變頻器的工作原理
來源:廣州科譽(yù)
變頻器(Variable-frequency Drive,VFD)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(dòng)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?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(dòng)化程度的不斷提高,變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,對(duì)生產(chǎn)工藝的要求也越來越高,例如加工工藝的高精度要求和高效率要求等。這就要求動(dòng)力機(jī)構(gòu)能夠在工作速度、定位速度、快速啟動(dòng)和制動(dòng)、反轉(zhuǎn)控制及提高動(dòng)力機(jī)構(gòu)能源轉(zhuǎn)換效率等方面有所提高, 但作為系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī), 滿足這些要求是十分困難的 。因此提高電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)對(duì)于整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。
電動(dòng)機(jī)的調(diào)速最早始于機(jī)械系統(tǒng)。最早主要有兩種形式 :一是定速電動(dòng)機(jī) +調(diào)速聯(lián)軸節(jié)或調(diào)速型液力耦合器 ;二是采用變速電動(dòng)機(jī) 。前者是在以定速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)軸上安裝可調(diào)速的聯(lián)軸節(jié)或可調(diào)節(jié)充液量的液力耦合器等等 。采用此類調(diào)速機(jī)構(gòu)不僅響應(yīng)慢、精度較差, 而且效率有所降低。為了提高電動(dòng)機(jī)調(diào)速的性能, 人們通常采用直流發(fā)電機(jī)—直流電動(dòng)機(jī)組, 調(diào)節(jié)輸入電壓便可以改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通常有包括改變電動(dòng)機(jī)極數(shù) 、串接轉(zhuǎn)子電阻和調(diào)定子電壓的方法 。目前交流變頻技術(shù)開始成熟并進(jìn)入實(shí)用化。變頻器是通過變頻技術(shù)開始成熟并進(jìn)入實(shí)用化 。變頻器是通過改變交流電動(dòng)機(jī)輸入交流電源的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的 。用交流變頻器與電動(dòng)機(jī)組成的傳動(dòng)系統(tǒng)從可控性 、快速性 、可靠性等方面都有很大的提高, 從而日益廣泛的應(yīng)用于民用、發(fā)電 、機(jī)械制造 、航天等領(lǐng)域。下面就變頻器的工作原理與實(shí)際應(yīng)用以及其特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹 。
目前,工業(yè)生產(chǎn)中大部分使用的變頻器都是交—直—交型變頻器,將工頻交流電通過整流變成直流電,再把直流電變成頻率、電壓均可控的交流電;根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知,轉(zhuǎn)速正比于頻率,要達(dá)到所需轉(zhuǎn)速,改變電路中的頻率即可;根據(jù)電動(dòng)機(jī)頻率和電壓特性,轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的,在額定頻率下,如果電壓一定而只降低頻率,那么磁通就過大,磁回路飽和,嚴(yán)重時(shí)將燒毀電機(jī),因此,頻率與電壓要成比例地改變,即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓,使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定,避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生,為減少基波、高次諧波對(duì)變頻器及電力電纜的影響,可以在變頻器進(jìn)出側(cè)加裝電抗器,以降低高次諧波造成電纜絕緣的下降不利因素。
交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式:n=60 f ( 1- s ) /p ( 1 )
式中: n —— — 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;
f —— — 異步電動(dòng)機(jī)的頻率;
s —— — 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率;
p —— — 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。
由式( 1 ) 可知, 轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比, 只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 當(dāng)頻率 f在 0~50Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí), 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的, 是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。
以下是變頻器控制方式
低壓通用變頻輸出電壓為 380~650V , 輸出功率為 0.75~400kw , 工作頻率為0~400Hz , 它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。
①U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制( SPWM )控制方式
其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低, 機(jī)械特性硬度也較好, 能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求, 已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
②電壓空間矢量( SVPWM )控制方式
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(chǎng)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。
③ 矢量控制( VC )方式
矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)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 Ia1 、Ib1 , 再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)的勵(lì)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(dòng)機(jī)的控制方法, 求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量, 經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換, 實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。
④ 直接轉(zhuǎn)矩控制( DTC )方式
直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型, 控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī), 因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算; 它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制, 也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
⑤矩陣式交—交控制方式
VVVF 變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低, 諧波電流大, 直流電路需要大的儲(chǔ)能電容, 再生能量又不能反饋回電網(wǎng), 即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此, 矩陣式交—交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié), 從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為 l , 輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行, 系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟, 但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量, 而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。
矩 陣 式 交—交 變 頻 具 有 快 速 的 轉(zhuǎn) 矩 響 應(yīng)(<2ms ), 很高的速度精度( ±2% , 無 PG 反饋), 高轉(zhuǎn)矩精度( <+3% ); 同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度, 尤其在低速時(shí)( 包括 0 速度時(shí)), 可輸出150%~200% 轉(zhuǎn)矩。
參考文獻(xiàn):
《淺析變頻器工作原理及應(yīng)用》.李軍榮
《淺談變頻器的工作原理及其應(yīng)用》.譚新元
《變頻器工作原理與在工程中的應(yīng)用》.張輝
專注于開展工業(yè)電路板維修技術(shù)培訓(xùn)、變頻器維修技術(shù)培訓(xùn)、伺服驅(qū)動(dòng)器維修培訓(xùn)、觸摸屏維修培訓(xùn)、PLC維修培訓(xùn)、工業(yè)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的科技型企業(yè)。
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