SCHNEIDER 140ACI03000 變頻器
張黔豫 180 6446 5927
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變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來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，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。
變頻器也稱為變頻驅(qū)動器或驅(qū)動控制器，可譯作Inverter（和逆變器的英文相同）。變頻器是可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的一種，是應(yīng)用變頻驅(qū)動技術(shù)改變交流電動機(jī)工作電壓的頻率和幅度，來平滑控制交流電動機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩，最常見的是輸入及輸出都是交流電的交流/交流轉(zhuǎn)換器。
在變頻器出現(xiàn)之前，要調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速的應(yīng)用需透過直流電動機(jī)才能完成，不然就是要透過利用內(nèi)建耦合機(jī)的VS電動機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)中用耦合機(jī)使電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速下降，變頻器簡化了上述的工作，縮小了設(shè)備體積，大幅度降低了維修率。不過變頻器的電源線及電動機(jī)線上面有高頻切換的訊號，會造成電磁干擾，而變頻器輸入側(cè)的功率因素一般不佳，會產(chǎn)生電源端的諧波。
變頻器的應(yīng)用范圍很廣，從小型家電到大型的礦場研磨機(jī)及壓縮機(jī)。全球約1/3的能量是消耗在驅(qū)動定速離心泵、風(fēng)扇及壓縮機(jī)的電動機(jī)上，而變頻器的市場滲透率仍不算高。能源效率的顯著提升是使用變頻器的主要原因之一。
變頻器技術(shù)和電力電子有密切關(guān)系，包括半導(dǎo)體切換元件、變頻器拓?fù)洹⒖刂萍澳M技術(shù)、以及控制硬件及固件的進(jìn)步等。
主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。
最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形。控制電路是給異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成。
這是近幾年才發(fā)展起來的一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用模塊化設(shè)計，由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅(qū)動交流電動機(jī)，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器。整套變頻器共有18個功率單元，每相由6臺功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅(qū)動電機(jī)。每臺功率單元電路、結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換，也可以互為備用。變頻器的輸入部分是一臺移相變壓器，原邊Y形連接，副邊采用沿邊三角形連接，共18副三相繞組，分別為每臺功率單元供電。它們被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分，每部分具有6副三相小繞組，之間均勻相位偏移10度。
電壓型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容，負(fù)載的無功功率將由它來緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場合。
電流型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負(fù)載電流變化較大的場合。變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時，除達(dá)到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。
電動機(jī)使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機(jī)調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進(jìn)行整理，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15－－20倍。
電機(jī)硬啟動對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
從理論上講，變頻器可以用在所有帶有電動機(jī)的機(jī)械設(shè)備中，電動機(jī)在啟動時，電流會比額定高5-6倍的，不但會影響電機(jī)的使用壽命而且消耗較多的電量.系統(tǒng)在設(shè)計時在電機(jī)選型上會留有一定的余量，電機(jī)的速度是固定不變，但在實(shí)際使用過程中，有時要以較低或者較高的速度運(yùn)行，因此進(jìn)行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動、補(bǔ)償功率因素、通過改變設(shè)備輸入電壓頻率達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的，而且能給設(shè)備提供過流、過壓、過載等保護(hù)功能。
它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。
矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。
1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
電機(jī)起動時將流過和容量相對應(yīng)的起動電流，電機(jī)定子側(cè)的變壓器產(chǎn)生電壓降，電機(jī)容量大時此壓降影響也大，連接在同一變壓器上的變頻器將做出欠壓或瞬停的判斷，因而有時保護(hù)功能（IPE）動作，造成停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 21、什么是變頻分辨率？有什么意義？ 對于數(shù)字控制的變頻器，即使頻率指令為模擬信號，輸出頻率也是有級給定。這個級差的最小單位就稱為變頻分辨率。 變頻分辨率通常取值為0.015~0.5Hz.例如，分辨率為0.5Hz，那么23Hz的上面可變?yōu)?3.5、24.0 Hz，因此電機(jī)的動作也是有級的跟隨。這樣對于像連續(xù)卷取控制的用途就造成問題。在這種情況下，如果分辨率為0.015Hz左右，對于4級電機(jī)1個級差為1r/min 以下，也可充分適應(yīng)。另外，有的機(jī)種給定分辨率與輸出分辨率不相同。變頻電源的整個電路由交流一直流一交流一濾波等部分構(gòu)成，因此它輸出的電壓和電流波形均為純正的正弦波,非常接近理想的交流供電電源?？梢暂敵鍪澜缛魏螄业碾娋W(wǎng)電壓和頻率。而變頻器是由交流一直流一交流（調(diào)制波）等電路構(gòu)成的,變頻器標(biāo)準(zhǔn)叫法應(yīng)為變頻調(diào)速器。其輸出電壓的波形為脈沖方波,且諧波成分多,電壓和頻率同時按比例變化,不可分別調(diào)整,不符合交流電源的要求。原則上不能做供電電源的使用,一般僅用于三相異步電機(jī)的調(diào)速。
