變頻器工作原理的工作原理及結(jié)構(gòu)說(shuō)明

交流變頻調(diào)速是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)是一種最有前途的調(diào)速方式。

變頻技術(shù)

變頻技術(shù)是一門(mén)能夠?qū)㈦娦盘?hào)的頻率,按照具體電路的要求，而進(jìn)行變換的應(yīng)用型技術(shù)。

其主要類型有以下幾種：

交—直變頻技術(shù)（即整流技術(shù)）

直—直變頻技術(shù)（即斬波技術(shù)）

直—交變頻技術(shù) （電子振蕩，電力逆變）

交—交變頻技術(shù)（即移相技術(shù)）

變頻器

變頻器是將固定頻率的交流電變換成連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置。英文簡(jiǎn)稱VVVF ( Variable Voltage VariableFrequency），可以是交-直-交，也可以是交-交變頻技術(shù)。變頻器的控制對(duì)象是三相交流異步電機(jī)和三相交流同步電機(jī)。無(wú)論哪種形式都是電能不變化為其他形式的能量，而只是頻率的變化。

變頻器的問(wèn)世，使電氣傳動(dòng)發(fā)生了一場(chǎng)技術(shù)革命，使交流調(diào)速取代了直流調(diào)速。

變頻器工作原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)等功能。

交流低壓交直交通用變頻器系統(tǒng)框圖

變頻器的結(jié)構(gòu)主要有：

主電路(包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器)和控制電路組成。

整流器：將交流電變換成直流的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波，輸入電流非正弦，帶有豐富的諧波。

中間直流環(huán)節(jié)：中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，在它和電動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行無(wú)功功率的交換。逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，輸出電流近似正弦。

控制電路：常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)輸入/輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等，其控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制。目前許多變頻器已經(jīng)采用微機(jī)來(lái)進(jìn)行全數(shù)字控制，采用盡可能簡(jiǎn)單的硬件電路，靠軟件來(lái)完成各種功能。

通過(guò)改變電源的頻率來(lái)達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。

變頻器的分類

1、按調(diào)制方式分

(1)PAM(脈幅調(diào)制)：在整流電路部分對(duì)輸出電壓幅值進(jìn)行控制，而在逆變電路部分對(duì)輸出頻率進(jìn)行控制的控制方式。

(2)PWM(脈寬調(diào)制) ：保持整流得到的直流電壓大小不變的條件下，在改變輸出頻率的同時(shí)，通過(guò)改變輸出脈沖的寬度，來(lái)達(dá)到改變等效輸出電壓的一種方式。

2、按工作原理分

（1）V/F控制：對(duì)變頻器的頻率和電壓同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)

（2）轉(zhuǎn)差頻率控制：為V/F控制的改進(jìn)方式

（3）矢量控制：將交流電機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流并分別加以控制的方式

（4）直接轉(zhuǎn)矩控制：把轉(zhuǎn)矩作為控制量，直接控制轉(zhuǎn)矩，是繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后的一種新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)。

3、按用途分

（1）通用變頻器：能與普通的籠式電動(dòng)機(jī)配套使用，能適應(yīng)各種不同性質(zhì)的負(fù)載并具有多種可供選擇功能

（2）高性能專用變頻器：對(duì)控制要求較高的系統(tǒng)(電梯、風(fēng)機(jī)水泵等)，大多采用矢量控制方式

（3）高頻變頻器：高速電動(dòng)機(jī)配套使用

4、按變換環(huán)節(jié)分

（1）交-交變頻器：把頻率固定的交流電直接變換成頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的交流電。無(wú)中間環(huán)節(jié)，效率高，但連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄。

（2）交-直-交變頻器：先把交流電變成直流電，再把交流電通過(guò)電力電子器件逆變成直流電。優(yōu)勢(shì)明顯，目前廣泛采用的方式。

5、按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式分

（1）電流型：中間環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，無(wú)功功率將由該電感來(lái)緩沖。再生電能直接回饋到電網(wǎng)。

（2）電壓型：中間環(huán)節(jié)采用大電容作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，負(fù)載的無(wú)功功率將由它來(lái)緩沖。無(wú)功能量很難回饋到交流電網(wǎng)。

變頻器的選型原則

考慮變頻器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，變頻器選型保留適當(dāng)?shù)挠嗔渴潜匾?。要?zhǔn)確選型，必須要把握以下幾個(gè)原則：

1、充分了解控制對(duì)象性能要求。一般來(lái)講如對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、調(diào)速精度、調(diào)速范圍要求較高的場(chǎng)合則需考慮選用矢量變頻器，否則選用通用變頻器即可。

2、了解負(fù)載特性，如是通用場(chǎng)合，則需確定變頻器是G型還是P型。

3、了解所用電機(jī)主要銘牌參數(shù)：額定電壓、額定電流。

4、確定負(fù)載可能出現(xiàn)的最大電流，以此電流作為待選變頻器的額定電流。如果該電流小于適配電機(jī)額定電流，則按適配電機(jī)選擇對(duì)應(yīng)變頻器，考慮成本因素。以下情況要考慮容量放大一檔：

長(zhǎng)期高溫大負(fù)荷

異?；蚬收贤C(jī)會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性后果的現(xiàn)場(chǎng)

目標(biāo)負(fù)載波動(dòng)大

現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)長(zhǎng)期偏低而負(fù)載接近額定

繞線電機(jī)、同步電機(jī)或多極電機(jī)（6極以上）

5、充分了解各變頻器支持的選配件是正確選配的基礎(chǔ)。對(duì)于變頻器的選配件選配，必須要把握以下幾個(gè)原則：

（1）以下情況要選用交流輸入電抗器、直流電抗器：民用場(chǎng)合，如：賓館中央空調(diào)、電機(jī)功率大于55KW以上；電網(wǎng)品質(zhì)惡劣或容量偏小的場(chǎng)合；如不選用可能會(huì)造成干擾、三相電流偏差大，變頻器頻繁炸機(jī)

（2）以下情況要選用交流輸出電抗器：變頻器到電機(jī)線路超過(guò)100米（一般原則）

（3）以下情況一般要選用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻：提升負(fù)載；頻繁快速加減速；大慣量（自由停車需要1min以上，恒速運(yùn)行電流小于加速電流的設(shè)備）

變頻技術(shù)的節(jié)能作用

1、變頻節(jié)能：

為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)，在壓力偏高時(shí)，可降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在恒壓的同時(shí)節(jié)約電能。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?N1 變到 N2時(shí)，其電機(jī)軸功率 （P）的變化關(guān)系如下： P2／P1 = （N2/N1）3 ，由此可見(jiàn)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級(jí)的節(jié)能效果。

2、動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)能：

迅速適應(yīng)負(fù)載變動(dòng)，供給最大效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有5000次/秒的測(cè)控輸出功能，始終保持電機(jī)的輸出高效率運(yùn)行。

3、通過(guò)變頻自身的V/F功能節(jié)電：

在保證電機(jī)輸出力矩的情況下，可自動(dòng)調(diào)節(jié)V/F曲線。減少電機(jī)的輸出力矩，降低輸入電流，達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。

4、變頻自帶軟啟動(dòng)節(jié)能：

在電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，由于電機(jī)的啟動(dòng)力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機(jī)額定電流，而大的啟動(dòng)電流即浪費(fèi)電力，對(duì)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)損害也很大，增加了線損和變損。采用軟啟動(dòng)后，啟動(dòng)電流可從0 -- 電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費(fèi)，也減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

5、提高功率因數(shù)節(jié)能：

電動(dòng)機(jī)由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電磁作用而產(chǎn)生力矩。繞組由于其感抗作用。對(duì)電網(wǎng)而言，阻抗特性呈感性，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)吸收大量的無(wú)功功率，造成功率因數(shù)很低。

采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)椋?/p>

AC－－ DC －－AC，在整流濾波后，負(fù)載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對(duì)電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)很高，減少了無(wú)功損耗

根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化要求，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，以獲得合理的電機(jī)運(yùn)行工況。在不同的轉(zhuǎn)速情況下，均保持較高的運(yùn)行效率，不僅降低了電能消耗，同時(shí)能改善啟動(dòng)性能，保護(hù)電機(jī)及負(fù)載設(shè)備免受瞬時(shí)啟動(dòng)的沖擊，延長(zhǎng)其工作壽命，還提高電動(dòng)機(jī)和負(fù)載設(shè)備的工作精確度，實(shí)踐證明，變頻技術(shù)用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制場(chǎng)合取得了顯著的節(jié)電效果，普遍節(jié)電達(dá)到30-50%。

變頻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前最新前沿變頻技術(shù)，分別涉及低電磁噪音、靜音化、專用化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、“易于使用”的模式、參數(shù)趨勢(shì)圖形、內(nèi)置式應(yīng)用軟件、分布式應(yīng)用、參數(shù)自調(diào)整、功能設(shè)置軟件化等技術(shù)。

1、低電磁噪音、靜音化

新型通用變頻器除了采用高頻載波方式的正弦波SPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)靜音化外，還在通用變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正電路APFC，而在逆變電路中采取Soft-PWM控制技術(shù)等，以改善輸入電流波形、降低電網(wǎng)諧波，在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)所謂的清潔電能的變換。

2、專用化

為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速控制技術(shù)的獨(dú)特功能，并盡可能滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的需要，派生了許多專用機(jī)型。如風(fēng)機(jī)水泵空調(diào)專用型、起重機(jī)專用型、恒壓供水專用型、數(shù)控機(jī)床專用型、紡織機(jī)械專用型、同步傳送機(jī)專用型、挖沙船專用型、拉絲機(jī)專用型和空壓機(jī)專用型等專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的專用機(jī)型。

3、系統(tǒng)化

除了發(fā)展單機(jī)的數(shù)字化、智能化、多功能化外，還向集成化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。這些技術(shù)的完成可以使變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置等集成配置，甚至自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通訊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都可以像驅(qū)動(dòng)裝置通常嵌入“全集成自動(dòng)化”系統(tǒng)那樣進(jìn)行，目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)功能。

4、網(wǎng)絡(luò)化

可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內(nèi)裝RS485接口，可由個(gè)人計(jì)算機(jī)向通用變頻器輸入運(yùn)行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等。

5、“易于使用”的模式

機(jī)內(nèi)固化的“調(diào)試指南”會(huì)引導(dǎo)你一步一步地填入調(diào)試表格，無(wú)需記住任何參數(shù)，充分體現(xiàn)了易操作性。

6、參數(shù)趨勢(shì)圖形

參數(shù)趨勢(shì)圖可適時(shí)地顯示各信號(hào)的現(xiàn)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，用戶在調(diào)試過(guò)程中，可隨時(shí)監(jiān)控和記錄運(yùn)行參數(shù)。

7、內(nèi)置式應(yīng)用軟件

可以內(nèi)置多種應(yīng)用軟件，有的品牌可提供多達(dá)130余種的應(yīng)用軟件，以滿足現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的需要，如PID控制軟件、張力控制軟件、速度級(jí)鏈、速度跟隨、電流平衡、變頻器功能設(shè)置軟件、通訊軟件等。

8、分布式應(yīng)用

現(xiàn)代自動(dòng)化工程趨于分布式方案，這就要求智能化設(shè)備必須是模塊化、分布化，并且能與現(xiàn)代機(jī)器設(shè)備集成。這樣不僅會(huì)在生產(chǎn)、機(jī)器設(shè)備調(diào)試和維護(hù)方面帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)，而且為設(shè)備擴(kuò)展帶來(lái)高靈活性。

9、參數(shù)自調(diào)整

用戶只要設(shè)定數(shù)據(jù)組編碼，而不必逐項(xiàng)設(shè)置，通用變頻器會(huì)將運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)整到最佳狀態(tài)。

10、功能設(shè)置軟件化

功能可以在WINDOWS環(huán)境下設(shè)置并下裝，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

變頻調(diào)速這一技術(shù)正越來(lái)越廣泛的深入到行業(yè)中。它的節(jié)能、省力、易于構(gòu)成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢(shì)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)也是改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產(chǎn)出的設(shè)備較多的企業(yè)，采用變頻調(diào)速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益。