科普變頻器的相關(guān)知識

　　1、變頻器的概述

　　變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機的電力控制設備。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、驅動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠?jì)炔縄GBT的開(kāi)斷來(lái)調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護等等。隨著(zhù)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用。

　　2、變頻器的工作原理

　　主電路是給異步電動(dòng)機提供調壓調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(lèi)：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(dòng)的“平波回路

　　整流器

　　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成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運轉。

　　平波回路

　　在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。

　　逆變器

　　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(shí)間使6個(gè)開(kāi)關(guān)器件導通、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(kāi)關(guān)時(shí)間和電壓波形。

　　控制電路是給異步電動(dòng)機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動(dòng)機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機的“保護電路”組成。

　?。?）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

　?。?）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

　?。?）驅動(dòng)電路：驅動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關(guān)斷。

　?。?）速度檢測電路：以裝在異步電動(dòng)機軸機上的速度檢測器（tg、plg等）的信號為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動(dòng)機按指令速度運轉。

　?。?）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機損壞

　　3、變頻器的功能作用

　　變頻節能：變頻器節能主要表現在風(fēng)機、水泵的應用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動(dòng)力驅動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當電機不能在滿(mǎn)負荷下運行時(shí)，除達到動(dòng)力驅動(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。風(fēng)機、泵類(lèi)等設備傳統的調速方法是通過(guò)調節入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調節給風(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(mén)的截流過(guò)程中。當使用變頻調速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機的轉速即可滿(mǎn)足要求。

　　電動(dòng)機使用變頻器的作用就是為了調速，并降低啟動(dòng)電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個(gè)過(guò)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(yǔ)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、電壓可調的逆變器我們稱(chēng)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(dòng)機調速用，又叫變頻調速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設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，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價(jià)格的15－－20倍。由于變頻器設備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。

　　變頻不是到處可以省電，有不少場(chǎng)合用變頻并不一定能省電。 作為電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3-5%）。一臺1.5匹的空調自身耗電算下來(lái)也有20-30W，相當于一盞長(cháng)明燈。 變頻器在工頻下運行，具有節電功能，是事實(shí)。但是他的前提條件是：第一、大功率并且為風(fēng)機/泵類(lèi)負載；第二、裝置本身具有節電功能（軟件支持）；這是體現節電效果的三個(gè)條件。除此之外，無(wú)所謂節不節電，沒(méi)有什么意義。如果不加前提條件的說(shuō)變頻器工頻運行節能，就是夸大或是商業(yè)炒作。知道了原委，你會(huì )巧妙的利用他為你服務(wù)。一定要注意使用場(chǎng)合和使用條件才好正確應用，否則就是盲從、輕信而“受騙上當”。

　　功率因數補償節能：無(wú)功功率不但增加線(xiàn)損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線(xiàn)路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

　　軟啟動(dòng)節能：1：電機硬啟動(dòng)對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會(huì )對電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對擋板和閥門(mén)的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不超過(guò)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(cháng)了設備和閥門(mén)的使用壽命。節省了設備的維護費用。2：從理論上講，變頻器可以用在所有帶有電動(dòng)機的機械設備中，電動(dòng)機在啟動(dòng)時(shí)，電流會(huì )比額定高5-6倍的，不但會(huì )影響電機的使用壽命而且消耗較多的電量。系統在設計時(shí)在電機選型上會(huì )留有一定的余量，電機的速度是固定不變，但在實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)要以較低或者較高的速度運行，因此進(jìn)行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實(shí)現電機軟啟動(dòng)、補償功率因素

　　4、變頻器的基本組成

　　變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。

　　整流單元：將工作頻率固定的交流電轉換為直流電。

　　高容量電容：存儲轉換后的電能。

　　逆變器：由大功率開(kāi)關(guān)晶體管陣列組成電子開(kāi)關(guān)，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波。

　　控制器：按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅動(dòng)交流電動(dòng)機。

　　5、變頻器的給定方式

　　變頻器常見(jiàn)的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤(pán)給定、接點(diǎn)信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，須按照實(shí)際所需進(jìn)行選擇設置

　　6、變頻器的控制方式

　　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。

　　第一代

　　1U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）控制方式：

　　其特點(diǎn)是控制電路結構簡(jiǎn)單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著(zhù)，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機硬，動(dòng)態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線(xiàn)會(huì )隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

　　第二代

　　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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以?xún)惹卸噙呅伪平鼒A的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩定度。但控制電路環(huán)節較多，且沒(méi)有引入轉矩的調節，所以系統性能沒(méi)有得到根本改善。

　　第三代

　　矢量控制（VC）方式：

　　矢量控制變頻調速的做法是將異步電動(dòng)機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉子磁場(chǎng)定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動(dòng)機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機的控制方法，求得直流電動(dòng)機的控制量，經(jīng)過(guò)相應的坐標反變換，實(shí)現對異步電動(dòng)機的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，分別對速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨立控制。通過(guò)控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標變換，實(shí)現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀(guān)測，系統特性受電動(dòng)機參數的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機控制過(guò)程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實(shí)際的控制效果難以達到理想分析的結果。

　　第四代

　　直接轉矩控制（DTC）方式：

　　1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術(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(jiǎn)潔明了的系統結構、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。該技術(shù)已成功地應用在電力機車(chē)牽引的大功率交流傳動(dòng)上。 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動(dòng)機的數學(xué)模型，控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動(dòng)機的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機的數學(xué)模型。

　　矩陣式交—交控制方式：

　　VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術(shù)雖尚未成熟，但仍吸引著(zhù)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，而是把轉矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現的。具體方法是：

　　1、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀(guān)測器，實(shí)現無(wú)速度傳感器方式；

　　2、自動(dòng)識別（ID）依靠精確的電機數學(xué)模型，對電機參數自動(dòng)識別；

　　3、算出實(shí)際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；

　　4、實(shí)現Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。

　　矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩響應（《2ms），很高的速度精度（±2%，無(wú)PG反饋），高轉矩精度（《+3%）；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時(shí)（包括0速度時(shí)），可輸出150%～200%轉矩。

　　VVC的控制原理：

　　VVC的控制原理是將矢量調制的原理應用于固定電壓源PWM逆變器。這一控制建立在一個(gè)改善了的電機模型上，該電機模型較好的對負載和轉差進(jìn)行了補償。

　　因為有功和無(wú)功電流成分對于控制系統來(lái)說(shuō)都是很重要的，控制電壓矢量的角度可顯著(zhù)的改善0-12HZ范圍內的動(dòng)態(tài)性能，而在標準的PWM U/F驅動(dòng)中0-10HZ范圍一般都存在著(zhù)問(wèn)題。利用SFAVM或60°AVM原理來(lái)計算逆變器的開(kāi)關(guān)模式，可使氣隙轉矩的脈動(dòng)很?。ㄅc使用同步PWM的變頻器相比）。