功能设置不当，例如上限频率与最高频率或基本频率与最高频率设定矛盾，最高频率的预设置必须大于上限频率和基本频率的预置值； 使用外接给定时，未对“键盘给定/外接给定”的选择进行预置； 其他的不合理预置。 b.在使用外接给定方式时，无“起动”信号。当使用外接给定信号时，必须由起动按钮或其他触点来控制其起动。 |
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